DE102008027882A1 - Preparing carbon monoxide rich, methane-poor gas, comprises autothermal reforming of hydrocarbon-containing fuel with carbon dioxide, steam and an oxidant - Google Patents

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Abstract

Preparing carbon monoxide rich, methane-poor gas (synthesis gas), comprises catalytic partial oxidation (autothermal reforming) of hydrocarbon-containing fuel with carbon dioxide, steam and an oxidant, where the synthesis gas is extracted as a product gas of autothermal reforming process with a temperature of greater than 1100[deg] C. An independent claim is included for a device with a refractory lining for the production of carbon monoxide rich, methane-poor gas (synthesis gas) comprising autothermal reforming reactor for executing the autothermal reforming process, and a reactor burner over which the use materials in the reaction chamber of the autothermal reforming reactor is contacted.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines kohlenmonoxidreichen, methanarmen Gases (Synthesegas), wobei ein Kohlenwasserstoffe enthaltender Einsatz (Brennstoff) gemeinsam mit Kohlendioxid (CO2) und/oder Wasserdampf sowie einem Oxidationsmittel durch katalytisch unterstützte partielle Oxidation (Autothermal-Reformierung bzw. ATR) umgesetzt wird.The invention relates to a method for producing a low-carbon, low-methane gas (synthesis gas), wherein a hydrocarbon-containing use (fuel) together with carbon dioxide (CO 2 ) and / or water vapor and an oxidizing agent by catalytically assisted partial oxidation (autothermal reforming or ATR ) is implemented.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.Farther The invention relates to a device for implementation the method according to the invention.

Die Produktion von Synthesegas ist ein wichtiger Schritt bei der Herstellung einer Vielzahl von Stoffen wie Ammoniak oder Methanol, aber auch bei der Erzeugung von synthetischen Kraftstoffen aus Erdgas (GTL). Das bevorzugte Verfahren, mit dem das Synthesegas produziert wird, hängt vom Zielprodukt und der Anlagenkapazität ab. Die Produktion von Wasserstoff basiert meist auf dem Prinzip der Dampfreformierung im von außen beheizten Rohrreformer. Für die Produktion von Synthesegas für die Methanolherstellung in Großanlagen hat sich die Autothermal-Reformierung durchgesetzt. Für die Erzeugung von Synthesegas in GTL-Anlagen, die nach dem Fischer-Tropsch-Verfahren arbeiten, werden sowohl Autothermal-Reformierung als auch eine Kombination von partieller Oxidation ohne Katalysator (POX) und Dampfreformierung im Rohrreformer eingesetzt.The Synthesis gas production is an important step in the manufacturing process a variety of substances such as ammonia or methanol, as well in the production of synthetic fuels from natural gas (GTL). The preferred process by which the syngas is produced depends on the target product and the plant capacity from. The production of hydrogen is mostly based on the principle Steam reforming in externally heated tube reformer. For the production of synthesis gas for methanol production In large plants, the autothermal reform has prevailed. For the production of synthesis gas in GTL plants, which after the Fischer-Tropsch process will work, both autothermal reforming as well as a combination of partial oxidation without catalyst (POX) and steam reforming used in the tube reformer.

Bei der Dampfreformierung im Rohrreformer wird ein vorgewärmter kohlenwasserstoffhaltiger Einsatz mit Wasserdampf gemischt und durch mit Katalysatormaterial gefüllte Reformerrohre geleitet. Der Katalysator beschleunigt die Dampfreformierung der Kohlenwasserstoffe und unterstützt gleichzeitig die sog. Wassergas-Shiftreaktion. Handelt es sich beispielsweise bei dem kohlenwasserstoffhaltigen Einsatz um Methan, laufen die endotherme Reformierungsreaktion nach der Gleichung CH4 + H2O ⇔ CO + 3H2 (1) und die exotherme Wassergas-Shiftreaktion nach der Gleichung CO + H2O ⇔ CO2 + H2 (2)ab. Da die Reformierungsreaktion mehr Energie verbraucht, als die Wassergas-Shiftreaktion liefert, müssen die Reformerrohre von außen mit Brennern oder heißen Prozessgasen beheizt werden, um eine ausreichende Reaktionstemperatur aufrecht zu erhalten. Durch die Festigkeitseigenschaften des Rohrmaterials (nickelhaltige Edelstähle) bedingt, werden die Reaktionstemperaturen auf 800–900°C und die Reaktionsdrucke auf 20–40 bar beschränkt. Bei diesen Betriebsparametern erfolgt die Umsetzung der Kohlenwasserstoffe im Einsatz nur unvollständig. Um einen möglichst hohen Umsetzungsgrad zu erreichen und gleichzeitig die Rußbildung in den Reformerrohren zu minimieren, wird mit einem Dampfüberschuss gearbeitet, sodass das Verhältnis von Wasserdampf zu Kohlenstoff (D/C-Verhältnis) je nach Temperatur und gewünschter Synthesegaszusammensetzung zwischen 2 und 4 liegt.In steam reforming in the tube reformer, a preheated hydrocarbonaceous feed is mixed with steam and passed through catalyst tube filled reformer tubes. The catalyst accelerates the steam reforming of the hydrocarbons and at the same time supports the so-called water gas shift reaction. For example, if the hydrocarbonaceous feedstock is methane, the endothermic reforming reaction will follow the equation CH 4 + H 2 O⇔CO + 3H 2 (1) and the exothermic water gas shift reaction according to the equation CO + H 2 O⇔CO 2 + H 2 (2) from. Since the reforming reaction consumes more energy than the water gas shift reaction provides, the reformer tubes must be externally heated with burners or hot process gases to maintain a sufficient reaction temperature. Due to the strength properties of the pipe material (nickel-containing stainless steels), the reaction temperatures are limited to 800-900 ° C and the reaction pressures to 20-40 bar. In these operating parameters, the implementation of hydrocarbons in use is incomplete. In order to achieve the highest possible degree of conversion and at the same time to minimize soot formation in the reformer tubes, an excess of steam is used so that the ratio of steam to carbon (D / C ratio) is between 2 and 4, depending on the temperature and the desired synthesis gas composition.

Bei der partiellen Oxidation ohne Katalysator, wird Synthesegas dadurch erzeugt, dass ein vorgewärmter kohlenwasserstoffhaltiger Einsatz bei Temperaturen zwischen 1300 und 1500°C und Drücken bis zu 150 bar mit einem Oxidationsmittel umgesetzt wird. Die hohen Reaktionsdrücke und Arbeitstemperaturen werden dadurch ermöglicht, dass der Reaktionsraum mit einer Wärmeisolierung gegen einen außen liegenden druckfesten Stahlmantel gekapselt ist. Da nur geringe Mengen Wasserdampf (Spüldampf) mit den Einsatzstoffen zugeführt werden, ist das D/C-Verhältnis i. Allg. kleiner als 0,1. Die für die Reformierung erforderliche Wärme muss durch Oxidationsreaktionen intern erzeugt werden. Für die Oxidation wird Sauerstoff in einer Menge zugegeben, die für eine vollständige Umsetzung der Kohlenwasserstoffe nicht ausreichend ist. Die Reformierungsreaktion läuft in der Gasphase ohne Katalysator ab. Wird beispielsweise Methan als Einsatz verwendet, erfolgt die exotherme Umsetzung nach den folgenden Gleichungen: CH4 + 2 O2 ⇒ CO2 + 2 H2O (3) 2CH4 + O2 ⇒ 2CO + 4H2 (4) In the partial oxidation without catalyst, synthesis gas is produced by reacting a preheated hydrocarbonaceous feed at temperatures between 1300 and 1500 ° C and pressures up to 150 bar with an oxidizing agent. The high reaction pressures and operating temperatures are made possible by the fact that the reaction space is encapsulated with a heat insulation against an external pressure-resistant steel jacket. Since only small amounts of water vapor (flushing steam) are supplied with the starting materials, the D / C ratio is i. Gen. less than 0.1. The heat required for the reforming must be generated internally by oxidation reactions. For the oxidation, oxygen is added in an amount which is insufficient for complete conversion of the hydrocarbons. The reforming reaction proceeds in the gas phase without catalyst. If, for example, methane is used as an insert, the exothermic conversion takes place according to the following equations: CH 4 + 2 O 2 ⇒ CO 2 + 2 H 2 O (3) 2CH 4 + O 2 ⇒ 2CO + 4H 2 (4)

Bei der Autothermal-Reformierung wird ein Reaktor (ATR-Reaktor) mit einem vorgewärmten kohlenwasserstoffhaltigen Einsatz, einem ebenfalls vorgewärmten Oxidationsmittel sowie Kohlendioxid und/oder Wasserdampf beschickt. Das typische D/C-Verhältnis liegt zwischen 0,3 und 1,0. Charakteristisch für die Autothermal-Reformierung ist die hohe Flexibilität des Prozesses, die eine Wahl der Reaktionsparameter (kohlenwasserstoffhaltiger Einsatz, D/C-Verhältnis, Temperatur, Druck) in einem weiten Bereich ermöglicht. Typischerweise liegt die Arbeitstemperatur eines ATR-Reaktors zwischen 900 und 1500°C und der Arbeitsdruck zwischen 20 und 40 bar. Als kohlenwasserstoffhaltige Einsätze sind Erdgas, LPG und Naphta geeignet.at the autothermal reforming is a reactor (ATR reactor) with a preheated hydrocarbonaceous feed, a also preheated oxidizing agent and carbon dioxide and / or Steam is charged. The typical D / C ratio is between 0.3 and 1.0. Characteristic of the autothermal reforming is the high flexibility of the process, which is a choice the reaction parameter (hydrocarbonaceous use, D / C ratio, Temperature, pressure) in a wide range. Typically, the working temperature of an ATR reactor is intermediate 900 and 1500 ° C and the working pressure between 20 and 40 bar. As hydrocarbon-containing operations are natural gas, LPG and naphtha suitable.

Aus verfahrenstechnischer Sicht handelt es sich bei der ATR um eine Kombination aus POX mit erhöhter Dampfzufuhr und nachfolgender Dampfreformierung in einem Katalysatorbett. Die Energie für die Aufrechterhaltung der endothermen Reformierungsreaktion wird im Brennraum des ATR-Reaktors durch die partielle Oxidation des kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzes erzeugt. Aus dem Brennraum strömt das heiße Gas in das, häufig als Schüttschicht ausgeführte, Katalysatorbett, in dem die Dampfreformierung erfolgt. Um die Wärmeverluste des Reformers decken zu können, wird die Menge an Oxidationsmittel so eingestellt, dass der Gesamtprozess (Aufheizung der Einsatzstoffe, partielle Oxidation, Reformierung und Wasser-Gas-Shiftreaktion) leicht exotherm ist. Das Synthesegas tritt mit einer Temperatur (Austrittstemperatur) aus dem Katalysatorbett aus, die deutlich niedriger ist, als die Brennraumtemperatur. So beträgt sie beispielsweise ca. 1100°C, wenn die mittlere Brennraumtemperatur bei ca. 1450°C liegt. Das typische D/C-Verhältnis liegt zwischen 0,3 und 1, während das Verhältnis von Sauerstoff und dem in den Kohlenwasserstoffen gebundenen Kohlenstoff (O2/C-Verhältnis) zwischen 0,52 und 0,7 liegt.From a process engineering point of view, the ATR is a combination of POX with increased steam supply and subsequent steam reforming in a catalyst bed. The energy for maintaining the endothermic reforming reaction is in the combustion chamber of the ATR reactor by the partial oxidation of the hydrocarbon containing use. From the combustion chamber, the hot gas flows into the, often designed as a packed bed, catalyst bed in which the steam reforming takes place. In order to cover the heat losses of the reformer, the amount of oxidizing agent is adjusted so that the overall process (heating of the starting materials, partial oxidation, reforming and water-gas shift reaction) is slightly exothermic. The synthesis gas exits the catalyst bed at a temperature (exit temperature) that is significantly lower than the combustion chamber temperature. For example, it is about 1100 ° C when the average combustion chamber temperature is about 1450 ° C. The typical D / C ratio is between 0.3 and 1, while the ratio of oxygen to hydrocarbon-bound carbon (O 2 / C ratio) is between 0.52 and 0.7.

ATR-Reaktoren sind i. Allg. senkrecht stehende Zylinder mit einem druckfesten Stahlmantel, die nach oben mit einem Konus und nach unten mit einem Klöpper- oder Korbbogenboden abgeschlossen sind. Zum Schutz des Stahlmantels vor Wärme ist im Inneren der ATR-Reaktoren eine wärmedämmende Ausmauerung aus feuerfesten Steinen und Feuerfestbeton eingebaut, die einen Reaktionsraum umschließt, der in seinem oberen Beriech als Brennraum dient und der in seinem unteren Bereich mit Katalysatormaterial gefüllt ist. An der Spitze des Konus ist ein Brenner (Reaktorbrenner) angeordnet, über den die Einsatzstoffe in den Reaktionsraum eingeleitet werden. Die Flammentemperaturen im Brennraum liegen typischerweise zwischen 1600 und 2000°C. Da Ausmauerungen normalerweise nur für Temperaturen < 1600°C ausgelegt sind, wird die Konstruktion der Ausmauerung mit einem Länge/Durchmesser-Verhältnis von < 3 relativ bauchig ausgeführt, so dass ein großer Abstand zwischen Ausmauerung und Flamme besteht. Die Wärmeisolierung besteht aus feuerfesten Steinen, die als statisch selbsttragender Baukörper im Reaktormantel mit feuerfestem Mörtel eingemauert werden.ATR reactors are i. Gen. vertical cylinders with a pressure-resistant Steel mantle up with a cone and down with a Dished or basket bottom are completed. For protection the steel mantle from heat is inside the ATR reactors a heat-insulating lining made of refractory Built in stones and refractory concrete enclosing a reaction space, which serves as a combustion chamber in its upper part and which in its upper part bottom area is filled with catalyst material. At the top of the cone is a burner (reactor burner) arranged over the the starting materials are introduced into the reaction space. The flame temperatures in the combustion chamber are typically between 1600 and 2000 ° C. As walling usually only for temperatures <1600 ° C are designed, the construction of the lining with a Length / diameter ratio of <3 relatively bulky, so that there is a big gap between lining and flame consists. The thermal insulation consists of refractory bricks, as a statically self-supporting structure in the reactor shell with be masonry refractory mortar.

Ein kohlenmonoxidreiches Synthesegas mit einem H2/CO-Verhältnis zwischen 1 und 3, wie es beispielsweise für die Methanol- oder die Oxogasproduktion oder in GTL-Verfahren benötigt wird, wird nach dem Stand der Technik durch Dampfreformierung mit optional anschließender Autothermal-Reformierung oder partieller Oxidation erzeugt. Trotz der aufwendigen Verfahrensführung weist ein auf diese Weise hergestelltes Synthesegas immer noch CH4-Restgehalte zwischen 2000–6000 ppm auf. Für bestimmte Anwendungen, wie z. B. die Oxogasproduktion, sind jedoch geringere CH4-Restgehalte gefordert, so dass das Synthesegas vor seiner Nutzung einer Behandlung unterzogen werden muss, bei der sein Methangehalt reduziert wird.A carbon monoxide-rich synthesis gas with a H 2 / CO ratio between 1 and 3, as required for example for the methanol or the Oxogasproduktion or in GTL process is, according to the prior art by steam reforming with optional subsequent autothermal reforming or partial Oxidation generated. Despite the elaborate process procedure, a synthesis gas produced in this way still has CH 4 residual contents between 2000-6000 ppm. For certain applications, such. As the Oxogasproduktion, but lower CH 4 residual levels are required so that the synthesis gas must be subjected before its use a treatment in which its methane content is reduced.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung anzugeben, die es ermöglichen, ein Synthesegas mit hohem CO-Anteil und geringem Methangehalt auf einfachere und wirtschaftlichere Weise zu erzeugen, als dies nach dem Stand der Technik möglich ist.task The invention is a method of the type described above and to provide a device for carrying it out, which make it possible, a synthesis gas with high CO content and low methane content in a simpler and more economical way to produce, as this is possible in the prior art is.

Die gestellte Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Synthesegas als Produktgas der Autothermal-Reformierung mit einer Temperatur von mehr als 1100°C gewonnen wird.The asked task is the method according to the invention thereby solved that using the synthesis gas as a product gas of autothermal reforming a temperature of more than 1100 ° C is recovered.

Die Gewinnung des Synthesegases mit einer Temperatur von mehr als 1100°C ist gleichbedeutend damit, dass das bei der Autothermal-Reformierung erzeugte Produktgas mit einer Temperatur aus dem Katalysatorbett austritt, die höher ist, als 1100°C und damit höher als nach dem Stand der Technik. Durch die erfindungsgemäße Erhöhung der Austrittstemperatur der Autohermal-Reformierung wird eine Verschiebung des Reformierungsgleichgewichtes hin zu geringeren CH4-Gehalten im Produkt- bzw. Synthesegas bewirkt. Auf einen zusätzlichen Behandlungsschritt zur Reduzierung des Methangehaltes kann daher verzichtet werden.The recovery of the synthesis gas having a temperature of more than 1100 ° C is equivalent to the fact that the product gas produced in the autothermal reforming exits the catalyst bed with a temperature which is higher than 1100 ° C and thus higher than in the state of Technology. By increasing the exit temperature of the auto-thermal reforming according to the invention, a shift of the reforming equilibrium toward lower CH 4 contents in the product or synthesis gas is effected. An additional treatment step for reducing the methane content can therefore be dispensed with.

Wie Versuche gezeigt haben, kann das erfindungsgemäße Verfahren überraschender Weise mit einem Katalysator durchgeführt werden, wie er auch nach dem Stand der Technik in ATR-Reaktoren eingesetzt wird. Die erhöhten Temperaturen bewirken zwar ein Sintern des Katalysatormaterials, was jedoch keinen oder nur einen unwesentlichen Einfluss auf die spezifische Umsatzleistung hat.As Experiments have shown, the inventive Process surprisingly carried out with a catalyst be, as well as the state of the art in ATR reactors is used. Although the elevated temperatures cause sintering of the catalyst material, which, however, no or only an insignificant impact on the specific sales performance Has.

Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sehen vor, dass das Synthesegas mit einer Temperatur erzeugt wird, die zwischen 1100 und 1400, bevorzugt zwischen 1100 und 1250 und besonders bevorzugt zwischen 1130 und 1200°C liegt.refinements of the method according to the invention provide that the synthesis gas is generated at a temperature between 1100 and 1400, preferably between 1100 and 1250, and more preferably between 1130 and 1200 ° C.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dazu geeignet, Synthesegase zu erzeugen, die einen weiten Druckbereich abdecken. Sinnvollerweise wird ein Synthesegas mit einem Druck erzeugt, der zwischen 1 und 100, bevorzugt zwischen 5 und 80 und besonders bevorzugt zwischen 10 und 40 bar(a) liegt.The method according to the invention is suitable Generating synthesis gases that cover a wide pressure range. It makes sense to produce a synthesis gas with a pressure that between 1 and 100, preferably between 5 and 80, and more preferably between 10 and 40 bar (a).

Für den Reformierungsschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens können eine Vielzahl von Katalysatoren eingesetzt werden, insbesondere solche, die auch bei einer Autothermal-Reformierung nach dem Stand der Technik verwendet werden. Mit besonderem Vorteil wird jedoch ein Katalysator eingesetzt wird, der aus einem Katalysatorträger und einem auf dem Katalysatorträger angebrachten, katalytisch wirkenden Material besteht, wobei es sich bei dem Katalysatorträger vorzugsweise um Aluminiumoxid (Al2O3) oder Zirkonoxid (ZrO2) und bei dem katalytisch wirkenden Material bevorzugt um Nickel, Rhodium oder Ruthenium handelt.For the reforming step of the process according to the invention, a large number of catalysts can be used, in particular those which are also used in an autothermal reforming according to the prior art. With particular advantage, however, a catalyst is used which consists of a catalyst support and a catalytically active material attached to the catalyst support, wherein the catalyst support is preferably aluminum oxide (Al 2 O 3 ) or zirconium oxide (ZrO 2 ) and in the catalytically active material is preferably nickel, rhodium or ruthenium.

Der Kohlenmonoxidanteil im Synthesegas ist in erster Line abhängig von den eingesetzten Kohlendioxid- und/oder Wasserdampfmengen. Beide Größen beeinflussen auch die Lage der Gleichgewichte der bei der Autothermal-Reformierung ablaufenden Reaktionen und damit die Methankonzentration im Synthesegas. Die Autothermal-Reformierung erlaubt es die eingesetzten Kohlendioxid- und/oder Wasserdampfmengen in weiten Bereichen zu variieren und so die Zusammensetzung der Synthesegase ihren Verwendungszeck anzupassen. Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sehen daher vor, dass dem Brennstoff so viel Wasserdampf und/oder Kohlendioxid zugemischt werden, dass das Verhältnis von Wasserdampf und dem in den Kohlenwasserstoffen gebundenen Kohlenstoff (D/C-Verhältnis) zwischen 0 und 2, bevorzugt zwischen 0,1 und 1,0 und besonders bevorzugt zwischen 0,2 und 0,6 mol/mol und das Verhältnis von Kohlendioxid und dem in den Kohlenwasserstoffen gebundenen Kohlenstoff (CO2/C-Verhältnis) zwischen 0 und 3, bevorzugt zwischen 0,5 und 2,0 und besonders bevorzugt zwischen 0,6 und 1,0 mol/mol liegt.The carbon monoxide content in the synthesis gas is primarily dependent on the quantities of carbon dioxide and / or water vapor used. Both quantities also influence the position of the equilibria of the reactions taking place during the autothermal reforming and thus the methane concentration in the synthesis gas. The autothermal reforming allows the amounts of carbon dioxide and / or water vapor used to vary widely and thus adapt the composition of the synthesis gases their use. Embodiments of the method according to the invention therefore provide that the fuel so much water vapor and / or carbon dioxide are admixed that the ratio of water vapor and the bound carbon in the hydrocarbons (D / C ratio) between 0 and 2, preferably between 0.1 and 1.0 and more preferably between 0.2 and 0.6 mol / mol and the ratio of carbon dioxide and the hydrocarbon-bound carbon (CO 2 / C ratio) is between 0 and 3, preferably between 0.5 and 2 , 0 and more preferably between 0.6 and 1.0 mol / mol.

Eine weitere Größe, durch die die Synthesegaszusammensetzung beeinflusst wird, ist das Verhältnis von Sauerstoff und dem in den Kohlenwasserstoffen gebundenen Kohlenstoff (O2/C-Verhältnis). Zweckmäßigerweise liegt das O2/C-Verhältnis zwischen 0,5 und 0,9 und bevorzugt zwischen 0,55 und 0,8 mol/mol.Another quantity that affects the synthesis gas composition is the ratio of oxygen to the carbon-bonded carbon (O 2 / C ratio). Conveniently, the O 2 / C ratio is between 0.5 and 0.9, and preferably between 0.55 and 0.8 mol / mol.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung eines kohlenmonoxidreichen, methanarmen Gases (Synthesegas), aufweisend einen mit einer feuerfesten Auskleidung versehenen, druckfesten Reaktor (ATR-Reaktor), in dem ein Kohlenwasserstoffe enthaltender Einsatz (Brennstoff) gemeinsam mit Kohlendioxid (CO2) und/oder Wasserdampf sowie einem Oxidationsmittel durch katalytisch unterstützte partielle Oxidation (Autothermal-Reformierung bzw. ATR) umsetzbar ist sowie einen Reaktorbrenner, über den die Einsatzstoffe in den Brennraum des ATR-Reaktors einbringbar sind.In addition, the invention relates to a device for producing a low-carbon, low-methane gas (synthesis gas), comprising a refractory lined, pressure-resistant reactor (ATR reactor), in which a hydrocarbon-containing feed (fuel) together with carbon dioxide (CO 2 ) and / or water vapor and an oxidizing agent by catalytically assisted partial oxidation (autothermal reforming or ATR) can be implemented and a reactor burner, via which the starting materials are introduced into the combustion chamber of the ATR reactor.

Die gestellte Aufgabe wird vorrichtungsseitig erfindungsgemäße dadurch gelöst, dass das Synthesegas als Produktgas aus dem ATR-Reaktor mit einer Temperatur von mehr als 1100°C abziehbar ist.The asked task is device-side according to the invention solved by the synthesis gas as product gas the ATR reactor with a temperature of more than 1100 ° C is removable.

Für den Einsatz in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eignet sich eine Reihe von unterschiedlichen ATR-Reaktoren. So kann es sich beispielsweise um einen ATR-Reaktor nach dem Stand der Technik handeln, wie er in beispielsweise in Hydrocarbon Processing/March 2000, p 100 beschrieben ist. Ein derartiger Reaktor besteht aus einem mit einer feuerfesten Isolierung ausgekleideten Reaktorbehälter, der in seinem weitgehend zylindrisch geformten unteren Reaktionsraum ein Bett aus einem für eine Dampfreformierung geeigneten Katalysatormaterial enthält. Oberhalb des Katalysatorbettes befindet sich ein nach oben konisch sich verjüngender Brennraum, an dessen höchstem Punkt ein Brenner angeordnet ist. Das Katalysatorbett muss mit einer großen Anströmfläche ausgeführt sein, um die geforderten Gasgeschwindigkeiten von lediglich 1–1,5 m/s zu erreichen. Hierdurch ergibt sich die typische bauchige Form dieses ATR-Reaktors, bei der das Verhältnis von Reaktionsraumlänge zu Reaktionsraumdurchmesser kleiner ist als drei. Bedingt durch die geometrischen Verhältnisse kann sich im Brennraum eine starke Zirkulationsströmung ausbilden, die für eine gewünschte Vergleichmäßigung der Brennraumtemperatur sorgt.For the use in the device according to the invention a number of different ATR reactors are suitable. So can it is for example a ATR reactor according to the prior art, as described in, for example, Hydrocarbon Processing / March 2000, p 100 is described. Such a reactor consists of a a refractory lined reactor vessel, the in its largely cylindrically shaped lower reaction space a bed suitable for steam reforming Contains catalyst. Above the catalyst bed there is a conically tapering combustion chamber upwards whose highest point a burner is arranged. The catalyst bed must be carried out with a large inflow area be around the required gas velocities of only 1-1.5 m / s to reach. This results in the typical bulbous shape this ATR reactor, where the ratio of reaction space length to the reaction space diameter is less than three. Due The geometric conditions can be strong in the combustion chamber Form circulation flow, which for a desired Homogenization of the combustion chamber temperature ensures.

In der deutschen Offenlegungsschrift DE10320965 , deren Offenbarungsgehalt mit der Zitierung zur Gänze in die vorliegende Beschreibung aufgenommen wird, wird ein Rohrreaktor zur Umsetzung von Gasströmen bei hohen Temperaturen beschrieben, dessen schlanker, zylindrischen Reaktionsraum eine gerichtete Gasströmung begünstigt und die Ausbildung großräumiger Zirkulationsströmungen verhindert. Dieser Rohrreaktor erlaubt es, die Umsatzleistung im Vergleich zu einem oben beschriebenen, bauchigen Reaktor deutlich zu steigern. Eine Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht daher vor, dass der ATR-Reaktor als senkrecht stehender Rohrreaktor ausgeführt ist, der im unteren Teil seines Reaktionsraumes ein Katalysatorbett aufweist. Zweckmäßiger Weise liegt das Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Reaktionsraumes zwischen 2 und 20, vorzugsweise jedoch zwischen 3 und 10. Da aufgrund des schlanken Reaktordesigns relative hohe Gasgeschwindigkeiten von 10–20 m/s erreicht werden, sollte der spezifische Druckverlust im Katalysatorbett relativ niedrig sein, um die Druckbelastungen im Katalysatorbett und dessen Auflager zu reduzieren. Sinnvollerweise ist das Katalysatorbett daher als monolithische, mit Katalysatormaterial beschichtete Wabenstruktur ausgeführt.In the German Offenlegungsschrift DE10320965 , the disclosure of which is incorporated in the present specification with the citation, a tubular reactor for the conversion of gas streams at high temperatures is described, the slender, cylindrical reaction chamber favors a directed gas flow and prevents the formation of large-scale circulation flows. This tube reactor makes it possible to significantly increase the conversion efficiency compared to a bulbous reactor described above. A variant of the device according to the invention therefore provides that the ATR reactor is designed as a vertical tubular reactor having a catalyst bed in the lower part of its reaction space. Conveniently, the ratio of length to diameter of the reaction space is between 2 and 20, but preferably between 3 and 10. Since due to the slender reactor design relatively high gas velocities of 10-20 m / s are achieved, the specific pressure drop in the catalyst bed should be relatively low to reduce the pressure loads in the catalyst bed and its support. It makes sense, therefore, the catalyst bed is designed as a monolithic, coated with catalyst material honeycomb structure.

Eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass lediglich der Brennraum des ATR-Reaktors als senkrecht stehender Rohrreaktor ausgebildet ist. Ein derartiger ATR-Reaktor ist in der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2005 026 881 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt mit der Zitierung ebenfalls zur Gänze in die vorliegende Beschreibung aufgenommen wird. Der Brennraum, der keine Einbauten enthält, ist als POX-Reaktor betreibbar. Er ist mit wenigstens einem katalysatorgefüllten Dampfreformierungsreaktor verbunden, dem bei der POX-Reaktion gebildetes Gas zuführbar ist. Zwischen dem Brennraum und dem oder den Dampfreformierungsreaktoren befindet sich sinnvoller Weise eine Einrichtung zur Wasserdampfzuführung, über die dem bei der POX-Reaktion gebildeten Gas für die Dampfreformierung benötigter Wasserdampf zudosierbar ist. Das Katalysatormaterial liegt im Dampfreformierungsreaktor in Form einer Schüttschicht oder als monolithische Wabenstruktur vor. Zweckmäßiger Weise liegt das Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Brennraumes zwischen 6 und 16, vorzugsweise jedoch zwischen 9 und 14.A further variant of the device according to the invention provides that only the combustion chamber of the ATR reactor is designed as a vertical tubular reactor. Such an ATR reactor is in the German Offenlegungsschrift DE 10 2005 026 881 whose disclosure content with the citation is also fully incorporated into the present description. The combustion chamber, which contains no internals, can be operated as a POX reactor. It is connected to at least one catalyst-filled steam reforming reactor, to which gas formed in the POX reaction can be fed. Between the combustion chamber and the or the steam reforming reactors, there is expediently a device for supplying steam via which water vapor required for the steam reforming of the gas formed in the POX reaction can be added. The catalyst material is present in the steam reforming reactor in the form of a packed bed or as a monolithic honeycomb structure. Conveniently, the ratio of length to diameter of the combustion chamber is between 6 and 16, but preferably between 9 and 14.

Eine Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass der Reaktorbrenner als gasgekühlter Brenner ausgeführt ist, bei dem es sich vorzugsweise um einen Drallbrenner handelt, wie er beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift DE10332860 beschrieben ist. Zweckmäßiger Weise ist der Reaktorbrenner so ausgeführt, dass er auch als Vorbrenner zur Aufheizung des kalten ATR-Reaktors verwendbar ist.One embodiment of the device according to the invention provides that the reactor burner is designed as a gas-cooled burner, which is preferably a swirl burner, as described for example in the German Offenlegungsschrift DE10332860 is described. Conveniently, the reactor burner is designed so that it can also be used as a preburner for heating the cold ATR reactor.

Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die feuerfeste Auskleidung des ATR-Reaktors zumindest zweischalig ausgeführt ist, wobei die äußere Schale aus Formteilen zusammengesetzt ist, die aus Fasermaterial bestehen.A further embodiment of the device according to the invention provides that the refractory lining of the ATR reactor at least is executed clamshell, wherein the outer Shell composed of molded parts, which consist of fiber material.

Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die innere, den Reaktionsraum bildende Schale der feuerfesten Auskleidung aus trocken aneinander gesetzten ZrO2-Steinen aufgebaut ist.A further embodiment of the device according to the invention provides that the inner, the reaction space forming shell of the refractory lining is constructed of dry ZrO 2 -Steinen set.

Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass der ATR-Reaktor ein Katalysatormaterial enthält, das aus einem Katalysatorträger und einem auf dem Katalysatorträger angebrachten, katalytisch wirkenden Material besteht, wobei es sich bei dem Katalysatorträger vorzugsweise um Aluminiumoxid (Al2O3) oder Zirkonoxid (ZrO2) und bei dem katalytisch wirkenden Material bevorzugt um Nickel, Rhodium oder Ruthenium handelt.A further embodiment of the device according to the invention provides that the ATR reactor contains a catalyst material which consists of a catalyst support and a catalytically active material mounted on the catalyst support, wherein the catalyst support is preferably alumina (Al 2 O 3 ) or zirconium oxide (ZrO 2 ) and in the catalytically active material is preferably nickel, rhodium or ruthenium.

Durch die Erfindung kann ein kohlenmonoxidreiches Synthesegas mit wesentlich geringerem Brennstoffbedarf und Methanrestgehalt hergestellt werden, als dies nach dem Stand der Technik möglich ist. Außerdem kann der Investitionsbedarf für die Abtrennung von Kohlendioxid wesentlich reduziert werden. Wegen des möglichen hohen Synthesegasdruckes können Zwischenverdichter eingespart und Leitungsquerschnitte reduziert werden.By The invention can be a carbon monoxide rich synthesis gas with essential lower fuel demand and residual methane content are produced, as is possible in the prior art. Furthermore can the investment needs for the separation of carbon dioxide be significantly reduced. Because of the possible high Synthesis gas pressure can be saved intermediate compressor and wire cross sections are reduced.

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Claims (15)

Verfahren zur Erzeugung eines kohlenmonoxidreichen, methanarmen Gases (Synthesegas), wobei ein Kohlenwasserstoffe enthaltender Einsatz (Brennstoff) gemeinsam mit Kohlendioxid (CO2) und/oder Wasserdampf sowie einem Oxidationsmittel durch katalytisch unterstützte partielle Oxidation (Autothermal-Reformierung bzw. ATR) umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Synthesegas als Produktgas der Autothermal-Reformierung mit einer Temperatur von mehr als 1100°C gewonnen wird.Process for the production of a carbon monoxide-rich, low-methane gas (synthesis gas), wherein a hydrocarbon-containing feed (fuel) is reacted together with carbon dioxide (CO 2 ) and / or water vapor and an oxidizing agent by catalytically assisted partial oxidation (ATR), characterized in that the synthesis gas is recovered as a product gas of the autothermal reforming at a temperature of more than 1100 ° C. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Synthesegas mit einer Temperatur erzeugt wird, die zwischen 1100 und 1400, bevorzugt zwischen 1100 und 1250 und besonders bevorzugt zwischen 1130 und 1200°C liegt.Method according to claim 1, characterized in that that the syngas is generated at a temperature between 1100 and 1400, preferably between 1100 and 1250, and more preferably between 1130 and 1200 ° C. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Synthesegas mit einem Druck erzeugt wird, der zwischen 1 und 100, bevorzugt zwischen 5 und 80 und besonders bevorzugt zwischen 10 und 40 bar(a) liegt.Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the synthesis gas with a pressure which is between 1 and 100, preferably between 5 and 80 and more preferably between 10 and 40 bar (a). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für den Reformierungsschritt ein Katalysator eingesetzt wird, der aus einem Katalysatorträger und einem auf dem Katalysatorträger angebrachten, katalytisch wirkenden Material besteht, wobei es sich bei dem Katalysatorträger vorzugsweise um Aluminiumoxid (Al2O3) oder Zirkonoxid (ZrO2) und bei dem katalytisch wirkenden Material bevorzugt um Nickel, Rhodium oder Ruthenium handelt.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that for the reforming step, a catalyst is used which consists of a catalyst support and a catalyst supported on the carrier, catalytically active material, wherein the catalyst support is preferably alumina (Al 2 O 3 ) or zirconium oxide (ZrO 2 ) and in the catalytically active material is preferably nickel, rhodium or ruthenium. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Brennstoff Wasserdampf in einer Menge zugemischt wird, so dass das Verhältnis von Wasserdampf und dem in den Kohlenwasserstoffen gebundenen Kohlenstoff (D/C-Verhältnis) zwischen 0 und 2, bevorzugt zwischen 0,1 und 1,0 und besonders bevorzugt zwischen 0,2 und 0,6 mol/mol liegt.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the fuel water vapor in a Amount is mixed, so that the ratio of water vapor and the carbon bonded in the hydrocarbons (D / C ratio) between 0 and 2, preferably between 0.1 and 1.0, and more preferably is between 0.2 and 0.6 mol / mol. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Brennstoff Kohlendioxid in einer Menge zugemischt wird, so dass das Verhältnis von Kohlendioxid und dem in den Kohlenwasserstoffen gebundenen Kohlenstoff (CO2/C-Verhältnis) zwischen 0 und 3, bevorzugt zwischen 0,5 und 2,0 und besonders bevorzugt zwischen 0,6 und 1,0 mol/mol liegt.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the fuel carbon dioxide in an amount is mixed, so that the ratio of carbon dioxide and the bound carbon in the hydrocarbons (CO 2 / C ratio) between 0 and 3, preferably between 0.5 and 2.0 and more preferably between 0.6 and 1.0 mol / mol. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Brennstoff über ein Oxidationsmittel Sauerstoff in einer Menge zugemischt wird, so dass das Verhältnis von Sauerstoff und dem in den Kohlenwasserstoffen gebundenen Kohlenstoff (O2/C-Verhältnis) zwischen 0,5 und 0,9 und bevorzugt zwischen 0,55 und 0,8 mol/mol liegt.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the fuel is added via an oxidizing agent oxygen in an amount such that the ratio of oxygen and the carbon bonded in the hydrocarbons (O 2 / C ratio) is between 0.5 and 0.9, and preferably between 0.55 and 0.8 mol / mol. Vorrichtung zur Erzeugung eines kohlenmonoxidreichen, methanarmen Gases (Synthesegas), aufweisend einen mit einer feuerfesten Auskleidung versehenen, druckfesten Reaktor (ATR-Reaktor), in dem ein Kohlenwasserstoffe enthaltender Einsatz (Brennstoff) gemeinsam mit Kohlendioxid (CO2) und/oder Wasserdampf sowie einem Oxidationsmittel durch katalytisch unterstützte partielle Oxidation (Autothermal-Reformierung bzw. ATR) umsetzbar ist sowie einen Reaktorbrenner, über den die Einsatzstoffe in den Reaktionsraum des ATR-Reaktors einbringbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Synthesegas als Produktgas aus dem ATR-Reaktor mit einer Temperatur von mehr als 1100°C abziehbar ist.An apparatus for producing a low carbon, low methane gas (synthesis gas), comprising a refractory lined, pressure-resistant reactor (ATR reactor) in which a hydrocarbon-containing feed (fuel) together with carbon dioxide (CO 2 ) and / or water vapor and a Oxidizing agent by catalytically assisted partial oxidation (autothermal reforming or ATR) can be implemented and a reactor burner, via which the starting materials in the reaction chamber of the ATR reactor can be introduced, characterized in that the synthesis gas as a product gas from the ATR reactor at a temperature of more than 1100 ° C is deductible. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der ATR-Reaktor als senkrecht stehender Rohrreaktor ausgebildet ist, wobei der zylindrische Reaktionsraum mit einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser zwischen 7 und 16, vorzugsweise jedoch zwischen 9 und 14 ausgeführt ist.Device according to claim 8, characterized in that that the ATR reactor formed as a vertical tubular reactor is, wherein the cylindrical reaction space with a ratio from length to diameter between 7 and 16, preferably however, is executed between 9 and 14. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraum des ATR-Reaktors als senkrecht stehender Rohrreaktor ausgebildet ist, wobei der zylindrische Reaktionsraum mit einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser zwischen 7 und 16, vorzugsweise jedoch zwischen 9 und 14 ausgeführt ist.Device according to claim 8, characterized in that that the combustion chamber of the ATR reactor as a vertical tubular reactor is formed, wherein the cylindrical reaction space with a ratio from length to diameter between 7 and 16, preferably however, is executed between 9 and 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktorbrenner als gasgekühlter Brenner ausgeführt ist.Device according to one of claims 8 or 9, characterized in that the reactor burner as gas-cooled Burner is executed. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktorbrenner als Drallbrenner ausgeführt ist.Device according to one of claims 8 to 10, characterized in that the reactor burner as a swirl burner is executed. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die feuerfeste Auskleidung des ATR-Reaktors zumindest zweischalig ausgeführt ist, wobei die äußere Schale aus Formteilen zusammengesetzt ist, die aus Fasermaterial bestehen.Device according to one of claims 8 to 11, characterized in that the refractory lining of the ATR reactor is at least bivalve, the outer shell composed of molded parts is, which consist of fiber material. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die innere, den Reaktionsraum bildende Schale der feuerfesten Auskleidung aus trocken aneinander gesetzten ZrO2-Steinen aufgebaut ist.Apparatus according to claim 12, characterized in that the inner, the reaction space forming shell of the refractory lining of dry set ZrO 2 -Steinen is constructed. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der ATR-Reaktor ein Katalysatormaterial enthält, das aus einem Katalysatorträger und einem auf dem Katalysatorträger angebrachten, katalytisch wirkenden Material besteht, wobei es sich bei dem Katalysatorträger vorzugsweise um Aluminiumoxid (Al2O3) oder Zirkonoxid (ZrO2) und bei dem katalytisch wirkenden Material bevorzugt um Nickel, Rhodium oder Ruthenium handelt.Device according to one of claims 8 to 13, characterized in that the ATR reactor contains a catalyst material consisting of a catalyst support and a catalyst supported on the catalytically active material, wherein it is in front of the catalyst support Preferably, aluminum oxide (Al 2 O 3) or zirconium oxide (ZrO 2 ) and in the catalytically active material is preferably nickel, rhodium or ruthenium.
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