DE3525479A1 - Verfahren zum erzeugen von waermeenergie durch verbrennen einer kohlenwasserstoffverbindung und gleichzeitiger wiedergewinnung des in dieser enthaltenen kohlenstoffs - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Wärmeenergie durch Verbrennen einer Kohlenwasserstoffverbindung - beispielsweise Alkohole - in einem Wärmeerzeuger und gleichzeitiger Wiedergewinnung des in der Kohlenwasserstoffverbindung enthaltenen Kohlenstoffs.

Dampf ist sowohl für die Erzeugung von Wärme als auch durch Umwandlung in elektrische Energie der größte sekundäre Energieträger.

Dampf wird im überwiegenden Maße durch Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt.

In zunehmendem Maße wird Dampf auch mittels der Atomenergie hergestellt.

In privaten Haushalten und der gewerblichen Wirtschaft sowie für die Beheizung von Verwaltungen wird Wärme überwiegend durch Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt.

Kraftfahrzeuge, Schiffe und Flugzeuge werden mit Erdölprodukten betrieben.

Der primäre Brennstoff bei all diesen energetischen Prozessen ist der Kohlenstoff.

Die Kohlenstoffreserven unserer Erde sind begrenzt. Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe wird der darin enthaltene Kohlenstoff mit Luftsauerstoff zu CO und CO₂ oxidiert und an die Luft abgegeben. Damit ist der wertvolle Rohstoff Kohlenstoff unwiederbringlich verloren. Darüber hinaus werden bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe - je nach Art des eingesetzten Brennstoffes - giftige Nebenprodukte, wie Schwefelverbindungen, Stickoxide und Blei an die Umwelt abgegeben. Wenn diese Verfahrensweise beibehalten wird, wird unsere Umwelt in absehbarer Zeit völlig zertört sein.

Damit stellt sich die Aufgabe, Dampf und damit Wärme und Strom so zu erzeugen, daß hierbei keinerlei Schadstoffe mehr an die Umwelt abgegeben werden.

Als Lösung für diese Aufgabe wurde bereits ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein reduzierend wirkender gasförmiger primärer Brennstoff und Luft zugeführt und ein sekundärer Brennstoff in einem Wärmeerzeuger verbrannt wird, die Verbrennungsprodukte des Wärmeerzeugers mit dem reduzierend wirkenden gasförmigen primären Brennstoff unter Bildung des sekundären Brennstoffs und einer Kohlenstoffverbindung reduziert werden und ein Überschuß an dieser Kohlenstoffverbindung für eine weitere Verwendung abgenommen wird.

Die Verbrennungsprodukte des Kohlenstoffs und je nach eingesetztem Brennstoff auch Stickoxide werden in einer einen Damperzeuger oder Kessel enthaltenden Anlage so im Kreislauf geführt, daß sie als wiederverwendbare, sogenannte sekundäre Brennstoffe und/oder chemische Rohstoffe anfallen. Damit liegt ein echtes Kohlenstoffrecycling vor.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird als primärer Brennstoff wahlweise Methan, Kohlegas, Erdgas, Spaltgas, Synthesegas, Stadtgas, Kokereigas, Gichtgas sowie Abgase aus chemischen Prozessen, bevorzugt jedoch Methan (Erdgas), eingesetzt. Die genannten Gase, ausgenommen Methan, können auch einer Methanisierung unterworfen werden. Hierbei wird wie folgt verfahren:

Die Verbrennungsprodukte aus einem Damperzeuger, einem Kessel werden zusammen mit dem primären Brennstoff nach Abtrennung von Wasser und Stickstoff katalytischen Prozessen oder einer thermischen Spaltung unterworfen. Es entsteht neuer sekundärer Brennstoff, welcher zur Beheizung des Dampferzeugers dient.

Die Verbrennungsprodukte werden im Kreislauf geführt. Da durch die Zufuhr des primären Brennstoffes Kohlenstoff immer neu zugeführt wird, entsteht in der Anlage im Kreislauf ein Überschuß an Kohlenstoff. Dieser Kohlenstoffüberschuß kann durch primären Brennstoff, bzw. falls vorhanden, mit Wasserstoff katalytisch in sekundären Brennstoff für Kraftfahrzeuge eingesetzt werden.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden dem Wärmeerzeuger der sekundäre Brennstoff und Luft zur Verbrenung zugeführt. Es hat sich nun gezeigt, daß eine Anlage zum Durchführen des vorgeschlagenen Verfahrens weit einfacher und damit mit geringeren Investitionskosten aufgebaut und der Wärmeerzeuger selbst mit höherem Wirkungsgrad betrieben werden kann, wenn statt Luft reiner Sauerstoff zugeführt wird. Zum Erreichen dieses Zieles sieht die vorliegende Erfindung vor, daß die Luft in Stickstoff und Sauerstoff zerlegt, der Sauerstoff mit dem sekundären Brennstoff zu dessen Verbrennung im Wärmeerzeuger zusammengeführt und der Stickstoff für eine weitere Verwendung abgenommen wird.

Die erfindungsgemäße Verbrennung des sekundären Brennstoffes, zum Beispiel CH₃OH mit reinem Sauerstoff anstelle von Luft, ist sinnvoll, wenn wie bei der Erfindung mit reinem Sauerstoff gefahren wird. Bei Verwendung von Sauerstoff muß mit einer erheblich höheren Flammentemperatur gerechnet werden. Dies bedeutet, daß ein Rest von Stickstoff zur vermehrten Bildung von thermischen Stickoxiden führt. Es wird demzufolge eine Luftzerlegungsanlage für die Erzeugung von reinem Sauerstoff installiert. Damit verbindet sich der Vorteil, daß das Nebenprodukt Stickstoff auch in höherer Reinheit anfällt. Im Vergleich mit dem vorgeschlagenen Verfahren entfällt die Gastrennungsanlage und der Volumenstrom der Abgase ist geringer. Für die Verbrennung mit Sauerstoff sind keine Rückführbrenner erforderlich. Es können normale, marktübliche Brenner für die Verbrennung flüssiger Brennstoffe eingesetzt werden. Die verfügbare Wärmemenge verändert sich bei der Verwendung von Sauerstoff gegenüber der Verbrennung mit Luft wie bei dem vorgeschlagenen Verfahren nicht. Der Wirkungsgrad des Kessels erhöht sich jedoch, und zwar um den Betrag, welcher mit dem Luftstickstoffanteil im Abgas abgeführt wird.

Das vorgeschlagene Verfahren läßt sich auch so beschreiben, daß die Verbrennungsprodukte des Wärmeerzeugers in kohlenstoffhaltige - beispielsweise CO und CO₂ - und nicht kohlenstoffhaltige Bestandteile - beispielsweise H₂O - zerlegt werden, eine reduzierend wirkende gasförmige Kohlenwasserstoffverbindung eingeleitet, die kohlenstoffhaltigen Bestandteile mit dieser unter Bildung eines Synthesegases durch eine thermische und/oder katalytische Reaktion reduziert und die gasförmige Kohlenwasserstoffverbindung oxidiert wird, und weiter ein Teil des Synthesegases durch eine heterogene Gaskatalyse in eine flüssige Kohlenwasserstoffverbindung umgesetzt und der Kohlenwasserstoffanteil der kohlenstoffhaltigen Bestandteile im Kreislauf in den Wärmeerzeuger zurückgeführt werden. Es hat sich nun gezeigt, daß das Synthesegas auch als Brennstoff für den Wärmeerzeuger verwandt werden kann. Im einzelnen sieht die Erfindung vor, daß vor der heterogenen Gaskatalyse der andere Teil des Synthesegases abgeleitet und dem Wärmeerzeuger als Brennstoff zugeführt wird. In einer Ausgestaltung dieses Gedankens kann das Synthesegas auch mit reinem Sauerstoff verbrannt werden.

Bei der Verbrennung von Synthesegas ergibt sich eine Einsparung von einem Drittel der Verdichterleistung vor der Syntheseanlage, wovon die Gebläseleistung vor dem Kessel abzuziehen ist. Die Methanol-Synthese-Anlage wird um ein Drittel kleiner, ebenso die damit verbundenen Betriebskosten. Erfolgt die Verbrennung von Synthesegas mit O₂, so vergrößert sich die O₂-Anlage um den Faktor 1,16. Diese Vergrößerung fällt in Anlagen dieser Größenordnung jedoch kaum ins Gewicht. Der Mehrverbrauch an elektrischer Energie beträgt 5.000 KWh. Die unmittelbare Verbrennung von Synthesegas bringt in der Energiebilanz kaum bedeutenden Gewinn. Sie mindert jedoch in erheblichen Umfang die Investitionskosten und Betriebskosten der Gesamtanlage. Berechnungen für die Verbrennung von Methanol behalten ihre Gültigkeit, da diese zum Ausgleich von Methanol - Absatzschwankungen interessant sind.

Am Beispiel der in der Zeichnung schematisch dargestellten Fließbilder werden die Ausführungsformen der Erfindung erläutert. In den Zeichnungen ist:

Fig. 1 eine Darstellung des Prinzips des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei alternative Verfahrensabläufe mit strichlierten Linien wiedergegeben sind,

Fig. 2 eine Darstellung der Verfahrensausgestaltung, bei der Luft zerlegt und der sekundäre Brennstoff mit reinem Sauerstoff verbrannt wird und

Fig. 3 eine Darstellung derjenigen Verfahrensausgestaltung, bei der in dem Wärmeerzeuger Sythesegas mit reinem Sauerstoff verbrannt wird.

Bei sämtlichen als Beispiel gezeigten Verfahrensausgestaltungen wird CH₄ als primärer Brennstoff zugeleitet. Die Verbrennungsrückstände N₂, CO₂ und H₂O, die aus dem den Wärmeerzeuger bildenden Kessel austreten, werden in einem Kühler abgekühlt. Hierbei fällt Wasser als Kondensat an. Als Kühlmittel dient der primäre Brennstoff CH₄, der dadurch für eine spätere Reaktion aufgewärmt wird. Hierdurch wird die Abwärme des Kessels verwertet.

Gemäß der Darstellung in Fig. 1 werden die aus dem Kühler austretenden Gase CO₂ und N₂ in einem Verdichter verdichtet. In der anschließenden Kolonne werden die beiden Gase getrennt. Am Kopf wird Stickstoff N₂ abgezogen. Die Kohlensäure wird in einem Verdampfer entspannt. Der sekundäre Brennstoff CH₃OH wird hier als Heizmittel eingesetzt. Wahlweise kann die Entspannung in einer Entspannungsturbine erfolgen. In dieser wird die Entspannungsenergie in elektrische Energie umgewandelt.

In einem nachfolgenden Reaktor werden das in dem Kühler vorgewärmte Methan und die Kohlensäure in Kohlenmonoxid und Wasserstoff gespalten. Kohlenmonoxid und Wasserstoff werden in einem anschließenden Katalysereaktor - in der Darstellung in der Mitte - zu dem sekundären Brennstoff CH₃OH umgewandelt. Der Prozeß verläuft exotherm. Die hierbei freiwerdende Wärme wird gegen siedendes Wasser isotherm wiedergewonnen und steht als Dampf zur Verfügung.

Der sekundäre Brennstoff CH₃OH wird in dem bereits genannten Verdampfer abgekühlt. Ebenso wird er im Kessel verbrannt. Diesem wird als Sauerstoffträger für die Verbrennung Luft zugeführt. Als Restgas aus dem Reaktor fällt noch Kohlenmonoxid CO an.

Dieses Kohlenmonoxid kann auf verschiedene Weise verwendet werden. Zum Beispiel wird es entlang des gestrichelt eingezeichneten Weges einem Reaktor zugeführt und mit Methan zu Acetaldehyd umgesetzt. Acetaldehyd kann vielseitig in der chemischen Industrie Verwendung finden. Im Beispiel wird in einem Katalysereaktor durch Zugabe von Wasserstoff Äthylalkohol erzeugt. Die Reaktion verläuft exotherm. Der Katalysereaktor wird als Naturumlaufverdampfer isotherm gegen siedendes Wasser gefahren. Die freiwerdende Wärmemenge steht als Dampf zur Verfügung. Der Alkohol kann wahlweise dem Kessel zugeführt werden, wodurch CH₃OH zur weiteren Verwertung frei wird.

Vorstehend wurde ein Reaktor erläutert, in dem das Methan und die Kohlensäure endotherm gespalten werden. Ebenso können das Methan und die Kohlensäure über einem Nickelkatalysator gespalten werden. Dem Reaktor kann auch ein Reaktor nachgeschaltet werden. In diesem werden Kohlenmonoxid und Wasser exotherm in Acetaldehyd und Kohlenmonoxid umgewandelt.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Verfahrensgestaltung ist dem Kessel ein Luftzerleger vorgeschaltet. Dieser zerlegt Luft in Stickstoff und Sauerstoff. Der Sauerstoff wird in den Kessel eingeleitet. Der Stickstoff wird einer weiteren Verwendung zugeführt. In dem Kessel verbrennt das Methanol mit dem Sauerstoff. Gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Verfahrensausgestaltung entfallen hier sämtliche in jener Figur oben rechts dargestellten Aggregate, mit denen im wesentlichen der Stickstoff abgetrennt wurde. Andere Aggregate, die für die Verbrennung des Methanols mit reinem Sauerstoff nicht benötigt und für diese Ausgestaltung nicht üblich sind, sind nicht dargestellt.

Die in Fig. 3 dargestellte Verfahrensausgestaltung gleicht der nach Fig. 2 mit der Abwandlung, daß ein Teil des Synthesegases dem Kessel unmittelbar zwecks Verbrennung mit reinem Sauerstoff zugeführt wird. Deshalb bedarf diese Figur keiner weiteren Erläuterung, da sie im übrigen mit den Fig. 1 und 2 und den dort gezeigten Verfahrensabläufen übereinstimmt.

Zum Schutzbegehren gehören sämtliche neuen Verfahrensschritte, auch wenn sie nicht Inhalt der folgenden Patentansprüche sind.

Claims (3)

1. Verfahren zum Erzeugen von Wärmeenergie und Gewinnen von Kohlenwasserstoffverbindungen mit Zufuhr eines reduzierend wirkenden gasförmigen primären Brennstoffs und Luft, wobei ein sekundärer Brennstoff in einem Wärmeerzeuger verbrannt wird, die Verbrennungsprodukte des Wärmeerzeugers mit dem reduzierend wirkenden gasförmigen primären Brennstoff unter Bildung des sekundären Brennstoffs und einer Kohlenstoffverbindung reduziert werden, und ein Überschuß an dieser für eine weitere Verwendung abgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft in Stickstoff und Sauerstoff zerlegt, der Sauerstoff mit dem sekundären Brennstoff zu dessen Verbrennung zusammengeführt und der Stickstoff für eine weitere Verwendung abgenommen wird.

2. Verfahren zum Erzeugen von Wärmeenergie durch Verbrennen einer Kohlenwasserstoffverbindung - beispielsweise Alkohole - in einem Wärmeerzeuger und gleichzeitiger Wiedergewinnung des in der Kohlenwasserstoffverbindung enthaltenen Kohlenstoffs, wobei die Verbrennungsprodukte des Wärmeerzeugers in kohlenstoffhaltige - beispielsweise CO und CO₂ - und nicht kohlenstoffhaltige Bestandteile - beispielsweise H₂O - zerlegt werden, eine reduzierend wirkende gasförmige Kohlenwasserstoffverbindung eingeleitet, die kohlenstoffhaltigen Bestandteile mit dieser unter Bildung eines Synthesegases durch eine thermische und/oder katalytische Reaktion reduziert und die gasförmige Kohlenwasserstoffverbindung oxidiert wird, und mit Umsetzen eines Teiles des Synthesegases durch eine heterogene Gaskatalyse in eine flüssige Kohlenwasserstoffverbindung und Rückfahren des Kohlenstoffanteils der kohlenstoffhaltigen Bestandteile im Kreislauf in den Wärmeerzeuger, dadurch gekennzeichnet, daß vor der heterogenen Gaskatalyse der andere Teil des Synthesegases abgeleitet und dem Wärmeerzeuger als Brennstoff zugeführtwird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Synthesegas mit reinem Sauerstoff verbrannt wird.