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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen eines über einen Brenner beheizbaren, als Röhrenofen ausgeführten Reformers, wobei einer Dampftrommel Wasser entnommen und in einem im Rauchgassystem des Reformers angeordneten Abhitzekessel verdampft wird und der so erzeugte Wasserdampf nachfolgend als Kühlmittel durch die im Feuerraum des Reformers angeordneten Reformerrohre geleitet wird, und wobei Luft alleine durch Wirkung des Naturzuges über das Verbrennungsluftsystem des Brenners herangeführt, über den Kopf des ausgeschalteten Brenners in den Feuerraum eingebracht und über das Rauchgassystem des Reformers abgeführt wird.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Dampfreformierungsanlage mit einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Als Röhrenöfen ausgeführte Reformer sind seit vielen Jahren Stand der Technik und werden weltweit bei der großtechnischen Erzeugung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid aus Kohlenwasserstoffen eingesetzt. Sie bestehen aus einem Stahlmantel, der zur Wärmeisolierung mit einer feuerfesten Innenauskleidung versehen ist, die einen Feuerraum umschließt. Im Feuerraum sind Reformerrohre angeordnet, deren innere Oberflächen katalytisch aktiv sind oder die ganz oder zumindest teilweise im Bereich des Feuerraums mit einer Schüttung aus einem geeigneten Katalysatormaterial oder einer katalytisch aktiven strukturierten Packung gefüllt sind. Die Kohlenwasserstoffe werden gemeinsam mit Prozessdampf in die Reformerrohre geführt, wo sie in einer endothermen Reformierungsreaktion in ein Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltendes Produktgas umgewandelt werden. Die für die Reformierungsreaktion benötigte Energie wird gewöhnlich über Brenner bereitgestellt, die ihre heißen Rauchgase in den Feuerraum entlassen. Ein Teil, der in den Rauchgasen enthaltenen Wärme, wird durch Strahlung und Konvektion auf die Reformerrohre übertragen, so dass sie zwar abgekühlt, jedoch immer noch heiß aus dem Feuerraum in das sich anschließende Rauchgassystem gelangen. Über hier angeordnete Wärmetauscher wird den Rauchgasen weiter Wärme entzogen, die z. B. für die Vorwärmung der Kohlenwasserstoffe oder zur Erzeugung von Prozessdampf genutzt wird, so dass sie schließlich mit einer Temperatur von lediglich ca. 120–200°C über einen Kamin aus der Anlage geleitet werden können.
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Zur Erzeugung von Prozessdampf wird unter anderem einer Dampftrommel Wasser entnommen und in einem im Rauchgassystem des Reformers angeordneten Abhitzekessel verdampft. Der hierbei gebildete Dampf, bei dem es sich typischerweise um Mitteldruckdampf handelt, der beispielsweise einen Druck von ca. 35 bar und eine Temperatur von ca. 245°C aufweist, wird anschließend mit dem Kohlenwasserstoff enthaltenden Einsatz gemischt. Nach Überhitzung in einem ebenfalls im Rauchgassystem angeordneten Überhitzer wird der Einsatz in die Reformerrohre eingeleitet. Um das aus der Dampftrommel entnommene Wasser zu ersetzen, wird Kesselspeisewasser in die Dampftrommel gepumpt, wobei ein maximal zulässiger Wasserstand nicht über- und ein minimal zulässiger Wasserstand nicht unterschritten wird. Häufig sind Dampfreformeranlagen mit einem zweiten Dampfsystem zur Erzeugung von hochreinem Exportdampf ausgestattet, das eine weitere Dampftrommel und einen in der Syntheserohgasleitung angeordneten Abhitzekessel oder PGC (von englisch Process Gas Cooler) umfasst. Oft ist auch ein im Rauchgassystem angeordneter Wärmetauscher Bestandteil des Exportdampfsystems, in dem der im PGC gebildete Dampf überhitzt wird, bevor er über die Anlagengrenzen mit einem Druck von ca. 40 bar und einer Temperatur von ca. 380°C an einen externen Verbraucher abgegeben wird.
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Wird die Zufuhr von Kohlenwasserstoffen zu den Reformerrohren aufgrund einer Betriebsstörung oder bei einer regulären Anlagenabschaltung unterbrochen, ist es erforderlich, ein Kühlmittel durch die Reformerrohre, aber auch durch die im Rauchgassystem angeordneten Wärmetauscher zu leiten, um ein Überschreiten ihrer Auslegungstemperaturen zu verhindern, da auch nach einem Abschalten der Brenner Wärme durch Strahlung von der feuerfesten Innenauskleidung des Reformers auf die Einbauten übertragen wird. Diese Kühlung wird wenigstens solange durchgeführt, bis die Temperatur der Innenauskleidung auf einen unkritischen Wert abgesunken ist. Die Menge, der für die Kühlung benötigten Kühlmedien, hängt dabei in erster Linie von der in der Innenauskleidung des Reformers gespeicherten Wärme ab.
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Nach dem Stand der Technik wird zur Kühlung der Reformer-Einbauten Wasser den Dampftrommeln zugeführt. In den angeschlossenen Abhitzekesseln und Prozessgaskühlern wird aus dem Wasser Dampf erzeugt, der anschließend als Kühlmittel durch die Überhitzer und nachfolgend durch die Reformerrohre geleitet wird. Ein Großteil der für die Dampferzeugung und -überhitzung benötigten Wärme wird durch Konvektion von der Innenauskleidung des Reformers auf Überhitzer und Abhitzekessel übertragen. Hierzu wird Kühlluft durch den Reformer geleitet, die über das Verbrennungsluftsystem und den oder die Brennerköpfe in den Feuerraum eingebracht wird. Je höher die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft, desto mehr Wärme wird übertragen und desto weniger Zeit wird für die Abkühlung benötigt. Allerdings ist eine größere Wassermenge erforderlich, um Abhitzekessel und Überhitzer effektiv zu kühlen. Kann jederzeit frisches Wasser in die Dampftrommeln nachgespeist werden, wie es bei einer regulären Anlagenabschaltung der Fall ist, so stellt dies kein Problem dar. Anders verhält es sich hingegen, wenn aufgrund einer Betriebsstörung die Nachspeisung von Wasser in die Dampftrommeln nicht möglich ist. In diesem Fall werden das Verbrennungsluftgebläse und ein evtl. vorhandenes Saugzuggebläse gestoppt, um die Geschwindigkeit der durch den Reformer strömenden Kühlluft abzusenken. Insbesondere dann, wenn die Innenauskleidung des Reformers aus feuerfesten Steinen besteht, ist trotzdem noch eine Wassermenge nötig, die größer ist, als die in einer alleine für die Erfordernisse des Normalbetriebes ausgelegten Dampftrommel vorgesehene Mindestmenge. Nach dem Stand der Technik wird daher eine wesentlich größere und damit auch teurere Dampftrommel eingesetzt, die für den Fall einer Betriebsstörung dimensioniert ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art sowie eine Vorrichtung anzugeben, durch die die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden.
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Die gestellte Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Menge der Kühlluft über ein im Verbrennungsluftsystem angeordnetes Drosselorgan eingestellt wird.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass im Falle einer Betriebsstörung gewöhnlich allein aufgrund des Kamineffekts sich über das Verbrennungsluftsystem und den Reformer ein Naturzug einstellt, durch den die im Reformer angeordneten Einbauten stärker kühlt, als dies zur Vermeidung von Beschädigungen erforderlich ist. Die Kühlluftmenge wird daher über das Drosselorgan verringert und auf einen Wert eingestellt, der zwar ausreichend hoch ist, um ein Überhitzen der im Reformer angeordneten Einbauten und somit deren Beschädigung sicher zu vermeiden, der jedoch gleichzeitig so niedrig ist, dass der Reformer auch dann bis zu für die Einbauten unkritischen Temperaturen abgekühlt werden kann, wenn die Dampftrommel zu Beginn der Betriebsstörung lediglich die vorgesehene Mindestmenge an Wasser enthält.
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Zweckmäßigerweise wird die Position des Drosselorgans in Abhängigkeit des Wasserstandes in der Dampftrommel verändert. Hierbei kann das Drosselorgan mit abnehmendem Wasserstand stetig oder schrittweise in Schließrichtung bewegt werden. Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Drosselorgan in einem Schritt in seine Schließposition bewegt wird, sobald der Wasserstand in der Dampftrommel einen Grenzwert unterschreitet.
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Vorzugsweise wird die Kühlluftmenge über das Drosselorgan auf einen Wert eingestellt, der zwischen 0 und 30%, bevorzugt zwischen 0 und 20% und besonders bevorzugt zwischen 0 und 10% größer ist als die für eine ausreichende Kühlung der Reformerrohre notwendige Mindestmenge.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Abkühlung eines beliebig ausgeführten Reformers. Insbesondere kann es jedoch zur Abkühlung eines Reformers eingesetzt werden, der eine aus keramischem Fasermaterial und/oder feuerfesten Steinen bestehende Wärmeisolierung umfasst.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Dampfreformierungsanlage mit einem über einen Brenner zu befeuernden, als Röhrenofen ausgeführten Reformer, einem mit dem Kopf des Brenners verbundenen Verbrennungsluftsystem, einem Dampfsystem zur Erzeugung von Prozessdampf mit einer Dampftrommel und einem im Rauchgassystem des Reformers angeordneten Abhitzekessel sowie einer Einrichtung zur Zuführung von Prozessdampf in die im Feuerraum des Reformers angeordneten Reformerrohre.
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Die gestellte Aufgabe wird vorrichtungsseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Dampfreformierungsanlage ein Drosselorgan umfasst, über das der Strömungswiderstand des Verbrennungsluftsystems verändert werden kann.
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Zweckmäßigerweise ist Strömungswiderstand über das Drosselorgan nur auf endliche Werte einstellbar; eine vollständige Absperrung des Verbrennungsluftsystems ist nicht möglich. Um dies zu erreichen, sieht eine Ausgestaltung der Erfindung eine parallel zum Drosselorgan angeordnete nicht absperrbare Bypass-Leitung vor, wobei das Drosselorgan vollständig geschlossen werden kann. Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Drosselorgan nicht vollständig geschlossen werden kann.
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Das Drosselorgan ist so ausgeführt, dass der Strömungswiderstand des Verbrennungsluftsystems stetig oder schrittweise veränderbar ist. Vorzugsweise kann der Strömungswiderstand in einem Schritt zwischen einem Minimal- und einem Maximalwert verändert werden.
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Das Drosselorgan kann so ausgeführt sein, dass sein Strömungswiderstand von Hand verstellbar ist. Sinnvollerweise ist es jedoch fehlerschließend ausgeführt, d. h. es wird automatisch in Schließrichtung bewegt, sobald beispielsweise eine Betriebsstörung die Abkühlung des Reformers erforderlich macht.
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Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass das Drosselorgan als Klappe ausgeführt ist.
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Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass das Drosselorgan mit einem Schalter in der Dampftrommel verbunden ist, der bei Unterschreiten eines vorgegebenen Minimal-Wasserstandes in der Dampftrommel ein Schließen des Drosselorgans bewirkt.
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Die erfindungsgemäße Dampfreformierungsanlage kann jeden Reformertyp umfassen, der Stand der Technik ist. Vorzugsweise umfasst es einen Reformer, der mit einer Wärmeisolierung ausgeführt ist, die aus keramischem Fasermaterial und/oder feuerfesten Steinen besteht.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
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Das Ausführungsbeispiel zeigt einen Reformer in einer Dampfreformierungsanlage mit einem ersten, zur Produktion von Prozessdampf geeigneten, und einem zweiten Dampfsystem, mit dessen Hilfe Exportdampf erzeugt werden kann.
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Im Normalbetrieb wird der Reformer R über Brenner beheizt, deren Köpfe B an der Decke des Feuerraums F angeordnet sind. Die erforderliche Verbrennungsluft wird über das Verbrennungsluftgebläse V1 angesaugt und über Leitung 1 in den im Rauchgassystem S des Reformers angeordneten Luftvorwärmer E1 eingeleitet, aus dem sie, typischerweise auf 250°C vorgewärmt, abgezogen und über Leitung 2 den Brennerköpfen B zugeführt wird. Über Leitung 3 und das Absperrorgan a wird den Brennerköpfen B auch Brennstoff – beispielsweise Erdgas – zugeführt, der mit der vorgewärmten Luft 2 in einer Verbrennungsreaktion umgesetzt wird. Die hierbei entstehenden heißen Rauchgase geben einen Teil ihrer Wärme an die im Feuerraum F angeordneten Reformerrohre V ab, bevor sie über das Rauchgassystem S abgeführt werden. Im Rauchgassystem S sind mehrere Wärmetauscher E1, E2, E3 und E4 angeordnet, über die den Rauchgasen weiter Wärme entzogen wird, so dass ein auf ca. 200°C abgekühlter Rauchgasstrom 4 den Reformer verlässt, der schließlich über das Saugzuggebläse V2 in den Kamin K entsorgt wird.
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Die Niederdruck-Dampftrommel D1 wird über Leitung 5 mit Kesselspeisewasser versorgt. Bereits vorgewärmt, wird das Wasser über Leitung 6 abgezogen und dem Abhitzekessel E2 zugeführt, wo es verdampft wird. Das entstehende Dampf-Wasser-Gemisch wird über Leitung 7 in die Niederdruck-Dampftrommel D1 zurückgeführt, aus der Prozessdampf über Leitung 8 und das Dampfmassenstromventil b abgezogen und über Leitung 9 und das Min-Stop-Ventil c in die Leitung 10 geführt wird, um mit einem über Leitung 11 und das Absperrorgan d zugeführten kohlenwasserstoffhaltigen Einsatz vermischt zu werden. Das gebildete Gemisch wird im Überhitzer E3 überhitzt und mit einer Temperatur von typischerweise 580°C über Leitung 12 in die Reformerrohre V geführt, wo es mit katalytischer Unerstützung durch Dampfreformierung in ein Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltendes Produktgas 13 umgesetzt wird. Das Produktgas 13, dass die Reformerrohre V mit einer Temperatur von ca. 850°C verlässt, wird im Prozessgaskühler E5 auf ca. 330°C abgekühlt, bevor es über Leitung 14 einer Weiterbehandlung (nicht dargestellt) zugeführt wird.
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Die Hochdruck-Dampftrommel D2 wird über Leitung 15 mit entmineralisiertem Kesselspeisewasser versorgt. Durch heißen Dampf 16 bereits vorgewärmt, wird das Wasser über Leitung 17 abgezogen und dem Prozessgaskühler E5 zugeführt, wo es gegen das abzukühlende Prozessgas 13 verdampft wird. Der entstehende Dampf wird über Leitung 16 in die Hochdruck-Dampftrommel D2 zurückgeführt, in der ein Teil kondensiert. Der verbleibende Rest wird über Leitung 18 in den Überhitzer E4 geführt, aus dem überhitzter Hochdruckdampf abgezogen und über Leitung 19 sowie das Absperrorgan e als Exportdampf an einen externen Verbraucher (nicht dargestellt) abgegeben wird. Über Leitung 9 und das Dampfmassenstromventil f kann eine Teilmenge des Hochdruckdampfes dem Prozessdampf 8 als Make-up zugegeben werden.
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Können infolge einer Betriebsstörung keine Kohlenwasserstoffe über Leitung 11 zugeführt werden, wird das Absperrorgan a geschlossen und die Zufuhr von Brennstoff 3 zu den Brennerköpfen B unterbrochen. Um zu vermeiden, dass die von der aus feuerfesten Steinen bestehenden Wärmisolierung W des Reformers R übertragene Wärme zu einem Überschreiten der Auslegungstemperatur führt, wird Dampf als Kühlmittel durch die Überhitzer E3 und E4 sowie die Reformerrohre V geleitet. Dabei werden beide Dampftrommeln D1 und D2 zur Dampfproduktion herangezogen. Hierzu wird das Absperrorgan e geschlossen und die beiden Dampfmassenstromventile b und f werden vollständig geöffnet. Gleichzeitig wird das Min-Stop-Ventil c in seine Schließposition gefahren, wodurch die Leitung 9 jedoch nicht vollständig abgesperrt wird, sondern ein minimaler Strömungsquerschnitt offen bleibt. Wenn aufgrund der Betriebsstörung auch die Zufuhr von Kesselspeisewasser 5 und 15 unterbrochen ist, werden die Ventilatoren V1 und V2 gestoppt, so dass Luft lediglich aufgrund des Kamineffekts als Kühlluft über die Leitungen 1 und 2 sowie den Luftvorwärmer E1 und die Brennerköpfe B in den Feuerraum F des Reformers R gefördert wird. Um zu verhindern, dass die beiden Dampftrommeln D1 und D2 leer laufen, bevor der Reformer bzw. dessen Wärmeisolierung auf unkritische Temperaturen abgekühlt ist, wird der Kühlluftstrom über die Brennerköpfe B weiter eingeschränkt. Dazu wird das in der Brennerluftleitung 1 angeordnete Drosselorgan g in Schließrichtung bewegt, so dass der Strömungswiderstand erhöht und der Kühlluftstrom verringert wird. Um zu verhindern, dass versehentlich der Kühlluftstrom unterbrochen wird, ist das Drosselorgan so ausgeführt, dass mit seiner Hilfe zwar der für die Luft zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt verändert, die Leitung 1 jedoch nicht vollständig abgesperrt werden kann.
