DE102012021837A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Synthesegas aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Restgas - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Gewinnung von Synthesegas (11) aus einem höher siedende Kohlenwasserstoffe enthaltenden Stoffgemisch (1), das dabei verdichtet (V) und in ein vorwiegend aus höher siedenden Kohlenwasserstoffen bestehendes Prozesskondensat (13) sowie einen verdichteten Gasstrom (2) getrennt wird, der überwiegend aus niedrig siedenden Kohlenwasserstoffen besteht und nachfolgend in einem Reaktor (POX-Reaktor) (P) durch Partielle Oxidation umgesetzt wird, wobei ein rußhaltig aus dem POX-Reaktor abströmendes Syntheserohgas (6) einer Wasserwäsche (Q) unterzogen wird, bei der ein rußhaltiges Abwasser (7) entsteht. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Prozesskondensats (13) mit dem rußhaltigen Abwasser (7) vermischt wird, um Ruß aufzunehmen und aus dem Abwasser (7) abzutrennen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Synthesegas aus einem höher siedende Kohlenwasserstoffe enthaltenden Stoffgemisch, das dabei verdichtet und in ein vorwiegend aus höher siedenden Kohlenwasserstoffen bestehendes Prozesskondensat sowie einen verdichteten Gasstrom getrennt wird, der überwiegend aus niedrig siedenden Kohlenwasserstoffen besteht und nachfolgend in einem Reaktor (POX-Reaktor) durch Partielle Oxidation umgesetzt wird, wobei ein rußhaltig aus dem POX-Reaktor abströmendes Syntheserohgas einer Wasserwäsche unterzogen wird, bei der ein rußhaltiges Abwasser entsteht.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In der vorliegenden Schrift sind unter höher siedenden Kohlenwasserstoffen aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehende Verbindungen zu verstehen, die bei Normbedingungen als Flüssigkeit vorliegen, während niedrig siedende Kohlenwasserstoffe unter Normbedingungen gasförmig sind.
  • Kohlenmonoxid und/oder Wasserstoff enthaltende Gasgemische, sog. Synthesegase, sind wichtige Ausgangsstoffe zur Herstellung einer Vielzahl von Produkten wie Ammoniak, Methanol oder auch synthetischen Kraftstoffen. Ein in der Industrie weit verbreitetes Verfahren, mit dem in Synthesegasanlagen aus Kohlenwasserstoffen Synthesegase erzeugt werden, ist die Partielle Oxidation (POX). Hierbei wird ein kohlenwasserstoffhaltiger Einsatz in einem Reaktor (POX-Reaktor) bei Temperaturen zwischen 1300 und 1500°C und Drücken bis zu 150 bar mit Wasserdampf und einem Oxidationsmittel zu einem Syntheserohgas umgesetzt, das zu großen Teilen aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasser besteht. Die für die Reaktion erforderliche Wärme wird durch unvollständige (partielle) Oxidation der im Einsatz befindlichen Kohlenwasserstoffe erzeugt. Hierfür wird dem POX-Reaktor Sauerstoff in einer Menge zugeführt, die für eine vollständige Umsetzung der Kohlenwasserstoffe nicht ausreichend ist.
  • Bei der Partiellen Oxidation entstehen neben gasförmigen Komponenten auch Feststoffe wie Ruß und Asche bzw. Schlacke, die aus dem Syntheserohgas entfernt werden müssen, bevor dieses weiter behandelt werden kann. Das mit einer Temperatur von mehr als 1300°C aus dem POX-Reaktor austretende Syntheserohgas wird zunächst abgekühlt und anschließend einer Wasserwäsche unterzogen. Erfolgt die Abkühlung des Syntheserohgases in direktem Kontakt mit Wasser (Quenchen), so wird bereits in diesem Verfahrensschritt ein Großteil der Feststoffe aus dem Syntheserohgas ausgewaschen und geht in das zum Quenchen verwendete Wasser über. In der Wasserwäsche erfolgt eine Feinreinigung, bei der der Feststoffgehalt des Syntheserohgases typischerweise auf ca. 1 mg/m3 reduziert wird.
  • Der aus dem Syntheserohgas entfernte Ruß stellt einen wertvollen Rohstoff dar, weshalb er aus dem durch Quenchen und/oder Wasserwäsche erzeugten Abwasser abgetrennt und einer stofflichen und/oder energetischen Nutzung zugeführt wird. Sinnvollerweise wird der Ruß als Einsatz in den POX-Reaktor zurückgeführt und dort zu Kohlenmonoxid umgesetzt. Die für die Rußabtrennung aus dem Abwasser anfallenden Kosten beeinflussen entscheidend die Wirtschaftlichkeit des gesamten Partialoxidationsprozesses.
  • Um den bei der Partiellen Oxidation anfallenden Ruß stofflich zu nutzen, wird nach dem Stand der Technik das mit Ruß beladene Abwasser mit Naphtha zu einer Dispersion vermischt. Der Ruß, der von Naphtha wesentlich besser benetzt wird als von Wasser, geht dabei nahezu vollständig in die Naphthaphase über. Die Dispersion wird anschließend in einen Dekanter eingeleitet, in der es sich in eine Ruß enthaltende Naphthafraktion und eine weitgehend rußfreie Wasserfraktion trennt. Die Ruß enthaltende Naphthafraktion wird aus dem Dekanter abgezogen und als Einsatz in den POX-Reaktor zurückgeführt, während die weitgehend rußfreie Wasserfraktion zum größten Teil in den Quenchwasserkreislauf zurückgeleitet wird; ein kleiner Teil wird an eine Abwasseraufbereitungsanlage abgegeben.
  • Die Partielle Oxidation eignet sich zur Verwertung von kohlenwasserstoffreichen Abfall- oder Reststoffen, deren stoffliche Nutzung auf andere Art nicht oder nur mit großem Aufwand möglich ist, und die daher kostengünstig bezogen werden können. Als Beispiel für einen kostengünstigen Stoff, der sich für die Synthesegaserzeugung mittels Partieller Oxidation eignet, sei hier ein Restgas aus der Ölschieferaufbereitung genannt. Der Ölschiefer wird in einem Retorte-Prozess pyrolysiert, wobei kohlenwasserstoffreiche Pyrolysegase entstehen, die anschließend abgekühlt werden. Dabei wird eine aus Kohlenwasserstoffen bestehende Flüssigphase abgeschieden, die ein synthetisches Rohöl darstellt. Übrig bleibt ein Retorte-Restgas, das zu einem Großteil aus kurzkettigen Kohlenwasserstoffen (im Wesentlichen C1 bis C10) besteht, daneben aber auch Verunreinigungen wie z. B. Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff, Kohlenoxidsulfid oder Stickstoff enthält. Bei der Verdichtung eines solchen Retorte-Restgases auf den für eine Partielle Oxidation erforderlichen Druck kondensieren höher siedende Kohlenwasserstoffe aus, so dass ein vorwiegend aus höher siedenden Kohlenwasserstoffen (C4 bis C10) bestehendes Prozesskondensat sowie eine Gasphase entstehen, in der der überwiegende Teil der niedrig siedenden Kohlenwasserstoffe enthalten ist. Nach dem Stand der Technik wird das Prozesskondensat gemeinsam mit der Gasphase in den POX-Reaktor eingeleitet, um dort umgesetzt zu werden. Das Retorte-Restgas ist im Vergleich zu Naphtha wesentlich kostengünstiger, so dass sich die Rußrückgewinnung mit Hilfe von Naphtha negativ auf die Wirtschaftlichkeit der Synthesegaserzeugung auswirken würde.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die geeignet sind, die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.
  • Diese Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest ein Teil des Prozesskondensats mit dem rußhaltigen Abwasser vermischt wird, um Ruß aufzunehmen und aus dem Abwasser abzutrennen.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die Menge des für die Rußabtrennung benötigten Naphthas im Vergleich zum Stand der Technik zumindest reduziert werden; günstigstenfalls ist es möglich, vollständig auf den Einsatz von teurem Naphtha zu verzichten. Die Höhe der Naphtha-Einsparung hängt dabei von der Menge und der Qualität des Prozesskondensats ab. Weist beispielsweise das Prozesskondensat eine chemische Zusammensetzung auf, die der von Naphtha entspricht, und fällt es in einer für die Rußabtrennung ausreichenden Menge an, kann Naphtha vollständig durch Prozesskondensat ersetzt werden. Falls die chemische Zusammensetzung des Prozesskondensats von der von Naphtha so stark abweicht, dass es alleine nicht für die Rußabtrennung verwendbar ist, kann eine Mischung aus Prozesskondensat und Naphtha eingesetzt werden, was einen lediglich eingeschränkten Naphthabedarf zur Folge hat. Vorzugsweise wird nicht für die Rußabtrennung eingesetztes Prozesskondensat direkt dem POX-Reaktor als Einsatz zugeführt.
  • Sinnvollerweise wird das mit Ruß beladene Prozesskondensat bzw. die rußbeladene, aus Prozesskondensat und Naphtha gebildete Kohlenwasserstofffraktion zurückgeführt und als Einsatz in den POX-Reaktor eingeleitet, wodurch eine weitgehend vollständige Nutzung des höher siedende Kohlenwasserstoffe enthaltenden Stoffgemisches erreicht wird.
  • Besonders geeignet für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Prozesskondensate, die im Wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen mit 4 bis 10 Kohlenstoffatomen bestehen und bei atmosphärischem Druck einen Siedebereich zwischen 35°C und 180°C aufweisen. Derartige Zusammensetzungen finden sich in Prozesskondensaten, die bei der Verdichtung von bei der Ölschieferaufbereitung anfallendem Retorte-Restgasen entstehen. Es wird daher vorgeschlagen, dass als höher siedende Kohlenwasserstoffe enthaltendes Stoffgemisch ein Retorte-Restgas eingesetzt und das aus diesem gewonnene Prozesskondensat als Medium für die Abtrennung von Ruß aus rußhaltigem Abwasser verwendet wird.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Gewinnung von Synthesegas aus einem höher siedende Kohlenwasserstoffe enthaltenden Stoffgemisch, mit einem Reaktor zur Durchführung einer Partiellen Oxidation (POX-Reaktor), einem stromaufwärts des POX-Reaktors angeordneten Verdichter zur Verdichtung des höher siedende Kohlenwasserstoffe enthaltenden Stoffgemisches, einem stromabwärts des Verdichters angeordneten Abscheider zur Abscheidung von bei der Verdichtung anfallendem Prozesskondensat, sowie einem stromabwärts des POX-Reaktors angeordneten Dekanter zur Abtrennung von Ruß aus rußbeladenem Abwasser.
  • Die gestellte Aufgabe wird vorrichtungsseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Abscheider mit dem Dekanter derart verbunden ist, dass Prozesskondensat mit rußbeladenem Abwasser gemischt und in den Dekanter eingeleitet werden kann.
  • Um Ruß und Kohlenwasserstoffe aus dem Dekanter stofflich nutzen zu können, ist der Dekanter vorzugsweise mit dem POX-Reaktor so verbunden, dass eine rußbeladene Kohlenwasserstofffraktion aus dem Dekanter in den POX-Reaktor eingeleitet werden kann.
  • Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
  • Die 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Einrichtung, in der aus einem Retorte-Restgas mit Hilfe eines POX-Reaktors Synthesegas erzeugt wird.
  • Über Leitung 1 wird ein höher siedende Kohlenwasserstoffe enthaltendes Retorte-Restgas dem Verdichter V zugeleitet, wo es auf einen Druck verdichtet wird, der ausreichend hoch ist, um es in den POX-Reaktor P einleiten zu können. Dem Verdichter V ist ein Abscheider A nachgeschaltet, in den der verdichtete Stoffstrom 2 eingeleitet wird, um bei der Verdichtung auskondensierte Komponenten, bei denen es sich vorwiegend um höher siedende Kohlenwasserstoffe handelt, als Prozesskondensat abzuscheiden, so dass ein weitgehend aus niedrig siedenden Kohlenwasserstoffen bestehender Gasstrom 3 dem POX-Reaktor P als Einsatz zugeführt werden kann, um gemeinsam mit Wasserdampf 4 und Sauerstoff 5 zu Synthesegas umgesetzt zu werden. Das über Leitung 6 aus dem POX-Reaktor P mit einer Temperatur von typischerweise mehr als 1300°C abgezogene Syntheserohgas wird in der Quencheinrichtung Q durch Wasser abgekühlt, wobei gleichzeitig der größte Teil an mitgeführten Ruß- und Aschepartikeln ausgewaschen und in einen ersten Abwasserstrom 7 überführt wird. Zur Feinreinigung wird das lediglich grob gereinigte Syntheserohgas 8 aus der Quencheinrichtung Q in die Wasserwäsche W weitergeleitet, in der verbliebene Ruß- und Aschepartikel mittels Frischwassers 12 aus dem Gas entfernt werden, so dass ein gewaschener, weitgehend ruß- und aschefreier Syntheserohgasstrom 9 sowie ein mit geringen Ruß- und Aschemengen beladener zweiter Abwasserstrom 10 entstehen. Während der mit Rußspuren beladene Abwasserstrom 10 in der Quencheinrichtung Q als Quenchwasser dient, wird der Syntheserohgasstrom 9, der vorwiegend aus Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht, in der Trenneinrichtung T zum Synthesegas 11 aufbereitet. Zur Abtrennung des Rußes wird der erste Abwasserstrom 7 mit Prozesskondensat 13, das aus dem Abscheider A zugeführt wird, zu einer Dispersion 14 vermischt, die anschließend in den Dekanter D eingeleitet wird, wo sie sich in rußbeladenes Prozesskondensat 15 und eine weitgehend rußfreie Wasserfraktion 16 trennt. Das rußbeladene Prozesskondensat 15 wird aus dem. Dekanter abgezogen und als Einsatz in den POX-Reaktor P zurückgeführt, während die weitgehend rußfreie Wasserfraktion 16 an eine Abwasseraufbereitungsanlage (nicht dargestellt) abgegeben wird.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Gewinnung von Synthesegas (11) aus einem höher siedende Kohlenwasserstoffe enthaltenden Stoffgemisch (1), das dabei verdichtet (V) und in ein vorwiegend aus höher siedenden Kohlenwasserstoffen bestehendes Prozesskondensat (13) sowie einen verdichteten Gasstrom (2) getrennt wird, der überwiegend aus niedrig siedenden Kohlenwasserstoffen besteht und nachfolgend in einem Reaktor (POX-Reaktor) (P) durch Partielle Oxidation umgesetzt wird, wobei ein rußhaltig aus dem POX-Reaktor abströmendes Syntheserohgas (6) einer Wasserwäsche (Q) unterzogen wird, bei der ein rußhaltiges Abwasser (7) entsteht, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Prozesskondensats (13) mit dem rußhaltigen Abwasser (7) vermischt wird, um Ruß aufzunehmen und aus dem Abwasser (7) abzutrennen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mit Ruß beladene Prozesskondensat (15) zurückgeführt und als Einsatz in den POX-Reaktor (P) eingeleitet wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozesskondensat (13) im Wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen mit 4 bis 10 Kohlenstoffatomen bestehet und bei atmosphärischem Druck einen Siedebereich zwischen 35°C und 180°C aufweist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem höher siedende Kohlenwasserstoffe enthaltenden Stoffgemisch (1) um ein Retorte-Restgas aus der Ölschieferaufbereitung handelt.
  5. Vorrichtung zur Gewinnung von Synthesegas (11) aus einem höher siedende Kohlenwasserstoffe enthaltenden Stoffgemisch (1), mit einem Reaktor (P) zur Durchführung einer Partiellen Oxidation (POX-Reaktor), einem stromaufwärts des POX-Reaktors angeordneten Verdichter (V) zur Verdichtung des höher siedende Kohlenwasserstoffe enthaltenden Stoffgemisches (1), einem stromabwärts des Verdichters (V) angeordneten Abscheider (A) zur Abscheidung von bei der Verdichtung anfallendem Prozesskondensat (13) sowie einem stromabwärts des POX-Reaktors (P) angeordneten Dekanter (D) zur Abtrennung von Ruß aus rußbeladenem Abwasser (7), dadurch gekennzeichnet, dass der Abscheider (A) mit dem Dekanter (D) derart verbunden ist, dass Prozesskondensat (13) mit rußbeladenem Abwasser (7) gemischt und in den Dekanter (D) eingeleitet werden kann.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Dekanter (D) mit dem POX-Reaktor (P) derart verbunden ist, dass eine rußbeladene Kohlenwasserstofffraktion (15) aus dem Dekanter (D) in den POX-Reaktor (P) eingeleitet werden kann.
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