DE102009016402A1 - Verfahren und Anlage zur Behandlung von Synthesegas aus der Vergasung Kohlenstoff-haltiger Feststoffe - Google Patents
Verfahren und Anlage zur Behandlung von Synthesegas aus der Vergasung Kohlenstoff-haltiger Feststoffe Download PDFInfo
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Abstract
Ein Verfahren und eine Anlage (10) zur Behandlung von Synthesegas aus der Vergasung kohlenstoffhaltiger Feststoffe sind vorgesehen, bei denen ein durch eine Vergasung von kohlenstoffhaltigem Feststoff erhältliches Synthesegas (24) bereitgestellt wird. Das Synthesegas (27) wird in einer Gaswäsche (26) gereinigt. Nachfolgend erfolgt ein Komprimieren des gewaschenen Synthesegases (40) auf einen Betriebsdruck für eine nachfolgende Synthese, insbesond0). Erfindungsgemäß erfolgt direkt vor der Reinigung in der Gaswäsche (26) eine Zwischenkomprimierung des Synthesegases (27). Durch die Zwischenkomprimierung des Synthesegases (27) kann bei gleichem Massenstrom der Volumenstrom reduziert werden, wodurch der apparative Aufwand für die Anlage (10) reduziert ist. Gleichzeitig ergibt sich in der Gaswäsche (26) bei der Entspannung des abgetrennten COin der Gaswäsche (26) eine höhere Entspannungskälte, so dass der Energiebedarf für eine Kühlung der Gaswäsche (26) reduziert werden kann.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Behandlung von Synthesegas aus der Vergasung Kohlenstoff-haltiger Feststoffe, mit deren Hilfe ein Kohlenstoff-haltiges Synthesegas zur Herstellung von Methanol aufbereitet werden kann.
- Um Methanol herzustellen, ist es bekannt ein Synthesegas einzusetzen, das reich an CO und H2 ist. Dieses Synthesegas kann durch eine Vergasung Kohlenstoff-haltiger Feststoffe hergestellt werden. Bei der Vergasung wird beispielsweise Kohle bei einem Druck von ca. 40 bar partiell oxidiert. Bei der Vergasung von Kohle entstehen jedoch für die Methanol-Herstellung unerwünschte Schwefelverbindungen, wie beispielsweise H2S, das vor der Methanol-Herstellung abgetrennt werden muss. Nach der Vergasung wird eine CO-Konvertierung durchgeführt wird, um beispielsweise ein Verhältnis H2:CO von ungefähr 2:1 einzustellen. Das bei der Konvertierung entstehende CO2 ist aus dem Synthesegas abzutrennen. Aufgrund des Druckes des Synthesegases von ca. 30 bar kann das Synthesegas nach der Vergasung bzw. nach der CO-Konvertierung einer physikalischen Gaswäsche unterzogen werden, um H2S und CO2 mit Hilfe eines flüssigen Lösungsmittels abzutrennen.
- Nachteilig bei einem derartigen Verfahren ist, dass insbesondere im großindustriellen Maßstab mit Synthesegasmengen von mehreren 100.000 m3/h ein hoher apparativer Aufwand und hoher Energieeinsatz erforderlich ist.
- Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Anlage zur Behandlung von Synthesegas aus der Vergasung Kohlenstoff-haltiger Feststoffe zu schaffen, bei denen der erforderliche Energieeinsatz reduziert ist ohne den apparativen Aufwand zu erhöhen.
- Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
- Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Behandlung von Synthesegas aus der Vergasung Kohlenstoff-haltiger Feststoffe erfolgt ein Bereitstellen eines durch eine Vergasung von Kohlenstoff-haltigem Feststoff erhältlichen Synthesegases. Das Synthesegas wird in einer Gaswäsche gereinigt. Nachfolgend erfolgt ein Komprimieren des gewaschenen Synthesegases auf einen Betriebsdruck für eine nachfolgende Synthese, insbesondere Methanolerzeugung, aus dem Synthesegas. Erfindungsgemäß erfolgt direkt vor der Reinigung in der Gaswäsche eine Zwischenkomprimierung des Synthesegases.
- Obwohl das Synthesegas nach der Vergasung einen hinreichend hohen Druck für die Gaswäsche aufweist, wird das Synthesegas vor der Gaswäsche zusätzlich komprimiert und auf einen noch höheren Druck gebracht. Durch die zusätzliche Kompression des Synthesegases verbessert sich die Aufnahmekapazität eines bei der Gaswäsche eingesetzten physikalischen Lösungsmittels, so dass der Lösungsmittelumlauf deutlich reduziert werden kann. Gleichzeitig ergibt sich bei einem konstanten Massenstrom des Synthesegases ein geringerer Volumenstrom, so dass die Gaswäsche kleiner dimensioniert werden kann und weniger parallele Produktionsstraßen erforderlich sind. Insbesondere im großindustriellen Maßstab ist es dadurch möglich die Anzahl mehrerer parallel geschalteter Gaswäschen zu reduzieren, wodurch sich der apparative Aufwand verringert. Auch die Regeneration des Lösungsmittelstroms sowie die Abtrennung der mit dem Lösungsmittelstrom ausgewaschenen Bestandteile des Synthesegases, wie beispielsweise H2S und CO2 kann kleiner dimensioniert werden und/oder in einer geringeren Anzahl von Apparaten durchgeführt werden. Das ausgewaschene CO2 kann in der Gaswäsche von einem höheren Druckniveau entspannt werden. Aufgrund der höheren Entspannungskälte des abgetrennten CO2 erfolgt ein zusätzlicher Kühleffekt während der Gaswäsche. Dadurch ist es möglich das Lösungsmittel für die Gaswäsche in einem deutlich geringeren Ausmaß mit Fremdenergie aus einem Kältereservoir zu kühlen. Der Energieeinsatz für die Zwischenkomprimierung wird also wieder teilweise durch die eingesparte Kühlleistung der Gaswäsche kompensiert, so dass für das erfindungsgemäße Verfahren ein geringerer Energieeinsatz erforderlich ist. Aufgrund der kleineren Dimensionierung der Gaswäsche wird der apparative Aufwand für das erfindungsgemäße Verfahren trotz eines zusätzlichen Verdichters nicht erhöht.
- Besonders bevorzugt erfolgen das Zwischenkomprimieren und das Komprimieren durch einen gemeinsamen mehrsträngigen Verdichter. Insbesondere wird für das Zwischenkomprimieren und das Komprimieren genau ein Verdichterantrieb verwendet. Der Verdichter kann beispielsweise zwei oder mehr Verdichterstufen aufweisen, die in räumlicher Nähe zueinander angeordnet sind, wobei die eine Stufe als Hauptkompressor für die Komprimierung nach der Gaswäsche und die andere Stufe als Zusatzkompressor für die Zwischenkomprimierung verwendet wird, wobei beide Stufen in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein können. Ferner kann der Verdichter eine Niederdruckstufe für die Zwischenkomprimierung und eine Hochdruckstufe für die Komprimierung nach der Gaswäsche aufweisen. Der Verdichter weist somit einen ersten Strang für die Zwischenkomprimierung und einen vom ersten Strang getrennten zweiten Strang für die Komprimierung nach der Gaswäsche auf. Durch die Verwendung eines gemeinsamen Verdichters ist es möglich sowohl die Zwischenkomprimierung als auch die Komprimierung in einer gemeinsamen Baueinheit durchzuführen, die einfacher gewartet und leichter geregelt werden kann. Ferner ist es möglich für die Zwischenkomprimierung und die Komprimierung genau einen Verdichterantrieb zu verwenden, so dass ein gemeinsamer größer dimensionierter Verdichterantrieb ausreichend ist eine Druckerhöhung vor der Gaswäsche und nach der Gaswäsche durchzuführen. Zwei voneinander getrennte Verdichterantriebe, welche die Kosten erhöhen würden, sind dadurch nicht erforderlich.
- Vorzugsweise weist das Synthesegas bei der Vergasung des Kohlenstoff-haltigen Feststoffes, beispielsweise Kohle, einen Druck pV auf, für den 10 bar ≤ pV ≤ 50 bar, insbesondere 20 bar ≤ pV ≤ 50 bar und vorzugsweise 25 bar ≤ pV ≤ 45 bar gilt. Bei derartigen Drücken kann auch bei niedrigeren Temperaturen eine möglichst vollständige Vergasung der Kohlenstoff-haltigen Feststoffe erfolgen wodurch der Energieeinsatz bei der Vergasung gering gehalten wird.
- Vorzugsweise weist das Synthesegas nach dem Zwischenkomprimieren einen Druck pZ auf, für den 40 bar ≤ pZ ≤ 80 bar, insbesondere 45 bar ≤ pZ ≤ 70 bar und vorzugsweise 50 bar ≤ pZ ≤ 65 bar gilt.
- Insbesondere erfolgt die Reinigung in der Gaswäsche mit Hilfe eines physikalischen, insbesondere flüssigen, Lösungsmittels bei einer durchschnittlichen Temperatur TD, für die –70 C ≤ TG ≤ 10 C, insbesondere –60C ≤ TG ≤ –2 C und vorzugsweise –55 C ≤ TG ≤ –2 C gilt. Aufgrund des zusätzlichen Kühleffekts durch die Entspannung des CO2 in der Gaswäsche, kann die Kühleinrichtung deutlich kleiner dimensioniert werden.
- Die Erfindung betrifft ferner eine Anlage zur Behandlung von Synthesegas aus der Vergasung Kohlenstoff-haltiger Feststoffe, wobei die Anlage insbesondere zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens geeignet ist. Die Anlage weist eine Gaswäsche zur Reinigung eines durch eine Vergasung von Kohlenstoff-haltigen Feststoffen erhältlichen Synthesegases auf. Ferner ist ein Hauptkompressor zur Komprimierung des in der Gaswäsche gereinigten Synthesegases vorgesehen. Erfindungsgemäß ist ein Zusatzkompressor zur Zwischenkomprimierung des Synthesegases direkt vor der Gaswäsche vorgesehen. Durch die Zwischenkomprimierung wird bei gleichem Massenstrom ein geringerer Volumenstrom erreicht, so dass insbesondere die nachfolgende Gaswäsche kleiner dimensioniert werden kann, wodurch der apparative Aufwand der Anlage reduziert wird. Gleichzeitig wird in der Gaswäsche eine stärkere Entspannung des abgetrennten CO2 erreicht, wodurch ein zusätzlicher Kühleffekt in der Gaswäsche erzeugt wird, aufgrund dessen eine energieintensive Kühlung eines Lösungsmittels für die Gaswäsche reduziert werden kann. Dies führt zu einem geringeren Energieeinsatz.
- Insbesondere weist das dem Zusatzkompressor vor der Gaswäsche zugeführte Synthesegas einen Druck pV auf, für den 10 bar ≤ pV ≤ 50 bar, insbesondere 20 bar ≤ pV ≤ 40 bar und vorzugsweise 25 bar ≤ pV ≤ 35 bar gilt. Dieser Druck ist ungefähr 6 bis 10 bar geringer als der Betriebsdruck bei der Vergasung des Kohlenstoff-haltigen Feststoffes in einer Vergasungseinheit. Obwohl dieser Druck bereits für eine physikalische Gaswäsche mit einem Lösungsmittel ausreichen würde, erfolgt durch den Zusatzkompressor eine zusätzliche Zwischenkomprimierung.
- Vorzugsweise ist ein mehrsträngiger Verdichter vorgesehen, wobei der Verdichter den Zusatzkompressor zur Ausbildung mindestens eines ersten Stranges und den Hauptkompressor zur Ausbildung mindestens eines zweiten Stranges aufweist. Der Hauptkompressor und der Zusatzkompressor sind also in einer gemeinsamen Baueinheit zusammengefasst, wobei der erste Strang für die Zwischenkomprimierung vor der Gaswäsche und der zweite Strang für die Komprimierung nach der Gaswäsche voneinander getrennt sind. Bei dem Hauptkompressor und dem Zusatzkompressor kann es sich auch um unterschiedliche Stufen des Verdichters handeln. Beispielsweise weist der Verdichter eine Niederdruckstufe auf, durch welche der Zusatzkompressor ausgebildet wird, und eine Hochdruckstufe, durch welche der Hauptkompressor ausgebildet wird.
- Besonders bevorzugt sind der Hauptkompressor und der Zusatzkompressor durch genau einen Verdichterantrieb antreibbar. Beispielsweise ist für den Hauptkompressor und den Zusatzkompressor eine gemeinsame Antriebswelle vorgesehen, die mit genau einem Motor verbunden ist. Falls aufgrund einer Betriebsstörung der Hauptkompressor oder der Zusatzkompressor ausfallen sollte, fällt automatisch der andere Kompressor ebenfalls aus. Ferner wird die Anzahl der Verdichterantriebe reduziert, so dass der Wartungsaufwand verringert ist.
- Besonders bevorzugt stellt der Zusatzkompressor nach dem Zwischenkomprimieren einen Druck pZ bereit, für den 40 bar ≤ pZ ≤ 80 bar insbesondere 45 bar ≤ pZ ≤ 70 bar und vorzugsweise 50 bar ≤ pZ ≤ 65 bar gilt.
- Insbesondere weist die Gaswäsche ein physikalisches, insbesondere flüssiges, Lösungsmittel auf. Ferner ist eine Kühleinrichtung vorgesehen, die in der Gaswäsche eine durchschnittliche Temperatur TG regelt, für die –70°C ≤ TG ≤ 10°C insbesondere –60°C ≤ TG ≤ –2°C und vorzugsweise –55°C ≤ TG ≤ –2°C gilt. Aufgrund des zusätzlichen Kühleffekts durch die Entspannung des CO2 in der Gaswäsche, kann die Kühleinrichtung deutlich kleiner dimensioniert werden.
- Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher erläutert.
- Es zeigt:
-
1 : Ein schematisches Fließbild einer erfindungsgemäßen Anlage. - Bei der in
1 dargestellten Anlage10 zur Behandlung von Synthesegas aus der Vergasung Kohlenstoff-haltiger Feststoffe wird ein Luftstrom12 , der im Wesentlichen Umgebungsluft enthält, in einer Lufttrennung14 in einen Sauerstoffstrom16 und einen Stickstoffstrom18 aufgetrennt. Der Stickstoffstrom18 kann auch weitere Gase enthalten, wie beispielsweise CO2 oder Edelgase. Der Sauerstoffstrom16 wird einer Vergasungseinheit20 zugeführt, der ein Feststoffstrom22 mit Kohlenstoff-haltigen Feststoffen, wie beispielsweise Kohle, zugeführt wird. In der Vergasungseinheit20 wird der Kohlenstoff-haltige Feststoff beispielsweise durch eine partielle Oxydation mit Hilfe des zugeführten Sauerstoffstroms16 vergast. Die Vergasung in der Vergasungseinheit20 erfolgt insbesondere bei einem erhöhten Druck von beispielsweise 40 bar. - Die in der Vergasungseinheit
20 erzeugten Synthesegase24 verlassen die Vergasungseinheit20 und werden erforderlichenfalls einer CO-Konvertierung25 zugeführt wird, um die Zusammensetzung des Synthesegases24 möglichst optimal einzustellen. Hierzu wird beispielsweise ein Verhältnis von H2:CO von ungefähr 2:1 eingestellt. Ein die CO-Konvertierung25 verlassendes Synthesegas27 wird nachfolgend einer Gaswäsche26 zugeführt. Mit Hilfe eines Lösungsmittelstroms28 , welcher der Gaswäsche26 zugeführt wird, können Schwefelhaltige Verbindungen, insbesondere H2S, und das in der CO-Konvertierung25 entstandene CO2 aus dem Synthesegas27 herausgewaschen werden. Dadurch verlässt ein mit Schwefelverbindungen und CO2 beladener Lösungsmittelstrom30 die Gaswäsche26 . Der beladene Lösungsmittelstrom30 wird in einer Reinigungseinheit32 gereinigt, so dass ein Gasstrom34 mit Schwefelhaltigen Verbindungen und ein CO2-Strom35 aus dem beladenen Lösungsmittelstrom30 abgetrennt werden können. Ein gereinigter Lösungsmittelstrom36 wird im Kreis geführt und der Gaswäsche26 wieder zugeführt. Hierzu wird der gereinigte Lösungsmittelstrom36 zunächst einer Kühleinrichtung38 zugeführt, um eine geeignete Temperatur für den Lösungsmittelstrom28 einzustellen. - Nach der Gaswäsche mit Hilfe eines physikalischen flüssigen Lösungsmittels verlässt ein gereinigtes Synthesegas
40 die Gaswäsche26 und wird in einem Hauptkompressor42 auf einen Betriebsdruck für eine nachfolgende Synthese komprimiert. Das gereinigte Synthesegas40 kann in der nachfolgenden Synthese weiterverarbeitet werden. Beispielsweise wird das gereinigte Synthesegas40 einer Methanoleinheit44 zugeführt, um aus dem gereinigten Synthesegas40 , das einen hohen Anteil an Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff aufweist, Methanol herzustellen. Bei der Methanolherstellung in der Methanoleinheit44 entstehende Nebenprodukte können in einem Purge-Strom46 abgeführt und insbesondere weiterverarbeitet werden. Ein aus der Methanoleinheit44 austretender Methanolstrom48 kann in einem weiteren Schritt weiter veredelt werden. Beispielsweise kann der Methanolstrom48 einer Kraftstoffeinheit50 zugeführt werden, um aus dem Methanolstrom48 einen Kraftstoffstrom52 herzustellen, der als Kraftstoff für Kraftfahrzeuge verwendet werden kann. - Bei der in
1 dargestellten erfindungsgemäßen Anlage10 erfolgt direkt vor der Gaswäsche26 eine Zwischenkomprimierung des Synthesegases27 mit Hilfe eines Zusatzkompressors54 . Durch die Zwischenkomprimierung wird bei gleichem Massenstrom der Volumenstrom verringert, so dass der apparative Aufwand der Anlage10 verringert werden kann. Insbesondere ist es im großindustriellen Maßstab möglich die Anzahl der Produktionsstraßen insbesondere für die nachfolgenden Produktionsschritte zu reduzieren. Gleichzeitig entsteht bei der Entspannung des aus dem Synthesegas27 in der Gaswäsche26 abgetrennten CO2 eine größere Entspannungskälte, so dass der Energieeinsatz für die Kühleinheit38 reduziert werden kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind sowohl der Hauptkompressor42 nach der Gaswäsche26 und der Zusatzkompressor54 vor der Gaswäsche26 in einen gemeinsamen Verdichter56 zusammengefasst. Das Synthesegas27 und das gereinigte Synthesegas40 sind jedoch in dem Verdichter56 voneinander getrennt. Insbesondere ist es möglich sowohl den Hauptkompressor42 als auch den Zusatzkompressor54 mit genau einem Verdichterantrieb58 beispielsweise über eine gemeinsame Antriebswelle60 anzutreiben.
Claims (11)
- Verfahren zur Behandlung von Synthesegas aus der Vergasung Kohlenstoff-haltiger Feststoffe, mit den Schritten: Bereitstellen eines durch eine Vergasung von Kohlenstoff-haltigem Feststoff erhältlichen Synthesegases (
27 ), Reinigen des Synthesegases (27 ) in einer Gaswäsche (26 ) und nachfolgendes Komprimieren des gewaschenen Synthesegases (40 ) auf einen Betriebsdruck für eine nachfolgende Synthese, insbesondere Methanolerzeugung (44 ), aus dem Synthesegas (40 ) dadurch gekennzeichnet, dass direkt vor der Reinigung in der Gaswäsche (26 ) eine Zwischenkomprimierung des Synthesegases (27 ) erfolgt. - Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenkomprimieren und das Komprimieren durch einen gemeinsamen mehrsträngigen Verdichter (
56 ) erfolgen, wobei für das Zwischenkomprimieren und das Komprimieren insbesondere genau ein Verdichterantrieb (58 ) verwendet wird. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Synthesegas (
24 ) bei der Vergasung des Kohlenstoff-haltigen Feststoffes einen Druck pV aufweist, für den 10 bar ≤ pV ≤ 50 bar, insbesondere 20 bar ≤ pV ≤ 50 bar und vorzugsweise 25 bar ≤ pV ≤ 45 bar gilt. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Synthesegas (
27 ) nach dem Zwischenkomprimieren einen Druck pZ aufweist, für den 40 bar ≤ pZ ≤ 80 bar, insbesondere 45 bar ≤ pZ ≤ 70 bar und vorzugsweise 50 bar ≤ pZ ≤ 65 bar gilt. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigung in der Gaswäsche (
26 ) mit Hilfe eines physikalischen, insbesondere flüssigen, Lösungsmittels bei einer durchschnittlichen Temperatur TG erfolgt, für die –70°C ≤ TG ≤ 10°C, insbesondere –60°C ≤ TG ≤ –2°C und vorzugsweise –55°C ≤ TG ≤ –2°C gilt. - Anlage zur Behandlung von Synthesegas aus der Vergasung Kohlenstoff-haltiger Feststoffe, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer Gaswäsche (
26 ) zur Reinigung eines durch eine Vergasung Kohlenstoff-haltiger Feststoffe erhältlichen Synthesegases (27 ) und einem Hauptkompressor (42 ) zur Komprimierung des in der Gaswäsche (26 ) gereinigten Synthesegases (40 ) dadurch gekennzeichnet, dass ein Zusatzkompressor (54 ) zur Zwischenkomprimierung des Synthesegases (27 ) direkt vor der Gaswäsche (26 ) vorgesehen ist. - Anlage nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass das dem Zusatzkompressor (
54 ) zugeführte Synthesegas (27 ) einen Druck pV aufweist, für den 10 bar ≤ pV ≤ 50 bar, insbesondere 20 bar ≤ pV ≤ 40 bar und vorzugsweise 25 bar ≤ pV ≤ 35 bar gilt. - Anlage nach Anspruch 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass ein mehrsträngiger Verdichter (
56 ) vorgesehen ist, wobei der Verdichter (56 ) den Zusatzkompressor (54 ) zur Ausbildung mindestens eines ersten Strangs und den Hauptkompressor (42 ) zur Ausbildung mindestens eines zweiten Strangs aufweist. - Anlage nach einem der Ansprüche 6 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkompressor (
42 ) und der Zusatzkompressor (54 ) durch genau einen Verdichterantrieb (58 ) antreibbar sind. - Anlage nach einem der Ansprüche 6 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzkompressor (
54 ) nach dem Zwischenkomprimieren einen Druck pZ bereitstellt, für den 40 bar ≤ pZ ≤ 80 bar, insbesondere 45 bar ≤ pZ ≤ 70 bar und vorzugsweise 50 bar ≤ pZ ≤ 65 bar gilt. - Anlage nach einem der Ansprüche 6 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Gaswäsche (
26 ) ein physikalisches, insbesondere flüssiges, Lösungsmittel aufweist und eine Kühleinrichtung (38 ) vorgesehen ist, die in der Gaswäsche (26 ) eine durchschnittliche Temperatur TG regelt, für die –70°C ≤ TG ≤ 10°C, insbesondere –60°C ≤ TG ≤ –2°C und vorzugsweise –55°C ≤ TG ≤ –2°C gilt.
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