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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Spaltung eines kohlenwasserstoffhaltigen
Einsatzes in kürzerkettige
Kohlenwasserstoffe in einer Anlage zur Erzeugung von Kohlenwasserstoffen
(Olefinanlage), wobei der kohlenwasserstoffhaltige Einsatz in die Spaltrohre
eines Spaltofens geführt
und die längerkettigen
Kohlenwasserstoffe des Einsatzes thermisch in kürzerkettige Kohlenwasserstoffe
gespalten wird, sowie eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens. Die Erfindung
wird am Beispiel einer Ethylenanlage unter Verwendung von Wasserdampf
als Verdünnungsmedium
beschrieben, ist aber prinzipiell für jedes Verfahren und jede
Anlage der eingangs erwähnten
Art geeignet und nicht auf Ethylenanlagen eingeschränkt.
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In
einer Ethylenanlage wird ein kohlenwasserstoffhaltiger Einsatz (beispielsweise
Naphtha) mittels Dampfspaltung in die gewünschten kürzerkettigen Kohlenwasserstoffe
umgewandelt. Nach dem Stand der Technik wird der kohlenwasserstoffhaltige Einsatzstoff
in der Konvektionszone eines Spaltofens auf 550°C–650°C vorgewärmt. In dieser Konvektionszone
wird dem kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzdampf heißer Prozessdampf
zugegeben. Das gasförmige
Gemisch aus kohlenwasserstoffhaltigem Einsatz und Wasserdampf wird
aus der Konvektionszone in die beheizten Spaltrohre des Spaltofens
geführt.
Im Inneren der beheizten Spaltrohre herrscht dabei eine Temperatur
von 800°C–850°C, die zur Aufspaltung
der längerkettigen
Kohlenwasserstoffe des Einsatzes in kürzerkettige, bevorzugt ungesättigte Kohlenwasserstoffe
führt.
Der Prozessdampf dient der Partialdruckerniedrigung der einzelnen
Reaktionsteilnehmer sowie der Verhinderung einer erneuten Aneinanderlagerung
bereits gespaltener kürzerkettiger
Kohlenwasserstoffe (Polymerisation). Die Verweilzeit in den Spaltrohren
des Spaltofens beträgt dabei
etwa 0,2–0,6
Sekunden.
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Der
mit einer Temperatur von ca. 850°C
aus dem Spaltofen austretende Stoffstrom, welcher zum großen Teil
aus Ethen, anderen Olefinen (Propen) und Diolefinen besteht, wird
rasch auf ca. 400°C
abgekühlt,
um Sekundärreaktionen
der sehr reaktionsfreudigen Spaltprodukte zu unterbinden. Das abgekühlte Gasgemisch, dessen
Zusammensetzung in starkem Maße
vom Einsatzstoff und den Spaltbedingungen abhängt, wird anschließend in
einer komplexen Folge von Trennschritten in die gewünschten Produkte
zerlegt.
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Typischerweise
bestehen die Spaltrohre aus einer Chrom-Nickel-Legierung und werden
in den Spaltofen hauptsächlich
durch Wärmestrahlung
in der sogenannten Strahlungszone beheizt. In der Strahlungszone,
dem eigentlichen Feuerraum des Spaltofens, herrscht eine Temperatur
zwischen 1100°C
und 1300°C.
Diese Temperatur wird nach dem Stand der Technik durch die Verbrennung
eines Heizmediums, zumeist Heizgas, mit Luft erreicht.
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Ein
Spaltofen nach dem Stand der Technik besteht im Wesentlichen aus
zwei Hauptbereichen. Dies sind die Strahlungszone und die Abhitzezone.
In der Strahlungszone, dem eigentlichen Feuerraum eines solchen
Spaltofens, herrscht eine Temperatur zwischen 1100°C und 1300°C. Die Spaltrohre
zur Spaltung des kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzes führen direkt
durch diese Strahlungszone. Zur Erzeugung der genannten Temperaturen
wird das Heizmedium mit Luft verbrannt und gibt in der Strahlungszone
die dabei entstehende Wärmeenergie,
größten Teil
mittels Wärmestrahlung,
auf die Spaltrohre und somit über
einen weiteren Wärmedurchgang
auf den kohlenwasserstoffhaltigen Einsatz ab. Das Produktgas wird
in den Spaltrohren zur Abkühlung
und Auftrennung aus dem Spaltofen geführt.
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Der
Strahlungszone des Spaltofens schließt sich rauchgasseitig die
Abhitzezone an. In der Abhitzezone des Spaltofens beginnt die Abkühlung der
bei der Verbrennung des Heizmediums entstehenden Rauchgase. Dabei
wird das Rauchgas vor allem durch einen konvektiven Wärmeübergang
mit anderen Prozessströmen
der Anlage auf Temperaturen im Bereich von ca. 120°C bis 150°C abgekühlt. Das
bei der Verbrennung entstehende Rauchgas verlässt somit den Spaltofen mit
einer Temperatur von unter 150°C.
Da die Abkühlung
des Rauchgases unter Erwärmung
von Prozessströmen
in der Anlage erfolgt, geht sehr wenig Wärme der Verbrennung des Heizmediums
verloren und der thermische Wirkungsgrad eines Spaltofens liegt
nach dem Stand der Technik bei 90% bis 94% bezogen auf den unteren
Heizwert des eingesetzten Brennstoffes.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein alternatives
Verfahren sowie eine zugehörige
Anlage zu entwickeln, die die Energiebilanz eines Spaltofens weiter
verbessert.
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Die
gestellte Aufgabe wird verfahrensseitig dadurch gelöst, dass
der Spaltofen durch die Verbrennung eines Heizmediums mit sauerstoffangereicherter
Luft beheizt wird. Dabei kann direkt sauerstoffangereicherte Luft
in den Brenner geführt
werden oder reiner Sauerstoff wird in die angesaugte Luft des Brenners
zudosiert.
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Bei
Verbrennung des Heizmediums mit sauerstoffangereicherter Luft erfolgt
die Verbrennung durch die höhere
Menge Sauerstoff effektiver und es entsteht eine geringere Menge
Rauchgas. Durch die reduzierte Rauchgasmenge wird deutlich mehr
Wärme pro
Heizmedium in der Strahlungszone absorbiert als im Stand der Technik.
Durch den geringeren Stickstoffanteil steigt der Partialdruck des
Kohlendioxids im Feuerraum. Kohlendioxid ist ein ausgezeichneter
Gasstrahler, so dass deutlich mehr Energie durch Wärmestrahlung
auf die Spaltrohre übertragen werden
kann. Somit wird die Energieeffiziens des Spaltofens weiter verbessert
und die verbrauchte Menge Heizmedium pro produzierter Tonne Wertprodukte
(z. B. Ethen, Propen und andere hochwertige Chemikalien) sinkt.
Durch die geringere verbrannte Menge von Heizmedium entsteht nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren
auch deutlich weniger Kohlenstoffdioxid als bei einem Verfahren
nach dem Stand der Technik. Somit wird auch die Umweltbilanz pro
Tonne produzierter Wertprodukte nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
verbessert.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung werden der Druck, der Volumenstrom
und/oder die Eintrittsgeschwindigkeit des Heizmediums und/oder der
sauerstoffangereicherten Luft derart eingestellt, dass das Heizmedium
flammend verbrennt. Wie die genannten Parameter einzustellen sind,
hängt dabei von
der Ausführung
des Brennersystems und der Geometrie des jeweiligen Spaltofens ab
und ist dem Fachmann bekannt.
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Unter
einer flammenden Verbrennung wird im Rahmen dieser Erfindung eine
Verbrennung mit sichtbarer Flamme verstanden. Als Flamme wird der Bereich
angesehen, in dem eine exotherme Reaktion von Gasen oder Dämpfen unter
Emittierung von Strahlung durch intermediäre Spezies wie Kohlenwasserstoffradikale
oder Ruß im
sichtbaren Spektralbereich stattfindet. Eine flammenlose Verbrennung ist im
Gegensatz dazu eine Verbrennung ohne Ausbildung einer sichtbaren
Flamme. D. h. bei einer flammenlosen Verbrennung bildet sich kein
Bereich aus, in dem Gase oder Dämpfe
exotherm unter Emittierung von Strahlung im sichtbaren Spektralbereich
reagieren. Die Verbrennungsprodukte Wasser und Kohlendioxid emittieren
fast ausschließlich
im für
den Menschen nicht sichtbaren infraroten Bereich.
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In
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung werden der Druck, der
Volumenstrom, die Eintrittsgeschwindigkeit und/oder die apparative
Ausführung
der Einlasslanzen des Heizmediums und/oder der sauerstoffangereicherten
Luft derart eingestellt, dass Heizgas, Sauerstoff und rezirkuliertes
Rauchgas nahezu ideal durchmischt werden, bevor es zur eigentlichen
Verbrennungsreaktion kommt. Eine vorteilhafte Vergrößerung des
Reaktionsvolumens sowie eine Vergleichmäßigung der Stoffkonzentration und
der Verbrennungstemperatur werden durch das Anregen einer internen
Rauchgaszirkulation unterstützt.
Die entsprechende Einstellung der Parameter ist dem Fachmann bekannt.
In dieser Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine flammenlose Verbrennung. Diese
Ausgestaltung der Erfindung weist weitere Vorteile auf. Bei einer
flammenlosen Verbrennung kann der Abstand zwischen den Brennern
und den Spaltrohren verringert werden. Durch den Wegfall der reduzierenden
Flammenzone ist ein potenziell schädigender Einfluss der Flamme
ausgeschlossen. Zusätzlich
zeichnet sich eine flammenlose Verbrennung durch einen sehr gleichmäßigen Verbrennungsverlauf
im Raum aus. Dadurch lässt
sich in der Strahlungszone des Spaltofens eine deutliche homogenere
Temperatur und Dichteverteilung erzeugen. Dadurch lässt sich
der Temperaturverlauf der Spaltreaktion in den Spaltrohren homogener
gestalten. Ein homogenerer Temperatur- und damit auch Dichteverlauf
im Spaltofen führt
gleichzeitig zu einer deutlich verminderten Schallemission. Zusätzlich sorgt
die interne Zirkulation für
eine Erhöhung
des Wärmeübergangs
auf die Spaltrohre mittels Konvektion. Damit wird die Energieeffizienz
des erfindungsgemäßen Verfahrens
in dieser Ausgestaltung weiter gesteigert.
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Bevorzugt
wird die sauerstoffangereicherte Luft mit einem Vordruck von mindestens
3 bar, besonders bevorzugt zwischen 5 bar und 6 bar, dem Spaltofen
zugeführt.
Durch die Einstellung des Vordrucks in dieser Ausgestaltung der
Erfindung entwickelt sich innerhalb des Spaltofens eine flammenlose Verbrennung.
Die Verwendung eines Vordruckes zwischen 5 bar und 6 bar hat den
zusätzlichen
Vorteil, dass auf eine Druckregulation des Sauerstoffes verzichtet
werden kann, da 5 bis 6 bar dem Sauerstoff-Versorgungsdruck aus
angrenzenden Luftzerlegungsanlagen entspricht. Bei entsprechender
Einstellung des Drucks des Heizmediums und/oder apparativer Ausgestaltung
der Einlasslanzen ist jedoch auch in dieser Ausgestaltung der Erfindung
eine flammende Verbrennung möglich.
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In
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird zumindest ein Teil
des aus dem Spaltofen austretenden Rauchgases in den Feuerraum zurückgeführt. Diese
Ausgestaltung der Erfindung bietet sich besonders für die Nachrüstung bestehender Spaltöfen an.
Durch die vorliegende Erfindung wird die Energieeffizienz des Spaltofens
soweit verbessert, dass deutlich weniger Wärme in der Abhitzezone des
Spaltofens abzuführen
ist. Bei bereits bestehenden Spaltöfen wird diese Wärme in der
Abhitzezone jedoch zur dringend notwendigen Erwärmung weiterer Prozessströme (z. B.
die Erzeugung von Hochdruckdampf) der Anlage benötigt. Eine Umrüstung auf
das erfindungsgemäße Verfahren
würde daher
bei Altanlagen eine komplette Umgestaltung der Anlage zur Folge
haben. Diese komplette Umrüstung wird
durch diese Ausgestaltung der Erfindung vermieden. Durch die externe
Zirkulation des Rauchgases, d. h. ein Teil des kalten Rauchgases
mit einer Temperatur zwischen 80°C
und 150°C
wird nach der Abhitzezone des Spaltofens wieder in die Strahlungszone
und somit dem Feuerraum des Spaltofens zurückgeführt, kann die Auswirkung auf
den Spaltofen auf ein Minimum reduziert werden, so dass keine komplette
Umordnung der gesamten Anlage notwendig ist. Das zurückgeführte Rauchgas
kann dabei entweder an mehreren Stellen in den Feuerraum eingeblasen
werden oder zusammen mit der sauerstoffangereicherten Luft über die
Brenner eingedüst
werden.
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Generell
ermöglicht
die Steuerung der Rauchgaszirkulation die Steuerung des Ausbrandverlaufes
im Spaltofen. Aus der beeinflussbaren Ausdehnung der Verbrennungszone
im Feuerraum können
die Temperaturprofile und die davon abhängigen Wärmestromdichten der Übertragung
an die Spaltrohre gestaltet werden. Dies bedeutet einen höheren Gestaltungsspielraum
bei der Auslegung der Spaltöfen.
Tendenziell können
durch das erfindungsgemäße Verfahren
weniger Brenner mit gleicher spezifischer Leistung oder die gleiche
Anzahl Brenner mit geringerer spezifischer Leistung als im Stand
der Technik eingesetzt werden. Desweiteren kann die Ausdehnung der
Strahlungszone reduziert werden, da der Wärmeeintrag auf die Spaltrohre
deutlich gleichmäßiger und
effektiver als im Stand der Technik erfolgt.
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Vorrichtungsseitig
soll eine Anlage zur Erzeugung von Kohlenwasserstoffen mittels Spaltung eines
kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzes in einem Spaltofen, wobei der
Spaltofen mindestens ein Spaltrohr zur Führung des kohlenwasserstoffhaltigen
Einsatzes durch den Feuerraum des Spaltofens, mindestens ein Mittel
zur Zu- bzw. Abführung
des kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzes in die Spaltrohre, mindestens
ein Mittel zur Zuführung
des Heizmediums und mindestens ein Mittel zur Zuführung eines sauerstoffhaltigen
Gases aufweist, derart ausgestaltet werden, dass kein mit Stickoxiden
belastetes Rauchgas in die Atmosphäre entlassen wird.
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Die
gestellte Aufgabe wird vorrichtungsseitig dadurch gelöst, dass
das Mittel zur Zuführung
eines sauerstoffhaltigen Gases mit einer Quelle für sauerstoffangereicherter
Luft verbunden ist. Erfindungsgemäß findet somit die Verbrennung
des Heizmediums mit sauerstoffangereicherter Luft im Spaltofen statt.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung sind die Mittel zur Zuführung des
Heizmediums und die Mittel zur Zuführung der sauerstoffangereicherten Luft
als Venturidüsen
ausgebildet. Ebenfalls vorteilhaft ist die Zuführung von Heizmedium, sauerstoffangereicherter
Luft oder Rauchgas in den Spaltofen über Einlasslanzen.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Anlage mindestens eine
Zuführung
für Rauchgase
in den Feuerraum auf, welche strömungstechnisch
mit dem Abzug des Rauchgases aus dem Spaltofen verbunden ist. Vorteilhafter
Weise befindet sich ein Sauggebläse
zum Abzug des Rauchgases aus dem Spaltofen stromabwärts der
Abhitzezone des Spaltofens. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung
befindet sich ein zweites Gebläse
stromaufwärts
der Zuführung
des Rauchgases in dem Feuerraum des Spaltofens. Das zurückgeführte Rauchgas
wird dabei vorteilhafterweise direkt in den Spaltofen geführt. In
einer anderen Ausgestaltung wird das zurückgeführte Rauchgas mit der sauerstoffangereicherten
Luft vermischt.
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Die
vorliegende Erfindung weist insbesondere den Vorteil auf, dass die
Energieeffizienz mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Anlage
deutlich gesteigert wird, so dass pro Tonne erzeugter Wertprodukte
deutlich weniger Kohlendioxid entsteht, da ein deutlich geringere Menge
Heizmedium pro Tonne erzeugter Wertprodukte verbraucht wird.
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
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Es
zeigen:
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1 eine
Ausgestaltung der Erfindung ohne externe Rauchgaszirkulation
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2 eine
Ausgestaltung der Erfindung mit externer Rauchgaszirkulation
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1 zeigt
eine Ausgestaltung der Erfindung mit interner Rauchgaszirkulation.
Der Spaltofen 1 besteht aus einer Strahlungszone 1a,
dem eigentlichen Feuerraum, und einer Abhitzezone 1b. Der
kohlenwasserstoffhaltige Einsatz wird in Spaltrohren (nicht gezeigt)
durch die Strahlungszone geführt.
Die Strahlungszone wird durch die Verbrennung des Heizmediums 2 mit
sauerstoffangereicherter Luft 3 beheizt. Sowohl das Heizmedium
als auch die sauerstoffangereicherte Luft werden in die Brenner 4 geführt. Dort
finden die Vermischung und die Verbrennung des Heizmediums statt.
Die Verbrennung kann dabei je nach gewähltem Druck, Volumenstrom und Geschwindigkeit
von Heizgas und sauerstoffangereicherter Luft flammend oder flammenlos
erfolgen. Für das
flammenlose Verbrennen des Heizgases und das Erzeugen der notwendigen
internen Rauchgaszirkulation reicht ein üblicherweise ein Vordruck von 5
bis 6 bar beim Heizmedium 2 und/oder der sauerstoffangereicherten
Luft 3 aus. Das Rauchgas 5 verlässt über die
Abhitzezone 1b den Spaltofen. Die restliche Wärme des
Rauchgases 5 kann über
einen optionalen Wärmetauscher 6 noch
zur Erwärmung eines
beliebigen Prozessstromes (z. B. Ethan, Propan, Naphtha, etc.) genutzt
werden. Das Rauchgas 7 kann in die Atmosphäre entlassen
oder in ein optionales Verfahren zur Entfernung von Stickoxiden
geführt
werden.
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2 zeigt
eine Ausgestaltung der Erfindung mit externer Rauchgaszirkulation.
Das Rauchgas 5 wird mittels Sauggebläse 8 aus der Abhitzezone 1b des
Spaltofens 1 abgesaugt. Ein Teil 5a des dabei
abgezogenen Rauchgases wird in den Feuerraum 1a des Spaltofens 1 zurückgeführt. Der
nicht zurückgeführte Teil 7 des
Rauchgases 5 kann in die Atmosphäre entlassen oder in ein optionales
Verfahren zur Entfernung von Stickoxiden geführt werden. Optional kann ein
weiteres Gebläse
(nicht dargestellt) in die externe Rückführung des Rauchgases 5a integriert
werden.