DE102010028181A1 - Produktionsanlage für Chemierohstoffe oder Brennstoffe sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Produktionsanlage - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Produktionsanlage (1) für Chemierohstoffe oder Brennstoffe, umfassend einen Vergaser (2) und eine Einrichtung zur Synthese aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff (8), die mit dem Vergaser (2) verbunden ist, wobei ein Elektrolyseur (9) mit der Einrichtung zur Synthese aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff (8), zum Zuführen von Wasserstoff verbunden ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb einer Produktionsanlage (1) für Chemierohstoffe oder Brennstoffe.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Produktionsanlage für Chemierohstoffe oder Brennstoffe und bezieht sich auf die Einstellung des molaren Verhältnisses der Bestandteile im Synthesegas. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Produktionsanlage.
- Das grundsätzliche Konzept, über den Weg der Vergasung aus festen oder flüssigen Rohstoffen Chemiegrundstoffe oder ”edle” Brennstoffe, z. B. synthetisches Erdgas(SNG = Substitute Natural Gas) herzustellen, ist bekannt. Dabei wird in den Prozess-Stufen CO-Shift und CO2-Abtrennung das Synthesegas aus einem Vergasungsprozess für das für den weiteren Produktionsweg notwendige molare Verhältnis von Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO2) und Wasserstoff (H2) eingestellt. In der Regel hat das gewünschte Produkt einen spezifisch geringeren C-Gehalt (Kohlenstoffgehalt) als der ursprünglich eingesetzte Brennstoff. Besonders deutlich wird das z. B. bei der Herstellung von CH4 (Methan, SNG) aus Braunkohle. Deshalb muss entweder der C-Gehalt über den Syntheseweg im Verhältnis zum H2-Gehalt reduziert werden (CO2-Abtrennung) oder der H2-Gehalt entsprechend erhöht werden.
- Bekannt sind eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren, bei denen das notwendige Verhältnis von CO, CO2 und H2 dadurch eingestellt wird, dass ein Teil des CO mit Wasserdampf zu CO2 und H2 konvertiert wird und dann entsprechend CO2 abgetrennt wird. Die vorgelagerten Vergasungsprozesse werden meist Sauerstoff-geblasen; der Sauerstoff wird dabei üblicherweise durch kryogene Luftzerlegung erzeugt und auf das für die Vergasung notwendige Druckniveau gebracht.
- Aufgabe der Erfindung ist es, die genannte Vorrichtung bzw. das genannte Verfahren weiterzuentwickeln, so dass eine Prozessvereinfachung erzielt wird, wobei das Anlagenkonzept effizient und umweltverträglich sein soll.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und das Verfahren gemäß Anspruch 13. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert. Indem bei einer Produktionsanlage für Chemierohstoffe oder Brennstoffe, umfassend einen Vergaser und eine Einrichtung zur Synthese aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, die mit dem Vergaser verbunden ist, ein Elektrolyseur mit der Einrichtung zur Synthese aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff zum Zuführen von Wasserstoff verbunden ist, wird folgendes erreicht:
Das CO-, CO2- und H2-haltige Synthesegas wird mit Wasserstoff aus der Elektrolyse von Wasser angereichert, um es auf das optimale Reaktionsverhältnis einzustellen. Im Falle einer ausreichenden und gesicherten Zufuhr ”externen” Wasserstoffs würden Prozesse wie die CO-Shift und die CO2-Abtrennung überflüssig. - Vorteilhafter Weise ist der Elektrolyseur mit dem Vergaser über eine Sauerstoffleitung verbunden. Da bei der Elektrolyse von Wasser neben Wasserstoff auch (sehr reiner) Sauerstoff entsteht – und zwar über den spezifischen Bedarf für die Vergasung von üblichen Brennstoffen hinaus – entfällt die Notwendigkeit einer separaten Luftzerlegung.
- Es ist zweckmäßig, wenn ein Sauerstoffspeicher mit der Sauerstoffleitung verbunden ist, damit eine Speichermöglichkeit für den im Regelbetrieb überschüssigen Sauerstoff aus der Elektrolyse besteht.
- Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn der Elektrolyseur ein Druckelektrolyseur ist. Die Produkte H2 und O2 stehen bei einer Druckelektrolyse bereits unter für den Vergasungsprozess bzw. die nachfolgende Synthese notwendigem Druck zur Verfügung, so dass keine weitere Verdichtung notwendig ist.
- In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Elektrolyseur mit erneuerbaren Energieträgern betreibbar, so dass die zum Betrieb des Elektrolyseurs erforderliche elektrische Energie vorwiegend aus erneuerbaren Energieträgern gewonnen wird. Dies ermöglicht es, Strom aus erneuerbaren Energien in Chemiegrundstoffen oder insbesondere in Brennstoffen, beispielsweise als SNG, zu ”speichern”. Wasserstoff aus erneuerbaren Energien wird somit einer etablierten Infrastruktur zugänglich gemacht.
- In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Produktionsanlage eine Dampfturbine und einen an die Dampfturbine gekoppelten Generator, mit dem der Elektrolyseur betreibbar ist, wobei die Dampfturbine dampfseitig mit dem Vergaser und/oder der Einrichtung zur Synthese aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff verbunden ist, so dass eine Wärmenutzung im Bereich der Gaserzeugung bzw. dem Chemieprozess über einen Dampfturbinenprozess erfolgen kann. Bei der Produktion von SNG stehen erhebliche Abwärmen auf hohem Temperaturniveau für die Produktion von hochwertigem Dampf zur Verfügung.
- Zweckmäßiger Weise ist ein Wassergas-Shift-Reaktor für die CO-Shift zwischen Vergaser und Einrichtung zur Synthese aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff geschaltet. Sollte die Wasserstoffproduktion im Elektrolyseur nicht den Gesamtbedarf decken, kann so die fehlende Menge kompensiert werden.
- Auch die Abwärme der CO-Shift lässt sich vorteilhafter Weise zur Dampferzeugung und zum Betrieb einer Dampfturbine nutzen, indem die Dampfturbine mit dem Wassergas-Shift-Reaktor verbunden ist.
- Aus denselben Gründen, wie für den Wassergas-Shift-Reaktor, ist es zweckmäßig, wenn eine CO2-Abtrenneinrichtung zwischen dem Vergaser und der Einrichtung zur Synthese aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff geschaltet ist.
- Wenn die vom Elektrolyseur gelieferte Sauerstoffmenge für den Vergasungsprozess nicht ausreichen sollte, ist es vorteilhaft, wenn die Produktionsanlage eine Luftzerlegungsanlage umfasst, wobei eine Sauerstoffleitung von der Luftzerlegungsanlage abzweigt und in die Vergasungseinrichtung mündet.
- Zweckmäßiger Weise ist die Einrichtung zur Synthese aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff eine Methanisierungseinrichtung. Das dort hergestellte SNG (synthetic natural gas oder Substitute natural gas) kann Erdgas für den Betrieb einer Gas- oder einer Gas- und Dampfturbinenanlage ersetzen.
- Ebenfalls zweckmäßig ist es, wenn die Einrichtung zur Synthese aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff eine Einrichtung zur Herstellung von Methanol ist, das in der Chemie vielseitige Verwendung findet.
- Im erfinderischen Verfahren zum Betrieb einer Produktionsanlage für Chemierohstoffe oder Brennstoffe, bei dem ein Rohstoff zu Synthesegas vergast wird und das Synthesegas mit Wasserstoff angereichert und für eine Synthese verwendet wird, wird der Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser erzeugt.
- Die Vorteile der Vorrichtung ergeben sich auch für das Verfahren.
- Erfindungsgemäß ist es daher bevorzugt, wenn die Elektrolyse unter Druck durchgeführt wird.
- Es ist insbesondere bevorzugt, wenn die Elektrolyse bei einem Druck von 50 bar oder mehr durchgeführt wird.
- Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Elektrolyse überwiegend mit Hilfe erneuerbarer Energieträger sowie in der Produktionsanlage selbst erzeugten Stroms durchgeführt wird.
- Besonders bevorzugt wird in der Produktionsanlage Strom erzeugt, indem mit Hilfe von bei der Vergasung und/oder bei der Synthese entstehender Wärme Wasser verdampft und einer Dampfturbine zugeführt wird.
- Besonders zweckmäßig ist es, wenn bei der Elektrolyse anfallender Sauerstoff der Vergasung zugeführt wird.
- Es ist ebenfalls zweckmäßig, wenn bei der Elektrolyse anfallender Sauerstoff gespeichert wird, insbesondere wenn Sauerstoff über den spezifischen Bedarf für die Vergasung hinaus anfällt, so dass bei geringerer Verfügbarkeit der erneuerbaren Energieträger und infolgedessen reduzierter Sauerstoffproduktion bei der Elektrolyse immer noch genügend Sauerstoff verfügbar ist und auf eine separate Luftzerlegungsanlage verzichtet erden kann.
- Die Vorteile der Erfindung liegen in der Kombination von erneuerbaren Energien und der Produktion von Chemiegrundstoffen bzw. Brennstoffen aus meist fossilen Rohstoffen (aber auch Biomasse oder Raffinerierückstände) über eine Vergasung.
- Ein derartiges Anlagenkonzept wird als hochflexibel hinsichtlich der Ausgangsstoffe/Energien wie auch der Produkte erachtet.
- Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt schematisch und nicht maßstäblich:
- FIG eine erfindungsgemäße Produktionsanlage für Chemierohstoffe oder Brennstoffe.
- Die Figur zeigt schematisch und beispielhaft eine erfindungsgemäße Produktionsanlage
1 für Chemierohstoffe oder Brennstoffe. - Der Vergaser
2 weist eine Zufuhrleitung3 für (meist fossilen) Rohstoff auf. Es können aber auch z. B. Biomasse oder Raffinerierückstände verarbeitet werden. Weiterhin sind Zufuhrleitungen4 ,5 für Sauerstoff vorhanden, die in den Vergaser2 einmünden. Im Vergaser wird der Rohstoff unter Zuführung von Dampf (nicht gezeigt) zusammen mit dem Sauerstoff partiell oxidiert und ein Synthesegas gebildet, das Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO2) und Wasserstoff (H2) enthält. - Nach dem Stand der Technik wird das für die spätere Verwendung des Synthesegases notwendige Verhältnis von CO3 CO2 und H2 in den Prozesstufen CO-Shift in einem Wassergas-Shift-Reaktor
6 und CO2-Abtrennung7 eingestellt, indem ein Teil des CO mit Wasserdampf zu CO2 und H2 konvertiert und dann CO2 abgetrennt wird. - Gemäß der Erfindung wird alternativ das CO-, CO2- und H2-haltige Synthesegas durch Anreicherung mit Wasserstoff vor der Einrichtung zur Synthese aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff
8 auf das optimale Verhältnis der Bestandteile eingestellt. Der Wasserstoff wird durch einen Druckelektroyseur9 über die Wasserstoffleitung17 bereitgestellt. Im Druckelektrolyseur9 wird unter Druck und mit Hilfe eines elektrischen Stromes Wasser10 in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. - Die erforderliche elektrische Energie
11 wird vorwiegend aus erneuerbaren Energieträgern12 gewonnen und/oder aus der Wärmenutzung13 ,14 im Bereich der Vergasung2 bzw. dem Chemieprozess der Synthese8 über einen Dampfturbinenprozess15 . Eine Nutzung der Wärme der CO-Shift im Wassergas-Shift-Reaktor6 ist ebenfalls denkbar19 . - Wenn ausreichend Wasserstoff zur Verfügung gestellt werden kann, können die Prozesstufen CO-Shift im Wassergas-Shift-Reaktor
6 und CO2-Abtrennung7 vollständig entfallen. - Nach dem Stand der Technik ist zur Bereitstellung des für die Vergasung des Rohstoffs benötigten Sauerstoffs dem Vergaser
2 über die Sauerstoffleitung4 eine Luftzerlegungsanlage16 vorgeschaltet. - Auch diese Luftzerlegungsanlage
16 kann nach der Erfindung entfallen, wenn die vom Druckelektrolyseur9 bereitgestellte Sauerstoffmenge den Bedarf für die Vergasung deckt. - Der mit der Sauerstoffleitung
5 verbundene Sauerstoffspeicher18 bietet eine Speichermöglichkeit für den im Regelbetrieb überschüssigen Sauerstoff aus der Elektrolyse.
Claims (19)
- Produktionsanlage (
1 ) für Chemierohstoffe oder Brennstoffe, umfassend einen Vergaser (2 ) und eine Einrichtung zur Synthese aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff (8 ), die mit dem Vergaser (2 ) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektrolyseur (9 ) mit der Einrichtung zur Synthese aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff (8 ) zum Zuführen von Wasserstoff verbunden ist. - Produktionsanlage (
1 ) für Chemierohstoffe oder Brennstoffe nach Anspruch 1, wobei der Elektrolyseur (9 ) mit dem Vergaser (2 ) über eine Sauerstoffleitung (5 ) verbunden ist. - Produktionsanlage (
1 ) für Chemierohstoffe oder Brennstoffe nach Anspruch 2, wobei ein Sauerstoffspeicher mit der Sauerstoffleitung (5 ) verbunden ist. - Produktionsanlage (
1 ) für Chemierohstoffe oder Brennstoffe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Elektrolyseur (9 ) ein Druckelektrolyseur ist. - Produktionsanlage (
1 ) für Chemierohstoffe oder Brennstoffe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Elektrolyseur (9 ) mit erneuerbaren Energieträgern (12 ) betreibbar ist. - Produktionsanlage (
1 ) für Chemierohstoffe oder Brennstoffe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend eine Dampfturbine und einen an die Dampfturbine gekoppelten Generator, mit dem der Elektrolyseur (9 ) betreibbar ist, wobei die Dampfturbine dampfseitig mit dem Vergaser (2 ) und/oder der Einrichtung zur Synthese aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff (8 ) verbunden ist. - Produktionsanlage (
1 ) für Chemierohstoffe oder Brennstoffe, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Wassergas-Shift-Reaktor (6 ) zwischen den Vergaser (2 ) und die Einrichtung zur Synthese aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff (8 ) geschaltet ist. - Produktionsanlage (
1 ) für Chemierohstoffe oder Brennstoffe nach den Ansprüchen 6 und 7, wobei die Dampfturbine dampfseitig zur Abwärmenutzung aus einer CO-Shift mit dem Wassergas-Shift-Reaktor (6 ) verbunden ist. - Produktionsanlage (
1 ) für Chemierohstoffe oder Brennstoffe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine CO2-Abtrenneinrichtung (7 ) zwischen den Vergaser (2 ) und die Einrichtung zur Synthese aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff (8 ) geschaltet ist. - Produktionsanlage (
1 ) für Chemierohstoffe oder Brennstoffe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend eine Luftzerlegungsanlage (16 ), wobei eine Sauerstoffleitung (4 ) von der Luftzerlegungsanlage (16 ) abzweigt und in den Vergaser (2 ) mündet. - Produktionsanlage (
1 ) für Chemierohstoffe oder Brennstoffe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung zur Synthese aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff (8 ) eine Methanisierungseinrichtung ist. - Produktionsanlage (
1 ) für Chemierohstoffe oder Brennstoffe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung zur Synthese aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff (8 ) eine Einrichtung zur Herstellung von Methanol ist. - Verfahren zum Betrieb einer Produktionsanlage (
1 ) für Chemierohstoffe oder Brennstoffe, bei dem ein Rohstoff zu Synthesegas vergast wird und das Synthesegas mit Wasserstoff angereichert und für eine Synthese verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser erzeugt wird. - Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Elektrolyse unter Druck durchgeführt wird.
- Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Elektrolyse bei einem Druck von 50 bar oder mehr durchgeführt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Elektrolyse überwiegend mit Hilfe erneuerbarer Energieträger (
12 ) sowie in der Produktionsanlage (1 ) selbst erzeugten Stroms durchgeführt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei in der Produktionsanlage (
1 ) Strom erzeugt wird, indem mit Hilfe von bei der Vergasung von Rohstoff zu Synthesegas und/oder bei der Synthese aus Kohlenmonoxid des Synthesegases und Wasserstoff entstehender Wärme Wasser verdampft und einer Dampfturbine zugeführt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei bei der Elektrolyse anfallender Sauerstoff der Vergasung zugeführt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei bei der Elektrolyse anfallender Sauerstoff gespeichert wird.
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