Verfahren und Vorrichtung zur Verbrennung kohlenstoffhaltiger Stoffe

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung eines kohlenstoffhaltigen

Einsatzstoffes unter Verwendung von technisch reinem Sauerstoff als Oxidationsmittel.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Im Folgenden ist unter technisch reinem Sauerstoff ein Gas bzw. ein Gasgemisch zu verstehen, das einen Sauerstoffgehalt zwischen 90 und 100mol-% aufweist. Technisch reiner Sauerstoff wird in erster Linie durch die Zerlegung von Luft erzeugt. Die auf 100mol% fehlenden Anteile werden daher i. Allg. aus Stickstoff und Argon gebildet.

Ein großer Teil der weltweit benötigten elektrischen Energie wird in Kohlekraftwerken erzeugt. Hierbei wird Kohlestaub gewöhnlich bei geringem Unterdruck mit Luft oder - wie beim sog. Oxyfuel-Verfahren - mit einem aus Sauerstoff und Kohlendioxid gebildeten Oxidationsmittel im Reaktionsraum eines Wasserrohrkessels verbrannt. Die Wände des Reaktionsraums werden von Wärmetauschern gebildet, über die die bei der Verbrennung freigesetzte Wärme weitgehend abgeführt und zur Erzeugung und Überhitzung von Wasserdampf genutzt wird. Der überhitzte Dampf wird schließlich in Dampfturbinen auf verschiedene Druckstufen entspannt, die mit einem Generator verbunden sind.

Ein erheblicher Teil der Investitionskosten derartiger Kraftwerke entfällt auf das

Kesselhaus mit dem darin untergebrachten Wasserrohrkessel. Im Falle eines

Kohlekraftwerkes mit 1000 MW elektrischer Leitung besitzt das Kesselhaus bei einer Grundfläche von wenigstens 22x22m ² eine Höhe von mindestens 120m, da alleine der Reaktionsraum eine vertikale Erstreckung von 70-80 m aufweist.

Wird die Verbrennungsluft bzw. das aus Sauerstoff und Kohlendioxid gebildete

Oxidationsmittel gegen reinen Sauerstoff ausgetauscht, erfolgt der Kohleausbrand wesentlich schneller und auf kleinerem Raum. Aufgrund der hohen, bei der

Verbrennung erreichbaren Temperaturen wäre es auch möglich, die

Wärmetauscherflächen des Kessels zu reduzieren, so dass der Platzbedarf und die Investitionskosten für den Kessel bzw. das Kesselhaus drastisch reduziert werden könnten. Allerdings scheitert die großtechnische Umsetzung dieses Konzeptes daran, dass die maximal zulässigen Temperaturen heute verfügbarer Kesselmaterialien weit überschritten würden.

Die Baugröße des Kessels eines Kohlekraftwerks könnte auch reduziert werden, wenn der Druck angehoben wird, bei dem die Verbrennung abläuft. Es werden zwar

Anstrengungen unternommen, derartige Konzepte in größerem Maßstab umzusetzen. Gegenwärtig befinden sie sich jedoch noch im Versuchsstadium.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art sowie eine Vorrichtung zu dessen Umsetzung anzugeben, durch die die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden. Die gestellte Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Verbrennung in wenigstens zwei Schritten durchgeführt wird, wobei in einem

Verbrennungsschritt erzeugtes Produktgas abgekühlt und in einem anderen

Verbrennungsschritt als Brennstoff eingesetzt wird. Damit das in einem Verbrennungsschritt erzeugte Produktgas in einem anderen

Verbrennungsschritt als Brennstoff eingesetzt werden kann, ist es erforderlich, dass das Produktgas oxidierbare Substanzen enthält. Dies wird erreicht, indem das

Produktgas bei unterstöchiometrischen Bedingungen, d.h. mit einer Sauerstoffmenge erzeugt wird, die nicht ausreichend ist, um sämtliche oxidierbaren Bestandteile vollständig zu oxidieren. Enthält der kohlenstoffhaltige Einsatzstoff feste oder flüssige Bestandteile, wie Kohle und/oder Öl, so wird sinnvollerweise im ersten

Verbrennungsschritt eine Sauerstoffmenge eingesetzt, die groß genug ist, um die im Einsatzstoff vorliegenden oxidierbaren Substanzen vollständig in die Gasphase zu überführen, wobei diese Substanzen gleichzeitig jedoch nicht oder nur zu einem Teil vollständig oxidiert werden.

Um zu vermeiden, dass es im ersten Verbrennungsschritt aufgrund der Überführung sämtlicher im kohlenstoffhaltigen Einsatzstoff enthaltener oxidierbarer Substanzen in die Gasphase die maximal zulässige Temperatur im Reaktionsraum, in dem die Oxidation durchgeführt wird, oder in stromabwärts des Reaktionsraums angeordneten Einrichtungen überschritten werden, kann ein Kühlmittel in den Reaktionsraum eingebracht werden, das einen Teil der bei der Oxidation freigesetzten Energie aufnimmt. Die Menge des Kühlmittels, bei dem es sich vorzugsweise um Wasser und/oder Kohlendioxid handelt, ist so bemessen, das die maximal zulässigen

Temperaturen nicht überschritten werden. Die Kühlmittelmenge liegt hierbei zwischen 0 und 150%, bevorzugt zwischen 0 und 100% und besonders bevorzugt zwischen 0 und 50% der Menge des kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffes.

Vorzugsweise wird allenfalls der erste Verbrennungsschritt unter Zuführung eines Kühlmittels durchgeführt, wobei in dem folgenden Verbrennungsschritt oder den folgenden Verbrennungsschritten der zugeführte Brennstoff ausschließlich mit technisch reinem Sauerstoff umgesetzt wird. Die sich hierbei einstellenden

Verbrennungstemperaturen werden in erster Linie durch die Menge des technisch reinen Sauerstoffs bestimmt, die so bemessen wird, dass die maximal zulässigen Temperaturen in dem jeweiligen Reaktionsraum oder in stromabwärts des

Reaktionsraumes angeordneten Einrichtungen nicht überschritten werden.

Erfindungsgemäß kann das gesamte, in einem Verbrennungsschritt erzeugte

Produktgas abgekühlt und als Brennstoff im nächst folgenden Verbrennungsschritt eingesetzt werden. Es ist jedoch auch vorstellbar, dass das in einem

Verbrennungsschritt erzeugte Produktgas abgekühlt und in wenigstens zwei Teilströme aufgeteilt wird, wobei einer der Teilströme als Brennstoff in den nächst folgenden Verbrennungsschritt geführt wird, während der oder die übrigen Teilströme als

Brennstoff in einem oder mehreren weiter stromabwärts angeordneten

Verbrennungsschritten eingesetzt werden.

Falls in einem Verbrennungsschritt ein Produktgas erzeugt wird, das keine

oxidierbaren Stoffe enthält, sieht eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass vorzugsweise vor dessen Ankühlung ein Teil dieses Produktgases abgezweigt und in einem folgenden Verbrennungsschritt als Kühlmittel eingesetzt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Verbrennung einer Vielzahl

kohlenstoffhaltiger Einsatzstoffe geeignet. Bevorzugte Ausgestaltungen sehen jedoch vor, dass ein kohlenstoffhaltiger Einsatzstoff verbrannt wird, der Kohle und/oder Öl und/oder Erdgas und/oder Biomasse und/oder kohlenstoffhaltige Abfall- und/oder Reststoffe enthält.

Zweckmäßigerweise wird der letzte Verbrennungsschritt so durchgeführt, dass die im eingesetzten Brennstoff enthaltenen oxidierbaren Stoffe vollständig oxidiert werden. Bei dem dabei entstehenden Produktgas handelt es sich somit um ein Rauchgas, das im Wesentlichen aus Kohlendioxid und Wasser besteht. Durch die Auskondensierung des Wassers kann auf einfache Weise ein Kohlendioxidstrom bei erhöhtem Druck gewonnen werden, der beispielsweise nach einer weiteren Verdichtung einer

Sequestrierung zugeführt wird.

Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sehen vor, dass in einem Verbrennungsschritt erzeugtes Produktgas in indirektem Wärmetausch gegen Wasser und/oder Wasserdampf oder Thermalöl oder Kühlgas abgekühlt wird.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass ein Verbrennungsschritt bei einem Druck durchgeführt wird, der höher ist als der Atmosphärendruck. Falls das im letzten Verbrennungsschritt erzeugte Rauchgas bei einem oberhalb des Atmosphärendrucks liegenden Druck anfällt, sieht eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass das Rauchgas in einer Nassdampfturbine entspannt wird, um elektrischen Strom zu produzieren. Im Rauchgas enthaltenes Wasser wird bei der Entspannung teilweise auskondensiert.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Verbrennung eines

kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffs mit einer Oxidationseinrichtung, die

Zuführungseinrichtungen für den kohlenstoffhaltigen Einsatzstoff und ein

Oxidationsmittel aufweist, sowie einem Wärmetauscher zur Abkühlung des in der Oxidationseinrichtung erzeugten Produktgases.

Die gestellte Aufgabe wird vorrichtungsseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sie wenigstens zwei Oxidationseinrichtungen mit jeweils zugeordneten

Wärmetauschern aufweist, wobei in einer Oxidationseinrichtung erzeugtes und in einem zugeordneten Wärmetauscher abgekühltes Produktgas stromabwärts als Brennstoff in eine andere Oxidationseinrichtung eingeleitet werden kann.

Vorzugsweise umfasst eine Oxidationseinrichtung wenigstens eine Zuführeinrichtung für einen Brennstoff und wenigstens eine Zuführeinrichtung für ein Oxidationsmittel sowie einen oder mehrere Reaktionsräume, in dem oder in denen eine

Oxidationsreaktion durchführbar ist. Die Wände eines Reaktionsraums bestehen aus feuerfestem Material und/oder sie sind als Wärmetauscher ausgebildet, über den Wärme aus dem Reaktionsraum abgeführt und auf einen Wärmeträger übertragen werden kann. Im einfachsten Fall ist die Oxidationseinrichtung als Rohr ausgeführt, über dessen eines Ende Brennstoff zu- und über dessen anderes Ende Produktgas abgeführt werden kann. Eine Variante der Erfindung sieht vor, dass ein Reaktionsraum als Wärmetauscherpassage ausgeführt ist. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die in Strömungsrichtung erste Oxidationseinrichtung mit einer

Zuführeinrichtung ausgestattet ist, über die Kohle und/oder Öl und/oder Erdgas und/oder Biomasse und/oder kohlenstoffhaltige Abfall- und Reststoffe als Einsatzstoffe einem Reaktionsraum zuführbar sind.

Abgesehen von der in Strömungsrichtung ersten Oxidationseinrichtung, die für die Oxidation von festen und/oder flüssigen kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen vorgesehen sein kann, sind alle übrigen Oxidationseinrichtungen für die Oxidation eines

gasförmigen Brennstoffes, der aus einem in einer stromaufwärts angeordneten Oxidationseinrichtung erzeugten Synthesegas besteht oder ein solches umfasst, ausgelegt.

Besonders bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung. sehen vor, dass jede Oxidationseinrichtung wenigstens eine Zuführeinrichtung aufweist, über die technisch reiner Sauerstoff als Oxidationsmittel in eine Reaktionskammer eingeleitet werden kann.

Bei einem einer Oxidationseinrichtung zugeordneten Wärmetauscher handelt es sich sinnvollerweise um einen Rekuperator. In Abhängigkeit des durch den Wärmetauscher führbaren Wärmeträgers ist er als Wasser- oder Gasvorwärmer oder als Verdampfer oder Überhitzungswärmetauscher ausgeführt.

Durch die Erfindung können sowohl das Brennkammervolumen als auch die

Wärmetauscherflächen im Vergleich zum Stand der Technik erheblich reduziert werden. Wird die Erfindung zur Erzeugung von Prozessdampf eingesetzt, kann außerdem ein Teil der Kondensationswärme aus dem Abgas bei hohem Druck zur Vorwärmung des Kesselspeisewassers genutzt werden. Zur Verdichtung des abgetrennten Kohlendioxids auf einen typischen Abgabedruck ist ein geringerer Energieaufwand erforderlich. Da allenfalls im ersten Verbrennungsschritt ein Kühlmittel zugeführt werden muss, ist die Ausbeute an Hochtemperaturwärme deutlich erhöht, so dass mit einem kohlenstoffhaltigen Einsatzstoff ein höherer Wirkungsgrad bei der Erzeugung elektrischer Energie erzielt werden kann, als dies gegenwärtig

beispielsweise in einem Oxyfuel-Verfahren möglich ist.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Figur 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Das Ausführungsbeispiel zeigt den Dampferzeuger eines Kohlekraftwerks, in dem die eingesetzte Kohle in vier Verbrennungsschritten vollständig umgesetzt wird. Die entstehende Wärme wird dazu genutzt, um überhitzten Wasserdampf zu erzeugen, dessen Energie in elektrischen Strom umgewandelt wird.

In die erste Oxidationseinrichtung B1 werden Kohlepartikel 1 , technisch reiner

Sauerstoff 2 sowie ein Kühlmittel 3 eingebracht. Bei dem Kühlmittel handelt es sich vorzugsweise um Kohlenmonoxid und/oder um Wasser bzw. Wasserdampf. Die Kohleverbrennung wird unterstöchiometrisch durchgeführt, so dass die Kohle zwar vergast, ihre Bestandteile jedoch nur unvollständig oxidiert werden. Das dabei entstehende Produktgas, bei dem es sich eigentlich um ein Synthesegas handelt, besteht somit zu einem erheblichen Teil aus brennbaren Substanzen, insbesondere aus Kohlenmonoxid. Die Größen des Sauerstoffstroms 2 und des Kühlmittelstroms 3 sind so bemessen, dass die Kohle 1 vollständig vergast wird und gleichzeitig über Leitung 4 ein Rauchgas mit einer Temperatur abgezogen werden kann, die zwar hoch ist, in stromabwärts angeordneten Einrichtungen jedoch nicht zu Problemen führt. Das heiße Produktgas 4 wird in dem als Überhitzer ausgeführten Wärmetauscher E1 gegen Wasserdampf 5 abgekühlt, der als überhitzter Dampf 6 einer Dampfturbine (nicht dargestellt) zur Stromerzeugung zugeführt wird.

Der abgekühlte Produktgasstrom 7 wird als Brenngas in die Oxidationseinrichtung B2 weiter geführt, in der es mit technisch reinem Sauerstoff 8, der ebenfalls in

unterstöchiometrischer Menge zugeführt wird, umgesetzt wird. Das dabei entstehende Produktgas 9 wird im Wärmetauscher E2 gegen Wasser oder Dampf 10 abgekühlt, bevor es als Brenngas 11 in die Oxidationseinrichtung B3 eingeleitet wird. Auch hier wird technisch reiner Sauerstoff 12 in unterstöchiometrischer Menge zugeführt, wodurch das über Leitung 13 abgezogene Produktgas ebenfalls noch oxidierbare Stoffe enthält. Das Produktgas 13 wird im Wärmetauscher E3 gegen Wasser 1 abgekühlt und als Brennstoff 15 der Oxidationseinrichtung B4 zugeleitet, in die über Leitung 16 auch technisch reiner Sauerstoff in einer Menge zugeleitet, durch die der Brennstoff 15 vollständig oxidiert wird. Das dabei entstehende Rauchgas 17 wird im Wärmetauscher E4 gegen Frischwasser 18 abgekühlt. Hierbei wird der Taupunkt des im Rauchgas 17 enthaltenen Wassers unterschritten, das daher zumindest teilweise auskondensiert und über Leitung 19 abgeführt wird. In einer weiteren

Kondensationsstufe, die hier nicht dargestellt ist, kann weiteres Wasser auskondensiert werden, so dass der abgekühlte Rauchgasstrom 20 weitgehend aus Kohlendioxid besteht. Im Verdichter V wird der abgekühlte Rauchgasstrom 20 verdichtet und kann über Leitung 21 einer Sequestrierung (nicht dargestellt) zugeführt werden. Ein Teil 3 des verdichteten Kohlendioxids kann zurückgeführt und als Einsatzstoff in die

Brennkammer B1 eingeleitet werden.