DE102012004047A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Gasprodukten und flüssigem Methan aus Synthesegas - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Gasprodukten und flüssigem Methan aus Synthesegas Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung zumindest eines Gasproduktes (5) sowie eines zum überwiegenden Teil Methan aufweisenden Produktes (10) aus einem Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Methan enthaltenden Einsatz (4), wobei der Einsatz (4) einen Gehalt von Wasserstoff und Kohlenmomoxid zusammengezählt von 10 bis 95 Vol.% aufweist und aus einem Syntheserohgas abgetrennt wird, das eine Zerlegung in ein CO2-Produkt, eine Sauergasfraktion, ein Restgas (60) und den Einsatz (4) erfährt, wobei ein sog. Zweikolonnenverfahren zur Durchführung einer kryogenen Gaszerlegung in mehrere Fraktionen zum Einsatz kommt, dadurch gekennzeichnet, dass das Restgas (60) in die Wasserstoff/Kohlenmonoxid-Methan-Trenneinheit zurückgeführt und dort verwertet wird, so dass eine verlustlose Methan-Verfahrensführung durchgeführt wird. Desweiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung zumindest eines Gasproduktes sowie eines zum überwiegenden Teil Methan aufweisenden Produktes aus einem Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Methan enthaltenden Einsatz, wobei der Einsatz einen Gehalt von Wasserstoff und Kohlenmomoxid zusammengezählt von 10 bis 95 Vol.% aufweist und aus einem Syntheserohgas abgetrennt wird, das eine Zerlegung in ein CO2-Produkt, eine Sauergasfraktion, ein Restgas und den Einsatz erfährt, wobei ein sog. Zweikolonnenverfahren zur Durchführung einer kryogenen Gaszerlegung in mehrere Fraktionen zum Einsatz kommt.
  • Beispielsweise aus der Druckschrift DE 10 2007 013 325 A1 ist ein Verfahren bekannt, das eine H2/CO-CH4-Trenneinheit mit zwei Kolonnen und dem Einsatz einer CO-Waschflüssigkeit als Rücklaufmedium vorsieht. Bei diesem Prozess fällt ein Restgas mit niedrigem Druck an, das an der Anlagengrenze abgegeben wird. Gemäß DE 10 2007 013 325 A1 soll dieses Gas anschließend in einer vorgeschalteten Prozesseinheit verarbeitet bzw. auf den Rohgasdruck der H2/CO-CH4-Trenneinheit zurückverdichtet werden. Eine derartige Prozessführung erfordert eine aufwändige Anpassung der Verdichter bzw. der vorgeschalteten Prozesseinheit an dieses Restgas, wodurch Mehrkosten und/oder andere betriebliche Probleme entstehen können.
  • Wie z. B. in der Druckschrift DE 10 2007 013 325 A1 offenbart, ist auch für die vorliegende Erfindung eine Synthesegaserzeugung der Ausgangspunkt. Durch unterschiedliche Gaserzeugungsmethoden wird aus kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffen sog. Synthesegas erzeugt, das zum größten Teil aus H2 und CO besteht, aber auch Methan (CH4), Ethan (C2H6), Methanol (CH3OH), Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) enthält. Aus dem Synthesegas werden durch Reinigung und Zerlegung vor allem CO, H2 bzw. H2/CO-Gemische als Produkte gewonnen, die in der Industrie in vielfältiger Weise Verwendung finden. Die anfallende Restgasfraktion, die auch das CH4 enthält, wird üblicherweise als Brenngas genutzt oder in den Einsatz zurückgeführt. Bei einigen Vergasungsverfahren, wie z. B. der Festbettvergasung von Kohle, kommt es zu einem sehr hohen CH4-Gehalt im Synthesegas. Um die Wirtschaftlichkeit der Synthesegasanlage insgesamt zu erhöhen, wird angestrebt, die erzeugte Methanfraktion ebenfalls als Produkt einer wirtschaftlichen Nutzung zuzuführen. Auf die größtmögliche Verwertung aller Stoffe, auch des im Verfahren anfallenden Restgases, soll im Hinblick auf die größtmögliche Wirtschaftlichkeit solcher Verfahren ein besonderes Augenmerk gelegt werden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Verfügung zu stellen, die eine verbesserte Verwertung des anfallenden Restgases ermöglicht.
  • Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Restgas in die Wasserstoff/Kohlenmonoxid-Methan-Trenneinheit zurückgeführt und dort verwertet wird, so dass eine verlustlose Methan-Verfahrensführung durchgeführt wird. Die vorliegende Erfindung ist bei allen Zweikolonnenverfahren mit den genannten Rohgasbedingungen einsetzbar, die mit unterschiedlichen Kolonnendrücken betrieben werden.
  • Zweckmäßigerweise wird das Restgas über einen Rückführverdichter und gegebenenfalls über einen Nachkühler geleitet. Ob ein Nachkühler erforderlich ist, hängt von der konkreten Verfahrensführung ab.
  • Das Restgas besteht vor allem aus Anteilen, die in der kryogenen Trenneinheit mittels Zweikolonnenverfahren schwierig zu kondensieren sind, d. h. mit H2 als hauptsächlicher Komponente.
  • Beispielhaft wird hier und im Folgenden ein Prozess für flüssige Abgabe des methanreichen Produkts beschrieben. Die Verfahrensführung für die Rückführung des Restgases gilt aber ebenso für eine gasförmige Abgabe des methanreichen Produktes. Hierbei wird das Sumpfprodukt der Kolonne im Wärmetauscher angewärmt und an der Anlagengrenze als gasförmiges methanreiches Produkt abgegeben.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Restgas dem Gasprodukt zugeführt.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Restgas dem Einsatz vor einem ersten Wärmetauscher zugeführt, in dem der Einsatz abgekühlt wird.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Restgas mit einer eigenen Passage durch den Wärmetauscher geleitet und nach dem ersten Wärmetauscher und vor einem zweiten Wärmetauscher einem Stoffstrom zugeführt, der sich aus einem Teil des im Wärmetauscher abgekühlten Einsatzes und einem in einem Wärmetauscher angewärmten Stoffstrom zusammensetzt.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Restgas mit einer eigenen Passage durch den Wärmetauscher geleitet und einem abgezweigten Teil des Einsatzes vor dem Wärmetauscher zugeführt.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Restgas mit jeweils einer eigenen Passage durch die Wärmetauscher geleitet und in eine Kolonne eingespeist, wobei dies entweder auf einen eigenen Kolonnenboden oder gemeinsam mit einem Strom auf dessen Kolonnenboden erfolgt.
  • Bei den vier vorstehenden Ausführungsformen fällt jeweils ein relativ hoher Verdichtungsaufwand für eine Verdichtung auf den Rohgasdruck an.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Restgas mit einer eigenen Passage durch den Wärmetauscher geleitet und entweder direkt in eine Kolonne eingespeist oder zuerst über einen Aufkocher abgekühlt und dann in die Kolonne eingespeist, wobei die Einspeisung dort entweder auf einen eigenen Kolonnenboden oder gemeinsam mit einem Strom auf dessen Kolonnenboden erfolgt.
  • Bei den beiden vorstehenden Ausführungsformen fällt jeweils ein geringerer Verdichtungsaufwand an. Es muss lediglich soweit verdichtet werden, dass eine Einspeisung in die Kolonne ermöglicht wird.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Restgas über einen Rohgasverdichter in der Zuführungsleitung für den Einsatz in den Einsatz eingespeist. Bei dieser Ausführungsform fällt wieder ein relativ hoher Verdichtungsaufwand an.
  • Zweckmäßigerweise wird die Wärmetauscherkonfiguration und die Verteilung der Ströme auf die verschiedenen Wärmetauscher entsprechend den jeweils vorliegenden Randbedingungen optimiert.
  • Desweiteren ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
  • Die Erfindung bietet eine ganze Reihe von weiteren Vorteilen, von denen im Folgenden nur einige wenige beispielhaft genannt werden:
    Das Restgas wird direkt in der H2/CO-CH4-Trenneinheit verwertet. Dies führt zu einer verlustlosen CH4-Verfahrensführung.
  • Der erfindungsgemäße Rückführverdichter kann einstufig, relativ klein und somit kostengünstig ausgeführt werden.
  • Die Verfahrensführung wird nicht durch nach dem Stand der Technik notwendige, vorgeschaltete Apparate beeinflusst.
  • Bei einer Änderung der Rohgasbedingungen ändern sich erfindungsgemäß lediglich die Verfahrensbedingungen in der H2/CO-CH4-Trenneinheit. Es findet keine Beeinflussung oder Rückkoppelung mit anderen Prozesseinheiten statt.
  • Die Erfindung sowie weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figur zeigt:
  • In der Figur ist ein Verfahrensschema mit den alternativen Möglichkeiten A, B, C, D, E, F und G gezeigt, die jeweils eine eigenständige Lösung und somit je eine Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellen:
    Allen 7 Beispielen ist gemeinsam, dass das Restgas 60 in die Wasserstoff/Kohlenmonoxid-Methan-Trenneinheit zurückgeführt und dort verwertet wird, so dass eine verlustlose Methan-Verfahrensführung durchgeführt wird und das Restgas 60 über einen Rückführverdichter Vr und gegebenenfalls über einen Nachkühler N geleitet wird. Ob ein Nachkühler erforderlich ist, hängt von der konkreten Verfahrensführung ab.
  • Die Figur zeigt einen kryogenen Gaszerleger zusammen mit einer Einrichtung zur Kälteversorgung. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Stickstoffkreislauf zur Kälteversorgung gewählt. Es wäre alternativ z. B. auch möglich, einen Gemischkältekreislauf dafür einzusetzen.
  • Im kryogenen Gaszerleger wird der Einsatz 4 in ein aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehendes Gasgemisch 5, eine Flüssig-CH4-Fraktion 10 und einen H2-reichen Recyclestrom 60 zerlegt, der über einen innerhalb der vorgeschalteten Methanolwäsche angeordneten Recycleverdichter in das Synthesegas zurückgeführt wird. Als Einsatz 4 wird in diesem Ausführungsbeispiel ein im Wesentlichen aus Wasserstoff (H2), Kohlenmonoxid (CO), Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2) bestehendes Syntheserohgas aus einer Kohlevergasung verwendet.
  • Beispielhaft wird hier ein Prozess für flüssige Abgabe des methanreichen Produkts 10 beschrieben. Die Verfahrensführung für die Rückführung des Restgases 60 gilt aber ebenso für eine gasförmige Abgabe des methanreichen Produktes. Hierbei wird das Sumpfprodukt der Kolonne T2 im Wärmetauscher W1 angewärmt und an der Anlagengrenze als gasförmiges methanreiches Produkt abgegeben.
  • Ein Vielzahl von möglichen vorausgehenden Komponenten und Verfahrensschritten einer Synthesegasanlage zur Produktion von Methanolsynthesegas, Kohlenmonoxid und flüssigem Methan ist in der Figur nicht dargestellt. Beispielhaft sehen vorangehende Verfahrensschritte wie folgt aus: Ein vorzugsweise durch die Vergasung von Kohle erzeugtes Syntheserohgas, wird einer physikalischen Gaswäsche mit tiefkaltem Methanol (Methanolwäsche) zugeführt, um schwere Kohlenwasserstoffe, Kohlendioxid, Schwefelverbindungen und andere Spurenkomponenten zu entfernen. Das gereinigte Synthesegas wird in einem Adsorber von Verunreinigungen wie Spuren von Methanol und Wasser befreit, falls notwendig auch von Kohlendioxid. Danach wird das Synthesegas zur Anwärmung gegen abzukühlende Verfahrensströme in die Methanolwäsche zurückgeführt und einem wie in der Figur ausgeführten kryogenen Gaszerleger als Einsatz 4 zugeführt.
  • Beispiel A: Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Restgas 60 dem Einsatz 4 vor einem ersten Wärmetauscher W1 zugeführt, in dem der Einsatz 4 abgekühlt wird.
  • Beispiel B: Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Restgas 60 mit einer eigenen Passage durch den Wärmetauscher W1 geleitet und nach dem ersten Wärmetauscher W1 und vor einem zweiten Wärmetauscher W2 einem Stoffstrom 111 zugeführt, der sich aus einem Teil des im Wärmetauscher W1 abgekühlten Einsatzes 101 und einem in einem Wärmetauscher WT3 angewärmten Stoffstrom 105 zusammensetzt.
  • Beispiel C: Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Restgas 60 mit einer eigenen Passage durch den Wärmetauscher W1 geleitet und einem abgezweigten Teil des Einsatzes 102 vor dem Wärmetauscher WT3 zugeführt.
  • Beispiel D: Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Restgas 60 mit jeweils einer eigenen Passage durch die Wärmetauscher W1, W2 geleitet und in eine Kolonne T1 eingespeist, wobei dies entweder auf einen eigenen Kolonnenboden oder gemeinsam mit einem Strom 112 auf dessen Kolonnenboden erfolgt.
  • Beispiel E: Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Restgas 60 mit einer eigenen Passage durch den Wärmetauscher W1 geleitet und entweder direkt in eine Kolonne T2 eingespeist oder zuerst über einen Aufkocher W3 abgekühlt und dann in die Kolonne T2 eingespeist, wobei die Einspeisung dort entweder auf einen eigenen Kolonnenboden oder gemeinsam mit einem Strom 142 auf dessen Kolonnenboden erfolgt.
  • Beispiel F: Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Restgas 60 dem Gasprodukt 5 zugeführt.
  • Beispiel G: Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Restgas 60 über einen Rohgasverdichter in der Zuführungsleitung für den Einsatz 4 in den Einsatz 4 eingespeist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102007013325 A1 [0002, 0002, 0003]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Erzeugung zumindest eines Gasproduktes (5) sowie eines zum überwiegenden Teil Methan aufweisenden Produktes (10) aus einem Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Methan enthaltenden Einsatz (4), wobei der Einsatz (4) einen Gehalt von Wasserstoff und Kohlenmomoxid zusammengezählt von 10 bis 95 Vol.% aufweist und aus einem Syntheserohgas abgetrennt wird, das eine Zerlegung in ein CO2-Produkt, eine Sauergasfraktion, ein Restgas (60) und den Einsatz (4) erfährt, wobei ein sog. Zweikolonnenverfahren zur Durchführung einer kryogenen Gaszerlegung in mehrere Fraktionen zum Einsatz kommt, dadurch gekennzeichnet, dass das Restgas (60) in die Wasserstoff/Kohlenmonoxid-Methan-Trenneinheit zurückgeführt und dort verwertet wird, so dass eine verlustlose Methan-Verfahrensführung durchgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Restgas (60) über einen Rückführverdichter (Vr) geleitet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Restgas (60) dem Gasprodukt (5) zugeführt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Restgas (60) dem Einsatz (4) vor einem ersten Wärmetauscher (W1) zugeführt wird, in dem der Einsatz (4) abgekühlt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Restgas (60) mit einer eigenen Passage durch den Wärmetauscher (W1) geleitet wird und nach dem ersten Wärmetauscher (W1) und vor einem zweiten Wärmetauscher (W2) einem Stoffstrom (111) zugeführt wird, der sich aus einem Teil des im Wärmetauscher (W1) abgekühlten Einsatzes (101) und einem in einem Wärmetauscher (WT3) angewärmten Stoffstrom (105) zusammensetzt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Restgas (60) mit einer eigenen Passage durch den Wärmetauscher (W1) geleitet wird und einem abgezweigten Teil des Einsatzes (102) vor dem Wärmetauscher (WT3) zugeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Restgas (60) mit jeweils einer eigenen Passage durch die Wärmetauscher (W1, W2) geleitet wird und in eine Kolonne (T1) eingespeist wird, wobei dies entweder auf einen eigenen Kolonnenboden oder gemeinsam mit einem Strom (112) auf dessen Kolonnenboden erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Restgas (60) mit einer eigenen Passage durch den Wärmetauscher (W1) geleitet wird und entweder direkt in eine Kolonne (T2) eingespeist oder zuerst über einen Aufkocher (W3) abgekühlt und dann in die Kolonne (T2) eingespeist wird und die Einspeisung dort entweder auf einen eigenen Kolonnenboden oder gemeinsam mit einem Strom (142) auf dessen Kolonnenboden erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Restgas (60) über einen Rohgasverdichter in der Zuführungsleitung für den Einsatz (4) in den Einsatz (4) eingespeist wird.
  10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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