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Mittellastkraftwerk mit einer integrierten Kohlever-
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qasunqsãnlaae Die Erfindung bezieht sich auf ein Mittellastkraftwerk
mit einer integrierten Kohlevergasungsanlage, mit einem an die Kohlevergasungsanlage
angeschlossenen Gasturbinenkraftwerksteil, mit einem an die Rohgas-Wärmetauscheranlage
der Kohlevergasungsanlage angeschlossenen Dampfkraftwerksteil und mit einer Methanolsyntheseanlage
nach Patentanmeldung P 33 19 732.6.
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Die Hauptmeldung hat ein Mittellastkraftwerk zur Erzeugung von Strom
und Methanol zum Gegenstand, bei dem ein kombiniertes Gasturbinen-Dampfkraftwerk
und eine aus mehreren separat zuschaltbaren Modul aufgebaute Methanolsyntheseanlage
über ein Reingasverteilungssystem an einer Kohlevergasungsanlage angeschlossen ist.
Die Abwärme des Rohgases wird dem Dampfkraftwerksteil über eine Rohgas-Wärmetauscheranlage
nutzbar zugeführt. Bei diesem Mittellastkraftwerk läßt sich die erzeugte elektrische
Leistung rasch an den jeweiligen Leistungsbedarf des elektrischen Netzes anpassen,
ohne daß ein weiterer teuerer Zweitbrennstoff bei Lastspitzen eingesetzt werden
muß und ohne daß bei plötzlicher Lastverminderung oder gar bei störungsbedingtem
Lastabwurf ein Brennstoffverlust in Kauf genommen werden muß. Stattdessen wird bei
diesem Mittellastkraftwerk in Zeiten verminderten Bedarfs an elektrischer Leistung
verstärkt Methanol erzeugt und werden Uberschüsse wie Mindermengen an Reingas durch
die dem Reingasverteilungssystem zugeordnete Reingas-Durchström-Zwischenspeicheranlage
aufgefangen.
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Daher kann die vergleichsweise trägere Kohlevergasungsanlage unabhängig
von den jeweiligen Lastanforderungen des elektrischen Netzes mit konstanter Leistung
weitergefahren werden. Weil das der Methanolsyntheseanlage zuströmende Reingas in
seiner Zusammensetzung weit von dem für die Methanol synthese erforderlichen stöchiometrischem
Verhältnis entfernt ist, muß in Zeiten verminderten Energiebedarfs, wenn das nicht
vollständig umgesetzte Synthesegas nicht mehr in der Brennkammer der Gasturbine
verbrannt werden kann, das in den Methanolsynthesereaktoren der einzelnen Module
zurückgeführte Synthesegas mit Wasserstoff angereichert werden. Diese Wasserstoffanreicherung
könnte durch externe Einspeisung von Wasserstoff erreicht werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu weisen, wie
bei einem Mittellastkraftwerk der eingangs genannten Art der für die Wasserstoffanreicherung
des Synthesegases der Methanolsyntheseanlage erforderliche Wasserstoff im Kraftwerk
selbst in möglichst wirtschaftlicher Weise gewonnen werden kann.
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Bei einem Mittellastkraftwerk der eingangs genannten Art ist daher
erfindungsgemäß der Methanolsyntheseanlage zur Wasserstoffanreicherung ein an die
Rohgaswärmetauscheranlage angeschlossener, aus Sättiger, Konvertierungsanlage, Kühler
und nachgeschalteter Gasreinigungsanlage bestehender sogenannter "Kühler-Sättiger-Kreislauf"
zugeordnet. In einem solchen Kühler-Sättiger-Kreislauf kann durch Anreicherung des
Synthesegases mit Wasserdampf und anschließender Konvertierung des Synthesegas-Wasserdampfgemisches
Wasserstoff und Kohlendioxyd erzeugt werden. Nach Abtrennen des Kohlendioxyds läßt
sich das verbleibende mit Wasserstoff angereicherte Synthesegas wieder in die Methanolsyntheseanlage
zurückleiten.
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Alternativ läßt sich bei einem Mittellastkraftwerk der eingangs genannten
Art der Methanolsyntheseanlage erfindungsgemäß eine Wasserelektrolyseanlage zuordnen,
deren Wasserstoffleitung mit der Methanolsyntheseanlage verbunden und deren Sauerstoffleitung
an den Kohlevergaser angeschlossen ist. Bei einer solchen Anlage kann der in Zeiten
verminderten Strombedarfs überschüssig erzeugte elektrische Strom in der Wasserelektrolyseanlage
zur Erzeugung von Wasserstoff- und Sauerstoffgas herangezogen werden. Während der
Wasserstoff unmittelbar zur Anreicherung des Synthesegases der Methanolsyntheseanlage
heranziehbar ist, läßt sich der gleichzeitig erzeugte Sauerstoff dem Kohlevergaser
zuleiten.
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Er substituiert dort einen Teil des sonst von der Luftzerlegungsanlage
gelieferten Sauerstoffs, so daß die Luftzerlegungsanlage in ihrer Leistung zurückgefahren
und somit Energie eingespart werden kann.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von zwei in den Figuren
dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert: Fig. 1 ein Mittellastkraftwerk mit
einer integrierten Kohlevergasungsanlage und einer der Methanolsyntheseanlage zugeordneten
Wasserelektrolyseanlage in schematischer Darstellung, Fig. 2 ein anderes Mittellastkraftwerk
mit einer integrierten Kohlevergasunganlage und einem der Methanolsyntehseanlage
zugeordneten sogenannten "Kühler-Sättiger-Kreislauf" in schematischer Darstellung
und Fig. 3 eine Variante für den Anschluß der Methanolsyntheseanlage der Fig. 2
an den sogenannten "Kühler-Sättiger-Kreislauf".
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In der Darstellung der Fig. 1 sind die übergeordneten Baugruppen des
Mittellastkraftwerks 1 gestrichelt umrandet. Es sind dies eine Kohlevergasungsanlage
2, eine Rohgas-Wärmetauscheranlage 3, eine Gasreinigungsanlage 4, ein zentrales
Reingasverteilungssystem 5 mit einer integrierten Druckhaltungs- und Speicheranlage
(der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt), ein aus einem Gasturbinenkraftwerksteil
6 und einem Dampfkraftwerksteil 7 bestehendes Kombikraftwerk 8 und eine Methanolsyntheseanlage
9. Die Kohlevergasungsanlage 2 beinhaltet einen Kohlevergaser 10, eine Luftzerlegungsanlage
11, mindestens einen der Luftzerlegungsanlage vorgeschalteten Zusatzluftverdichter
12 und einen in der von der Luftzerlegungsanlage 11 zum Kohlevergaser 10 führenden
Sauerstoffleitung 13 angeordneten weiteren Gasverdichter 14. Die im Gasstrom des
Kohlevergasers 10 angeordnete Rohgas-Wärmetauscheranlage 3 beinhaltet einen ersten,
der Erzeugung von Hochdruckdampf dienenden Wärmetauscher 15, einen zweiten Rohgas-Reingas-Wärmetauscher
16 und einen dritten, der Erzeugung von Niederdruckdampf dienenden Wärmetauscher
17. Schließlich ist in der Rohgas-Wärmetauscheranlage 3 noch ein Regel kühler 18
vorgesehen. Die der Rohgas-Wärmetauscheranlage nachgeschaltete Gasreinigungsanlage
4 beinhaltet einen Rohgaswäscher 19 sowie eine Schwefelwasserstoffabsorptions-und
Schwefelgewinnungsanlage 20. An der die Schwefelwasserstoffabsorptions- und Schwefelgewinnungsanlage
20 verlassenden Reingasleitung 21 ist das Reingasverteilungssystem 5, die Methanolsyntheseanlage
9 und über den Rohgas-Reingas-Wärmetauscher 16 der Gasturbinenkraftwerksteil 6 angeschlossen.
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Der Gasturbinen-Kraftwerksteil umfaßt eine Brennkammer 22, eine Gasturbine
23 und je einen von der Casturbine angetriebenen Generator 24 und Luftverdichter
25.
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Die Abgasleitung 26 der Gasturbine 23 ist an einen Abhitzekessel 27
angeschlossen. Dessen Dampfleitung 28 ist mit dem Hochdruckteil 29 einer aus einem
Hochdruckteil und Niederdruckteil 30 bestehenden Dampfturbine 31 verbunden. Mit
der Dampfturbine 31 ist ein Generator 32 gekuppelt. Dem Niederdruckteil 30 der Dampfturbine
31 sind ein Kondensator 33, eine Kondensatpumpe 34, ein Speisewasserbehälter 35
sowie mehrere Speisewasserpumpen 36, 37, 38, 39 nachgeschaltet. An dem von der Gasturbine
23 angetriebenen Luftverdichter 25 ist sowohl die Brennkammer 22 der Gasturbine
als auch die Luftzerlegungsanlage 11 der Kohlevergasungsanlage 2 angeschlossen.
Der Kohlevergasungsanlage ist eine Wasserelektrolyseanlage 40 zugeordnet. Deren
Sauerstoffleitung 41 ist parallel zur Sauerstoffleitung 13 der Luftzerlegungsanlage
11 an den Kohlevergaser 10 angeschlossen. Die Wasserstoffleitung 42 der Wasserelektrolyseanlage
40 ist über einen Gasverdichter 43 mit der Methanolsyntheseanlage 9 verbunden.
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Beim Betrieb des Mittellastkraftwerks 1 wird die Luftzerlegungsanlage
11 sowohl durch den von der Gasturbine 23 angetriebenen Luftverdichter 25 als auch
den Zusatz-Luftverdichter 12 mit Luft versorgt. Der Sauerstoff der Luftzerlegungsanlage
wird über den Gasverdichter 14 in den Kohlevergaser 10 gedrückt. Im Kohlevergaser
wird Kohle mit Sauerstoff und eingeleitetem Prozeßdampf zu Rohgas vergast. Das 800
bis 1600C heiße Rohgas gibt seine Wärme in der Wärmetauscheranlage 3 ab, wobei im
ersten Wärmetauscher 15 Hochdruckdampf erzeugt wird Im zweiten Rohgas-Reingas-Wärmetauscher
16 wird das zur Brennkammer 22 des Gasturbinen-Kraftwerkteils 6 strömende Reingas
vorgewärmt. Im dritten Wärmetauscher 17 wird Niederdruckdampf erzeugt, der dem Niederdruckteil
30 der Dampfturbine 31 zuleitbar oder auch als 35 Prozeßdampf verwertbar ist. Der
Regelkühler 18 dient der
definierten Temperierung des Rohgases
vor Eintritt in den Rohgaswäscher 19. Die Druckhaltung, in der die Gasreinigungsanlage
4 verlassenen Reingasleitung 21 erfolgt, wie im Hauptpatent im einzelnen beschrieben
worden ist, über das Reingas-Verteilungssystem 5 mit einer integrierten Reingas-Durchström-Zwischenspeicheranlage.
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Die Methanolsyntheseanlage 9, die, wie das im Hauptpatent beschrieben
worden ist, in mehrere separat zuschaltbare Module unterteilt ist, bleibt beim Betrieb
des Mittellastkraftwerks 1 mit Nennlast zumindest mit einem Modul, das im Durchlaufbetrieb
arbeitet, einge schaltet. In sogenannten Schwachlastzeiten, wenn weniger elektrische
Leistung an das Netz abgegeben wird, wird zunächst der Gasturbinenkraftwerksteil
6 zurückgefahren.
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Der Überschuß an Reingas wird durch Hochfahren der jeweils gerade
in Betrieb befindlichen Module der Methanolsyntheseanlage 9 bzw. durch Zuschalten
weiterer Module aufgefangen. So kann die Kohlevergasungsanlage 2 im optimalen Lastbereich
weiter betrieben werden. Zugleich läßt sich die Wasserelektrolyseanlage mit einem
Teil des überschüssig produzierten Stroms bei gleichzeitig zurückgenommener Leistung
des Gasturbinenkraftwerksteils in Betrieb nehmen. Der dabei erzeugte Wasserstoff
läßt sich über den Verdichter 43 in die Methanolsyntheseanlage 9 einspeisen. Hierdurch
wird die Zusammensetzung des in der Methanolsyntheseanlage eingespeisten Reingases.
bzw. des in der Methanolsyntheseanlage rezirkulierenden Synthesegases an das für
die Methanolsynthese erforderliche stöchiometrische Verhältnis herangebracht.
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Der zugleich bei der Wasserelektrolyse anfallende Sauerstoff wird
in den Kohlevergaser 10 eingeleitet. Er substituiert dort einen Teil des Sauerstoffs
aus der Luftzerlegungsanlage 11. Das hat zur Folge, daß die Luft-
zerlegungsanlage
11 in ihrer Leistung zurückgenommen werden kann. Bei dieser Lösung kann die in Zeiten
verminderten Strombedarfs erzeugte Methanol menge durch Anpassung der Synthesegaszusammensetzung
an das stöchiometrische Verhältnis durch den mit überschüssiger elektrischer Energie
erzeugem Wasserstoff so gesteigert werden, daß die gesamte bei Nennlast des Kohlevergasers
10 erzeugte Reingasmenge, die nicht vom Gasturbinenkraftwerksteil 6 benötigt wird,
bis auf die inerten Gasbestandteile vollständig in Methanol umgewandelt wird.
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Eine weitere Erhöhung der erzeugten Methanomenge wird erreicht, wenn
zusätzlich kohlenwasserstoffhaltiges Gas aus einer externen Quelle (nicht dargestellt)
zu Synthesegas gespalten und dieses Gas in die Methanolsyntheseanlage eingespeist
wird. In diesem Fall läßt sich sogar beim Extremfall einer vollständigen Abtrennung
des Mittellastkraftwerks 1 vom elektrischen Netz, dessen volle elektrische Leistung
in die Wasserelektrolyseanlage 40 einspeisen. Weil bei dieser Betriebsweise des
Mittellastkraftwerks nur eine geringe Menge des vom Kohlevergaser erzeugten Reingases
für die Methanolsynthese verfügbar ist, steht dieser Wasserstoff nahezu vollständig
für die Methanol synthese aus dem aus der externen Quelle eingespeisten kohlenwasserstoffhaltigen
Gas zur Verfügung. So kann bei allen denkbaren Lastfällen unabhängig davon, ob das
aus Gasturbinenteil 6 und Dampfkraftwerksteil 7 bestehende Kombikraftwerk 8 in Zeiten
verminderten Strombedarfs mit Nennlast weiter betrieben wird oder ob dessen Leistung
in solchen Zeiten zurückgenommen wird, die Kohlevergasungsanlage 2 mit Nennlast
weiter betrieben und das überschüssig erzeugte Reingas oder/und gleichzeitig aus
der Spaltung zusätzlichen kohlenwasserstoffhaltigen Gases gebildetes Synthesegas
in Methanol umgewandelt werden.
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Auch das Mittellastkraftwerk 44 des in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiels
besteht aus einer Kohlevergasungsanlage 45, einer Rohgaswärmetauscheranlage 46,
einer Gasreinigungsanlage 47, aus einem Gasturbinen-Kraftwerksteil und einem Dampfkraftwerksteil
bestehenden Kombikraftwerk 48, einer Methanolsyntheseanlage 49 und einem zentralen
Reingas-Verteilungssystem 50 mit einer parallel zur Reingasleitung 51 geschalteten
Reingas-Durchströmzwischenspeicheranlage (der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt).
Auch hier beinhaltet die Kohlevergasungsanlage 45 einen Kohlevergaser 52, eine Luftzerlegungsanlage
53, einen der Luftzerlegungsanlage vorgeschalteten Zusatzluftverdichter 54 und einen
in der Sauerstoff leitung 55 zum Kohlevergaser angeordneten weiteren Gasverdichter
56. Auch die dem Gasstrom des Kohlevergasers 52 zugeordnete Rohgas-Wärmetauscheranlage
46 beinhaltet einen der Dampferzeugung dienenden Wärmetauscher 57, einen Rohgas-Reingaswärmetauscher
58, einen ebenfalls der Heißwassererzeugung dienenden Wärmetauscher 59 und einen
Regel kühler 60. Auch die der Rohgas-Wärmetauscheranlage 46 nachgeschaltete Gasreinigungsanlage
47 beinhaltet einen Rohgaswäscher 61 und eine Schwefelwasserstoffabsorbtions- und
Schwefelgewinnungsanlage 62.
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An der die Gasreinigungsanlage verlassenden Reingasleitung 51 ist,
ähnlich wie im Ausführungsbeispiel der Figur 1, sowohl das zentrale Reingasverteilungssystem
50, die Methanolsyntheseanlage 49 und über den Reingas-Rohgas-Wärmetauscher 58 das
Kombikraftwerk 48 angeschlossen. Letzteres ist genauso aufgebaut, wie das anhand
des Ausführungsbeispiels der Figur 1 im einzelnen dargestellt worden ist.
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Abweichend vom Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist an der Methanolsyntheseanlage
49 ein sogenannter Kühler Sättiger-Kreislauf" 63 angeschlossen. Dieser besteht aus
einem Sättiger 64, einer Konvertierungsanlage 65, einem Wärmetauscher 66, einem
Kühler 67 und einer Gasreinigungsanlage 68. Das im Kühler-Sättigungs-Kreislauf mit
Wasserstoff angereicherte Synthesegas wird über eine Rezirkulationsleitung 69 in
die Methanolsyntheseanlage 49 zurückgeführt und in die jeweils in Betrieb befindlichen
Synthese-Reaktoren (der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt) der Methanolsyntheseanlage
eingeleitet.
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Beim Betrieb des Mittellastkraftwerkes 44 wird in ähnlicher Weise,
wie dies anhand des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 bereits beschrieben worden ist,
im Kohlevergaser 52 mit dem Sauerstoff der Luftzerlegungsanlage 53 und mit Wasserdampf
Rohgas erzeugt. Dieses Rohgas wird in der nachgeschalteten Rohgas-Wärmetauscheranlage
46 abgekühlt und in der Gasreinigungsanlage 47 gereinigt. Mit dem so hergestellten
Reingas wird über das Reingasverteilungssystem 50, den Rohgas-Reingas-Wärmetauscher
58 das aus einem Gasturbinenkraftwerksteil und einem Dampfkraftwerksteil bestehende
Kombikraftwerk 48 betrieben. Dabei wird auch der im ersten Wärmetauscher 57 der
Rohgas-Wärmetauscheranlage 46 erzeugte Hochdruckdampf in die Dampfturbine des Dampfkraftwerksteils
eingespeist. Das in den gerade in Betrieb befindlichen Modulen der Methanolsyntheseanlage
49 teilweise umgesetzte Synthesegas wird in den Sättiger 64 geleitet und dort mittels
heißem Wasser, welches dem dritten Wärmetauscher 59 der Rohgas-Wärmetauscheranlage
46 entnommen wird, mit Wasserdampf gesättigt. Das so erhaltene Mischgas wird in
der nachgeschalteten Konvertierungsanlage 65 umgewandelt, wobei das Kohlenmonoxyd
bei gleichzeitiger Spal-
tung des Wassers zu Kohlendioxyd aufoxidiert
wird. Das Abgas der Konvertierungsanlage 65 wird in einem ersten Wärmetauscher 66
gekühlt, wobei das in diesem Wärmetauscher aufgewärmte Kühlwasser zur weiteren Aufhiezung
in den dritten Wärmetauscher 59 der Rohgas-Wärmetauscheranlage 46 eingespeist wird.
Das so vorgekühlte Abgas der Konvertierungsanlage 65 wird in einem weiteren, an
einen Kühlerkreislauf 70 angeschlossenen Kühler 67 nachgekühlt und in die Gasreinigungsanlage
68 eingeleitet. In dieser Gasreinigungsanlage wird das Kohlendioxyd ausgewaschen
und das verbleibende mit Wasserstoff angereicherte Gas als Synthesegas über die
Rezirkulationsleitung 69 wieder in die Methanolsyntheseanlage 49 zurückgeleitet.
Hier wird es in einen der in Betrieb befindlichen Synthesereaktoren eingespeist.
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Es wäre auch möglich, aus dem Abgas der Konvertierungsanlage in einer
Gaszerlegungsanlage eine wasserstoffreiche Fraktion zu gewinnen. Ferner wäre es
möglich, anstelle des den Synthesereaktoren der Methanolsyntheseanlage entströmende
Synthesegases das erstmals in die Methanolsyntheseanlage einströmende Reingas über
den Kühler-Sättigerkreislauf mit Wasserstoff anzureichern, so daß das stöchiometrische
Verhältnis für die Methanolerzeugung erreicht wird. Dieses mit Wasserstoff angereicherte
Synthesegas könnte dann in die Methanolsyntheseanlage eingespeist werden und dort
so lange durch die einzelnen Synthesereaktoren rezirkulieren, bis es vollständig,
d.h. bis auf die Innertgasreste zu Methanol umgesetzt ist. Die Schaltung der Methanolsyntheseanlage
71 für diese Art der Vorweganreicherung des Reingases mit Wasserstoff ist im Ausführungsbeispiel
der Fig. 3 dargestellt. Man erkennt hier, daß die Reingasleitung 72 zunächst in
den sonst unveränderten
Kühler-Sättiger-Kreislauf 73 eingespeist
wird und erst das angereicherte und von Kohlendioxyd befreite Abgas der Konvertierungsanlage
hinter der Gasreinigungsanlage über die Rezirkulationsleitung 74 in die Methanolsyntheseanlage
71 eingeleitet wird.
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Auch kann die Gasturbine zu Zeiten, in denen weniger Energie ins elektrische
Netz eingespeist wird, heruntergefahren bzw. abgeschaltet werden und das nunmehr
vermehrt verfügbare Reingas über die Methanolsyntheseanlage 49, 71 unter Anreicherung
des Synthesegases mit Wasserstoff zu Methanol umgeformt werden. Dabei kann die nunmehr
im dritten Wärmetauscher 58 der Rohgas-Wärmetauscheranlage 46 wegen des abgeschalteten
Rohgas-Reingaswärmetauschers 58 vermehrt anfallende Wärme zur weiteren Aufsättigung
des Reingases und unter Umständen zur zusätzlichen Spaltung von extern eingeführten
kohlenwasserstoffhaltigem Gas genutzt werden. Durch die Erhöhung der Synthesegaserzeugung
kann mehr Methanol erzeugt werden.
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12 Patentansprüche 3 Figuren
Bezugszeichenliste Mittellastkraftwerk
1 44 Kohlevergasungsanlage 2 45 Rohgas-Wärmetauscheranlage 3 46 Gasreinigungsanlage
4 47 Reingasverteilungssystem 5 50 Gasturbinenkraftwerksteil 6 Dampfkraftwerksteil
7 Kombikraftwerk 8 48 Methanolsyntheseanlage 9 49 71 Kohlevergaser 10 52 Luftzerlegungsanlage
11 53 Zusatzluftverdichter 12 54 Sauerstoffleitung 13 55 Gasverdichter 14 56 Wärmetauscher
15 57 Rohgas-Reingas-Wärmetauscher 16 58 Wärmetauscher 17 59 Regelkühler 18 60 Rohgaswäscher
19 61 Schwefelwasserstoffabsorpions- und Schwefelgewinnungsanlage 20 62 Reingasleitung
21 51 72 Brennkammer 22 Gasturbine 23 Generator 24 Luftverdichter 25 Abgasleitung
26 Abhitzekessel 27 Dampfleitung 28 Hochdruckteil 29 Niederdruckteil 30 Dampfturbine
31
Generator 32 Kondensator 33 Kondensatpumpe 34 Speisewasserbehälter
35 Speisewasserpumpe 36, 37, 38, 39 Wasserelektrolyseanlage 40, Sauerstoffleitung
41 Wasserstoffleitung 42 Gasverdichter 43 Kühler-Sättiger-Kreislauf 63, 73 Sättiger
64 Konvertierungsanlage 65 Wärmetauscher 66 Kühler 67 Gasreinigungsanlage 68 Rezirkulationsleitung
69, 74 Kühlerkreislauf 70