DE102016204326A1 - Solar hydrogen sulfide and carbon dioxide reforming to produce syngas and carbon disulfide - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft die solare Schwefelwasserstoff- und Kohlenstoffdioxid-Reformierung zur Erzeugung von Synthesegas und Kohlenstoffdisulfid.The present invention relates to solar hydrogen sulfide and carbon dioxide reforming to produce syngas and carbon disulfide.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft die solare Schwefelwasserstoff- und Kohlenstoffdioxid-Reformierung zur Erzeugung von Synthesegas und Kohlenstoffdisulfid.The present invention relates to solar hydrogen sulfide and carbon dioxide reforming to produce syngas and carbon disulfide.
Abnehmende Öl- und Gasressourcen verschärfen den Wettbewerb um die noch verbliebenen fossilen Brennstoffe. Daher müssen künftig in zunehmend größeren Tiefen liegende Lagerstätten mit Brennstoffen niedrigerer Qualität ausgebeutet werden. Diese Energieträger beinhalten zum Teil jedoch hohe Anteile an Schwefelwasserstoffen (H2S) und Kohlendioxid (CO2). Damit wird die Erfüllung von Klimaschutzvereinbarungen von Kyoto zur Reduktion der CO2-Emissionen zunehmend schwieriger. Darüber hinaus ist Schwefelwasserstoff ein hochtoxischer Stoff, der nicht in die Umwelt emittiert werden soll, sondern idealerweise zu nutzbaren Produkten weiter verarbeitet werden sollte. Schwefelwasserstoff und Kohlenstoffdioxid (Kohlendioxid CO2) stellen darüber hinaus extreme Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit der beim Bau von Transportleitungen verwendeten Werkstoffe. Zugleich stellen Pipelinebetreiber immer höhere Ansprüche an die Festigkeit der verwendeten Stähle. Beim Transport von schwefelwasserstoffhaltigem Öl oder Gas bildet der Schwefelwasserstoff mit dem im Öl oder Gas enthaltenen Wasser, beziehungsweise Wasserdampf, schwefelige Säure, die korrosiv auf die Pipelinewand wirkt. Bei dem Korrosionsprozess entsteht Wasserstoff, der in den Stahl diffundieren und zu Rissen führen kann. Es ergibt sich hier die Notwendigkeit, nach alternativen Prozessen zu suchen, mit denen H2S und CO2 umweltfreundlich weiter verarbeitet werden können und sich gleichzeitig zu anderen hochwertigen Produkten umwandeln lassen.Diminishing oil and gas resources are intensifying competition for the remaining fossil fuels. As a result, deposits of future lower quality fuels will have to be exploited at increasingly greater depths. However, these fuels sometimes contain high levels of hydrogen sulphide (H 2 S) and carbon dioxide (CO 2 ). This makes the fulfillment of Kyoto climate protection agreements to reduce CO 2 emissions increasingly difficult. In addition, hydrogen sulfide is a highly toxic substance that should not be emitted into the environment, but ideally should be further processed into usable products. Hydrogen sulphide and carbon dioxide (carbon dioxide CO 2 ) also make extreme demands on the corrosion resistance of the materials used in the construction of transport lines. At the same time, pipeline operators are placing ever greater demands on the strength of the steels used. When transporting hydrogen sulphide-containing oil or gas, the hydrogen sulphide with the water or steam contained in the oil or gas forms sulphurous acid, which corrosively acts on the pipeline wall. The corrosion process produces hydrogen, which can diffuse into the steel and cause cracks. The result is the need to look for alternative processes that allow H 2 S and CO 2 to be further processed in an environmentally friendly manner and at the same time convert to other high-quality products.
Um Rohgas für verschiedenste technische Applikationen nutzbar zu machen, müssen darin enthaltene Verunreinigungen abgetrennt werden. Kohlenstoffdioxid (CO2) und Schwefelwasserstoff (H2S) werden üblicherweise zuerst abgetrennt. Hier werden physikalische und chemische Trennverfahren eingesetzt. Unter den chemischen Verfahren zählt die Gaswäsche mit Aminen zu den bekanntesten. Dabei werden die CO2 und H2S Verunreinigungen im Rohgas von einer wässrigen Aminlösung absorbiert. Oft verwendete Amine sind Monoethanolamin (MEA), Diethanolamin (DEA) und Triethanolamin (TEA). Neben den chemisch wirkenden Gaswaschprozessen gibt es auch Prozesse, die rein physikalisch ablaufen. Zu den bekanntesten Verfahren gehören die Druckwasserwäsche, der Rectisol- und der Selexol-Prozess. In order to make raw gas available for a wide variety of technical applications, impurities contained therein must be separated. Carbon dioxide (CO 2 ) and hydrogen sulfide (H 2 S) are usually separated first. Here, physical and chemical separation processes are used. Gas washing with amines is one of the best-known chemical processes. The CO 2 and H 2 S impurities in the raw gas are absorbed by an aqueous amine solution. Commonly used amines are monoethanolamine (MEA), diethanolamine (DEA) and triethanolamine (TEA). In addition to the chemical gas washing processes, there are also processes that are purely physical. Among the best known methods are the pressurized water wash, the Rectisol and the Selexol process.
Bei den herkömmlichen physikalischen und chemischen Verfahren werden Schwefelwasserstoff (H2S) und Kohlenstoffdioxid (CO2) nicht weiterverwendet. CO2 wird nach der Abtrennung an die Umgebung abgeführt. Schwefelwasserstoff wird bei der Verarbeitung des Erdgases aus dem Erdgasfeld in der Regel und besonders in Nordafrika und im Nahen Osten verbrannt und als Schwefeldioxid an die Umgebung abgeführt mit entsprechenden Implikationen für die Umwelt. Eine weitere Verwendung findet in diesem Fall nicht statt.In the conventional physical and chemical processes, hydrogen sulphide (H 2 S) and carbon dioxide (CO 2 ) are no longer used. CO 2 is discharged to the environment after separation. Hydrogen sulphide is burned during the processing of natural gas from the natural gas field, and in particular in North Africa and the Middle East, and discharged to the environment as sulfur dioxide, with corresponding environmental implications. Further use does not take place in this case.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Bereitstellung eines Verfahrens, mit welchem Gase, die insbesondere bei der Reinigung von Erdöl und/oder Erdgas als Abfallprodukte (Abfallgase) entstehen, weiterzuverwenden. Bei diesen Abfallgasen handelt es sich um Schwefelwasserstoff und Kohlenstoffdioxid. Neben Erdgas und Erdöl als Quelle, können auch bei Kraftwerken, wie beispielsweise Kohlekraftwerken, entstehende Abgase als Edukt für die vorliegende Erfindung benutzt werden. Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren, in welchem Sonnenenergie als Energiequelle eingesetzt wird, nun aus Abfallstoffen um Produkte wie Synthesegas und Kohlenstoffdisulfid zu erhalten.The object of the present invention is therefore to provide a method with which gases, which arise in particular in the purification of oil and / or natural gas as waste products (waste gases) continue to be used. These waste gases are hydrogen sulphide and carbon dioxide. In addition to natural gas and crude oil as a source, also in power plants, such as coal power plants, resulting exhaust gases can be used as starting material for the present invention. The object is achieved by a method in which solar energy is used as an energy source, now from waste materials to obtain products such as synthesis gas and carbon disulfide.
In einer ersten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur gleichzeitigen Herstellung von Synthesegas und Kohlenstoffsulfid (CS2), in welchem ein Gasgemisch, welches Schwefelwasserstoff, Kohlenstoffdioxid und Methan aufweist, als Edukt eingesetzt wird und die Gase unter Einwirkung von Solarstrahlung miteinander zur Reaktion gebracht werden, wobei die folgende Reaktion abläuft:
Als Synthesegas oder Syngas bezeichnet man ein Gasgemisch, das zu einer Synthese eingesetzt wird. Das Gasgemisch besteht vorwiegend aus den Hauptkomponenten Kohlenstoffmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2). Das Synthesegas lässt sich durch weiter verarbeitende Verfahren, wie beispielsweise die Fischer-Tropsch-Synthese, in ein breites Spektrum gasförmiger und flüssiger Kohlenwasserstoffe umwandeln. Zu den wichtigsten Produkten, die durch die Fischer-Tropsch-Synthese hergestellt werden, gehören Rohstoffe für die chemische Industrie sowie Diesel, Benzin und Heizöle. Darüber hinaus stellt das Synthesegas die Ausgangsstoffe für die Herstellung von Ammoniak dar. Somit ist Syngas ein hochwertiges Produkt in der chemischen Industrie. Kohlenstoffdisulfid wird als Ausgangsstoff für die Herstellung von Cellulosefasern verwendet oder wird als Lösungsmittel für Fette eingesetzt. Synthesis gas or syngas is a gas mixture used for synthesis. The gas mixture consists mainly of the main components carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ). The synthesis gas can be converted by further processing methods, such as the Fischer-Tropsch synthesis in a wide range of gaseous and liquid hydrocarbons. The most important products produced by the Fischer-Tropsch synthesis include raw materials for the chemical industry as well as diesel, gasoline and heating oils. In addition, syngas is the starting material for the production of ammonia. Thus, syngas is a high quality product in the chemical industry. Carbon disulfide is used as a raw material for the production of cellulose fibers or is used as a solvent for fats.
Die vorliegende Erfindung zugrunde liegenden Reformierung ist ein neuer Prozess, der die Umwandlung von Schwefelwasserstoff (H2S) und Kohlenstoffdioxid (CO2) in Synthesegas und Kohlenstoffdisulfid ermöglicht. Schwefelwasserstoff ist umweltschädlich und Kohlenstoffdioxid ist klimaschädigend. Gleichzeitig stellen beide Stoffe eine wertvolle Rohstoffbasis dar. Daher ist es sinnvoll diese Stoffe in Wertstoffe umzuwandeln, sofern eine Nachfrage vorhanden ist und die Produktion wirtschaftlich ist. Dies wird durch das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, so dass es zu einer nachhaltigen Lösung beitragen kann, um die umweltschädlichen Stoffe Schwefelwasserstoff und Kohlenstoffdioxid weiterzuverarbeiten. Der große Vorteil erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, dass es zur Erzeugung von hochwertigen Produkten während des Verarbeitungsprozesses kommt. Es entsteht dabei zum einen Synthesegas, das sich zu weiteren Zwischenprodukten und Produkten umwandeln lässt, zum anderen aber auch Kohlenstoffdisulfid (CS2). Für diesen Herstellungsprozess ist Hochtemperaturprozesswärme notwendig, da die Reaktion stark endotherm ist. Die Bereitstellung der Prozesswärme erfolgt erfindungsgemäß durch konzentrierte Solarstrahlung. Somit wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, das die Emission von Schadstoffen verhindert und gleichzeitig eine Wertschöpfung mittels Herstellung hochwertiger chemischer Produkte ermöglicht. Reforming on which the present invention is based is a new process that allows the conversion of hydrogen sulfide (H 2 S) and carbon dioxide (CO 2 ) to synthesis gas and carbon disulfide. Hydrogen sulphide is harmful to the environment and carbon dioxide is damaging to the climate. At the same time, both substances represent a valuable raw material base. Therefore, it makes sense to convert these substances into recyclables, if there is a demand and the production is economical. This is made possible by the method according to the invention, so that it can contribute to a sustainable solution in order to further process the environmentally harmful substances hydrogen sulfide and carbon dioxide. The great advantage of the method according to the invention is that it comes to the production of high-quality products during the processing process. On the one hand, synthesis gas is generated, which can be converted into further intermediates and products, and on the other hand also carbon disulfide (CS 2 ). High temperature process heat is necessary for this manufacturing process because the reaction is highly endothermic. The process heat is provided according to the invention by concentrated solar radiation. Thus, a method is provided which prevents the emission of pollutants and at the same time allows value creation by producing high quality chemical products.
Als Edukt wird vorzugsweise ein Gasgemisch eingesetzt, welches im Wesentlichen aus Schwefelwasserstoff, Kohlenstoffdioxid und Methan besteht. Im Wesentlichen bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung, dass das Gasgemisch zu wenigstens 90 Vol.-% aus den genannten Gasen besteht, insbesondere zu wenigstens 95 Vol.-%, besonders bevorzugt zu wenigstens 98 Vol.-%, insbesondere zu wenigstens 99 Vol.-% oder zu 99,5 Vol.-%. Kleinere Verunreinigungen stören das Verfahren nicht, so dass die gewünschte Produkte dennoch erhalten werden. The educt used is preferably a gas mixture which consists essentially of hydrogen sulphide, carbon dioxide and methane. Essentially in the context of the present invention means that the gas mixture consists of at least 90% by volume of said gases, in particular at least 95% by volume, more preferably at least 98% by volume, in particular at least 99% by volume. -% or 99.5 vol .-%. Smaller impurities do not disturb the process, so that the desired products are still obtained.
Insbesondere Schwefelwasserstoff und Kohlenstoffdioxid können beispielsweise aus Erdgas gewonnen sein. Auch Erdöl wird in einem ersten Schritt von diesen Gasen befreit, so dass Erdgas, Erdöl und/oder Abgase aus Kraftwerken als Grundlage für das Gasgemisch vorzugsweise zur Verfügung stehen. In particular, hydrogen sulfide and carbon dioxide can be obtained, for example, from natural gas. Petroleum is also freed from these gases in a first step, so that natural gas, crude oil and / or waste gases from power plants are preferably available as a basis for the gas mixture.
Das Verfahren findet bevorzugt bei einer Reaktion von wenigstens 1.200 °C statt. Bei dieser Temperatur läuft die folgende Reaktion
Vorzugsweise erfolgt die Reaktion in einem Temperaturbereich von 1.200 °C bis 1.700 °C, bevorzugt bei einer Temperatur im Bereich von 1.300 °C bis 1.600 °C, insbesondere von 1.400 °C bis 1.500 °C. The reaction preferably takes place in a temperature range from 1200 ° C. to 1700 ° C., preferably at a temperature in the range from 1300 ° C. to 1600 ° C., in particular from 1400 ° C. to 1500 ° C.
Geringere Temperaturen führen zu einer sehr geringen Ausbeute, so dass das Verfahren nicht wirtschaftlich betrieben werden kann. Bevorzugt liegt die Temperatur nicht über 1.700 °C. Höhere Temperaturen sorgen für eine extrem hohe Belastung der Vorrichtung, in der eine Reaktion stattfindet, so dass besondere Reaktoren benutzt werden müssten. Hierdurch werden die Kosten für das erfindungsgemäße Verfahren erhöht, was wirtschaftlich nicht wünschenswert ist. Besonders bevorzugt sind Temperaturen im Bereich von 1.400 °C bis 1.500 °C. Hier wird eine gute Ausbeute an Synthesegas und Kohlenstoffdisulfid ermöglicht, ohne dass eine übermäßige Belastung der Reaktoren oder sonstigen Vorrichtungen, in dem das erfindungsgemäße Verfahren stattfindet, erfolgt.Lower temperatures lead to a very low yield, so that the process can not be operated economically. Preferably, the temperature does not exceed 1,700 ° C. Higher temperatures cause an extremely high load on the device in which a reaction takes place, so that special reactors would have to be used. This increases the cost of the inventive method, which is not economically desirable. Particularly preferred are temperatures in the range of 1400 ° C to 1500 ° C. Here, a good yield of synthesis gas and carbon disulfide is made possible without excessive loading of the reactors or other devices in which the process according to the invention takes place.
Besonders bevorzugt findet die Reaktion unter Ausschluss von Sauerstoff statt. Dies ermöglicht ebenfalls eine verbesserte Ausbeute der Reaktionen, so dass insbesondere die gewünschten Produkte erhalten werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Reaktion im Vakuum stattfindet. Es ist erfindungsgemäß auch möglich, die Reaktion unter einer inerten Gasatmosphäre durchzuführen. Geeignete inerte Gase sind beispielsweise Helium, Argon oder andere Edelgase. Im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens sind das Arbeiten unter Vakuum sowie die Verwendung von Edelgas als Inertgas besonders bevorzugt. Stickstoff ist weniger bevorzugt, da es bei den herrschenden Temperaturen zur Bildung von NOx kommen könnte, die für den weiteren Reaktionsverlauf schädlich sind.Most preferably, the reaction takes place in the absence of oxygen. This also allows an improved yield of the reactions, so that in particular the desired products are obtained. This can be done, for example, that the reaction takes place in a vacuum. It is also possible according to the invention to carry out the reaction under an inert gas atmosphere. Suitable inert gases are, for example, helium, argon or other noble gases. In view of the economy of the method, working under vacuum and the use of inert gas as an inert gas are particularly preferred. Nitrogen is less preferred as it could lead to the formation of NO x at the prevailing temperatures, which are detrimental to the further course of the reaction.
Bevorzugt werden die eingesetzten Gase des Gasgemisches vor der Reaktion getrocknet. Kommt Schwefelwasserstoff mit Wasser in Kontakt, entsteht schwefelige Säure. Diese ist korrosiv. Reaktoren, in denen das Verfahren stattfinden kann, weisen üblicherweise Metall auf, welches von der gegebenenfalls entstehenden schwefligen Säure angegriffen werden kann. Um dies zu vermeiden, werden die im Gasgemisch eingesetzten Gase daher zunächst getrocknet. Dies kann nach an sich bekannten Verfahren erfolgen.Preferably, the gases used of the gas mixture are dried before the reaction. When hydrogen sulfide comes in contact with water, sulfuric acid is formed. This is corrosive. Reactors, in which the process can take place, usually have metal, which can be attacked by the optionally formed sulfurous acid. To avoid this, the gases used in the gas mixture are therefore first dried. This can be done by methods known per se.
Zur Steigerung der Ausbeute erfolgt die Reaktion des Gasgemisches vorzugweise in Anwesenheit eines Katalysators.To increase the yield, the reaction of the gas mixture preferably takes place in the presence of a catalyst.
Die Ausgangsstoffe für das vorgeschlagene Verfahren der Reformierung sind Schwefelwasserstoff (H2S), Kohlenstoffdioxid (CO2) und Methan (CH4). Die nötige Hochtemperaturwärme für das endotherme Verfahren wird durch konzentrierte Solarstrahlung bereitgestellt. Die Reformierung führt zur Erzeugung vom Synthesegas, insbesondere bei Temperaturen oberhalb 1200°C. Der große Vorteil des Verfahrens liegt darin, dass parallel die Bildung von Kohlenstoffdisulfid (CS2) und Synthesegas erfolgt.The starting materials for the proposed reforming process are hydrogen sulphide (H 2 S), carbon dioxide (CO 2 ) and methane (CH 4 ). The necessary high-temperature heat for the endothermic process is provided by concentrated solar radiation. The reforming leads to the production of synthesis gas, especially at temperatures above 1200 ° C. The big advantage of the method is that the formation of carbon disulfide (CS 2 ) and syngas occurs in parallel.
Das solare Verfahren der Schwefelwasserstoff (H2S) und Kohlenstoffdioxid (CO2) Reformierung eignet sich besonders zur Erdgasreinigung. Das Erdgas aus dem Erdgasfeld beinhaltet in der Regel diese Stoffe in signifikanter Konzentration. Diese lassen sich durch die solare Reformierung mit Methan (CH4) klimafreundlich verarbeiten. Darüber hinaus kommt es zur Erzeugung von Synthesegas (H2/CO) und Kohlenstoffdisulfid (CS2). Das erzeugte Synthesegas kann in Fischer-Tropsch-Anlagen zu anderen Produkten (beispielsweise Benzin, Diesel etc.) umwandeln. Das Nebenprodukt Kohlenstoffdisulfid findet Verwendung in der Herstellung von Cellulosefasern statt oder kann als Lösungsmittel für Fette eingesetzt werden.The solar process of hydrogen sulfide (H 2 S) and carbon dioxide (CO 2 ) reforming is particularly suitable for natural gas purification. Natural gas from the natural gas field usually contains these substances in significant concentrations. These can be processed climate-friendly through the solar reforming with methane (CH 4 ). In addition, synthesis gas (H 2 / CO) and carbon disulfide (CS 2 ) are produced. The synthesis gas produced can be converted to other products (eg gasoline, diesel, etc.) in Fischer-Tropsch plants. The by-product carbon disulfide finds use in the manufacture of cellulosic fibers or can be used as a solvent for fats.
Das Verfahren ist relevant für die chemische Industrie, insbesondere die Petrochemie und für Firmen, die im Bereich der Erdgas- und Erdölförderung aktiv sind.The process is relevant to the chemical industry, in particular petrochemicals and to companies active in the field of natural gas and oil production.
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