DE102014011213A1 - Process for synthesis gas production - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines H2- und CO-haltigen Synthesegases (100), aufweisend die Schritte: Bereitstellen eines Einsatzstromes (10), aufweisend Methan und CO2, und Reformieren von Methan und CO2 in Gegenwart eines geeigneten ersten Katalysators (K) unter Erzeugung eines Synthesegasstromes (100) aufweisend H2 und CO, wobei das H2/CO-Verhältnis im Bereich von 0,5 bis 3,0 liegt.The invention relates to a method for producing a synthesis gas (100) containing H2 and CO, comprising the steps of: providing a feed stream (10) comprising methane and CO2, and reforming methane and CO2 in the presence of a suitable first catalyst (K) producing a synthesis gas stream (100) comprising H2 and CO, wherein the H2 / CO ratio is in the range of 0.5 to 3.0.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Synthesegases gemäß Anspruch 1.The invention relates to a method for producing a synthesis gas according to claim 1.

Für die Herstellung von H2 und CO-haltigen Synthesegasen gibt es verschiedene Ansätze. Abhängig vom benötigten H2/CO-Verhältnis für das jeweilige Produkt gibt es die (katalytische) partielle Oxidation (CPOX bzw. POX), die autotherme Reformierung (ATR), die Dampfreformierung (SMR) und Kombinationen hiervon.There are various approaches for the production of H 2 and CO-containing synthesis gases. Depending on the required H 2 / CO ratio for the respective product, there are the (catalytic) partial oxidation (CPOX or POX), the autothermal reforming (ATR), the steam reforming (SMR) and combinations thereof.

Mit den POX und ATR-Technologien können H2/CO-Verhältnisse unterhalb von 3:1 erreicht werden, was für die Fischer-Tropsch-Synthese ausreichend ist. Durch Verwendung bzw. Kombination verschiedener Technologien ist es möglich, ein Verhältnis H2/CO von 2:1 zu erreichen. Sowohl für die POX- als auch für die ATR-Verfahren müssen jedoch Luftzerlegungseinheiten bereitgestellt werden, die den für das jeweilige Verfahren erforderlichen Sauerstoff bereitstellen, was zusätzliche Kosten erzeugt.H 2 / CO ratios below 3: 1 can be achieved with the POX and ATR technologies, which is sufficient for the Fischer-Tropsch synthesis. By using or combining different technologies, it is possible to achieve a ratio H 2 / CO of 2: 1. However, for both the POX and ATR processes, air separation units must be provided which provide the oxygen required for the particular process, which adds cost.

Weiterhin benötigen existierende Dampfreformierungsverfahren eine signifikante Menge an Wasserdampf, um die Koksbildung auf dem verwendeten Katalysator zu vermeiden. Die Koksbildung blockiert und zerstört in der Regel den verwendeten Katalysator, so dass dieser entsprechend häufig ausgewechselt werden muss. Darüber hinaus benötigt die Erzeugung von Wasserdampf die Bereitstellung entsprechender Energie und die Apparate sowie die Verrohrung müssen entsprechend dem aufgrund des Wasserdampfes erhöhten Einsatzstrom dimensioniert werden.Furthermore, existing steam reforming processes require a significant amount of water vapor to avoid coke formation on the catalyst used. Coke formation usually blocks and destroys the catalyst used, so it must be replaced frequently. In addition, the generation of water vapor requires the provision of appropriate energy and the apparatus and the piping must be sized according to the increased due to the water vapor feed stream.

Weiterhin sind für die Produktion von CO bei vermindertem Wasserdampf-Bedarf Verfahren wie der CALCOR-Prozess ( G. Kurz, S. Teubner, Erdöl. Kohle, 43 (1990) 171 ) und der SPARG-Prozess bekannt. Während die CALCOR-Technologie lediglich bei Drücken unterhalb von 5 bar anwendbar ist, verwendet der SPARG-Prozess Schwefel im Feed (z. B. in Form von H2S), um die Bildung von Koks zu unterdrücken. Schwefel ist allerdings ein typisches Katalysatorgift und vermindert die Effizienz des Reformers und stromab verwendeter Katalysatoren.Furthermore, processes such as the CALCOR process are required for the production of CO with reduced water vapor demand ( G. Kurz, S. Teubner, petroleum. Kohl, 43 (1990) 171 ) and the SPARG process. While the CALCOR technology is only applicable at pressures below 5 bar, the SPARG process uses sulfur in the feed (eg in the form of H 2 S) to suppress the formation of coke. However, sulfur is a typical catalyst poison and reduces the efficiency of the reformer and downstream catalysts used.

Diese bekannte Verfahren für die Erzeugung von Synthesegas mit einem hohen CO-Gehalt können nicht bei erhöhten Drücken von 10 bar und mehr angewendet werden. Typische Reformierungs- bzw. stromab vorgesehene Prozesse laufen in der Regel bei 30 bar bis 50 bar ab, so dass das Synthesegas bei diesen bekannten Verfahren verdichtet werden muss, mit dem Nachteil, dass ein entsprechender Verdichter sich nachteilig auf die Kosten auswirkt.These known methods for the production of synthesis gas with a high CO content can not be applied at elevated pressures of 10 bar and more. Typical reforming or downstream processes usually take place at 30 bar to 50 bar, so that the synthesis gas must be compressed in these known methods, with the disadvantage that a corresponding compressor adversely affects the cost.

Ferner sind bei Verwendung von konventionellen Katalysatoren für die Dampfreformierung von Methan energieeffizientere Prozesse mit einem niedrigen Dampf-zu-Kohlenstoff-Verhältnis (so genannter S/C-ratio) von 0,5 bis 2,0 mol/mol nicht möglich, aufgrund des hohen Risikos einer Verkokung in den Reformerrohren.Furthermore, using conventional catalysts for steam reforming of methane, more energy efficient processes with a low vapor to carbon ratio (so-called S / C ratio) of 0.5 to 2.0 mol / mol are not possible because of the high Risk of coking in the reformer tubes.

Schließlich kann es bei einem hohen CO- und einem niedrigen Dampfgehalt im Produktgas zu Problemen mit den für die Apparate/Verrohrung verwendeten Materialien kommen (z. B. Ablagerungen, Korrosion).Finally, high CO and low vapor content in the product gas can cause problems with the materials used for the equipment / piping (eg, scale, corrosion).

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung eines Synthesegases bereitzustellen, das vergleichsweise kostengünstig ist und insbesondere auch bei höheren Drücken betrieben werden kann, insbesondere mit wenig Wasserdampf auskommt sowie insbesondere die Erzeugung eines H2- und CO-haltigen Synthesegases mit einem niedrigen H2/CO-Verhältnis erlaubt.On this basis, the present invention has the object to provide a method for producing a synthesis gas which is relatively inexpensive and can be operated in particular at higher pressures, in particular with little steam and in particular the production of a H 2 - and CO-containing synthesis gas allowed with a low H 2 / CO ratio.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind u. a. in den Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend beschrieben.This object is achieved by a method having the features of claim 1. Advantageous embodiments of the invention are u. a. in the subclaims and are described below.

Gemäß Anspruch 1 sieht das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen eines H2-und CO-haltigen Synthesegases die folgenden Schritte vor:According to claim 1, the method according to the invention for producing an H 2 and CO-containing synthesis gas provides the following steps:

  • – Bereitstellen eines Einsatzstromes aufweisend Methan, und- Providing a feed stream comprising methane, and
  • – Trockenreformieren von Methan mit CO2 in Gegenwart eines ersten Katalysators unter Erzeugung eines Synthesegasstromes aufweisend H2 und CO, wobei das H2/CO-Verhältnis im Bereich von 0,5 bis 3,0 liegt.Dry reforming of methane with CO 2 in the presence of a first catalyst to produce a synthesis gas stream comprising H 2 and CO, wherein the H 2 / CO ratio is in the range of 0.5 to 3.0.

Die Trockenreformierung von Methan und CO2 wird dabei vorteilhafterweise unter Anwesenheit eines rußresistenten ersten Katalysators durchgeführt. Hierbei handelt es sich erfindungsgemäß um einen ersten Katalysator, der ein Nickel-Magnesium-Mischoxid sowie ein Magnesiumspinell aufweist oder um einen ersten Katalysator, der ein Hexaaluminat aufweist (siehe unten).The dry reforming of methane and CO 2 is advantageously carried out in the presence of a soot-resistant first catalyst. This is a first according to the invention A catalyst comprising a nickel-magnesium mixed oxide and a magnesium spinel or a first catalyst comprising a hexaaluminate (see below).

Der erste Katalysator, der zumindest ein Nickel-Magnesium-Mischoxid sowie ein Magnesiumspinell aufweist, kann optional ein Aluminumoxid-Hydroxid aufweisen, wobei das Nickel-Magnesium-Mischoxid eine durchschnittliche Kristallitgröße aufweist, die kleiner 100 nm, vorzugsweise kleiner 70 nm, vorzugsweise kleiner 40 nm ist, und wobei die Magnesiumspinell-Phase eine durchschnittliche Kristallitgröße aufweist, die kleiner ist als 100 nm, vorzugsweise kleiner als 70 nm, vorzugsweise kleiner als 40 nm, und wobei der Gehalt an Nickel im ersten Katalysator im Bereich von 30 mol% liegt, und wobei der Gehalt an Magnesium im Bereich von 8 mol% bis 38 mol% liegt, vorzugsweise 23 mol% bis 35 mol%, und wobei der Gehalt an Aluminium im Bereich von 50 mol% bis 70 mol% liegt, und wobei die Intensität des Beugungsreflexes des ersten Katalysators bei 43.09°2θ kleiner oder gleich der Intensität des Beugungsreflexes bei 44.82°2θ ist, wobei bevorzugt die Intensität des Beugungsreflexes bei 43.08°2θ kleiner ist als die Intensität des Reflexes bei 44.72°2θ.The first catalyst comprising at least one nickel-magnesium mixed oxide and a magnesium spinel may optionally comprise an aluminum oxide hydroxide, the nickel-magnesium mixed oxide having an average crystallite size of less than 100 nm, preferably less than 70 nm, preferably less than 40 nm, and wherein the magnesium spinel phase has an average crystallite size smaller than 100 nm, preferably smaller than 70 nm, preferably smaller than 40 nm, and wherein the content of nickel in the first catalyst is in the range of 30 mol%, and wherein the content of magnesium is in the range of 8 mol% to 38 mol%, preferably 23 mol% to 35 mol%, and wherein the content of aluminum is in the range of 50 mol% to 70 mol%, and wherein the intensity of the Diffraction reflectivity of the first catalyst at 43.09 ° 2θ is less than or equal to the intensity of the diffraction reflection at 44.82 ° 2θ, with preferably the intensity of the diffraction reflection at 43.08 ° 2 θ is smaller than the intensity of the reflex at 44.72 ° 2θ.

Dieser erste Katalysator ist im Detail in WO2013/068905 beschrieben, wobei alle dort angegeben bevorzugten Varianten sowie Herstellungsarten auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.This first catalyst is in detail in WO2013 / 068905 All the preferred variants and production methods given there can also be used in the context of the present invention.

Bei dem ersten Katalysator, der ein Hexaaluminat aufweist, ist vorgesehen, dass die hexaaluminathaltige Phase Kobalt und zumindest ein weiteres Metall aus der Gruppe Ba, Sr, La enthält, wobei der Co-Gehalt im Bereich von 2 mol% bis 15 mol%, vorzugsweise von 3 mol% bis 10 mol% und weiter vorzugsweise im Bereich von 4 mol% bis 8 mol%, der Gehalt an weiterem Metall aus der Gruppe Ba, Sr, La in einem Bereich von 2 mol% bis 25 mol%, vorzugweise von 3 mol% bis 15 mol%, weiter bevorzugt von 4 mol% bis 10 mol% und der Gehalt an Al im Bereich von 70 mol% bis 90 mol% liegt und der erste Katalysator eine oxidische Nebenphase im Bereich von 0 Gew.-% bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 3 Gew.-% bis 40 Gew.-%, weiter vorzugsweise 5 Gew.-% bis 30 Gew.-% aufweist, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe theta-Aluminiumoxid, alpha-Aluminiumoxid, LaAlO3, BaAl2O4, SrAl2O4, CoAl2O4, La-stabilisiertes Aluminiumoxid, La-stabilisiertes Aluminiumoxidhydroxid und die BET-Oberfläche des hexaaluminathaltigen Katalysators größer als 2 m2/g, vorzugsweise größer als 4 m2/g, weiter vorzugsweise größer als 8 m2/g und insbesondere vorzugsweise größer als 15 m2/g ist. Dieser erste Katalysator ist vorzugsweise durch nachfolgendes Verfahren herstellbar:

  • (i) Bereitstellung einer Aluminiumquelle, vorzugsweise einer feinteiligen Aluminiumoxid- und/oder Aluminiumhydroxidmodifkation,
  • (ii) Inkontaktbringen der feinteiligen Aluminiumquelle mit einer aufschmelzbaren beziehungsweise löslichen Co-haltigen Verbindung und zumindest mit einem weiteren auflösbarem oder aufschmelzbarem Metallsalz ausgewählt aus der Gruppe Ba, La Sr,
  • (iii) innige Durchmischung der Aluminiumquelle und der gelösten beziehungsweise aufgeschmolzenen Metallsalze,
  • (iv) Trocknung des Gemisches,
  • (v) Tieftemperaturkalzinierung des Gemisches,
  • (vi) Abformung beziehungsweise Formgebung,
  • (vii) Hochtemperaturkalzinierung.
In the case of the first catalyst comprising a hexaaluminate, it is provided that the hexaaluminate-containing phase contains cobalt and at least one further metal from the group Ba, Sr, La, the Co content being in the range from 2 mol% to 15 mol%, preferably from 3 mol% to 10 mol% and more preferably in the range of 4 mol% to 8 mol%, the content of further metal from the group Ba, Sr, La in a range from 2 mol% to 25 mol%, preferably from 3 mol% to 15 mol%, more preferably from 4 mol% to 10 mol%, and the content of Al is in the range of 70 mol% to 90 mol%, and the first catalyst is an oxide minor phase in the range of 0 wt% to 50 Wt .-%, preferably 3 wt .-% to 40 wt .-%, more preferably 5 wt .-% to 30 wt .-%, preferably selected from the group of theta-alumina, alpha-alumina, LaAlO 3 , BaAl 2 O 4 , SrAl 2 O 4 , CoAl 2 O 4 , La-stabilized alumina, La-stabilized alumina hydroxide, and the BET surface area of hexaaluminate igen catalyst greater than 2 m 2 / g, preferably greater than 4 m 2 / g, more preferably greater than 8 m 2 / g and especially preferably greater than 15 m 2 / g. This first catalyst is preferably preparable by the following process:
  • (i) providing an aluminum source, preferably a finely divided aluminum oxide and / or aluminum hydroxide modification,
  • (ii) contacting the finely divided aluminum source with a fusible or soluble Co-containing compound and at least one further dissolvable or fusible metal salt selected from the group Ba, La Sr,
  • (iii) thorough mixing of the aluminum source and the dissolved or molten metal salts,
  • (iv) drying the mixture,
  • (v) cryogenic calcination of the mixture,
  • (vi) impression or shaping,
  • (vii) high temperature calcination.

Dieser erste hexaaluminathaltige Katalysator ist im Detail in WO2013/118078 beschrieben, wobei alle dort angegeben bevorzugten Varianten sowie Herstellungsarten auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.This first hexaaluminate-containing catalyst is described in detail in FIG WO2013 / 118078 All the preferred variants and production methods given there can also be used in the context of the present invention.

Unter Trockenreformierung im Sinne der Erfindung versteht man die Umsetzung von Methan (oder Erdgas) und CO2 unter Wärmezufuhr und ggf. in Abwesenheit von Wasser zu Synthesegas mit einem stöchiometrischen Verhältnis von H2 und CO von bevorzugt 1:1: CH4 + CO2 ↔ 2CO + 2H2 Dry reforming in the sense of the invention is understood to mean the conversion of methane (or natural gas) and CO 2 under heat supply and optionally in the absence of water to synthesis gas having a stoichiometric ratio of H 2 and CO of preferably 1: 1: CH 4 + CO 2 ↔ 2CO + 2H 2

Die Trockenreformierung im Sinne der Erfindung umfasst auch die Umsetzung von CH4 (oder Erdgas) und CO2 in Anwesenheit von Wasserdampf, wobei Wasserdampf dabei in den unten angegebenen Verhältnissen zu Methan steht.The dry reforming in the context of the invention also includes the reaction of CH 4 (or natural gas) and CO 2 in the presence of water vapor, wherein water vapor is in the ratios given below to methane.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass zumindest ein Kohlenwasserstoff, der schwerer ist als CH4, zusammen mit Wasserdampf in Gegenwart eines weiteren, zweiten Katalysators stromauf der Trockenreformierung dampfreformiert wird, wobei jenes CH4 erzeugt wird, das dann der Trockenreformierung unterzogen wird. Bei dem zweiten Katalysator kann es sich um einen Nickel-basierten Katalysator handeln, der für die Dampfreformierung geeignet ist. Hier können gewöhnliche, bekannte Katalysatoren verwendet werden.According to a preferred embodiment of the process according to the invention, it is provided that at least one hydrocarbon heavier than CH 4 is steam reformed together with steam in the presence of another, second catalyst upstream of the dry reforming to produce that CH 4 which is then subjected to dry reforming becomes. The second catalyst may be a nickel-based catalyst suitable for steam reforming. Here, ordinary, known catalysts can be used.

Bevorzugt wird als Einsatz bzw. Einsatzstrom Erdgas verwendet, das als Hauptbestandteil Methan aufweist. Für den Fall, dass dieses Erdgas bzw. der Einsatzstrom einen bestimmten Anteil an höheren Kohlenwasserstoffen enthält (z. B. Ethan, Propan, etc.) oder Naphtha (aufweisend insbesondere Kohlenwasserstoffe mit 5 bis 12 Kohlenstoffatomen) als Einsatzstrom bzw. dessen Bestandteil verwendet wird, können durch die oben beschriebene (optionale) Dampfreformierung die schwereren Kohlenwasserstoffe zu Methan umsetzt werden, das dann im eigentlichen Trockenreformierungsschritt weiter zu dem Synthesegas umgesetzt wird.Natural gas is preferably used as the input or feed stream, which has methane as its main constituent. In the event that this natural gas or the feed stream contains a certain proportion of higher hydrocarbons (eg ethane, propane, etc.) or naphtha (in particular hydrocarbons having 5 to 12 carbon atoms) is used as the feed stream or its component , can be converted by the above-described (optional) steam reforming the heavier hydrocarbons to methane, which is then further reacted in the actual dry reforming step to the synthesis gas.

Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass im Synthesegasstrom enthaltenes CO2 abgetrennt wird (z. B. mittels PSA oder Waschen mittels eines geeigneten Waschmittels, z. B. einem amin- oder methanolhaltigen Waschmittel) und zumindest teilweise (oder vollständig) in den Einsatzstrom zurückgeführt wird, und zwar bevorzugt stromauf der Dampf- und/oder Trockenreformierung.Furthermore, according to a preferred embodiment of the method according to the invention, it is provided that CO 2 contained in the synthesis gas stream is separated off (eg by means of PSA or washing by means of a suitable detergent, eg an amine- or methanol-containing detergent) and at least partially (or completely ) is recycled to the feed stream, preferably upstream of the steam and / or dry reforming.

Das dem Einsatzstrom zugefügte CO2 kann jedoch auch teilweise oder vollständig einer anderen Quelle entstammen (Import), wobei z. B. CO2 aus anderen Prozessen stofflich verwertet wird.However, the CO 2 added to the feedstream may also be partly or completely derived from another source (import), where e.g. B. CO 2 is recycled from other processes.

Vorzugsweise wird die Trockenreformierung bei einem Druck im Bereich von 2 bar bis 70 bar, bevorzugt bei einem Druck im Bereich von 10 bar bis 40 bar, am meisten bevorzugt bei einem Druck im Bereich von 20 bis 40 bar durchgeführt.The dry reforming is preferably carried out at a pressure in the range from 2 bar to 70 bar, preferably at a pressure in the range from 10 bar to 40 bar, most preferably at a pressure in the range from 20 to 40 bar.

Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Einsatzstrom einen CH4-Gehalt im Bereich von 20 Vol.-% bis 45 Vol.-% aufweist. Der CO2-Gehalt des Einsatzstromes liegt bevorzugt im Bereich von 20 Vol.-% bis 45 Vol.-%. Sofern Wasserdampf bei der Trockenreformierung verwendet wird, liegt der Wasserdampfgehalt des Einsatzgases vorzugsweise im Bereich von 0 Vol.-% bis 40 Vol.-%. Ferner kann der Einsatzstrom 0 Vol.-% bis 40 Vol.-% Wasserstoff aufweisen.Furthermore, it is preferably provided that the feed stream has a CH 4 content in the range of 20 vol .-% to 45 vol .-%. The CO 2 content of the feed stream is preferably in the range from 20% by volume to 45% by volume. When water vapor is used in the dry reforming, the water vapor content of the feed gas is preferably in the range of 0% by volume to 40% by volume. Furthermore, the feed stream can have 0% by volume to 40% by volume of hydrogen.

Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass das molare CO2/CH4-Verhältnis im Bereich von 0 bis 1,5 liegt, vorzugsweise im Bereich von 0,3 bis 1,4, bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 1,3, am meisten bevorzugt im Bereich von 0,7 bis 1,2.Furthermore, it is preferably provided that the molar CO 2 / CH 4 ratio is in the range from 0 to 1.5, preferably in the range of 0.3 to 1.4, preferably in the range of 0.5 to 1.3, on most preferably in the range of 0.7 to 1.2.

Schließlich ist bevorzugt vorgesehen, dass bei Verwendung von Wasserdampf das H2O/CH4-Verhältnis im Einsatzstrom kleiner ist als 2,0, vorzugsweise kleiner als 1,5, bevorzugt kleiner 1,0, am meisten bevorzugt kleiner 0,9.Finally, it is preferably provided that when using steam, the H 2 O / CH 4 ratio in the feed stream is less than 2.0, preferably less than 1.5, preferably less than 1.0, most preferably less than 0.9.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Trockenreformieren von Methan und CO2 in Gegenwart des ersten Katalysators in zumindest einem Reaktorrohr vorgenommen wird, wobei der erste Katalysator eine erste Lage eines in dem Reaktorrohr angeordneten Katalysatorbettes bildet und wobei jenes Katalysatorbett zumindest eine weitere Lage aus einem weiteren (dritten) Katalysator aufweist, der vom ersten Katalysator verschieden ist.According to a further embodiment of the invention, it is provided that the dry reforming of methane and CO 2 is carried out in the presence of the first catalyst in at least one reactor tube, wherein the first catalyst forms a first layer of a catalyst bed arranged in the reactor tube and wherein said catalyst bed at least one further Layer of another (third) catalyst, which is different from the first catalyst.

Der Vorteil einer derartigen 2-lagigen Reaktorfüllung, bei der im Eintrittsbereich des Reaktors der (rußresistente) erste Katalysator angeordnet ist und dann zum Austritt hin ein konventioneller weiterer (dritter) Katalysator (z. B. ein bekannter Nickel-basierter Reformingkatalysator), der üblicherweise bei einem Synthesegas mit hohem CO-Gehalt angewendet wird, liegt darin, dass der konventionelle weitere bzw. dritte Katalysator die Reaktion näher an das thermodynamische Gleichgewicht bringen kann, so dass ein höherer Umsatz erzielbar ist, wobei ausgenutzt wird, dass am Reaktoraustritt etwas unkritischere Bedingungen in Bezug auf die Verkokungsgefahr herrschen. Des Weiteren können vergleichsweise günstige konventionelle (dritte) Katalysatoren verwendet werden, was die Kosten senkt (im Vergleich zur Verwendung lediglich des ersten Katalysators). Sofern die optionale Dampfreformierung nicht durchgeführt wird (siehe oben) und entsprechend kein zweiter Katalysator vorhanden ist, wird der dritte Katalysator auch als zweiter Katalysator bezeichnet.The advantage of such a 2-layer reactor filling, in which the (soot-resistant) first catalyst is arranged in the inlet region of the reactor and then a conventional further (third) catalyst (eg a known nickel-based reforming catalyst), usually to the exit is applied to a synthesis gas with high CO content, is that the conventional additional or third catalyst can bring the reaction closer to the thermodynamic equilibrium, so that a higher conversion can be achieved, which is exploited that at the reactor exit slightly uncritical conditions prevail in terms of the risk of coking. Furthermore, comparatively inexpensive conventional (third) catalysts can be used, which reduces costs (compared to using only the first catalyst). Unless the optional steam reforming is carried out (see above) and accordingly no second catalyst is present, the third catalyst is also referred to as the second catalyst.

Gemäß einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass bei Verwendung des Nickel-Magnesium-Mischoxid- sowie Magnesiumspinell-haltigen ersten Katalysators der erzeugte Synthesegasstrom ein H2/CO-Verhältnis im Bereich von 1,0 bis 2,0 aufweist.According to a preferred variant of the method according to the invention, it is provided that when using the nickel-magnesium mixed oxide and magnesium spinel-containing first catalyst, the synthesis gas stream produced has a H2 / CO ratio in the range of 1.0 to 2.0.

Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass bei Verwendung des Hexaaluminat-haltigen ersten Katalysators der erzeugte Synthesegasstrom ein H2/CO-Verhältnis im Bereich von 0,5 bis 2,0 aufweist. Furthermore, according to a preferred variant of the method according to the invention, when the hexaaluminate-containing first catalyst is used, the generated synthesis gas stream has an H2 / CO ratio in the range from 0.5 to 2.0.

Bevorzugt ist weiterhin vorgesehen, dass der erzeugte Synthesegasstrom, Insbesondere bei Verwendung des Hexaaluminat-haltigen ersten Katalysators nach der Trockenreformierung schlagartig bzw. schnell abgekühlt wird, z. B. durch Beaufschlagen/Quenchen des Synthesegastroms mit einem Kühlmedium (z. B. Wasser), um Nebenreaktionen, insbesondere eine Verkokung gemäß Boudouard-Reaktion (2CO ↔ CO2 + C) durch den hohen CO-Gehalt im Gas zu vermeiden. Auch bei Verwendung des zweilagigen Katalysators (siehe oben) erfolgt die Abkühlung vorzugsweise stromab des Reaktors.Preference is further provided that the generated synthesis gas stream, in particular when using the hexaaluminate-containing first catalyst after the dry reforming is abruptly or rapidly cooled, z. Example, by applying / quenching the synthesis gas stream with a cooling medium (eg., Water) to avoid side reactions, especially a coking according to Boudouard reaction (2CO ↔ CO 2 + C) by the high CO content in the gas. Even when using the two-layer catalyst (see above), the cooling is preferably carried out downstream of the reactor.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren erläutert. Es zeigt:Further features and advantages of the present invention will be explained in the following description of embodiments of the invention with reference to the figures. It shows:

1 ein Schema des erfindungsgemäßen Verfahrens; und 1 a scheme of the method according to the invention; and

2 ein bei dem Verfahren verwendetes Reaktorrohr mit einem zweilagigen Katalysatorbett. 2 a reactor tube with a two-bed catalyst bed used in the process.

1 zeigt ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens. In den nachfolgend beschriebenen Beispielen wird H2 und CO-haltiges Synthesegas (GHSV bevorzugt im Bereich von 500 bis 5000 bezogen auf das getrocknete Synthesegas) in Gegenwart des oben beschriebenen ersten Katalysators erzeugt, wobei grundsätzlich zur Erzeugung des Synthesegases die oben angegebenen Zusammensetzungen, Drücke (bevorzugt im Bereich von 2 bar bis 70 bar) und Temperaturen (bevorzugt 700°C bis 980°C am Ausgang der Trockenreformierung 50) verwendet werden können. 1 shows a block diagram of the inventive method. In the examples described below, H 2 and CO-containing synthesis gas (GHSV preferably in the range from 500 to 5000 based on the dried synthesis gas) are produced in the presence of the above-described first catalyst, wherein in principle for the production of the synthesis gas the above-mentioned compositions, pressures ( preferably in the range from 2 bar to 70 bar) and temperatures (preferably 700 ° C. to 980 ° C. at the outlet of the dry reforming 50 ) can be used.

Der Einsatzstrom 10 wird zunächst vorgeheizt 20. Dies kann z. B. in einer Konvektionszone eines verwendeten Ofens mittels eines Wärmeübertragers vorgenommen werden, der den Einsatzstrom 10 gegen Verbrennungswärme vorheizt. Sofern der Einsatz 10 zunächst aus schwereren Kohlenwasserstoffen besteht, werden diese mittels einer optionalen Dampfreformierung 30 stromauf der eigentlichen Trockenreformierung 50 zu Methan umgesetzt (bevorzugt unter Verwendung eines bekannten bzw. herkömmlichen zweiten Katalysators), das dann als Bestandteil des Einsatzstromes 10 bevorzugt wiederum vorgeheizt 40 wird (z. B. in der Konvektionszone eines für die Trockenreformierung 50 verwendeten Ofens mittels eines Wärmeübertragers gegen Verbrennungswärme) und sodann in die Trockenreformierung 50 gefahren wird. Weist der Einsatzstrom 10 von vorneherein keine schwereren Kohlenwasserstoffe auf, sondern Methan, wird der Einsatzstrom 10 nach der Vorheizung 20 (z. B. im Ofen der Trockenreformierung 50, siehe oben) (direkt) in die Trockenreformierung gefahren 50, wo Methan in Gegenwart des oben beschriebenen ersten Katalysators K mit dem im Einsatzstrom 10 vorhandenen CO2 zu einem H2 und CO-haltigen Synthesegasstrom umgesetzt wird. Die Trockenreformierung 50 kann z. B. in einem oder in mehreren vertikal ausgerichteten Reaktorrohren 51 (vgl. z. B. 2) vorgenommen werden, die z. B. in einer Strahlungszone des Ofens angeordnet sind und durch Verbrennungswärme beheizt werden (z. B. bereitgestellt durch einen oder mehrere Brenner). In den Reaktorrohren 51 befindet sich der erfindungsgemäße erste Katalysator, z. B. in Form einer Schüttung bzw. eines Katalysatorbetts. Gemäß einer Ausführungsvariante, die in 2 gezeigt ist, kann vorgesehen sein, dass das Katalysatorbett B zumindest zwei (horizontale) Lagen aufweist, von denen eine erste Lage, die näher am Reaktorrohr-Eintritt liegt, durch den erfindungsgemäßen ersten Katalysator K und die weitere zweite Lage durch einen weiteren, dritten Katalysator K' gebildet wird, der vom ersten Katalysator K verschieden ist. Bei dem dritten Katalysator K' kann es sich insbesondere um einen bekannten, herkömmlichen (z. B. Nickel-basierten) Katalysator für die Dampfreformierung handeln.The feed stream 10 is preheated first 20 , This can be z. B. be made in a convection zone of a furnace used by means of a heat exchanger, the feed stream 10 preheated against combustion heat. Unless the use 10 initially composed of heavier hydrocarbons, these are by means of an optional steam reforming 30 upstream of the actual dry reforming 50 converted to methane (preferably using a known or conventional second catalyst), which then as part of the feed stream 10 preferably in turn preheated 40 (for example in the convection zone one for dry reforming 50 used furnace by means of a heat exchanger against combustion heat) and then in the dry reforming 50 is driven. Indicates the feed stream 10 from the outset, no heavier hydrocarbons, but methane, the feed stream 10 after preheating 20 (eg in the oven of dry reforming 50 , see above) (directly) into the dry reforming 50 where methane in the presence of the above-described first catalyst K with the in the feed stream 10 existing CO 2 is converted to a H 2 and CO-containing synthesis gas stream. The dry reforming 50 can z. B. in one or more vertically oriented reactor tubes 51 (see eg. 2 ) are made, the z. B. are arranged in a radiation zone of the furnace and heated by combustion heat (eg., Provided by one or more burners). In the reactor tubes 51 is the first catalyst according to the invention, for. B. in the form of a bed or a catalyst bed. According to an embodiment variant, which in 2 is shown, it can be provided that the catalyst bed B has at least two (horizontal) layers, of which a first layer which is closer to the reactor tube inlet, through the first catalyst K according to the invention and the further second layer by a further, third catalyst K 'is formed, which is different from the first catalyst K. The third catalyst K 'may in particular be a known, conventional (eg nickel-based) catalyst for steam reforming.

Nach der Reformierung 50 wird der Synthesegasstrom gekühlt 60, z. B. durch Beaufschlagen mit Wasser, und im Synthesegasstrom vorhandenes CO2 wird aus dem Synthesegasstrom abgetrennt 70 und in den Einsatzstrom 10 zurückgeführt (CO2-recycle) 80. Ggf. kann zusätzlich frisches CO2 90 dem Einsatzstrom 10 zugegeben werden. Der von CO2 befreite Synthesegasstrom 100 wird ferner getrocknet und als Produktstrom seiner weiteren Verwendung zugeführt.After the reform 50 the synthesis gas stream is cooled 60 , z. B. by applying water, and existing in the synthesis gas stream CO 2 is separated from the synthesis gas stream 70 and into the feed stream 10 returned (CO 2 -recycle) 80 , Possibly. can additionally fresh CO 2 90 the feed stream 10 be added. The released from CO 2 synthesis gas stream 100 is further dried and fed as a product stream for further use.

Beispiel 1:Example 1:

Gemäß einem ersten Beispiel wird ein Einsatzstrom 10 aufweisend 34 Vol.-% CH4, 22 Vol.-% CO2, 44 Vol.-% H2O auf eine Temperatur von 500°C vorgeheizt 20 und in die Trockenreformierung 50 gefahren, wo Methan bei einer Temperatur in Höhe von 875°C sowie einem Druck in Höhe von 30 bar in Gegenwart des oben beschriebenen ersten Katalysators K, der das Nickel-Magnesium-Mischoxid sowie das Magnesiumspinell aufweist, mit dem im Einsatzstrom 10 vorhandenen CO2 zu einem Synthesegasstrom 100 umgesetzt wird, der vorliegend ein H2/CO-Verhältnis von 2:1 aufweist. Das im Synthesegas 100 enthaltene CO2 wird abgetrennt 70 und dem Einsatzstrom 10 teilweise oder vollständig zugegeben 80.According to a first example, a feed stream 10 comprising 34% by volume of CH 4 , 22% by volume of CO 2 , 44% by volume of H 2 O preheated to a temperature of 500 ° C. and into dry reforming 50 where methane at a temperature of 875 ° C and a pressure of 30 bar in the presence of the above-described first catalyst K, the nickel-magnesium mixed oxide and the magnesium spinel having, in the feed stream 10 existing CO 2 to a synthesis gas stream 100 is reacted, which in the present case has a H 2 / CO ratio of 2: 1. That in the synthesis gas 100 contained CO 2 is separated 70 and the feed stream 10 partially or completely added 80 ,

Beispiel 2:Example 2:

Gemäß einem weiteren Beispiel wird ein Einsatzstrom 10 aufweisend 46 Vol.-% CH4, 36 Vol.-% CO2, 18 Vol.-% H2O auf eine Temperatur von 500°C vorgeheizt 20 und in die Trockenreformierung 50 gefahren, wo Methan bei einer Temperatur in Höhe von 875°C sowie einem Druck in Höhe von 30 bar in Gegenwart des oben beschriebenen, Hexaaluminat-haltigen ersten Katalysators K mit dem im Einsatzstrom 10 vorhandenen CO2 zu einem Synthesegasstrom 100 umgesetzt wird, der vorliegend ein H2/CO-Verhältnis von 1:1 aufweist. Das im Synthesegas 100 enthaltene CO2 wird abgetrennt 70 und dem Einsatzstrom 10 zumindest teilweise oder vollständig zugegeben 80. Bezugszeichenliste 10 Einsatzstrom 20 Vorheizung 30 Optionale Dampfreformierung 40 Vorheizung 50 Trockenreformierung 51 Reaktor bzw. Reaktorrohr 60 Kühlung 70 CO2-Entfernung 80 CO2-Rückführung 90 CO2-Zuführung 100 Synthesegasstrom B Katalysatorbett K Erster Katalysator K' Dritter Katalysator According to another example, a feed stream 10 comprising 46 vol .-% CH 4 , 36 vol .-% CO 2 , 18 vol .-% H 2 O preheated to a temperature of 500 ° C. 20 and in dry reforming 50 driven, where methane at a temperature in the amount of 875 ° C and a pressure of 30 bar in the presence of the hexaaluminate-containing first catalyst K described above with the in the feed stream 10 existing CO 2 to a synthesis gas stream 100 is reacted, which in the present case has a H 2 / CO ratio of 1: 1. That in the synthesis gas 100 contained CO 2 is separated 70 and the feed stream 10 at least partially or completely added 80 , LIST OF REFERENCE NUMBERS 10 feed stream 20 preheating 30 Optional steam reforming 40 preheating 50 dry reforming 51 Reactor or reactor tube 60 cooling 70 CO 2 removal 80 CO 2 recycling 90 CO 2 feed 100 Synthesis gas stream B catalyst bed K First catalyst K ' Third catalyst

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2013/068905 [0014] WO 2013/068905 [0014]
  • WO 2013/118078 [0016] WO 2013/118078 [0016]

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Claims (14)

Verfahren zum Erzeugen eines H2- und CO-haltigen Synthesegases (100), aufweisend die Schritte: – Bereitstellen eines Einsatzstromes (10) aufweisend Methan, und – Reformieren (50) von Methan des Einsatzstromes (10) mit CO2 in Gegenwart eines ersten Katalysators (K), der ein Nickel-Magnesium-Mischoxid sowie ein Magnesiumspinell aufweist oder der ein Hexaaluminat aufweist, unter Erzeugung eines Synthesegasstromes aufweisend H2 und CO, wobei das H2/CO-Verhältnis im Bereich von 0,5 bis 3,0 liegt.Process for producing a H 2 and CO-containing synthesis gas ( 100 ), comprising the steps: - providing a feedstream ( 10 ) comprising methane, and - reforming ( 50 ) of methane of the feedstream ( 10 ) with CO 2 in the presence of a first catalyst (K) comprising a nickel-magnesium mixed oxide and a magnesium spinel or having a hexaaluminate, to produce a synthesis gas stream comprising H 2 and CO, wherein the H 2 / CO ratio in the range from 0.5 to 3.0. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatzstrom (10) Erdgas und/oder Naphtha aufweist.Process according to claim 1, characterized in that the feedstream ( 10 ) Comprises natural gas and / or naphtha. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatzstrom (10) zusammen mit Wasserdampf in Gegenwart eines zweiten Katalysators einer Dampfreformierung (30) unterzogen wird, und zwar vor dem besagten Reformieren (50) von Methan mit CO2, wobei zumindest ein Kohlenwasserstoff des Einsatzstroms (10), der schwerer ist als Methan, zu Methan umgesetzt wird, das hiernach bei der Reformierung mit CO2 zu dem Synthesegas umgesetzt wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the feed stream ( 10 ) together with water vapor in the presence of a second catalyst of a steam reforming ( 30 ), before the said reforming ( 50 ) of methane with CO 2 , wherein at least one hydrocarbon of the feed stream ( 10 ), which is heavier than methane, is converted to methane, which is subsequently converted to the synthesis gas in the reforming with CO 2 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass CO2 in den Einsatzstrom gegeben wird (80, 90).Method according to one of the preceding claims, characterized in that CO 2 is added to the feed stream ( 80 . 90 ). Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des CO2, das in den Einsatzstrom (10) gegeben wird, aus dem Synthesegasstrom abgetrennt wird (70), und/oder dass zumindest ein Teil des CO2, das in den Einsatzstrom (10) gegeben wird, importiert wird und insbesondere nicht der Reformierung (50) und/oder Dampfreformierung (30) entstammt.A method according to claim 4, characterized in that at least part of the CO 2 entering the feedstream ( 10 ), is separated from the synthesis gas stream ( 70 ), and / or that at least part of the CO 2 entering the feedstream ( 10 ), and in particular not reforming ( 50 ) and / or steam reforming ( 30 ) comes from. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reformieren (50) von Methan und CO2 in Gegenwart des ersten Katalysators (K) in zumindest einem Reaktorrohr (51) vorgenommen wird, wobei der erste Katalysator (K) eine erste Lage eines in dem Reaktorrohr (50) angeordneten Katalysatorbettes (B) bildet, und wobei jenes Katalysatorbett (B) zumindest eine weitere Lage aufweist, die einen weiteren, dritten Katalysator (K') aufweist, der von dem ersten Katalysator (K) verschieden ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the reforming ( 50 ) of methane and CO 2 in the presence of the first catalyst (K) in at least one reactor tube ( 51 ), wherein the first catalyst (K) has a first layer in the reactor tube ( 50 ) and wherein said catalyst bed (B) has at least one further layer having a further, third catalyst (K ') different from the first catalyst (K). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reformierung (50) in einem Temperaturbereich von 500°C bis 1100°C, bevorzugt von 650°C bis 1000°C, am meisten bevorzugt von 700°C bis 980°C durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the reforming ( 50 ) is carried out in a temperature range from 500 ° C to 1100 ° C, preferably from 650 ° C to 1000 ° C, most preferably from 700 ° C to 980 ° C. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reformierung (50) bei einem Druck im Bereich von 2 bar bis 70 bar, bevorzugt bei einem Druck im Bereich von 10 bar bis 40 bar, am meisten bevorzugt bei einem Druck im Bereich von 20 bis 40 bar durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the reforming ( 50 ) is carried out at a pressure in the range from 2 bar to 70 bar, preferably at a pressure in the range from 10 bar to 40 bar, most preferably at a pressure in the range from 20 to 40 bar. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatzstrom (10) einen CH4-Gehalt im Bereich von 20 Vol.-% bis 45 Vol.-%, einen CO2-Gehalt im Bereich von 20 Vol.-% bis 45 Vol.-%, einen Wasserdampfgehalt im Bereich von 0 Vol.-% bis 40 Vol.-% sowie insbesondere einen Wasserstoffgehalt im Bereich von 0 Vol.-% bis 40 Vol.-% aufweist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the feed stream ( 10 ) a CH 4 content in the range of 20% to 45% by volume, a CO 2 content in the range of 20% to 45% by volume, a water vapor content in the range of 0% by volume. % to 40 vol .-% and in particular has a hydrogen content in the range of 0 vol .-% to 40 vol .-%. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das molare CO2/CH4-Verhältnis im Einsatzstrom (10) im Bereich von 0 bis 1,5 liegt, vorzugsweise im Bereich von 0,3 bis 1,4, bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 1,3, am meisten bevorzugt im Bereich von 0,7 bis 1,2,Method according to one of the preceding claims, characterized in that the molar CO 2 / CH 4 ratio in the feed stream ( 10 ) is in the range of 0 to 1.5, preferably in the range of 0.3 to 1.4, preferably in the range of 0.5 to 1.3, most preferably in the range of 0.7 to 1.2, Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das H2O/CH4-Verhältnis im Einsatzstrom (10) kleiner ist als 2,0, vorzugsweise kleiner als 1,5, bevorzugt kleiner 1,0, am meisten bevorzugt kleiner 0,9.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the H 2 O / CH 4 ratio in the feed stream ( 10 ) is less than 2.0, preferably less than 1.5, preferably less than 1.0, most preferably less than 0.9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung des Nickel-Magnesium-Mischoxid sowie ein Magnesiumspinell aufweisenden ersten Katalysators (K) der erzeugte Synthesegasstrom ein H2/CO-Verhältnis im Bereich von 1,0 bis 2,0 aufweist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that when using the nickel-magnesium mixed oxide and a magnesium spinel having the first catalyst (K), the generated synthesis gas stream has a H 2 / CO ratio in the range of 1.0 to 2.0. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung des Hexaaluminat aufweisenden ersten Katalysators (K) der erzeugte Synthesegasstrom ein H2/CO-Verhältnis im Bereich von 0,5 bis 2,0 aufweist. Method according to one of the preceding claims, characterized in that when using the hexaaluminate having the first catalyst (K) of the generated synthesis gas stream has a H 2 / CO ratio in the range of 0.5 to 2.0. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erzeugte Synthesegasstrom abgekühlt wird (60).Method according to one of the preceding claims, characterized in that the generated synthesis gas stream is cooled ( 60 ).
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