DE102012009150A1

DE102012009150A1 - Synthesegaserzeuger

Info

Publication number: DE102012009150A1
Application number: DE102012009150A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Glaser
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2012-05-08
Filing date: 2012-05-08
Publication date: 2013-11-14
Also published as: CA2815377A1; US20130302222A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Synthesegas, aufweisend einen Reaktor (POX-Reaktor) (POX) mit einer ersten Reaktionskammer (R1), in die über eine Zuführeinrichtung (B) ein Kohlenstoff enthaltender gasförmiger Einsatz (2) sowie ein Oxidationsmittel (1) einleitbar sind, um durch partielle Oxidation in ein Vergasungsprodukt umgesetzt zu werden, das über eine Abzugseinrichtung (A) aus der Reaktionskammer (A) abgeführt werden kann. Erfindungsgemäß zeichnet sich die Vorrichtung dadurch aus, dass der POX-Reaktor (POX) wenigstens eine zweite Reaktionskammer (R2) mit einer zweiten Zuführeinrichtung (B2) aufweist, die mit der ersten Reaktionskammer (R1) über die Abzugseinrichtung (A) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Synthesegas, aufweisend einen Reaktor (POX-Reaktor) mit einer ersten Reaktionskammer, in die über eine Zuführeinrichtung ein Kohlenstoff enthaltender Einsatz sowie ein Oxidationsmittel einleitbar sind, um durch partielle Oxidation in ein Syntheserohgas umgesetzt zu werden, das über eine Abzugseinrichtung aus der Reaktionskammer abgeführt werden kann.
Derartige Vorrichtungen sind seit vielen Jahren dem Fachmann bekannt. Sie werden dazu eingesetzt, um Kohle und flüssige Kohlenwasserstoffe zu vergasen, aber auch um aus gasförmigen Einsatzstoffen – insbesondere aus Erdgas – Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltendes Synthesegas zu gewinnen. Die Reaktionskammer eines POX-Reaktors wird gewöhnlich von einer feuerfesten Zustellung begrenzt, die ihrerseits von einer Wärmeisolierung sowie einem druckfesten Stahlmantel umgeben ist. Sie ist im Wesentlichen als senkrecht stehende Zylinder ausgeführt, an dessen oberem Ende ein Brenner angeordnet ist, der als Zuführeinrichtung für die kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe und das Oxidationsmittel dient. Zu ihrem unteren Ende hin verjüngt sich der Querschnitt der Reaktionskammer konisch, um schließlich in einem mit Feuerfestmaterial ausgekleideten Rohr zu münden, das eine Abzugseinrichtung für das Syntheserohgas bildet.
POX-Reaktoren werden beispielsweise in sog. GTL-Anwendungen eingesetzt, wobei gasförmige Einsätze (in erster Linie Erdgas) in flüssige Kohlenwasserstoffe umgesetzt werden. Das in der Reaktionskammer durch partielle Oxidation gewonnene Syntheserohgas wird typischerweise mit einem Druck von ca. 35 bar über die Abzugseinrichtung einem Rohgaskühler zugeleitet, wo es unter Produktion von Hochdruckdampf abgekühlt wird. In nachfolgenden Verfahrensschritten wird aus dem abgekühlten Syntheserohgas insbesondere durch die Abtrennung von Wasser, Kohlendioxid und anderen unerwünschten Stoffen ein vorwiegend aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehendes Synthesegas gewonnen. Dieses Synthesegas wird einem Fischer-Tropsch-Reaktor zugeführt, in dem bei einem Druck von ca. 25 bar langkettige Kohlenwasserstoffe synthetisiert werden, die bei Umgebungsbedingungen als Flüssigkeit vorliegen.
Das Reaktionskammervolumen eines POX-Reaktors ist aus wirtschaftlichen Gründen, die vor allem durch die mit steigender Größe zunehmenden Schwierigkeiten bei der Bauausführung bedingt sind, gegenwärtig auf ca. 50 m³ beschränkt. Mit einem solchen Reaktor kann unter den Bedingungen einer GTL-Anwendung maximal ein Synthesegasstrom von ca. 250.000 m_N ³/h gewonnen werden, der i. Allg. nicht ausreicht, um den Synthesegasbedarf einer GTL-Anlage zu decken. Nach dem Stand der Technik sind GTL-Anlagen daher mehrsträngig, d. h. mit mehreren Synthesegaserzeugern ausgeführt, die parallel betrieben werden. Jeder dieser Stränge verursacht Investitions- und Betriebskosten in erheblicher Höhe und wirkt sich daher negativ auf die Wirtschaftlichkeit einer GTL-Anlage aus. Durch den Einsatz größerer POX-Reaktoren ließe sich die Anzahl der Stränge zwar reduzieren, jedoch würde der erzielte Vorteil durch Transportprobleme wegen des resultierenden hohen Gewichtes und die erheblich höhere Komplexität der groß dimensionierten Feuerfestauskleidung mehr als ausgeglichen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, durch die die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der POX-Reaktor wenigstens eine zweite Reaktionskammer mit einer zweiten Zuführeinrichtung aufweist, die mit der ersten Reaktionskammer über die Abzugseinrichtung verbunden ist.
Erfindungsgemäß kann jede der Reaktionskammern des POX-Reaktors eine beliebige Geometrie aufweisen. Beispielsweise kann eine Reaktionskammer symmetrisch um eine Längsachse angeordnet sein, entlang der sie einen kreisförmigen, ovalen oder auch rechteckigen Querschnitt besitzt. Sinnvollerweise ist jede der Reaktionskammern jedoch sowohl in Volumen als auch Geometrie im Wesentlichen so ausgeführt, wie die Reaktionskammer eines aus dem Stand der Technik bekannt POX-Reaktors, der sich im industriellen Einsatz bereits bewährt hat. Die Reaktionskammern sind somit im Wesentlichen zylindrisch, wobei an einem Ende des Zylinders die Zuführeinrichtung angeordnet ist, während sich am anderen Ende des Zylinders ein Konus anschießt, der in die Abzugseinrichtung mündet. In diesem Fall entspricht die Zylinderachse der Längsachse der Reaktionskammer. Vorzugsweise sind die Reaktionskammern mit gleicher Geometrie und gleichem Volumen ausgeführt, so dass jede Reaktionskammer eine gleichgroße Produktionskapazität aufweist.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass sich die Längsachsen der Reaktionskammern alle in wenigstens einem in Strömungsrichtung des Syntheserohgases hinter den Zuführeinrichtungen gelegenen Punkt schneiden, wobei die Längsachsen sämtlicher Reaktionskammern vorzugsweise in einer Ebene liegen. Dabei sollen Abweichungen zulässig sein, wie sie sich aufgrund der im Großanlagenbau üblichen fertigungstechnischen Toleranzen ergeben.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der POX-Reaktor mit genau zwei Reaktionskammern ausgeführt ist, deren Längsachsen zueinander in einem Winkel zwischen 60° und 180° stehen. Die Längsachsen können dabei beliebige Winkel mit der Senkrechten einschließen. Vorzugsweise schließen die Längsachsen der beiden Reaktionskammern jedoch gleiche Winkel mit der Senkrechten ein, mit der sie in einer Ebene liegen. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die beiden Reaktionskammern zusammenfallende, senkrecht oder waagrecht stehende Längsachsen aufweisen.
Zweckmäßigerweise ist die erfindungsgemäße Einrichtung mit wenigstens einem Rohgaskühler ausgerüstet, der mit dem POX-Reaktor so verbunden ist, dass gebildetes Syntheserohgas über die Abzugseinrichtung aus den Reaktionskammern abziehbar ist und dem Rohgaskühler zur Abkühlung zugeführt werden kann. Vorzugsweise ist die Anzahl der Rohgaskühler gleich oder kleiner der Anzahl der Reaktionskammern des POX-Reaktors.
Die Abzugseinrichtung ist sinnvollerweise mit einem druckfesten Stahlmantel ausgeführt, in dem ein Wärmeisolierung sowie eine feuerfeste Zustellung so angeordnet sind, dass Kanäle gebildet werden, über die Synthesegas aus den Reaktionskammern abgezogen und dem oder den Rohgaskühlern zugeführt werden kann. Vorzugsweise sind die Kanäle als gerade Zylinder ausgeführt, jedoch sind auch andere Formen, die beispielsweise rechteckige Querschnitte aufweisen, denkbar.
Die die Reaktionskammern beinhaltenden Stahlgefäße sowie die Abzugseinrichtung können weitgehend vorgefertigt zu ihrem Einsatzort transportiert und erst hier mit vergleichsweise geringem Bauaufwand zu dem POX-Reaktor zusammengefügt werden. Die Erfindung erlaubt es daher, einen POX-Reaktoren wirtschaftlich zu verwirklichen, der ein Vielfaches der Kapazität von POX-Reaktoren aus dem Stand der Technik besitzt und trotzdem einfach transportiert werden kann.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In der Figur bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleich Anlagenkomponenten.
Das Ausführungsbeispiel zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von Synthesegas mit einem POX-Reaktor, der mit zwei senkrecht stehenden Reaktionskammern ausgeführt ist.
Der POX-Reaktor P besitzt zwei Reaktionskammern R1 und R2, die im Wesentlichen identisch aufgebaut und so übereinander angeordnet sind, dass ihre senkrechten Längsachsen L zusammenfallen. Die vorzugsweise zylindrischen Reaktionskammern R1 und R2 sind jeweils von einer aus einer feuerfesten Zustellung sowie einer Wärmeisolierung gebildeten Auskleidung F begrenzt, die von einem druckfesten Stahlmantel M umgeben ist. An einem Ende jeder der Reaktionskammern R1 und R2 ist ein Brenner B1, B2 angeordnet, der als Zuführeinrichtung dient, über die ein Oxidationsmittel 1, wie beispielsweise Sauerstoff, sowie ein kohlenstoffhaltiger Einsatz 2, wie beispielsweise Erdgas, in die Reaktionskammern R1 und R2 eingeführt werden können, um dort bei erhöhtem Druck in einer exothermen Reaktion zu einem Syntheserohgas umgesetzt zu werden. An ihren den Brennern B1 und B2 gegenüber liegenden Enden sind die Reaktionskammern R1 und R2 durch die Abzugseinrichtung A miteinander verbunden. Die Abzugseinrichtung A, deren Außenhülle ebenfalls von einem druckfesten Stahlmantel MA gebildet wird, ist mit einer aus einer Wärmeisolierung sowie einer feuerfesten Zustellung gebildeten Auskleidung FA versehen, die einen im Wesentlichen zylindrischen, senkrecht zu den Längsachsen der Reaktionskammern R1 und R2 verlaufenden und nach beiden Seiten offenen Kanal K bilden, in den die Reaktionskammern R1 und R2 münden, so dass das gebildete Syntheserohgas über die Leitungen 3 zu den Rohgaskühleren S abgezogen werden kann. In den Rohgaskühlern S kann das heiße Syntheserohgas im indirekten Wärmetausch gegen Frischwasser 4 abgekühlt werden, wobei Dampf erzeugt wird, der über die Leitungen 5 abziehbar ist. Die beiden Rohgaskühler S sind über die Leitungen 6 mit der Sammelleitung 7 verbunden, über die das abgekühlte Syntheserohgas nachfolgenden Reinigungs- und Zerlegungseinrichtungen (nicht dargestellt) zugeführt werden kann.

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung von Synthesegas, aufweisend einen Reaktor (POX-Reaktor) (POX) mit einer ersten Reaktionskammer (R1), in die über eine Zuführeinrichtung (B) ein Kohlenstoff enthaltender Einsatz (2) sowie ein Oxidationsmittel (1) einleitbar sind, um durch partielle Oxidation in ein Vergasungsprodukt umgesetzt zu werden, das über eine Abzugseinrichtung (A) aus der Reaktionskammer (A) abgeführt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass der POX-Reaktor (POX) wenigstens eine zweite Reaktionskammer (R2) mit einer zweiten Zuführeinrichtung (B2) aufweist, die mit der ersten Reaktionskammer (R1) über die Abzugseinrichtung (A) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Reaktionskammern (R1, R2) symmetrisch um eine Längsachse (L) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Längsachsen (L) der Reaktionskammern (R1, R2) alle in wenigstens einem in Strömungsrichtung des Syntheserohgases hinter den Zuführeinrichtungen (B1, B2) gelegenen Punkt schneiden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen (L) der Reaktionskammern (R1, R2) in einer Ebene liegen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie genau zwei Reaktionskammern (R1, R2) aufweist, deren Längsachsen (L) in einem Winkel zwischen 60° und 180° zueinander stehen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen (L) der beiden Reaktionskammern (R1, R2) mit der Senkrechten in einer Ebene liegen und mit dieser gleiche Winkel einschließen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen (L) der beiden Reaktionskammern (R1, R2) jeweils senkrecht oder waagrecht verlaufen.