Kohlevergasung

Bei der Kohlevergasung wird aus Kohle und Wasser, Luft und/oder Sauerstoff Synthesegas - ein Gemisch, das hauptsächlich aus Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H₂), Kohlendioxid (CO₂), Methan (CH₄) und Wasserdampf (H₂O) besteht - erzeugt. ⓘ

In der Vergangenheit wurde Kohle vergast, um Kohlegas, auch bekannt als "Stadtgas", zu erzeugen. Kohlegas ist brennbar und wurde vor dem Aufkommen der großtechnischen Förderung von Erdgas aus Ölquellen zum Heizen und für die Stadtbeleuchtung verwendet. ⓘ

In der heutigen Praxis werden große Kohlevergasungsanlagen in erster Linie zur Stromerzeugung (sowohl in konventionellen Wärmekraftwerken als auch in Schmelzkarbonat-Brennstoffzellenkraftwerken) oder zur Herstellung von chemischen Grundstoffen eingesetzt. Der aus der Kohlevergasung gewonnene Wasserstoff kann für verschiedene Zwecke verwendet werden, z. B. für die Herstellung von Ammoniak, den Betrieb einer Wasserstoffwirtschaft oder die Aufbereitung fossiler Brennstoffe. ⓘ

Alternativ kann aus Kohle gewonnenes Synthesegas durch zusätzliche Behandlung in Kraftstoffe wie Benzin und Diesel oder in Methanol umgewandelt werden, das wiederum als Kraftstoff oder Kraftstoffzusatz verwendet oder in Benzin umgewandelt werden kann. ⓘ

Erdgas aus der Kohlevergasung kann gekühlt werden, bis es sich für die Verwendung als Kraftstoff im Verkehrssektor verflüssigt. ⓘ

Kohlevergasungsanlage der Bergwerke von Laluque im Bau

Kohlevergasungs­anlage von Laluque ⓘ

Kohlevergasung ist die Überführung von Kohlenstoff (C) in brennbare gasförmige Verbindungen, speziell Wassergas (Synthesegas), Generatorgas und Stadtgas. ⓘ

Geschichte

Bereits Antoine Laurent de Lavoisier nutzte die Kohlevergasung zur Herstellung von Wassergas. Zu Beginn des 19. Jahrhunderts entwickelte die englische Leuchtgasindustrie Verfahren zur Kohlevergasung. Der erste Generator wurde 1840 gebaut. 1854 wurde dann ein Verfahren eingeführt, den bei der Wassergasreaktion erhaltene Wasserstoff vom Kohlenstoffmonoxid abzutrennen, indem man das Kohlenstoffmonoxid mit überschüssigem Wasserdampf zu Kohlenstoffdioxid umwandelte. Bedeutungsvoll wurde die Kohlevergasung dann zu Beginn des 20. Jahrhunderts, als der Bedarf an Synthesegasen zunahm. In den 1920er Jahren wurde das Winkler-Verfahren und in den 1930er Jahren das Lurgi-Verfahren entwickelt, das für die Stadtgaswirtschaft brauchbar war. Anfang der 1950er Jahre wurde der erste Koppers-Totzek-Reaktor in Betrieb genommen, der die Vergasung von Kohlestaub mit Luft erlaubte. Überlegungen zum Einsatz von Hochtemperatur-Kernreaktoren als Lieferant der Prozesswärme für die Kohlevergasung wurden nicht realisiert. ⓘ

In der Vergangenheit wurde Kohle zu Kohlegas umgewandelt, das über Rohrleitungen zu den Kunden geleitet wurde, die es zur Beleuchtung, zum Heizen und zum Kochen verwendeten. Die hohen Erdöl- 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. Das Unternehmen wurde 1985 aufgelöst. ⓘ

Frühe Geschichte der Kohlevergasung durch Verkohlung

Gasbeleuchtung im historischen Zentrum von Wrocław, Polen ⓘ

Der flämische Wissenschaftler Jan Baptista van Helmont verwendete den Namen "Gas" in seinem Werk Origins of Medicine (ca. 1609), um seine Entdeckung eines "wilden Geistes" zu beschreiben, der aus erhitztem Holz und Kohle entweicht und sich "kaum von dem Chaos der Alten unterscheidet". Ähnliche Experimente wurden 1681 von Johann Becker aus München und 1684 von John Clayton aus Wigan, England, durchgeführt. Letzterer nannte es "Spirit of the Coal". William Murdoch (später bekannt als Murdock) entdeckte neue Möglichkeiten zur Herstellung, Reinigung und Lagerung von Gas. Unter anderem beleuchtete er 1792 sein Haus in Redruth und sein Cottage in Soho, Birmingham, 1797 den Eingang zum Gebäude der Manchester Police Commissioners, 1805 die Außenfassade der Fabrik von Boulton und Watt in Birmingham und eine große Baumwollspinnerei in Salford, Lancashire. ⓘ

Professor Jan Pieter Minckeleers beleuchtete 1783 seinen Hörsaal an der Universität Löwen, und Lord Dundonald beleuchtete 1787 sein Haus in Culross, Schottland, wobei das Gas in versiegelten Behältern von der örtlichen Teerfabrik geliefert wurde. In Frankreich ließ Philippe le Bon 1799 ein Gasfeuer patentieren und führte 1801 eine Straßenbeleuchtung vor. Weitere Vorführungen folgten in Frankreich und in den Vereinigten Staaten, aber es ist allgemein anerkannt, dass das erste kommerzielle Gaswerk von der London and Westminster Gas Light and Coke Company 1812 in der Great Peter Street gebaut wurde, die Holzrohre verlegte, um die Westminster Bridge in der Silvesternacht 1813 mit Gaslichtern zu beleuchten. 1816 gründeten Rembrandt Peale und vier weitere Personen die Gas Light Company of Baltimore, die erste Gasfabrik in Amerika. Im Jahr 1821 wurde Erdgas in Fredonia, New York, kommerziell genutzt. Das erste deutsche Gaswerk wurde 1825 in Hannover gebaut, und um 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, London, in den 1830er Jahren wurden von einer französischen Besucherin, Flora Tristan, in ihrem Buch Promenades Dans Londres beschrieben:

Zwei Reihen von Öfen auf jeder Seite wurden befeuert; der Effekt war der Beschreibung von Vulkans Schmiede nicht unähnlich, außer dass die Zyklopen mit einem göttlichen Funken beseelt waren, während die düsteren Diener der englischen Öfen freudlos, stumm und betäubt waren.... Der Vorarbeiter erzählte mir, dass die Heizer unter den Stärksten ausgewählt wurden, dass sie 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 bei jeder Bewegung der unglücklichen Männer. ⓘ

Die erste öffentliche leitungsgebundene Gasversorgung erfolgte 1807 durch 13 Gaslampen mit je drei Glaskugeln entlang der Pall Mall in London. Dies ist das Verdienst des Erfinders und Unternehmers Fredrick Winsor und des Klempners Thomas Sugg, der die Rohre herstellte und verlegte. Das Aufgraben von Straßen zur Verlegung von Rohren erforderte eine gesetzliche Regelung, was die Entwicklung von Straßenbeleuchtung und Gas für den Hausgebrauch verzögerte. In der Zwischenzeit installierten William Murdoch und sein Schüler Samuel Clegg Gasbeleuchtung in Fabriken und an Arbeitsplätzen und stießen dabei nicht auf solche Hindernisse. ⓘ

Die Anfänge der Gasgewinnung durch Vergasung

In den 1850er Jahren verfügte jede kleine bis mittelgroße Stadt über ein Gaswerk, um die Straßenbeleuchtung zu gewährleisten. Kunden, die ein Abonnement abschlossen, konnten auch Leitungen zu ihren Häusern legen lassen. Zu dieser Zeit setzte sich die Gasbeleuchtung durch. Das Gaslicht drang bis in die Mittelschicht vor, und später kamen Gasherde und -öfen auf. ⓘ

Die 1860er Jahre waren das goldene Zeitalter der Kohlengasentwicklung. Wissenschaftler wie Kekulé und Perkin entschlüsselten die Geheimnisse der organischen Chemie, um herauszufinden, wie Gas hergestellt wird und wie es zusammengesetzt ist. Daraus entstanden bessere Gasanlagen und Perkins violette Farbstoffe wie Mauveine. In den 1850er Jahren wurden Verfahren zur Herstellung von Produktgas und Wassergas aus Koks entwickelt. Unangereichertes Wassergas kann als Blauwassergas (BWG) bezeichnet werden. ⓘ

Mondgas, das in den 1850er Jahren von Ludwig Mond entwickelt wurde, war Erzeugergas, das aus Kohle statt aus Koks hergestellt wurde. Es enthielt Ammoniak und Kohlenteer und wurde aufbereitet, um diese wertvollen Verbindungen zu gewinnen. ⓘ

Blaues Wassergas (BWG) brennt mit einer nicht leuchtenden Flamme, weshalb es für Beleuchtungszwecke ungeeignet ist. Bei dem in den 1860er Jahren entwickelten kohlensäurehaltigen Wassergas (CWG) handelt es sich um BWG, das mit Gasen angereichert ist, die durch Versprühen von Öl in einer heißen Retorte gewonnen werden. Es hat einen höheren Heizwert und brennt mit einer leuchtenden Flamme. ⓘ

Das Wassergasvergaserverfahren wurde 1875 von Thaddeus S. C. Lowe verbessert. Das Gasöl wurde im BWG durch Thermocracking im Vergaser und Überhitzer des CWG-Generators fixiert. CWG war in den USA von den 1880er bis in die 1950er Jahre die vorherrschende Technologie und löste die Kohlevergasung ab. CWG hat einen CV von 20 MJ/m³, d.h. etwas mehr als die Hälfte des CV von Erdgas. ⓘ

Entwicklung der Kohlegasindustrie im Vereinigten Königreich

Das Aufkommen der Gasglühbirnen in Fabriken, Wohnungen und auf den Straßen ersetzte Öllampen und Kerzen durch ein gleichmäßiges, klares Licht, das in seiner Farbe fast dem Tageslicht entsprach und für viele die Nacht zum Tag machte. Die soziale Bedeutung dieses Wandels ist für Generationen, die mit der Beleuchtung nach Einbruch der Dunkelheit auf Knopfdruck aufgewachsen sind, nur schwer zu erfassen. Nicht nur die industrielle Produktion wurde beschleunigt, sondern auch die Straßen wurden sicherer, der soziale Verkehr erleichtert und Lesen und Schreiben weiter verbreitet. In fast jeder Stadt wurden Gaswerke gebaut, die Hauptstraßen wurden hell erleuchtet und die meisten städtischen Haushalte erhielten Gasleitungen in den Straßen. Die Erfindung des Gaszählers und des Vorauszahlungszählers in den späten 1880er Jahren spielte eine wichtige Rolle beim Verkauf von Stadtgas an private und gewerbliche Kunden. ⓘ

Gasherd von 1934 in England ⓘ

Die Ausbildung und Schulung der zahlreichen Arbeitskräfte, die Bemühungen um eine Vereinheitlichung der Herstellungs- und Handelspraktiken und die Mäßigung der kommerziellen Rivalität zwischen den Versorgungsunternehmen führten zur Gründung von Verbänden der Gasmanager, zuerst 1861 in Schottland. Ein britischer Verband von Gasmanagern wurde 1863 in Manchester gegründet, der nach einer turbulenten Geschichte zur Grundlage des Institute of Gas Engineers (IGE) wurde. Im Jahr 1903 initiierte die neu gegründete Institution of Civil Engineers (ICE) Kurse für Studenten der Gasherstellung im City and Guilds of London Institute. Die IGE erhielt 1929 die Royal Charter. Die Universitäten reagierten nur langsam auf die Bedürfnisse der Industrie, und erst 1908 wurde an der Universität von Leeds der erste Lehrstuhl für Kohlengas- und Brennstoffindustrie eingerichtet. Im Jahr 1926 eröffnete die Gas Light and Coke Company das Watson House neben den Nine Elms Gasplants. Zunächst handelte es sich um ein wissenschaftliches Labor. Später befand sich dort auch ein Zentrum für die Ausbildung von Lehrlingen, aber der wichtigste Beitrag für die Industrie waren die Prüfeinrichtungen für Gasgeräte, die der gesamten Industrie, einschließlich der Hersteller von Gasgeräten, zur Verfügung standen. Mit Hilfe dieser Einrichtung legte die Branche nicht nur Sicherheits-, sondern auch Leistungsstandards für die Herstellung von Gasgeräten und deren Wartung in Privathaushalten und Geschäftsräumen fest. ⓘ

Während des Ersten Weltkriegs waren die Nebenprodukte der Gasindustrie, Phenol, Toluol, Ammoniak und schwefelhaltige Verbindungen, wertvolle Bestandteile für Sprengstoffe. Ein großer Teil der Kohle für die Gaswerke wurde auf dem Seeweg transportiert und war somit anfällig für feindliche Angriffe. Die Gasindustrie war vor dem Krieg ein wichtiger Arbeitgeber für vor allem männliche Angestellte. Doch mit dem Aufkommen der Schreibmaschine und der weiblichen Schreibkraft kam es zu einem weiteren wichtigen sozialen Wandel, der - anders als die Beschäftigung von Frauen in der Kriegsindustrie - dauerhafte Auswirkungen haben sollte. ⓘ

Die Zwischenkriegsjahre waren geprägt von der Entwicklung der kontinuierlichen vertikalen Retorte, die viele der stapelweise beschickten horizontalen Retorten ersetzte. Es gab Verbesserungen bei der Lagerung, insbesondere bei den wasserlosen Gasbehältern, und bei der Verteilung mit der Einführung von 2-4-Zoll-Stahlrohren, die das Gas mit einem Druck von bis zu 340 kPa (50 psi) transportierten, im Vergleich zu den traditionellen Gussrohren, die mit einem durchschnittlichen Wasserstand von 2-3 Zoll (500-750 Pa) arbeiteten. Benzol als Kraftstoff für Fahrzeuge und Steinkohlenteer als wichtigster Rohstoff für die aufkommende organische Chemieindustrie bescherten der Gasindustrie beträchtliche Einnahmen. Nach dem Zweiten Weltkrieg verdrängte Erdöl den Steinkohlenteer als Hauptrohstoff für die organisch-chemische Industrie, und der Verlust dieses Marktes trug zu den wirtschaftlichen Problemen der Gasindustrie in der Nachkriegszeit bei. ⓘ

Im Laufe der Jahre entwickelte sich eine breite Palette von Geräten und Verwendungsmöglichkeiten für Gas. Gaskamine, Gaskocher, Kühlschränke, Waschmaschinen, Bügeleisen, Schürhaken zum Anzünden von Kohlefeuern, gasbeheizte Bäder, ferngesteuerte Gaslaternen, Gasmotoren verschiedener Art und in späteren Jahren Gas-Warmluft- und Warmwasser-Zentralheizungen sowie Klimaanlagen, die alle einen immensen Beitrag zur Verbesserung der Lebensqualität in Städten und Gemeinden weltweit leisteten. Die Entwicklung des elektrischen Lichts, das aus dem öffentlichen Netz bezogen werden konnte, löschte das Gaslicht aus, es sei denn, es wurde farblich angepasst, wie in Kurzwarengeschäften. ⓘ

Verfahren

Schema eines Lurgi-Vergasers ⓘ

Bei der Vergasung wird die Kohle mit Sauerstoff und Wasserdampf durchgeblasen und gleichzeitig erhitzt (und in einigen Fällen unter Druck gesetzt). Wird die Kohle durch externe Wärmequellen erhitzt, spricht man von einem "allothermen" Prozess, während beim "autothermen" Prozess die Erhitzung der Kohle durch exotherme chemische Reaktionen im Vergaser selbst erfolgt. Es ist wichtig, 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 (CO₂), Kohlenmonoxid (CO), Wasserdampf (H₂O) und molekularem Wasserstoff (H₂). (Einige Nebenprodukte wie Teer, Phenole usw. sind ebenfalls mögliche Endprodukte, je nach der verwendeten Vergasungstechnologie). Dieser Prozess wurde in-situ in natürlichen Kohleflözen (als unterirdische Kohlevergasung bezeichnet) und in Kohleraffinerien durchgeführt. Das gewünschte Endprodukt ist in der Regel Synthesegas (d. h. eine Kombination aus H₂ + CO), aber das erzeugte Kohlegas kann auch weiter veredelt werden, um zusätzliche Mengen an H₂:

3C (d.h. Kohle) + O₂ + H₂O → H₂ + 3CO ⓘ

Wenn der Raffineriebetreiber Alkane (d. h. Kohlenwasserstoffe, die in Erdgas, Benzin und Dieselkraftstoff enthalten sind) herstellen möchte, wird das Kohlegas in diesem Zustand gesammelt und in einen Fischer-Tropsch-Reaktor geleitet. Wenn jedoch Wasserstoff das gewünschte Endprodukt ist, durchläuft das Kohlegas (hauptsächlich das CO-Produkt) die Wassergasverschiebungsreaktion, bei der durch eine zusätzliche Reaktion mit Wasserdampf mehr Wasserstoff erzeugt wird:

CO + H₂O → CO₂ + H_{2 ⓘ}

Es gibt zwar noch andere Technologien für die Kohlevergasung, aber alle nutzen im Allgemeinen die gleichen chemischen Prozesse. Für minderwertige Kohlen (d. h. "Braunkohle"), die erhebliche Mengen Wasser enthalten, gibt es Technologien, bei denen während der Reaktion kein Dampf erforderlich ist und Kohle (Kohlenstoff) und Sauerstoff die einzigen Reaktionspartner sind. Auch einige Kohlevergasungstechnologien erfordern keine hohen Drücke. Bei einigen wird Kohlenstaub als Brennstoff verwendet, während andere mit relativ großen Kohlefraktionen arbeiten. Die Vergasungstechnologien unterscheiden sich auch in der Art und Weise, wie das Gebläse zugeführt wird. ⓘ

Beim "direkten Einblasen" werden die Kohle und das Oxidationsmittel von den gegenüberliegenden Seiten des Reaktorkanals zugeführt. In diesem Fall gelangt das Oxidationsmittel durch Koks und (eher) Asche in die Reaktionszone, wo es mit der Kohle in Wechselwirkung tritt. Das erzeugte heiße Gas durchströmt dann den frischen Brennstoff und erhitzt ihn, wobei es einige Produkte der thermischen Zerstörung des Brennstoffs, wie Teere und Phenole, absorbiert. Daher muss das Gas vor seiner Verwendung in der Fischer-Tropsch-Reaktion erheblich gereinigt werden. Die Raffinationsprodukte sind hochgiftig und erfordern spezielle Anlagen für ihre Nutzung. Daher müssen die Anlagen, in denen die beschriebenen Technologien zum Einsatz kommen, sehr groß sein, um wirtschaftlich arbeiten zu können. Eine dieser Anlagen namens SASOL befindet sich in der Republik Südafrika (RSA). Sie wurde gebaut, weil das Land durch ein Embargo an der Einfuhr von Erdöl und Erdgas gehindert wurde. Die RSA ist reich an Steinkohle und Anthrazit und war in der Lage, den Einsatz des bekannten Hochdruckvergasungsverfahrens "Lurgi" zu arrangieren, das in Deutschland in der ersten Hälfte des 20. ⓘ

Jahrhunderts in Deutschland entwickelt wurde. Bei der "umgekehrten Vergasung" (im Gegensatz zu dem zuerst beschriebenen Typ) werden die Kohle und das Oxidationsmittel von der gleichen Seite des Reaktors zugeführt. In diesem Fall gibt es keine chemische Wechselwirkung zwischen Kohle und Oxidationsmittel vor der Reaktionszone. Das in der Reaktionszone erzeugte Gas passiert die festen Produkte der Vergasung (Koks und Asche), und das im Gas enthaltene CO₂ und H₂O wird zusätzlich chemisch zu CO und H₂ umgewandelt. Im Vergleich zur "direct blowing"-Technologie sind keine toxischen Nebenprodukte im Gas vorhanden: diese werden in der Reaktionszone deaktiviert. Diese Art der Vergasung wurde in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts zusammen mit dem "direkten Einblasen" entwickelt, aber die Gasproduktionsrate ist deutlich niedriger als beim "direkten Einblasen", und es gab keine weiteren Bemühungen zur Entwicklung des "umgekehrten Einblasens" bis in die 1980er Jahre, als eine sowjetische Forschungseinrichtung KATEKNIIUgol' (F&E-Institut für die Erschließung des Kansk-Achinsk-Kohlefeldes) mit F&E-Aktivitäten begann, um die heute als "TERMOKOKS-S"-Verfahren bekannte Technologie zu entwickeln. Der Grund für die Wiederbelebung des Interesses an dieser Art von Vergasungsverfahren ist, dass es ökologisch sauber ist und zwei Arten von nützlichen Produkten (gleichzeitig oder getrennt) erzeugen kann: Gas (entweder brennbar oder Synthesegas) und Koks bei mittlerer Temperatur. Ersteres kann als Brennstoff für Gaskessel und Dieselgeneratoren oder als Synthesegas für die Herstellung von Benzin usw. verwendet werden, letzteres als technologischer Brennstoff in der Metallurgie, als chemisches Absorptionsmittel oder als Rohmaterial für Haushaltsbrennstoffbriketts. Die Verbrennung des Produktgases in Gaskesseln ist ökologisch sauberer als die Verbrennung der Ausgangskohle. Eine Anlage, die die Vergasungstechnologie mit dem "umgekehrten Gebläse" einsetzt, kann also zwei wertvolle Produkte herstellen, von denen das eine relativ kostenneutral ist, da es 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. Industrielle Anlagen, die diese Technologie nutzen, sind in Ulaan-Baatar (Mongolei) und Krasnojarsk (Russland) in Betrieb. ⓘ

Druckluftvergasungstechnologie, die durch die gemeinsame Entwicklung der Wison-Gruppe und Shell (Hybrid) entstanden ist. Ein Beispiel: Hybrid ist eine fortschrittliche Kohlenstaubvergasungstechnologie, diese Technologie kombiniert mit den bestehenden Vorteilen des Shell SCGP-Abhitzekessels, umfasst mehr als nur ein Fördersystem, Kohlenstaub-Druckvergasungsbrenneranordnung, seitliche Jet-Brenner-Membran-Wasserwand, und die intermittierende Entladung wurde vollständig in der bestehenden SCGP-Anlage wie ausgereifte und zuverlässige Technologie validiert, zur gleichen Zeit, es entfernt die bestehenden Prozess Komplikationen und in der Syngas-Kühler (Abfall-Pfanne) und [Flugasche] Filter, die leicht gescheitert, und kombiniert die aktuelle bestehende Vergasungstechnologie, die weit in synthetischen Gas Quench-Prozess verwendet wird. Es behält nicht nur die ursprünglichen Eigenschaften des Shell SCGP-Abhitzekessels für Kohle bei, wie z.B. die hohe Anpassungsfähigkeit und die Fähigkeit, leicht zu skalieren, sondern absorbiert auch die Vorteile der bestehenden Quench-Technologie. ⓘ

Unterirdische Kohlevergasung

Die unterirdische Kohlevergasung (UCG) ist ein industrieller Vergasungsprozess, der in nicht abgebauten Kohleflözen durchgeführt wird. Dabei wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, in der Regel Sauerstoff oder Luft, eingeblasen und das entstehende Produktgas durch von der Oberfläche aus gebohrte Förderbohrungen an die Oberfläche gebracht. Das Produktgas kann als chemisches Ausgangsmaterial oder als Brennstoff für die Stromerzeugung verwendet werden. Die Technik kann auf Ressourcen angewandt werden, deren Gewinnung sonst nicht wirtschaftlich wäre. Sie bietet auch eine Alternative zu herkömmlichen Kohleabbaumethoden. Im Vergleich zum herkömmlichen Kohleabbau und zur Vergasung hat UCG weniger Auswirkungen auf die Umwelt und die Gesellschaft, auch wenn Umweltbedenken bestehen, einschließlich der möglichen Verunreinigung von Grundwasserleitern. ⓘ

Technologie zur Kohlenstoffabscheidung

Die Kohlenstoffabscheidung, -nutzung und -bindung (oder -speicherung) wird zunehmend in modernen Kohlevergasungsprojekten eingesetzt, um die mit der Verwendung von Kohle und kohlenstoffhaltigen Brennstoffen verbundenen Probleme der Treibhausgasemissionen zu lösen. In dieser Hinsicht hat die Vergasung einen erheblichen Vorteil gegenüber der konventionellen Verbrennung von Steinkohle, bei der das bei der Verbrennung entstehende CO₂ durch Stickstoff und Restsauerstoff in den Verbrennungsabgasen bei nahezu Umgebungsdruck erheblich verdünnt wird, so dass es relativ schwierig, energieintensiv und teuer ist, das CO₂ abzuscheiden (dies wird als "Post-Combustion"-CO₂-Abscheidung bezeichnet). ⓘ

Bei der Vergasung hingegen wird den Vergasern in der Regel Sauerstoff zugeführt, und es wird gerade so viel Brennstoff verbrannt, dass die Wärme für die Vergasung des Rests zur Verfügung steht; außerdem wird die Vergasung häufig bei erhöhtem Druck durchgeführt. Das entstehende Synthesegas steht in der Regel unter höherem Druck und wird nicht durch Stickstoff verdünnt, was eine viel einfachere, effizientere und weniger kostspielige Entfernung von CO₂ ermöglicht. Die einzigartige Fähigkeit der Vergasung und des integrierten Vergasungskombikreislaufs, CO₂ vor der Verbrennung in einer Gasturbine (so genannte "Pre-Combustion"-CO₂-Abscheidung) oder vor der Verwendung in der Kraftstoff- oder Chemiesynthese leicht aus dem Synthesegas zu entfernen, ist einer ihrer wesentlichen Vorteile gegenüber herkömmlichen Kohlenutzungssystemen. ⓘ

Optionen der CO2-Abscheidungstechnologie

Alle auf Kohlevergasung basierenden Umwandlungsprozesse erfordern die Entfernung von Schwefelwasserstoff (H₂S; ein saures Gas) aus dem Synthesegas als Teil der gesamten Anlagenkonfiguration. Typische Verfahren zur Entfernung von saurem Gas (AGR), die für die Vergasung eingesetzt werden, sind entweder ein chemisches Lösungsmittelsystem (z. B. Amin-Gasbehandlungssysteme auf der Basis von MDEA) oder ein physikalisches Lösungsmittelsystem (z. B. Rectisol oder Selexol). Die Wahl des Verfahrens hängt hauptsächlich von den Anforderungen an die Synthesegasreinigung und den Kosten ab. Herkömmliche chemische/physikalische AGR-Verfahren mit MDEA, Rectisol oder Selexol sind kommerziell bewährte Technologien und können für die selektive Entfernung von CO₂ zusätzlich zu H₂S aus einem Synthesegasstrom ausgelegt werden. Für eine signifikante Abtrennung von CO₂ aus einer Vergasungsanlage (z. B. > 80 %) muss das CO im Synthesegas zunächst über eine der AGR-Anlage vorgeschaltete Wasser-Gas-Verschiebungsstufe (WGS) in CO₂ und Wasserstoff (H₂) umgewandelt werden. ⓘ

Bei Vergasungsanwendungen oder IGCC-Anlagen (Integrated Gasification Combined Cycle) sind die für die zusätzliche CO₂-Abscheidung erforderlichen Anlagenänderungen minimal. Das von den Vergasern erzeugte Synthesegas muss in verschiedenen Prozessen behandelt werden, um die bereits im Gasstrom enthaltenen Verunreinigungen zu entfernen. Um CO₂ abzuscheiden, müssen also nur die erforderlichen Anlagen, ein Absorber und ein Regenerator, zu diesem Prozessstrang hinzugefügt werden. ⓘ

Bei Verbrennungsanwendungen müssen Änderungen am Abgaskamin vorgenommen werden, und aufgrund der geringeren CO₂-Konzentration im Abgas müssen viel größere Gasmengen verarbeitet werden, was größere und teurere Anlagen erfordert. ⓘ

IGCC-Projekte (Integrated Gasification Combined Cycle) in den Vereinigten Staaten mit CO2-Abscheidung und -Verwendung/Speicherung

Das Kemper-Projekt von Mississippi Power wurde als IGCC-Kraftwerk auf Braunkohlebasis konzipiert, das eine Nettoleistung von 524 MW aus Synthesegas erzeugt und gleichzeitig über 65 % des erzeugten CO₂ mit Hilfe des Selexol-Verfahrens abscheidet. Die Technologie in der Kemper-Anlage, die Transport-Integrierte-Vergasung (TRIG), wurde von KBR entwickelt und ist lizenziert. Das CO₂ wird über eine Pipeline zu erschöpften Ölfeldern in Mississippi geleitet, wo es für die verbesserte Ölgewinnung eingesetzt wird. Die Anlage hat alle Ziele verfehlt, und die Pläne für eine "saubere Kohleverstromung" wurden im Juli 2017 aufgegeben. Es wird erwartet, dass das Kraftwerk nur mit Erdgas betrieben wird. ⓘ

Hydrogen Energy California (HECA) wird ein mit Kohle und Petrolkoks betriebenes IGCC-Polygeneration-Kraftwerk mit einer Nettoleistung von 300 MW sein (das Wasserstoff sowohl für die Stromerzeugung als auch für die Düngemittelherstellung produziert). Neunzig Prozent des erzeugten CO₂ werden abgeschieden (mit Rectisol) und zum Elk Hills-Ölfeld für EOR transportiert, was die Gewinnung von 5 Millionen zusätzlichen Barrel heimischen Öls pro Jahr ermöglicht. Am 4. März 2016 ordnete die California Energy Commission an, den HECA-Antrag zu beenden. ⓘ

Das Texas Clean Energy Project (TCEP) von Summit wird ein kohlebasiertes 400-MW-Strom-/Polygenerationsprojekt auf IGCC-Basis sein (das auch Harnstoffdünger produziert), bei dem 90 % des CO₂ vor der Verbrennung mit dem Rectisol-Verfahren abgeschieden werden. Das nicht für die Düngemittelherstellung verwendete CO₂ wird für die verbesserte Ölgewinnung im Permian Basin in Westtexas verwendet. ⓘ

Anlagen wie das Texas Clean Energy Project, bei denen Kohlenstoffabscheidung und -speicherung zum Einsatz kommen, wurden als Teil- oder Zwischenlösung für die Regulierungsprobleme angepriesen, wenn sie durch verbesserte Konstruktion und Massenproduktion wirtschaftlich rentabel gemacht werden können. Die Regulierungsbehörden der Energieversorgungsunternehmen und die Gebührenzahler haben sich aufgrund der höheren Kosten dagegen ausgesprochen, ebenso wie Umweltschützer wie Bill McKibben, die jede weitere Nutzung fossiler Brennstoffe als kontraproduktiv ansehen. ⓘ

Nebenprodukte

Zu den Nebenprodukten der Kohlegasherstellung gehören Koks, Kohlenteer, Schwefel und Ammoniak - alles nützliche Produkte. So werden Farbstoffe, Arzneimittel, einschließlich Sulfonamide, Saccharin und viele organische Verbindungen aus Steinkohlengas gewonnen. ⓘ

Koks wird als rauchloser Brennstoff und für die Herstellung von Wassergas und Generatorgas verwendet. Steinkohlenteer wird einer fraktionierten Destillation unterzogen, um verschiedene Produkte zu gewinnen, darunter ⓘ

• Teer, für Straßenbeläge
• Benzol, ein Motorkraftstoff
• Kreosot, ein Holzschutzmittel
• Phenol, das bei der Herstellung von Kunststoffen verwendet wird
• Kresole, Desinfektionsmittel ⓘ

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

Kommerzialisierung

Nach Angaben des Gasification and Syngas Technologies Council, eines Fachverbands, gibt es weltweit 272 in Betrieb befindliche Vergasungsanlagen mit 686 Vergasern und 74 Anlagen mit 238 Vergasern im Bau. Die meisten von ihnen verwenden Kohle als Ausgangsmaterial. ⓘ

Im Jahr 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 den Umweltzielen bewusst: Die Anlagen produzieren nicht nur viel Kohlendioxid, sondern verbrauchen auch viel Wasser in Gebieten, in denen das Wasser knapp ist. ⓘ

Auswirkungen auf die Umwelt

Umweltauswirkungen der Kohlevergasungsindustrie

Gasometer in West Ham, Vereinigtes Königreich ⓘ

Von der ursprünglichen Entwicklung bis zur großflächigen Einführung von Erdgas gab es allein in den Vereinigten Staaten mehr als 50.000 Industriegasanlagen. Bei der Herstellung von Gas fallen in der Regel eine Reihe von Nebenprodukten an, die den Boden und das Grundwasser in und um die Produktionsanlage verunreinigen, so dass viele ehemalige städtische Gaswerke ein ernsthaftes Umweltproblem darstellen und die Kosten für Sanierung und Wiederherstellung oft hoch sind. Die Standorte der Gaswerke lagen in der Regel in der Nähe von Wasserstraßen, die für den Kohletransport und die Ableitung von mit Teer, Ammoniak und/oder Tropfölen verunreinigten Abwässern sowie von Teeren und Teer-Wasser-Emulsionen genutzt wurden. ⓘ

In den Anfängen des GVP-Betriebs wurde Steinkohlenteer als Abfall betrachtet und häufig in die Umwelt in und um die Anlagenstandorte entsorgt. Jahrhunderts entwickelte sich die Verwendung von Steinkohlenteer, doch der Markt für Teer variierte, und Anlagen, die zu einem bestimmten Zeitpunkt keinen Teer verkaufen konnten, konnten Teer für eine spätere Verwendung lagern, versuchen, ihn als Kesselbrennstoff zu verbrennen, oder den Teer als Abfall entsorgen. In der Regel wurden die Teerabfälle in alten Gasspeichern, Stollen oder sogar Bergwerksschächten (sofern vorhanden) entsorgt. Im Laufe der Zeit zersetzen sich die Teerabfälle, wobei Phenole, Benzol (und andere Monoaromaten - BTEX) und polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe als Schadstofffahnen freigesetzt werden, die in die Umgebung entweichen können. Zu den anderen Abfällen gehört "Blue Billy", eine Ferroferricyanid-Verbindung - die blaue Farbe stammt von Preußischblau, das kommerziell als Farbstoff verwendet wurde. Blue Billy ist in der Regel ein körniges Material und wurde manchmal mit dem Slogan "Garantiert unkrautfreier Antrieb" verkauft. Das Vorhandensein von blauem Billy kann Gaspflanzenabfällen einen charakteristischen muffig-bitteren Mandel- oder Marzipangeruch verleihen, der mit Zyanidgas in Verbindung gebracht wird. ⓘ

Die Umstellung auf das vergaste Wassergasverfahren führte zunächst zu einem geringeren Ausstoß von Wassergasteer im Vergleich zur Menge des Kohlenteers. Mit dem Aufkommen der Automobile verringerte sich die Verfügbarkeit von Naphtha für Vergasungsöl, da diese Fraktion als Kraftstoff begehrt war. MGPs, die auf schwerere Ölsorten umstellten, hatten oft Probleme mit der Produktion von Teer-Wasser-Emulsionen, deren Auflösung schwierig, zeitaufwendig und kostspielig war. (Die Ursache für Teer-Wasser-Emulsionen ist komplex und hängt mit mehreren Faktoren zusammen, darunter freier Kohlenstoff im Vergasungsöl und die Verwendung von Steinkohle anstelle von Koks als Ausgangsmaterial). Die Produktion großer Mengen von Teer-Wasser-Emulsionen füllte schnell die verfügbaren Lagerkapazitäten der GVP, und die Werksleitung kippte die Emulsionen häufig in Gruben, aus denen sie später möglicherweise zurückgewonnen wurden. Selbst wenn die Emulsionen zurückgewonnen wurden, blieben die Umweltschäden, die durch die Lagerung von Teeren in nicht abgedichteten Gruben entstanden, bestehen. Die Verklappung von Emulsionen (und anderen teerhaltigen Rückständen wie Teerschlämmen, Tankböden und nicht spezifikationsgerechten Teeren) in den Boden und die Gewässer in der Umgebung von MGP ist ein wesentlicher Faktor für die Verschmutzung, die heute in ehemaligen Industriegasanlagen (in der Umweltsanierung als "FMGP" bezeichnet) zu finden ist. ⓘ

Zu den üblicherweise mit FMGP in Verbindung gebrachten Verunreinigungen gehören:

• BTEX
  • Ausdünstungen aus Ablagerungen von Kohle-/Gas-Teer
  • Leckagen von Vergaserkraftstoff/Leichtöl
  • Lecks aus Auffangbehältern, die kondensierbare Kohlenwasserstoffe aus dem Gas auffangen
• Kohlenteerabfälle/-schlämme
  • Typischerweise in Auffangwannen von Gasspeichern und Umfüllbecken zu finden.
  • Steinkohlenteerschlamm hat keinen Wiederverkaufswert und wurde daher immer deponiert.
• Flüchtige organische Verbindungen
• Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAHs)
  • In Steinkohlenteer, Gasteer und Pech in erheblichen Konzentrationen vorhanden.
• Schwermetalle
  • Verbleites Lötzinn für Gasleitungen, Bleileitungen, Kohleasche.
• Zyanid
  • Reinigungsabfälle enthalten große Mengen an komplexen Ferrocyaniden.
• Lampenruß
  • Wird nur dort gefunden, wo Rohöl als Vergasungsrohstoff verwendet wurde.
• Teer-Emulsionen

Steinkohlenteer und Steinkohlenteerschlämme sind häufig dichter als Wasser und liegen in der Umwelt als dichte Flüssigkeit in nichtwässriger Phase vor. ⓘ

Im Vereinigten Königreich wurde eine Reihe ehemaliger Gaswerkstandorte für Wohnzwecke und andere Nutzungen (einschließlich des Millennium Dome) umgewidmet, da sie als erstklassiges Bauland innerhalb der Stadtgrenzen angesehen wurden. Diese Erschließungsmöglichkeiten führen nun zu Problemen im Zusammenhang mit der Planung und dem Altlastenregime und wurden kürzlich im Unterhaus erörtert. ⓘ

Umweltauswirkungen der modernen Kohlevergasung

Kohlevergasungsprozesse erfordern Kontrollen und Maßnahmen zur Vermeidung von Umweltverschmutzung, um die Schadstoffemissionen zu verringern. Zu den Schadstoffen oder Emissionen, die im Zusammenhang mit der Kohlevergasung von Bedeutung sind, gehören vor allem:

• Asche und Schlacke

Nicht verschlackende Vergaser erzeugen Trockenasche, die der bei der herkömmlichen Kohleverbrennung anfallenden Asche ähnelt. Diese Asche (die in der Regel Schwermetalle enthält) kann eine Umweltbelastung darstellen, wenn sie auslaugbar oder ätzend ist und in Ascheteichen gelagert werden muss. Schlackenvergaser, die weltweit in vielen großen Kohlevergasungsanlagen eingesetzt werden, haben den großen Vorteil, dass die Aschebestandteile zu einer glasartigen Schlacke verschmolzen werden, wobei die Schwermetalle in der nicht auslaugbaren glasartigen Matrix gebunden werden und das Material ungiftig ist. Diese ungefährliche Schlacke hat zahlreiche nützliche Verwendungsmöglichkeiten, z. B. als Zuschlagstoff in Beton, als Zuschlagstoff in Asphalt für den Straßenbau, als Strahlsand, als Granulat für Dächer usw.

• Kohlendioxid (CO₂)

CO₂ ist von größter Bedeutung für den globalen Klimawandel.

• Quecksilber
• Arsen
• Feinstaub (PM)

Asche bildet sich bei der Vergasung aus anorganischen Verunreinigungen in der Kohle. Einige dieser Verunreinigungen reagieren zu mikroskopisch kleinen Feststoffen, die in dem bei der Vergasung entstehenden Synthesegas suspendiert werden können.

• Schwefeldioxid (SO₂)

Kohle enthält in der Regel zwischen 0,2 und 5 Prozent Schwefel in der Trockenmasse, der sich in den Vergasern aufgrund der hohen Temperaturen und des geringen Sauerstoffgehalts in H₂S und COS umwandelt. Diese "sauren Gase" werden aus dem in den Vergasern erzeugten Synthesegas mit Hilfe von Anlagen zur Entfernung von sauren Gasen entfernt, bevor das Synthesegas in der Gasturbine zur Stromerzeugung verbrannt oder für die Kraftstoffsynthese verwendet wird.

• Stickstoffoxide (NO_x)

(NO_x) bezieht sich auf Stickstoffoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO₂). Kohle enthält in der Regel zwischen 0,5 und 3 Prozent Stickstoff, bezogen auf das Trockengewicht, von dem sich der größte Teil in harmloses Stickstoffgas umwandelt. Es entstehen geringe Mengen an Ammoniak und Blausäure, die bei der Abkühlung des Synthesegases entfernt werden müssen. Bei der Stromerzeugung können durch die Verbrennung von Synthesegas in Turbinen auch NO_x entstehen. ⓘ

Verwendung

Stadtgas fand seine Verwendung vor allem bei der Straßenbeleuchtung und zur Innenbeleuchtung großer Gebäude im 19. Jahrhundert. Zahlreiche Städte errichteten Gaswerke zur Erzeugung von Stadtgas aus Kohle. Der dabei auch durch die Kohleentgasung entstandene Koks wurde in der Stahlindustrie bzw. auch als Brennstoff weiterverwendet. Erst gegen Anfang des 20. Jahrhunderts wurde Stadtgas auch für das Heizen und Kochen eingesetzt. Ab den 1960er Jahren wurde es allmählich durch Erdgas ersetzt. Neben der früheren Herstellung von Stadtgas war bzw. ist die Kohlevergasung bedeutungsvoll für den Einsatz in Kraftwerken, für die chemische Industrie (Synthesegas) und für die Hüttenindustrie. ⓘ

Wassergas

Über die endotherme Reaktion:

$\mathrm {C\ +\ H_{2}O\ \longrightarrow \ CO\ +\ H_{2}} \qquad \Delta H_{R}=+131\ \mathrm {kJ/mol} \,$ ⓘ

entsteht aus Kohle, die zuvor durch Verbrennung an Luft aufgeheizt wurde, und Wasserdampf sogenanntes Wassergas, eine Mischung aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff. Es handelt sich um eine Gleichgewichtsreaktion. ⓘ

Diese Reaktion wurde 1780 von Felice Fontana entdeckt. ⓘ

Das entstehende Gas wird unter anderem auch als Synthesegas oder Syngas bezeichnet, da es sich für die Synthese verschiedener chemischer Substanzen wie Methanol eignet. ⓘ

Generatorgas (Kohlenstoffmonoxid)

Generatorgas wird durch unvollständige Verbrennung von Koks mit Luft erzeugt. Hierbei reagiert Kohle, die zuvor durch Verbrennung an Luft aufgeheizt wurde, mit Kohlendioxid in einer Gleichgewichtsreaktion (Boudouard-Gleichgewicht) zu Kohlenstoffmonoxid. ⓘ

$\mathrm {C\ +\ O_{2}\ \longrightarrow \ CO_{2}}$

$\mathrm {C\ +\ CO_{2}\ \longrightarrow \ 2\ CO}$ ⓘ

Die Gesamtreaktion ergibt sich zu:

$\mathrm {2\ C\ +\ O_{2}\ \longrightarrow \ 2\ CO}$ ⓘ

Kohlehydrierung

Bei der Kohlehydrierung entstehen Kohlenwasserstoffe unterschiedlicher Kettenlängen:

$\mathrm {m\ C\ +\ n\ H\ \longrightarrow \ C_{m}H_{n}}$ ⓘ

Je nach Kettenlänge sind die Reaktionsprodukte gasförmig (Methan, Ethan, Propan, Butan) oder flüssig (höhere Alkane, die beispielsweise Verwendung finden in Benzin und Dieselkraftstoff). Bei flüssigen Produkten spricht man von Kohleverflüssigung. ⓘ

Konvertierungen

Hierbei werden Gase in Sekundärreaktionen aus den Produkten der Kohlevergasung erzeugt. ⓘ

Konvertierung zu Wasserstoff:

$\mathrm {CO\ +\ H_{2}O\ \longrightarrow \ CO_{2}\ +\ H_{2}} \qquad \Delta H_{R}=-42,3\ \mathrm {kJ/mol} \,$ ⓘ

Konvertierung zu Methan:

$\mathrm {CO\ +3\ H_{2}\ \longrightarrow \ CH_{4}\ +\ H_{2}O} \qquad \Delta H_{R}=-206\ \mathrm {kJ/mol} \,$ ⓘ

Vergasungsverfahren

Für die Vergasung von Kohle wurden unterschiedliche Vergasungsverfahren entwickelt, die den unterschiedlichen Anforderungen nach den Einsatzstoffen (Steinkohle, Braunkohle), nach der Körnigkeit der Einsatzstoffe und nach den gewünschten Endprodukten Rechnung tragen. Im Allgemeinen werden Festbett-, Wirbelschicht- und Flugstromvergaser unterschieden. Diese sind:

• die General Electric-Flugstromvergasung (früher Texaco)
• die „Winkler-Vergasung“ oder das „Hochtemperatur-Winkler-Verfahren“ (HTW) für den Einsatz von Braunkohle, Torf, Holz und Klärschlamm. Der Winkler-Generator wurde ab 1921 von dem Chemiker Fritz Winkler bei BASF entwickelt. Es ist ein Wirbelschichtvergaser.
• das Koppers-Totzek-Verfahren oder Krupp-Koppers-Totzek (~1952) (Flugstromvergaser)
• das PRENFLO-Verfahren von ThyssenKrupp Uhde GmbH (Flugstromvergasung)
• die Shell-Flugstromvergasung
• der E-Gas-Flugstromvergaser von ConocoPhillips
• die Sasol-Lurgi-Festbettdruckvergasung (Entwicklung seit ~1925)
• „BGL“, British Gas Lurgi Druckvergaser (Schlackebadvergaser), z. B. Industriepark Schwarze Pumpe
• das GSP-Verfahren (nach Georg Bilkenroth und Erich Rammler), entwickelt am Deutschen Brennstoffinstitut in Freiberg und im Gaskombinat Schwarze Pumpe (Flugstromvergaser, Braunkohlenhochtemperaturkoks)
• allotherme Wasserdampfverfahren (ab 1980) ⓘ