Kohlevergasung - Coal gasification

Kohlevergasung ist der Prozess der Herstellung von Synthesegas – einer Mischung, die hauptsächlich aus Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H 2 ), Kohlendioxid (CO 2 ), Erdgas ( CH 4 ) und Wasserdampf (H 2 O) besteht – aus Kohle und Wasser , Luft und/oder Sauerstoff.

In der Vergangenheit wurde Kohle vergast, um Kohlegas zu produzieren , das auch als "Stadtgas" bekannt ist. Kohlegas ist brennbar und wurde vor der groß angelegten Förderung von Erdgas aus Ölquellen zum Heizen und für die kommunale Beleuchtung verwendet.

In der gegenwärtigen Praxis dienen großtechnische Kohlevergasungsanlagen hauptsächlich der Stromerzeugung oder der Produktion von chemischen Rohstoffen. Der aus der Kohlevergasung gewonnene Wasserstoff kann für verschiedene Zwecke verwendet werden, z. B. zur Herstellung von Ammoniak , zur Förderung einer Wasserstoffwirtschaft oder zur Veredelung fossiler Brennstoffe.

Alternativ kann aus Kohle gewonnenes Synthesegas durch zusätzliche Behandlung in Verkehrskraftstoffe wie Benzin und Diesel umgewandelt werden , oder in Methanol, das selbst als Verkehrskraftstoff oder Kraftstoffadditiv verwendet werden kann oder das in Benzin umgewandelt werden kann .

Erdgas aus der Kohlevergasung kann bis zur Verflüssigung als Brennstoff im Verkehrssektor abgekühlt werden .

Geschichte

In der Vergangenheit wurde Kohle zu Kohlegas umgewandelt, das zu den Kunden geleitet wurde, um sie zum Beleuchten, Heizen und Kochen zu verbrennen. Hohe Öl- und Erdgaspreise führten zu einem verstärkten Interesse an „BTU Conversion“-Technologien wie Vergasung , Methanisierung und Verflüssigung. Die Synthetic Fuels Corporation war ein von der US-Regierung finanziertes Unternehmen, das 1980 gegründet wurde, um einen Markt für Alternativen zu importierten fossilen Brennstoffen (wie Kohlevergasung) zu schaffen. 1985 wurde die Gesellschaft eingestellt.

Frühgeschichte der Kohlegasförderung durch Karbonisierung

Gasbeleuchtung im historischen Zentrum von Breslau , Polen

Der flämische Wissenschaftler Jan Baptista van Helmont benutzte den Namen "Gas" in seinen Ursprüngen der Medizin ( ca.  1609 ), um seine Entdeckung eines "wilden Geistes" zu beschreiben, der aus erhitztem Holz und Kohle entwich und sich "wenig vom Chaos der Die Alten". Ähnliche Experimente wurden 1681 von Johann Becker aus München und 1684 von John Clayton aus Wigan , England, durchgeführt. Letzterer nannte es "Geist der Kohle". William Murdoch (später bekannt als Murdock) entdeckte neue Wege zur Herstellung, Reinigung und Speicherung von Gas. Unter anderem beleuchtete er 1792 sein Haus in Redruth und sein Cottage in Soho, Birmingham , den Eingang zum Gelände der Manchester Police Commissioners 1797, das Äußere der Fabrik von Boulton and Watt in Birmingham und eine große Baumwollspinnerei in Salford . Lancashire im Jahr 1805.

Professor Jan Pieter Minckeleers beleuchtete 1783 seinen Hörsaal an der Universität von Louvain und Lord Dundonald beleuchtete 1787 sein Haus in Culross , Schottland, wobei das Gas in versiegelten Gefäßen von den örtlichen Teerwerken transportiert wurde. In Frankreich patentierte Philippe le Bon 1799 einen Gaskamin und demonstrierte 1801 die Straßenbeleuchtung. Weitere Demonstrationen folgten in Frankreich und in den Vereinigten Staaten, aber es ist allgemein anerkannt, dass die erste kommerzielle Gasanlage von London und Westminster Gas Light gebaut wurde und Coke Company in der Great Peter Street im Jahr 1812 verlegte Holzrohre, um die Westminster Bridge an Silvester 1813 mit Gaslichtern zu beleuchten . 1816 gründeten Rembrandt Peale und vier andere die Gas Light Company of Baltimore , das erste industriell hergestellte Gasunternehmen in Amerika. 1821 wurde in Fredonia, New York , Erdgas kommerziell genutzt . Das erste deutsche Gaswerk wurde 1825 in Hannover gebaut und 1870 gab es in Deutschland 340 Gaswerke, die Stadtgas aus Kohle, Holz, Torf und anderen Materialien herstellten.

Die Arbeitsbedingungen in den Horseferry Road Works der Gas Light and Coke Company in London in den 1830er Jahren wurden von einer französischen Besucherin, Flora Tristan, in ihren Promenades Dans Londres beschrieben :

Auf jeder Seite wurden zwei Reihen von Öfen angezündet; die Wirkung war der Beschreibung von Vulkans Schmiede nicht unähnlich , außer dass die Zyklopen von einem göttlichen Funken beseelt wurden, während die düsteren Diener der englischen Öfen freudlos, still und benommen waren.... Der Vorarbeiter sagte mir, dass Heizer ausgewählt wurden zu den Stärksten gehören, aber trotzdem alle nach sieben oder acht Jahren der Arbeit schwindsüchtig wurden und an Lungenschwindsucht starben. Das erklärte die Traurigkeit und Apathie in den Gesichtern und jede Bewegung der Unglücklichen.

Die erste öffentliche Gasversorgung erfolgte 1807 an 13 Gaslampen mit jeweils drei Glaskugeln entlang der Pall Mall in London. Das Verdienst geht dabei auf den Erfinder und Unternehmer Fredrick Winsor und den Klempner Thomas Sugg zurück , die die Rohre. Das Aufgraben von Straßen zum Verlegen von Rohren erforderte eine Gesetzgebung, was die Entwicklung von Straßenbeleuchtung und Gas für den Hausgebrauch verzögerte. Währenddessen installierten William Murdoch und sein Schüler Samuel Clegg Gasbeleuchtung in Fabriken und Arbeitsplätzen, ohne auf solche Hindernisse zu stoßen.

Frühgeschichte der Kohlegasförderung durch Vergasung

In den 1850er Jahren verfügte jede kleine bis mittelgroße Stadt über ein Gaswerk zur Straßenbeleuchtung. Abonnierte Kunden könnten auch Leitungen zu ihren Häusern haben. Zu dieser Zeit wurde die Gasbeleuchtung akzeptiert. Gaslicht sickerte bis in die Mittelschicht und später kamen Gaskocher und -öfen hinzu.

Die 1860er Jahre waren das goldene Zeitalter der Kohlegasförderung. Wissenschaftler wie Kekulé und Perkin haben die Geheimnisse der organischen Chemie gelüftet, um die Entstehung und Zusammensetzung von Gas zu enthüllen. Daraus kamen bessere Gaspflanzen und Perkins violette Farbstoffe, wie zum Beispiel Mauveine . In den 1850er Jahren wurden Verfahren zur Herstellung von Produktionsgas und Wassergas aus Koks entwickelt. Unangereichertes Wassergas kann als Blauwassergas (BWG) bezeichnet werden.

Mondgas , in den 1850er Jahren von Ludwig Mond entwickelt , war Produktionsgas aus Kohle statt Koks. Es enthielt Ammoniak und Kohlenteer und wurde verarbeitet, um diese wertvollen Verbindungen zurückzugewinnen.

Blaues Wassergas (BWG) brennt mit einer nicht leuchtenden Flamme, was es für Beleuchtungszwecke ungeeignet macht. Carburetted Water Gas (CWG), entwickelt in den 1860er Jahren, ist BWG, angereichert mit Gasen, die durch das Sprühen von Öl in eine heiße Retorte gewonnen werden. Es hat einen höheren Heizwert und brennt mit einer leuchtenden Flamme.

Der Vergaser-Wasser-Gas-Prozess wurde 1875 von Thaddeus SC Lowe verbessert . Das Gasöl wurde durch Thermocracking im Vergaser und Überhitzer des CWG-Generators im BWG fixiert. CWG war von den 1880er bis in die 1950er Jahre die dominierende Technologie in den USA und ersetzte die Kohlevergasung. CWG hat einen CV von 20 MJ/m 3 , also etwas mehr als die Hälfte von Erdgas.

Entwicklung der Kohlegasindustrie in Großbritannien

Das Aufkommen von Glühlampen Gasbeleuchtung in Fabriken, Wohnungen und in den Straßen, zu ersetzen Öllampen und Kerzen mit stetigem klaren Licht, fast passendes Tageslicht in seiner Farbe, die Nacht zum Tag für viel Herstellungsnachtschichtarbeit in der Industrie möglich , wo das Licht war alles wichtig – beim Spinnen , Weben und Konfektionieren von Kleidungsstücken usw. Die gesellschaftliche Bedeutung dieses Wandels ist für Generationen, die mit der Beleuchtung nach Einbruch der Dunkelheit auf Knopfdruck zur Verfügung stehen, schwer zu erkennen. Nicht nur die industrielle Produktion wurde beschleunigt, sondern auch die Straßen sicher gemacht, der soziale Verkehr erleichtert und das Lesen und Schreiben verbreiteter. In fast jeder Stadt wurden Gaskraftwerke gebaut, die Hauptstraßen hell erleuchtet und die meisten städtischen Haushalte mit Gas versorgt. Die Erfindung des Gaszählers und des Vorauszahlungszählers in den späten 1880er Jahren spielte eine wichtige Rolle beim Verkauf von Stadtgas an Haushalts- und Gewerbekunden.

1934 Gaskocher in England

Die Aus- und Weiterbildung der großen Belegschaft, die Versuche , Herstellung und veranlassten die Gründung von Verbänden der Gasmanager, zunächst zwischen Versorgungsunternehmen Geschäftspraktiken und die moderierende der kommerziellen Konkurrenz zu standardisieren Schottland im Jahr 1861. Eine British Association of Gas Manager gebildet wurde in 1863 in Manchester und hier wurde nach einer bewegten Geschichte das Institute of Gas Engineers (IGE) gegründet. 1903 initiierte die wiederaufgebaute Institution of Civil Engineers (ICE) Kurse für Studenten der Gasherstellung im City and Guilds of London Institute . Dem IGE wurde 1929 die Royal Charter verliehen. Die Universitäten reagierten nur langsam auf die Bedürfnisse der Industrie und erst 1908 wurde der erste Lehrstuhl für Kohlegas- und Kraftstoffindustrie an der Universität von Leeds gegründet . 1926 eröffnete die Gas Light and Coke Company das Watson House neben den Nine Elms Gasplants. Zunächst war dies ein wissenschaftliches Labor . Später umfasste es ein Zentrum für die Ausbildung von Lehrlingen, aber sein größter Beitrag zur Branche waren seine Gasgeräte-Prüfeinrichtungen, die der gesamten Branche, einschließlich der Gasgerätehersteller, zur Verfügung gestellt wurden. Mit dieser Einrichtung hat die Industrie nicht nur Sicherheits-, sondern auch Leistungsstandards sowohl für die Herstellung von Gasgeräten als auch für deren Service in den Wohn- und Geschäftsräumen der Kunden festgelegt.

Während des Ersten Weltkriegs waren die Nebenprodukte der Gasindustrie, Phenol , Toluol und Ammoniak sowie schwefelhaltige Verbindungen wertvolle Bestandteile für Sprengstoffe . Viel Kohle für die Gaswerke wurde auf dem Seeweg verschifft und war anfällig für feindliche Angriffe. Die Gasindustrie war vor dem Krieg ein großer Arbeitgeber von hauptsächlich männlichen Angestellten. Doch mit dem Aufkommen der Schreibmaschine und der weiblichen Schreibkraft wurde ein weiterer wichtiger gesellschaftlicher Wandel vollzogen, der im Gegensatz zur Beschäftigung von Frauen in der Kriegsindustrie nachhaltige Auswirkungen haben sollte.

Die Zwischenkriegsjahre waren geprägt von der Entwicklung der kontinuierlichen vertikalen Retorte, die viele der chargenbeschickten horizontalen Retorten ersetzte. Es gab Verbesserungen bei der Lagerung, insbesondere dem wasserlosen Gasbehälter , und der Verteilung mit dem Aufkommen von 2–4  Zoll Stahlrohren, um Gas mit bis zu 50 psi (340 kPa) als Zuleitungsnetz im Vergleich zu den traditionellen Gusseisenrohren zu transportieren, die durchschnittlich arbeiten von 2–3  Zoll Wassersäule (500–750 Pa ). Benzol als Treibstoff für Fahrzeuge und Steinkohlenteer als Hauptrohstoff für die aufstrebende organisch-chemische Industrie bescherten der Gasindustrie beträchtliche Einnahmen. Erdöl verdrängte Steinkohlenteer als Hauptrohstoff der organisch-chemischen Industrie nach dem Zweiten Weltkrieg, und der Verlust dieses Marktes trug zu den wirtschaftlichen Problemen der Gasindustrie nach dem Krieg bei.

Im Laufe der Jahre hat sich eine Vielzahl von Geräten und Anwendungen für Gas entwickelt. Gasöfen , Gasherde , Kühlschränke , Waschmaschinen , Handeisen , pokers für die Beleuchtung Kohlebrände, gasbeheizten Bäder , ferngesteuert Cluster von Gaslaternen , Gasmotoren verschiedenen Typen und in späteren Jahren, Gas Warmluft und Warmwasserzentral Heizung und Klimatisierung , die alle einen immensen Beitrag zur Verbesserung der Lebensqualität in Städten und Gemeinden weltweit leisteten. Die Entwicklung der elektrischen Beleuchtung , die aus der öffentlichen Versorgung bereitgestellt wurde, hat das Gaslicht ausgelöscht, außer wo Farbabstimmung wie in Kurzwarengeschäften praktiziert wurde .

Prozess

Schema eines Lurgi-Vergasers

Bei der Vergasung wird die Kohle mit Sauerstoff und Wasserdampf (Wasserdampf) durchgeblasen und gleichzeitig erhitzt (und teilweise unter Druck gesetzt). Wenn die Kohle durch externe Wärmequellen erhitzt wird, wird der Prozess als "allotherm" bezeichnet, während der "autotherme" Prozess die Erwärmung der Kohle durch exotherme chemische Reaktionen im Inneren des Vergasers selbst voraussetzt. Es ist wesentlich, dass das zugeführte Oxidationsmittel für eine vollständige Oxidation (Verbrennung) des Brennstoffs nicht ausreicht. Bei den genannten Reaktionen oxidieren Sauerstoff- und Wassermoleküle die Kohle und erzeugen ein gasförmiges Gemisch aus Kohlendioxid (CO 2 ), Kohlenmonoxid (CO), Wasserdampf (H 2 O) und molekularem Wasserstoff (H 2 ). (Einige Nebenprodukte wie Teer, Phenole usw. sind auch mögliche Endprodukte, abhängig von der verwendeten spezifischen Vergasungstechnologie.) Dieser Prozess wurde in-situ in natürlichen Kohleflözen (als unterirdische Kohlevergasung bezeichnet ) und in Kohle durchgeführt Raffinerien. Das gewünschte Endprodukt ist normalerweise Syngas (dh eine Kombination von H 2 + CO), aber das produzierte Kohlegas kann auch weiter raffiniert werden, um zusätzliche Mengen an H 2 zu produzieren :

3C (dh Kohle) + O 2 + H 2 O → H 2 + 3CO

Wenn die Raffinerie Alkane produzieren möchte (dh Kohlenwasserstoffe, die in Erdgas , Benzin und Dieselkraftstoff vorhanden sind ), wird das Kohlegas in diesem Zustand gesammelt und zu einem Fischer-Tropsch-Reaktor geleitet. Wenn jedoch Wasserstoff das gewünschte Endprodukt ist, durchläuft das Kohlegas (hauptsächlich das CO-Produkt) die Wassergas-Shift-Reaktion, bei der durch zusätzliche Reaktion mit Wasserdampf mehr Wasserstoff produziert wird:

CO + H 2 O → CO 2 + H 2

Obwohl es derzeit andere Technologien zur Kohlevergasung gibt, verwenden alle im Allgemeinen die gleichen chemischen Prozesse. Für minderwertige Kohlen (dh "Braunkohlen"), die erhebliche Mengen an Wasser enthalten, gibt es Technologien, bei denen während der Reaktion kein Dampf benötigt wird, wobei Kohle (Kohlenstoff) und Sauerstoff die einzigen Reaktionspartner sind. Außerdem erfordern einige Kohlevergasungstechnologien keine hohen Drücke. Einige verwenden Kohlenstaub als Brennstoff, während andere mit relativ großen Kohleanteilen arbeiten. Die Vergasungstechnologien unterscheiden sich auch in der Art und Weise, wie das Gebläse zugeführt wird.

"Direktes Blasen" setzt voraus, dass die Kohle und das Oxidationsmittel von den gegenüberliegenden Seiten des Reaktorkanals aufeinander zugeführt werden. In diesem Fall gelangt das Oxidationsmittel durch Koks und (wahrscheinlicher) Asche in die Reaktionszone, wo es mit Kohle wechselwirkt. Das erzeugte heiße Gas passiert dann frischen Brennstoff und erhitzt ihn, während es einige Produkte der thermischen Zerstörung des Brennstoffs, wie Teer und Phenole, absorbiert. Daher erfordert das Gas eine erhebliche Raffination, bevor es in der Fischer-Tropsch-Reaktion verwendet wird. Produkte der Veredelung sind hochgiftig und erfordern spezielle Einrichtungen zu ihrer Verwendung. Als Ergebnis muss die Anlage, die die beschriebenen Technologien verwendet, sehr groß sein, um wirtschaftlich effizient zu sein. Eine dieser Anlagen namens SASOL befindet sich in der Republik Südafrika (RSA). Es wurde aufgrund eines Embargos gebaut, das das Land daran hinderte, Öl und Erdgas zu importieren. RSA ist reich an Steinkohle und Anthrazit und konnte den Einsatz des in Deutschland in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts entwickelten Hochdruckvergasungsverfahrens "Lurgi" ermöglichen.

"Umgekehrtes Blasen" (im Vergleich zu dem zuvor beschriebenen Typ, der zuerst erfunden wurde) geht davon aus, dass die Kohle und das Oxidationsmittel von derselben Seite des Reaktors zugeführt werden. In diesem Fall gibt es keine chemische Wechselwirkung zwischen Kohle und Oxidationsmittel vor der Reaktionszone. Das in der Reaktionszone erzeugte Gas passiert feste Vergasungsprodukte (Koks und Asche) und im Gas enthaltene CO 2 und H 2 O werden zusätzlich chemisch zu CO und H 2 zurückgeführt . Im Vergleich zur "Direct-Blowing"-Technologie sind im Gas keine toxischen Nebenprodukte vorhanden, diese werden in der Reaktionszone deaktiviert. Diese Art der Vergasung wurde in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts zusammen mit der "direkten Einblasung" entwickelt, aber die Gasproduktionsrate darin ist deutlich geringer als die der "direkten Einblasung" und es gab keine weiteren Bemühungen zur Entwicklung der "Reversed Blowing"-Verfahren bis in die 1980er-Jahre, als eine sowjetische Forschungseinrichtung KATEKNIIUgol' (F&E-Institut für die Entwicklung des Kansk-Achinsk-Kohlenfeldes) mit F&E-Aktivitäten begann, um die Technologie herzustellen, die heute als "TERMOKOKS-S"-Verfahren bekannt ist. Der Grund für die Wiederbelebung des Interesses an dieser Art von Vergasungsverfahren ist, dass sie ökologisch sauber ist und in der Lage ist, zwei Arten von nützlichen Produkten (gleichzeitig oder getrennt) zu produzieren: Gas (entweder brennbar oder Synthesegas) und Koks mittlerer Temperatur. Ersteres kann als Brennstoff für Gaskessel und Dieselgeneratoren oder als Synthesegas zur Herstellung von Benzin usw. verwendet werden, letzteres - als technologischer Brennstoff in der Metallurgie, als chemisches Absorptionsmittel oder als Rohstoff für Haushaltsbrennstoffbriketts. Die Verbrennung des Produktgases in Gaskesseln ist ökologisch sauberer als die Verbrennung von Vorkohle. Somit kann eine Anlage, die die Vergasungstechnologie mit dem "umgekehrten Blasen" verwendet, zwei wertvolle Produkte herstellen, von denen eines relativ null Produktionskosten hat, da das letztere durch den wettbewerbsfähigen Marktpreis des anderen gedeckt wird. Als die Sowjetunion und ihr KATEKNIIUgol' aufhörten zu existieren, wurde die Technologie von den einzelnen Wissenschaftlern, die sie ursprünglich entwickelt hatten, übernommen und wird nun in Russland weiter erforscht und weltweit kommerziell vertrieben. In Ulan-Baatar (Mongolei) und Krasnojarsk (Russland) sind inzwischen Industrieanlagen bekannt, die es verwenden.

Druckbeaufschlagte Luftstrombettvergasungstechnologie, die durch die gemeinsame Entwicklung zwischen der Wison Group und Shell (Hybrid) entwickelt wurde. Zum Beispiel: Hybrid ist eine fortschrittliche Kohlenstaubvergasungstechnologie. Diese Technologie kombiniert mit den bestehenden Vorteilen des Shell SCGP Abhitzekessels umfasst mehr als nur ein Fördersystem, eine Kohlenstaub-Druckvergasungsbrenneranordnung, eine seitliche Düsenbrennermembran-Wasserwand und die intermittierende Ableitung wurde in der bestehenden SCGP-Anlage vollständig validiert, als ausgereifte und zuverlässige Technologie, gleichzeitig wurden die bestehenden Prozesskomplikationen beseitigt und im Synthesegaskühler (Abfallwanne) und [Flugasche]-Filter, die leicht ausfielen, und kombiniert die derzeit vorhandene Vergasungstechnologie, die in synthetischen Gasabschreckprozessen weit verbreitet ist. Es behält nicht nur den ursprünglichen Shell SCGP Abhitzekessel mit Kohleeigenschaften der starken Anpassungsfähigkeit und der Fähigkeit, leicht zu skalieren, sondern absorbiert auch die Vorteile der bestehenden Quench-Technologie.

Untertagekohlevergasung

Untertagekohlevergasung (UCG) ist ein industrielles Vergasungsverfahren, das in nicht abgebauten Kohleflözen durchgeführt wird. Dabei wird ein gasförmiges Oxidationsmittel , normalerweise Sauerstoff oder Luft, injiziert und das resultierende Produktgas durch von der Oberfläche gebohrte Produktionsbohrungen an die Oberfläche gebracht. Das Produktgas kann als chemischer Rohstoff oder als Brennstoff zur Stromerzeugung verwendet werden . Die Technik kann auf Ressourcen angewendet werden, die ansonsten nicht wirtschaftlich zu gewinnen sind. Es bietet auch eine Alternative zu herkömmlichen Kohleabbaumethoden . Im Vergleich zum traditionellen Kohlebergbau und der Vergasung hat UCG weniger ökologische und soziale Auswirkungen, obwohl Umweltbedenken bestehen, einschließlich der Möglichkeit einer Kontamination des Grundwasserleiters.

CO2-Abscheidungstechnologie

CO2-Abscheidung, -Nutzung und -Sequestrierung (oder -Speicherung) wird in modernen Kohlevergasungsprojekten zunehmend eingesetzt, um die mit der Verwendung von Kohle und kohlenstoffhaltigen Brennstoffen verbundenen Treibhausgasemissionen anzugehen. In dieser Hinsicht hat die Vergasung einen erheblichen Vorteil gegenüber der konventionellen Verbrennung von geförderter Kohle, bei der das bei der Verbrennung entstehende CO 2 durch Stickstoff und Restsauerstoff im nahen Umgebungsdruck-Verbrennungsabgas stark verdünnt wird, was die Verbrennung relativ schwierig, energieintensiv und, die CO 2 -Abscheidung teuer ist (dies wird als CO 2 -Abscheidung nach der Verbrennung bezeichnet ).

Bei der Vergasung hingegen wird den Vergasern normalerweise Sauerstoff zugeführt und gerade genug Brennstoff verbrannt, um die Wärme zum Vergasen des Rests bereitzustellen; außerdem wird die Vergasung oft bei erhöhtem Druck durchgeführt. Das resultierende Synthesegas hat typischerweise einen höheren Druck und wird nicht mit Stickstoff verdünnt, was eine viel einfachere, effiziente und kostengünstigere Entfernung von CO 2 ermöglicht . Vergasungs- und Integrated Gasification Combined Cycle einzigartige Fähigkeit, leicht CO entfernen 2 aus den vor seiner Verbrennung Syngas in einer Gasturbine (genannt „Vorverbrennungskammer“ CO 2 capture) oder seine Verwendung in Treibstoffen und Chemikalien - Synthese ist eine seiner signifikanten Vorteile gegenüber konventionelle Kohleverwertungssysteme.

Optionen der CO 2 -Abscheidungstechnologie

Alle Umwandlungsverfahren auf der Grundlage von Kohlevergasung erfordern die Entfernung von Schwefelwasserstoff (H 2 S; ein saures Gas) aus dem Synthesegas als Teil der Gesamtanlagenkonfiguration. Typische Verfahren zur Entfernung von saurem Gas (AGR), die für das Vergasungsdesign verwendet werden, sind entweder ein chemisches Lösungsmittelsystem (z. B. Amingasbehandlungssysteme auf der Basis von MDEA) oder ein physikalisches Lösungsmittelsystem (z. B. Rectisol oder Selexol ). Die Auswahl des Verfahrens hängt hauptsächlich von dem Bedarf und den Kosten für die Synthesegasreinigung ab. Konventionelle chemisch-physikalische AGR-Verfahren mit MDEA, Rectisol oder Selexol sind kommerziell bewährte Technologien und können zur selektiven Entfernung von CO 2 zusätzlich zu H 2 S aus einem Synthesegasstrom ausgelegt werden. Für eine signifikante Abscheidung von CO 2 aus einer Vergasungsanlage (zB > 80%) muss das CO im Synthesegas zunächst über eine Wasser-Gas-Shift (WGS)-Stufe vor der AGR-Anlage in CO 2 und Wasserstoff (H 2 ) umgewandelt werden .

Bei Vergasungsanwendungen oder integriertem kombinierten Vergasungszyklus (IGCC) sind die erforderlichen Anlagenmodifikationen, um die Fähigkeit zur Abscheidung von CO 2 hinzuzufügen, minimal. Das von den Vergasern erzeugte Synthesegas muss durch verschiedene Verfahren zur Entfernung von Verunreinigungen bereits im Gasstrom behandelt werden, so dass zur Entfernung von CO 2 nur die erforderliche Ausrüstung, ein Absorber und ein Regenerator, zu diesem Prozessstrang hinzugefügt werden müssen.

Bei Verbrennungsanwendungen müssen Modifikationen am Abgaskamin vorgenommen werden, und wegen der geringeren Konzentrationen von CO 2 im Abgas erfordern viel größere Gesamtgasmengen eine Verarbeitung, was größere und teurere Geräte erforderlich macht.

IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle)-basierte Projekte in den USA mit CO 2 -Abscheidung und -Nutzung/-Speicherung

Das Kemper-Projekt von Mississippi Power wurde als Braunkohle-IGCC-Kraftwerk konzipiert, das netto 524 MW Strom aus Synthesegas erzeugt und dabei über 65 % des durch den Selexol- Prozess erzeugten CO 2 einfängt . Die Technologie am Standort Kemper, Transport-Integrated Gasification (TRIG), wurde von KBR entwickelt und lizenziert. Das CO 2 wird über eine Pipeline zu erschöpften Ölfeldern in Mississippi geleitet, um die Ölförderung zu verbessern . Die Anlage verfehlte alle ihre Ziele und Pläne für die Erzeugung von „sauberer Kohle“ wurden im Juli 2017 aufgegeben. Die Anlage wird voraussichtlich nur noch Erdgas verbrennen.

Hydrogen Energy California (HECA) wird eine 300-MW-Netto-, Kohle- und Petrolkoks-betriebene IGCC-Polygenerationsanlage sein (die Wasserstoff sowohl für die Stromerzeugung als auch für die Düngemittelherstellung produziert). Neunzig Prozent des produzierten CO 2 werden (mit Hilfe von Rectisol ) abgeschieden und für EOR zum Elk Hills Oil Field transportiert, was die Gewinnung von 5 Millionen zusätzlichen Barrel einheimischen Öls pro Jahr ermöglicht. Am 4. März 2016 ordnete die California Energy Commission die Einstellung des HECA-Antrags an.

Das Texas Clean Energy Project (TCEP) von Summit wird ein kohlebetriebenes, IGCC-basiertes 400-MW-Strom-/Polygenerationsprojekt sein (das auch Harnstoffdünger produziert), das 90 % seines CO 2 in der Vorverbrennung mit dem Rectisol- Verfahren abscheiden wird. Das bei der Düngemittelherstellung nicht verwendete CO 2 wird für eine verbesserte Ölförderung im Perm-Becken von West Texas verwendet.

Anlagen wie das Texas Clean Energy Project , die Kohlenstoffabscheidung und -speicherung einsetzen, wurden als Teil- oder Übergangslösung für Regulierungsprobleme angepriesen, wenn sie durch verbesserte Konstruktion und Massenproduktion wirtschaftlich rentabel gemacht werden können. Aufgrund der gestiegenen Kosten gab es Widerstand seitens der Regulierungsbehörden der Versorgungsunternehmen und der Gebührenzahler; und von Umweltschützern wie Bill McKibben , die jede weitere Nutzung fossiler Brennstoffe als kontraproduktiv ansehen.

Nebenprodukte

Zu den Nebenprodukten der Kohlegasherstellung gehörten Koks , Kohlenteer , Schwefel und Ammoniak ; alle nützlichen Produkte. Farbstoffe , Medikamente, darunter Sulfonamide, Saccharin und viele organische Verbindungen werden daher aus Kohlengas gewonnen.

Koks wird als rauchfreier Brennstoff und zur Herstellung von Wasser- und Produktionsgas verwendet . Steinkohlenteer wird einer fraktionierten Destillation unterzogen , um verschiedene Produkte zu gewinnen, darunter

Schwefel wird bei der Herstellung von Schwefelsäure und Ammoniak bei der Herstellung von Düngemitteln verwendet .

Vermarktung

Nach Angaben des Fachverbandes Gasification and Syngas Technologies Council sind weltweit 272 Vergasungsanlagen mit 686 Vergasern in Betrieb und 74 Anlagen mit 238 Vergasern im Bau. Die meisten von ihnen verwenden Kohle als Rohstoff.

Ab 2017 fand eine groß angelegte Expansion der Kohlevergasungsindustrie nur in China statt, wo lokale Regierungen und Energieunternehmen die Industrie fördern, um Arbeitsplätze und einen Markt für Kohle zu schaffen. Die Anlagen befinden sich größtenteils in abgelegenen, kohlereichen Gebieten.

Die Zentralregierung ist sich der Konflikte mit Umweltzielen bewusst: Neben der Produktion von viel Kohlendioxid verbrauchen die Anlagen in Wasserknappheitsgebieten viel Wasser.

Umweltbelastung

Umweltauswirkungen der Kohlegasindustrie

Von seiner ursprünglichen Entwicklung bis zur großflächigen Einführung von Erdgas gab es allein in den Vereinigten Staaten mehr als 50.000 Fabriken für industriell hergestelltes Gas . Der Prozess der Gasherstellung produzierte normalerweise eine Reihe von Nebenprodukten, die den Boden und das Grundwasser in und um die Produktionsanlage kontaminierten , so dass viele ehemalige Stadtgasanlagen ein ernsthaftes Umweltproblem darstellen und die Reinigungs- und Sanierungskosten oft hoch sind. Manufakturgasanlagen (MGPs) wurden typischerweise in der Nähe von oder angrenzend an Wasserstraßen errichtet, die zum Transport von Kohle und zur Ableitung von mit Teer, Ammoniak und/oder Tropfölen verunreinigtem Abwasser sowie reinem Abfallteer und Teer-Wasser-Emulsionen verwendet wurden.

In den ersten Tagen des MGP-Betriebs galt Steinkohlenteer als Abfall und wurde häufig in und um die Werksstandorte in die Umwelt entsorgt. Während sich die Verwendungen für Steinkohlenteer im späten 19. . Üblicherweise wurden Altteere in alten Gasspeichern, Stollen oder sogar Bergwerksschächten (sofern vorhanden) entsorgt. Im Laufe der Zeit zersetzen sich die Abfallteere mit Phenolen , Benzol (und anderen Monoaromaten – BTEX ) und polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen, die als Schadstofffahnen freigesetzt werden, die in die Umgebung entweichen können. Zu den anderen Abfällen gehörte " Blue Billy ", eine Ferroferricyanid-Verbindung - die blaue Farbe stammt von Preußischblau , das kommerziell als Farbstoff verwendet wurde . Blue Billy ist typischerweise ein körniges Material und wurde manchmal vor Ort mit dem Slogan "garantierte unkrautfreie Fahrten" verkauft. Die Anwesenheit von Blau Billy geben kann gasplants Abfall A charakteristische muffigen / Bittermandeln oder Marzipan Geruchs, der mit zugeordneten Cyanid Gas.

Die Umstellung auf das Carburetted Water Gas-Verfahren führte zunächst zu einem geringeren Ausstoß an Wassergasteer im Vergleich zur Menge an Kohlenteeren. Das Aufkommen von Automobilen verringerte die Verfügbarkeit von Naphtha für Vergaseröl, da diese Fraktion als Motorkraftstoff wünschenswert war. MGPs, die zu schwereren Ölsorten wechselten, hatten oft Probleme bei der Herstellung von Teer-Wasser-Emulsionen, die schwierig, zeitaufwendig und teuer zu brechen waren. (Die Ursache für Teerwechsel-Wasser-Emulsionen ist komplex und hängt mit mehreren Faktoren zusammen, darunter freier Kohlenstoff im Vergaseröl und die Substitution von Bitumenkohle als Rohstoff anstelle von Koks.) Die Produktion großer Mengen von Teer-Wasser-Emulsionen schnell gefüllt die verfügbaren Lagerkapazitäten bei MGPs erhöht und die Betriebsleitung hat die Emulsionen oft in Gruben gekippt, aus denen sie möglicherweise später zurückgewonnen wurden oder nicht. Selbst wenn die Emulsionen wiedergewonnen wurden, blieben die Umweltschäden durch das Einbringen von Teer in nicht ausgekleidete Gruben bestehen. Das Einbringen von Emulsionen (und anderen teerigen Rückständen wie Teerschlämmen, Tankböden und nicht spezifi- schen Teeren) in den Boden und das Wasser um MGPs herum ist ein wesentlicher Faktor für die Verschmutzung ehemaliger Gasfabriken (bekannt als "FMGPs" in .). Umweltsanierung ) heute.

Zu den Verunreinigungen, die häufig mit FMGPs in Verbindung gebracht werden, gehören:

  • BTEX
    • Ausdiffundiert aus Lagerstätten von Kohle/Gasteeren
    • Vergaseröl/Leichtöl ausgelaufen
    • Lecks aus Tropfbehältern, die kondensierbare Kohlenwasserstoffe aus dem Gas gesammelt haben
  • Kohleteerabfälle /Schlamm
    • Typischerweise in Sümpfen von Gasbehältern und Dekantierbecken zu finden.
    • Steinkohlenteerschlamm hat keinen Wiederverkaufswert und wurde daher immer deponiert.
  • Flüchtige organische Verbindungen
  • Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK)
    • Vorkommen in Kohlenteer, Gasteer und Pech in signifikanten Konzentrationen.
  • Schwermetalle
    • Bleihaltiges Lot für Gasleitungen, Bleileitungen, Kohleasche.
  • Zyanid
    • Reinigungsabfälle enthalten große Mengen komplexer Ferrocyanide.
  • Ruß
    • Nur dort gefunden, wo Rohöl als Vergasungseinsatzstoff verwendet wurde.
  • Teeremulsionen

Kohleteer und Kohlenteerschlämme sind häufig dichter als Wasser und liegen in der Umwelt als dichte, nichtwässrige Flüssigkeit vor .

In Großbritannien wurde eine Reihe ehemaliger Gaswerksstandorte für Wohn- und andere Zwecke (einschließlich des Millennium Dome ) saniert und als erstklassiges erschließbares Land innerhalb der Stadtgrenzen angesehen. Solche Entwicklungsmöglichkeiten führen nun zu Problemen im Zusammenhang mit der Planung und dem Contaminated Land Regime und wurden kürzlich im House of Commons debattiert.

Umweltauswirkungen moderner Kohlevergasung

Kohlevergasungsverfahren erfordern Kontrollen und Maßnahmen zur Vermeidung von Umweltverschmutzung, um die Schadstoffemissionen zu verringern. Bedenkliche Schadstoffe oder Emissionen im Zusammenhang mit der Kohlevergasung sind vor allem:

  • Asche & Schlacke

Schlackenfreie Vergaser produzieren Trockenasche ähnlich der bei der konventionellen Kohleverbrennung, die eine Umweltbelastung darstellen kann, wenn die Asche (die normalerweise Schwermetalle enthält) auslaugbar oder ätzend ist und wenn die Asche in Aschebecken gelagert werden muss. Schlackevergaser, die bei vielen der wichtigsten Kohlevergasungsanwendungen weltweit eingesetzt werden, haben den erheblichen Vorteil, dass Aschekomponenten zu einer glasigen Schlacke verschmolzen werden, wobei Spuren von Schwermetallen in der nicht auslaugbaren glasigen Matrix eingefangen werden, wodurch das Material ungiftig wird. Diese ungefährliche Schlacke hat mehrere nützliche Verwendungen wie Zuschlagstoffe in Beton, Zuschlagstoffe in Asphalt für den Straßenbau, Splitt beim Strahlmittel, Dachgranulat usw.

  • Kohlendioxid (CO 2 )

CO 2 ist von größter Bedeutung für den globalen Klimawandel.

  • Merkur
  • Arsen
  • Feinstaub (PM)

Asche entsteht bei der Vergasung aus anorganischen Verunreinigungen in der Kohle. Einige dieser Verunreinigungen reagieren zu mikroskopischen Feststoffen, die in dem durch Vergasung erzeugten Synthesegas suspendiert werden können.

  • Schwefeldioxid (SO 2 )

Typischerweise enthält Kohle 0,2 bis 5 Prozent Schwefel im Trockengewicht, der sich in den Vergasern aufgrund der hohen Temperaturen und des niedrigen Sauerstoffgehalts in H 2 S und COS umwandelt . Diese "sauren Gase" werden aus dem von den Vergasern erzeugten Syngas durch Sauergasentfernungsgeräte entfernt, bevor das Syngas in der Gasturbine verbrannt wird, um Elektrizität zu erzeugen, oder bevor es in der Brennstoffsynthese verwendet wird.

  • Stickoxide (NO x )

(NO x ) bezieht sich auf Stickoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO 2 ). Kohle enthält normalerweise zwischen 0,5 und 3 Prozent Stickstoff auf Trockengewichtsbasis, von denen sich der größte Teil in harmloses Stickstoffgas umwandelt. Es entstehen geringe Mengen an Ammoniak und Blausäure, die während des Synthesegas-Kühlprozesses entfernt werden müssen. Bei der Stromerzeugung kann NO x auch stromabwärts durch die Verbrennung von Synthesegas in Turbinen gebildet werden.

Siehe auch

Verweise

 Dieser Artikel enthält  gemeinfreies Material von Websites oder Dokumenten des US-Energieministeriums .

Externe Links