DE102018132736A1

DE102018132736A1 - Verfahren und Anlage zur Herstellung eines oder mehrerer gasförmiger Reaktionsprodukte in einem befeuerten Reaktor

Info

Publication number: DE102018132736A1
Application number: DE102018132736.6A
Authority: DE
Inventors: David Bruder; Robert Stegemann; Dino Henes; Gunther Schmidt
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2018-12-18
Filing date: 2018-12-18
Publication date: 2020-06-18

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines oder mehrerer gasförmiger Reaktionsprodukte vorgeschlagen, bei dem ein Reakor (1) verwendet wird, der unter Verwendung eines Brennstoffs befeuert wird, wobei zum Befeuern einem oder mehreren Brennern (2) der Brennstoff und ein sauerstoffhaltiges Verbrennungsunterstützungsgas zugeführt wird und zumindest ein Teil des Brennstoffs mit zumindest einem Teil des Sauerstoffs in dem Verbrennungsunterstützungsgas unter Erhalt eines Rauchgases mittels des einen oder der mehreren Brenner (2) verbrannt wird, wobei das Verbrennungsunterstützungsgas zumindest teilweise vorgeheizt wird, und wobei das eine oder die mehreren gasförmigen Reaktionsprodukte dem Reaktor (1) als Teil eines Gasgemischs entnommen wird oder werden, das aus einer oder mehreren Reaktionszonen des Reaktors (1) ausgeleitet wird, die mittels des einen oder der mehreren Brenner (2) indirekt beheizt wird oder werden. Das zumindest teilweise Vorheizen des Verbrennungsunterstützungsgases erfolgt in einem ersten Zeitraum unter Verwendung einer ersten Menge elektrischen Stroms und in einem sich nicht mit dem ersten Zeitraum überschneidenen zweiten Zeitraum unter Verwendung einer zweiten, geringeren Menge elektrischen Stroms oder stromlos. Eine entsprechende Anlage (100) ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung eines oder mehrerer gasförmiger Reaktionsprodukte, bei dem ein Reakor verwendet wird, der unter Verwendung eines Brennstoffs befeuert wird, gemäß den jeweiligen Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
Es ist bekannt, durch den Einsatz von elektrischem Strom gasförmige Reaktionsprodukte herzustellen. Entsprechende Verfahren können insbesondere dann zum Einsatz kommen, wenn elektrischer Strom, beispielsweise aus erneuerbaren Energiequellen, zeitweise im Überschuss zur Verfügung steht und nicht anderweitig sinnvoll genutzt werden kann. Durch die Herstellung von gasförmigen Reaktionsprodukten kann elektrischer Strom gewissermaßen in Form dieser gasförmigen Reaktionsprodukte gespeichert werden. Entsprechende Verfahren sind auch als „Power-to-Gas“-Verfahren bekannt und vielfach in der Fachliteratur beschrieben. Für eine Übersicht sei in diesem Zusammenhang beispielsweise auf H. Krause (Hrsg.), Power-to-Gas: Grundlagen - Konzepte - Lösungen, Deutscher Industrieverlag, 2016, ISBN 978-3-83567-2536, verwiesen.
Nachteilig an bekannten „Power-to-Gas“-Verfahren ist der vergleichsweise schlechte Wirkungsgrad. So erreichen bisherige großtechnische Verfahren, beispielsweise die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser und die anschließende Methanisierung unter Einsatz dieses Wasserstoffs und von Kohlendioxid nur Wirkungsgrade von ca. 60%. Dies ist insbesondere auf die benötigte (Reaktions-) Temperatur und die damit einhergehenden Wärmeverluste zurückzuführen. Erfolgt eine Rückverstromung des gebildeten Methans, sinkt der Wirkungsgrad auf typischerweise weniger als 40%.
Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, die Herstellung von gasförmigen Reaktionsprodukten durch den Einsatz von elektrischem Strom zu verbessern und in diesem Zusammenhang insbesondere eine vorteilhafte Nutzung von zeitweise im Überschuss zur Verfügung stehendem elektrischem Strom aus erneuerbaren Energiequellen zu ermöglichen.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung eines oder mehrerer gasförmiger Reaktionsprodukte, bei dem ein Reakor verwendet wird, der unter Verwendung eines Brennstoffs befeuert wird, mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vor der Erläuterung der Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deren Grundlagen und die verwendeten Begriffe erläutert.
Im Folgenden wird häufig auf Wirkungsgrade von thermischen Prozessen Bezug genommen. Hierbei sollen folgende Definitionen gelten:
Der feuerungstechnische („thermische“) Wirkungsgrad (FTW, v_FTW) bezeichnet den Anteil der eingebrachten Wärmeleistung (P_zugeführt), die nicht über das Verbrennungsabgas (P_Abgas) an die Umgebung verloren geht: $v_{FTW} = 1 - P_{Abgas} / P_{zugef \ddot{u} hrt}$
Nicht berücksichtigt werden hier die Verluste an die Umgebung durch Wärmeleitung heißer Bauteile, da diese in großtechnischen Anlagen, wie sie vorliegend eingesetzt werden, typischerweise deutlich kleiner als die Abgasverluste sind.
Der Strahlungszonenwirkungsgrad (SZW, v_SZ) bezeichnet den Anteil der eingebrachten Wärmeleistung (P_zugeführt), der in einem Feuerungsraum, d.h. in der sogenannten Strahlungszone, an ein Prozessmedium oder mehrere Prozessmedien in den Reaktionsrohren („Coils“) indirekt übertragen wird (P_Prozess): $v_{SZ} = P_{Prozess} / P_{zugef \ddot{u} hrt}$
Die Übertragung erfolgt in der Strahlungszone dabei typischerweise bei Temperaturen deutlich über 1.000 ℃ und vorzugsweise durch Strah lung. In deutlich geringeren Anteilen kann hier auch eine Wärmeübertragung durch Konvektion erfolgen. Typische Strahlungszonenwirkungsgrade von-Reaktoren zum Dampfspalten (sogenannten Spaltöfen) betragen typischerweise ca. 0,42 (42%) und werden auch vorliegend angenommen. In der sich an die Strahlungszone anschließenden Konvektionszone erfolgt die Wärmeübertragung bei deutlich geringeren Temperaturen von weniger als 1.000 ℃ und mittels Wärmetauscherrohren.
Der elektrische Wirkungsgrad (v_elektrisch) bezeichnet den Anteil (P_abgegeben) der eingebrachten Wärmeleistung (P_zugeführt) eines Wärmekraftprozesses, der als Nettoleistung in Form elektrischer Leistung abgegeben wird (die Nettoleistung bezeichnet die Leistung des Wärmekraftprozesses abzüglich der für Nebenaggregate wie Pumpen und Verdichter benötigten Leistung): $v_{elektrisch} = P_{abgegeben} / P_{zugef \ddot{u} hrt}$
Beim elektrischen Wirkungsgrad bleiben Generatorverluste unberücksichtigt, da sie typischerweise gegenüber den „thermodynamischen“ Verlusten eines Wärmekraftprozesses sehr gering sind.
Der Begriff der „energetischen Effizienz“ kann allgemein als Vergleichsbegriff verwendet werden. Er bewertet die benötigte Heizleistung unterschiedlicher Verfahren oder kombinierter Verfahren zur Herstellung einer bestimmten Menge eines oder mehrerer Produkte bzw. zur Erzeugung einer bestimmten Menge elektrischer Leistung. Der Begriff wird beispielsweise für die Erzeugung elektrischer Leistung über einen einstufigen Dampfprozess, eine Gasturbine und ein kombiniertes Gas-und Dampf-Verfahren verwendet. Typischerweise steigt hier die Effizienz in der angegebenen Reihenfolge, d.h. die für eine bestimmte Menge erzeugten elektrischen Stroms eingesetzte Heizleistung sinkt.
Die Feuerungsleistung eines Brennstoffes wird typischerweise auf den unteren Heizwert (H_u) bezogen. Es handelt sich dabei um die bei einer Verbrennung maximal nutzbare Wärmemenge, bei der es nicht zu einer Kondensation des im Abgas enthaltenen Wasserdampfs kommt. Sie wird jeweils bezogen auf die Menge des eingesetzten Brennstoffs.
Befeuerten Reaktoren, wie sie in den erfindungsgemäß verwendeten Verfahren zum Einsatz kommen, wird neben dem Brennstoff, der in Brennern zur Unterfeuerung verbrannt wird, ein sauerstoffhaltiges Verbrennungsunterstützungsgas zugeführt. Als Verbrennungsunterstützungsgas wird typischerweise Luft verwendet. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, als Verbrennungsunterstützungsgas zumindest teilweise ein anderes Gasgemisch als Luft oder ein Gemisch aus Luft mit einem anderen Gasgemisch oder sauerstoffangereicherte Luft einzusetzen. Insbesondere kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung Frischluft mit rückgeführtem Rauchgas gemischt werden. Dies ist insbesondere zur Erhöhung der Temperatur vorteilhaft und insbesondere dann möglich, wenn das Rauchgas noch Sauerstoff enthält.
Im Rahmen dieser Anmeldung wird daher Begriff „Verbrennungsunterstützungsgas“ verwendet, um zum Ausdruck zu bringen, dass eine Verbrennung eines Brennstoffs nicht zwingend mit Luft („Verbrennungsluft“) erfolgen muss, sondern auch in einem anderen, jedoch zwingend sauerstoffhaltigen, Gasgemisch erfolgen kann.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine Kombination eines bekannten Verfahrens zur Herstellung eines oder mehrerer gasförmiger Reaktionsprodukte in einem befeuerten Reakor mit einem Einsatz von elektrischem Strom, der insbesondere aus erneuerbaren Energiequellen stammt und zu bestimmten Zeiten im Überschuss zur Verfügung steht, es ermöglicht, diesen elektrischen Strom mit ausgesprochen hohem Wirkungsgrad zur Herstellung der gasförmigen Reaktionsprodukte einzusetzen. Auf diese Weise kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung der elektrische Strom, wie nachfolgend erläutert, gewissermaßen in Form eingesparten Brennstoffs (zwischen-)gespeichert bzw. gepuffert werden.
Die gasförmigen Reaktionsprodukte können beispielsweise in ein Erdgasnetz eingespeist werden, das aufgrund seiner Größe eine Pufferfunktion aufweisen und daher die zeitweise erhöhte Gasmenge aufnehmen kann. Insgesamt braucht in ein entsprechendes Erdgasnetz aufgrund der im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglichen Einspeisung der gasförmigen Reaktionsprodukte eine geringe Erdgasmenge importiert zu werden.
Der Einsatz von elektrischem Strom ermöglicht also die Herstellung entsprechender Reaktionsprodukte unter Einsatz verminderter Brenngasmengen. Im Gegensatz zu bekannten „Power to Gas“-Verfahren erfolgt die Nutzung des elektrischem Stroms mit dem erwähnten und nachfolgend erläuterten hohen Wirkungsgrad. Das Verfahren ist daher energetisch besonders vorteilhaft und ermöglicht eine effiziente Nutzung bzw. Speicherung von elektrischem Strom. Der eingesparte und auf die oben erläuterte Weise (zwischen-)gespeicherte Brennstoff kann dann, wenn kein Stromüberschuss vorliegt, beispielsweise zur Rückverstromung verfeuert werden. Dies kann besonders effizient beispielsweise in vorhandenen Gasturbinenkraftwerken , Gas-und-Dampf-Anlagen oder bei Einsatz einer Gasturbine direkt in der Anlage erfolgen.
Statt Gas umständlich und verlustreich aus Strom herzustellen, wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung also erkannt, dass es deutlich einfacher und energetisch günstiger ist, bei gasbefeuerten Prozessen bzw. in entsprechenden Reaktoren einen Teil der Energie in Form von elektrischem Strom zuzuführen, statt durch Verbrennung von Gas. Dies erfolgt in Zeiträumen, in denen der elektrische Strom im Überschuss vorliegt. Man erhält auf diese Weise gewissermaßen das durch den elektrischen Strom ersetzte Brenngas als „Produkt“ aus dem Strom. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann dabei ein Wirkungsgrad von bis zu 100% oder mehr erreicht werden, wenn man spezifisch die eingesparte Brennstoffmenge durch den Einsatz des elektrischen Strom und die hieraus abgeleitete Heizleistung bzw. den „Heizwert“ des elektrischen Stroms unter den vorliegenden Bedingungen betrachtet. Die Heizleistung kann dabei, wenngleich für elektrischen Strom untypisch aber technisch korrekt, in kJ bzw. kJ/s ausgedrückt werden, was der Leistung in kW entspricht. Da entsprechender Brennstoff zusätzlich zur Verfügung steht, wird dieser gewissermaßen durch den Einsatz des elektrischen Stroms produziert. In einem unten erläuterten Beispiel ergibt sich unter diesem Aspekt ein Wirkungsgrad von 106,4%.
Die vorliegende Erfindung kommt dabei insbesondere im Zusammenhang mit solchenen Verfahren zum Einsatz, bei der eine kontinuierliche Befeuerung von Reaktoren mit nicht anderweitig verwendeten Anteilen aus einem Produktgemisch des Verfahrens (sogenanntem Tail- bzw. Restgas, also einem wasserstoff-, kohlenmonoxid- und/oder methanhaltigen Gasgemisch) erfolgt. Beispielsweise handelt es sich hierbei um bekannte Dampfspaltverfahren (Steamcracking) und/oder bekannte Reformierungsverfahren. Bei diesen Verfahren werden Reaktoren eingesetzt, die durch Brenner beheizte (befeuerte) Reaktionsrohre bzw. Reaktionskammern umfassen, durch welche ein Einsatz geführt und dabei zumindest teilweise zu den gewünschten Reaktionsprodukten umgesetzt wird.
Die vorliegende Erfindung schlägt insgesamt ein Verfahren zur Herstellung eines oder mehrerer gasförmiger Reaktionsprodukte vor, bei dem ein Reakor verwendet wird, der unter Verwendung eines Brennstoffs befeuert wird. Das Befeuern des Reaktors umfasst dabei, dass einem oder mehreren Brennern der Brennstoff und ein sauerstoffhaltiges Verbrennungsunterstützungsgas zugeführt werden und zumindest ein Teil des Brennstoffs mit zumindest einem Teil des Sauerstoffs in dem Verbrennungsunterstützungsgas unter Erhalt eines Rauchgases in dem einen oder den mehreren Brennern verbrannt wird. Es versteht sich, dass, wenn hier von „einem“ Reaktor oder Brenner die Rede ist, auch mehrere Reaktoren bzw. Brenner eingesetzt werden können. Entsprechendes gilt auch für „einen“ Brennstoff und „ein“ Verbrennungsunterstützungsgas.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird das Verbrennungsunterstützungsgas zumindest teilweise vorgeheizt. Eine teilweise Vorheizung kann dabei insbesondere umfassen, dass nur ein Teilstrom des Verbrennungsunterstützungsgases vorgeheizt wird, wohingegen ein weiterer Teilstrom unvorgeheizt verwendet wird. Entsprechende Teilströme können anschließend zusammengefasst werden. Auch kann beispielsweise, wie nachfolgend erläutert, das Verbrennungsunterstützungsgas unter Verwendung von rückgeführtem Rauchgas und Frischluft bzw. einem entsprechenden sauerstoffhaltigen Gasgemisch gebildet werden. In diesem Fall kann beispielsweise nur die Frischluft oder das entsprechende Gasgemisch, nicht aber das rückgeführte Rauchgas in der erläuterten Weise vorgewärmt werden. Eine „Vorwärmung“ schließt nicht aus, dass das Verbrennungsunterstützungsgas bereits auf einem deutlich oberhalb der Umgebungstemperatur liegenden Temperaturniveau vorliegt, beispielsweise durch die Verwendung des Rauchgases.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird oder werden das eine oder die mehreren gasförmigen Reaktionsprodukte dem Reaktor als Teil eines Gasgemischs entnommen, das aus einer oder mehreren Reaktionszonen des Reaktors ausgeleitet wird. Reaktoren in dem hier einschlägigen technischen Gebiet können insbesondere als Rohrreaktoren bzw. Reaktoren mit Rohrschlangen (sogenannten Coils) ausgebildet sein. In einem derartigen Fall bilden Innenräume der Reaktionsrohre bzw. Rohrschlangen die Reaktionszonen. Insbesondere werden diese Reaktionszonen im Rahmen der vorliegenden Erfindung indirekt beheizt, d.h. eine bei der Befeuerung mittels des oder der Brenner gebildete Flamme kommt nicht mit den Komponenten innerhalb der Reaktionszonen in direkten Kontakt.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, das zumindest teilweise Vorheizen des Verbrennungsunterstützungsgases in einem ersten Zeitraum unter Verwendung einer ersten Menge elektrischen Stroms und in einem sich nicht mit dem ersten Zeitraum überschneidenen zweiten Zeitraum unter Verwendung einer zweiten, geringeren Menge elektrischen Stroms oder stromlos vorzunehmen. Mit anderen Worten wird gemäß der vorliegenden Erfindung in dem ersten Zeitraum eine elektrische Vorheizung des Verbrennungsuntgerstützungsgases vorgenommen, die in dem zweiten Zeitraum in geringerem Umfang erfolgt oder nicht vorgenommen wird. In dem ersten Zeitraum ersetzt die elektrische Vorheizung des Verbrennungsuntgerstützungsgases dabei insbesondere die in dem zweiten Zeitraum nichtelektrisch vorgenommene Vorheizung des Verbrennungsuntgerstützungsgases, beispielsweise durch Verbrennung eines Brennstoffs, insbesondere eines Brenngases. Das Brenngas wird, mit anderen Worten, in dem ersten Zeitraum, der insbesondere einem Zeitraum entspricht, in dem elektrischer Strom, insbesondere aus erneuerbaren Energiequellen, im Überschuss zur Verfügung steht, durch den elektrischen Strom ersetzt und damit eingespart. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann also gewissermaßen der elektrische Strom in Form des (eingesparten) Brennstoffs (zwischen-)gespeichert bzw. gepuffert werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung zur Gewinnung von Reaktionsprodukten einsetzbare Verfahren und Vorrichtungen sind umfangreich in der Literatur beschrieben. Zu Verfahren und Vorrichtungen zum Dampfspalten sei beispielsweise auf den Artikel „Ethylene“ in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, online seit 15. April 2007, DOI 10.1002/14356007.a10_045.pub2, hingewiesen. Verfahren und Vorrichtungen zur Reformierung gehen hingegen beispielsweise aus dem Artikel „Gas Production“ in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Onlineausgabe, 15. Juni 2000, DOI: 10.1002/14356007.a12_169, hervor.
im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann als Reformierungsverfahren beispielsweise eine Dampfreformierung, eine Trockenreformierung oder eine eine autotherme Reformierung erfolgen. Auch die Verwendung einer partiellen Oxidation oder eine Kombination zumindest zweier der genannten Prozesse ist möglich. Dampf- und Trockenreformierung unterscheiden sich insbesondere durch die eingesetzte Dampfmenge, die bei der Dampfreformierung bei mehr als dem Doppelten der eingesetzten Kohlenstoffmenge liegt. Bei der Trockenreformierung kann die eingesetzte Dampfmenge deutlich darunter liegen. Wie erwähnt sind Kombinationen dieser Reaktionen sind möglich, wie beispielsweise die Parallelschaltung von Dampfreformierung und partieller Oxidation oder die sequentielle Verschaltung von Dampfreformierung und autothermer Reformierung. Auf diese Weise kann ein Synthesegas mit vorteilhafter Zusammensetzung bereitgestellt werden.
Es sei jedoch betont, dass, obgleich die vorliegende Erfindung überwiegend unter Bezugnahme auf Dampfspaltverfahren und Reformierungsverfahren beschrieben wird, sich diese für sämtliche Verfahren eignet, in denen unter Verwendung befeuerter Reaktoren, in denen entsprechenden Brennern vorgeheiztes Verbrennungsunterstützungsgas zugeführt wird, entsprechende Reaktionsprodukte gebildet werden. Insbesondere kann die vorliegende Erfindung dabei im Zusammenhang mit kontinuierlich befeuerten Reaktoren zum Einsatz kommen. Die Erfindung kann insbesondere mit solchen Verfahren verwendet werden, bei denen das oder die Reaktionsprodukte als Teil eines Gasgemischs erhalten werden, das nicht als das oder die Reaktionsprodukte genutzte brennbare Komponenten enthält, insbesondere Wasserstoff, Kohlenmonoxid und/oder Methan (sogenanntes Tail- oder Restgas), welche als Brenngas verwendbar sind.
Wie bereits erläutert und hier nur nochmals zusammengefasst, kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung der erste Zeitraum zumindest teilweise einem Zeitraum entsprechen, in der der elektrische Strom im Überschuss zur Verfügung steht, und der zweite Zeitraum kann zumindest teilweise einem Zeitraum entsprechen, in dem der elektrische Strom nicht oder zumindest nicht im Überschuss zur Verfügung steht. Der elektrische Strom wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere unter Verwendung einer erneuerbaren Energiequelle bereitgestellt, beispielsweise unter Verwendung von Windkraft, Sonnenenergie, Gezeitenkraft und dergleichen.
Wie ebenfalls bereits erläutert und hier nur nochmals zusammengefasst, kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung das zumindest teilweise Vorheizen des Verbrennungsunterstützungsgases in dem zweiten Zeitraum unter Verwendung einer ersten Menge eines Brennstoffs und in dem zweiten Zeitraum unter Verwendung einer zweiten, geringeren Menge des Brennstoffs erfolgen. Zu weiteren Details und entsprechenden Vorteilen sei auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
In dem Verfahren wird ein Rauchgas gebildet, das, wie ebenfalls mehrfach erwähnt, zumindest zum Teil zur Bildung des Verbrennungsunterstützungsgases verwendet wird. Ferner wird vorteilhafterweise aus dem Gasgemisch, welches aus der einen oder den mehreren Reaktionszonen des Reaktors ausgeleitet wird, und welches das eine oder die mehreren gasförmigen Reaktionsprodukte enthält, ein Gas oder Gasgemisch abgetrennt, das eine oder mehrere brennbare Komponenten enthält, und in dem Verfahren bei der Bildung des Brennstoffs verwendet wird. Unter Verwendung von Abwärme des oder der Brenner wird zur weiteren Energierückgewinnung in einem oder mehreren Wärmetauschern Wasser erwärmt und/oder Dampf erzeugt, erwärmt und/oder überhitzt. Das Verfahren kann insbesondere umfassen, dass zumindest in dem zweiten Zeitraum eine Erzeugung von elektrischem Strom vorgenommen wird. Hierzu kann der in dem ersten Zeitraum eingesparte Brennstoff eingesetzt werden.
Zu den Merkmalen und Vorteilen der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Anlage zur Herstellung eines oder mehrerer gasförmiger Reaktionsprodukte sei auf den entsprechenden unabhängigen Patentanspruch und die obigen Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Verfahren und seiner Ausgestaltungen ausdrücklich verwiesen.
Nachfolgend werden Vorteile der erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. einer entsprechenden Anlage nochmals anhand eines Beispiels gegenüber einem nicht erfindungsgemäßen Verfahren bzw. einer entsprechenden Anlage erläutert.
Es sei ein herkömmlicher, zum Dampfspalten verwendeter Reaktor (Spaltofen) gegeben, der grundsätzlich wie in der nachfolgenden 1 veranschaulicht ausgebildet sein kann, bei dem jedoch keine Vorwärmung des Verbrennungsuntserstützungsgases, hier Verbrennungsluft auf einer Temperatur von 28 ℃, erfolgt. Diesem Reaktor werde eine Menge von 1.067.000 Nm³/h (Normkubikmeter pro Stunde) Verbrennungsluft zugeführt. Um eine ausreichende Reaktionstemperatur zu erzielen, werden 1.000 MW Unterfeuerungsleistung in Form des mit der Verbrennungsluft verbrannten Brennstoffs benötigt. In der Strahlungszone des Reaktors kann auf diese Weise ein Strahlungszonenwirkungsgrad von 41,9% erzielt werden. Durch die Nutzung der Abwärme kann Dampf in einer Menge von 595 t/h gebildet werden, wodurch 512 MW Leistung zurückgewonnen werden können. Dieser Dampf wird im dargestellten Beispiel als Hochdruckdampf, beispielsweise auf einem Druck von ca. 120 bar und einer Temperatur von ca. 520 ℃ bereitgestellt werden. Es verbleiben 1.172.000 Nm³/h Rauchgas auf einer Temperatur von 128 ℃, entsprechend einer Leistung von 60 MW.
In der in 1 veranschaulichten Anlage 100 bzw. einem entsprechenden Verfahren gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erfolgt eine Vorwärmung des Verbrennungsunterstützungsgases auf eine Temperatur von 400 ℃. Die nachfolgenden Erläuterungen beziehen sich dabei auf den im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen Betrieb in dem ersten Zeitraum.
Die Nutzung der Abwärme bleibt gleich wie in dem zuvor erläuterten herkömmlichen Beispiel. So wird auch hier Dampf unter den zuvor erläuterten Bedingungen in einer Menge von 595 t/h gebildet, wodurch 512 MW Leistung zurückgewonnen werden können. Da ferner identische Reaktionstemperaturen verwendet werden, ergibt sich auch hier eine Menge von 1.172.000 Nm3/h Rauchgas auf einer Temperatur von 128 ℃.
Zur Vorwärmung des Verbrennungsunterstützungsgases wird eine Teilmenge des Rauchgases, nämlich 205.000 Nm³/h mit 881.000 Nm³/h Frischluft auf einer Temperatur von 28 ℃ gemischt. Es ergibt sich eine Menge von 1.086.000 Nm³/h Verbrennungsunterstützungsgas. Diese ist größer als zuvor, da hierdurch die durch die Vorwärmung geringere Menge an Brennstoff ausgeglichen wird. Anstelle von zuvor 1.000 MW Unterfeuerungsleistung werden nurmehr 825 MW benötigt. Mit dem vorgewärmten Verbrennungsunterstützungsgas werden nun dem Reaktor insgesamt 175 MW an Leistung zugeführt.
Die Vorwärmung des Verbrennungsunterstützungsgases umfasst dabei die Verwendung von 164 MW elektrischen Stroms, bei dem es sich, wie erwähnt, um Überschussstrom aus erneuerbaren Energiequellen handeln kann.
Der Strahlungszonenwirkungsgrad ergibt sich auch hier zu 41,9%. Durch die beschriebene Rauchgasrückführung gelangt lediglich noch der Rest von 967.000 Nm³/h mit einer Temperatur von 128 ℃, entsprechend 50 MW, an die Umgebung.
Insgesamt lässt sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung mit einem Einsatz von 164 MW elektrischer Leistung Brennstoff entsprechend einer Leistung von 175 MW einsparen. Da dieser Brennstoff zusätzlich zur Verfügung steht, wird dieser gewissermaßen durch den Einsatz des elektrischen Stroms produziert. Es ergibt sich ein Wirkungsgrad, bezogen auf diesen Aspekt, von 106,4%. Der thermische Wirkungsgrad des Reaktors ergibt sich zu 95,0%
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Figurenliste

1 zeigt eine Anlage zur Herstellung eines oder mehrerer gasförmiger Reaktionsprodukte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in vereinfachter schematischer Darstellung.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
In 1 ist eine Anlage zur Herstellung eines oder mehrerer gasförmiger Reaktionsprodukte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vereinfacht schematisch dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet.
Die Anlage 100 umfasst einen Reaktor 1, der im dargestellten Beispiel als Spaltofen ausgebildet ist und damit in einem Dampfspaltverfahren eingesetzt wird. Der Reaktor 1 umfasst eine Konvektionszone 11 und eine Strahlungszone 12. In der Strahlungszone 12 sind, insbesondere bodenseitig, sind mehrere Brenner 13 angeordnet. Den Brennern 13 wird ein Brennstoff in Form eines Stoffstroms A und ferner ein nachfolgend erläutertes sauerstoffhaltiges Verbrennungsunterstützungsgas in Form eines Stoffstroms B zugeführt.
Ein kohlenwasserstoffhaltiger Reaktionseinsatz, der beispielsweise Naphtha oder Ethan umfasst, wird in Form eines Stoffstroms C bereitgestellt und, wie hier nicht veranschaulicht, mit Dampf gemischt. Der Dampf, der Reaktionseinsatz und/oder das gebildete Gemisch können insbesondere in einem Wärmetauscher 14 in der Strahlungszone 12 gebildet bzw. vorgeheizt werden, bevor das Gemisch auf eine Vielzahl von Rohrschlangen 15 (sogenannte Coils, die hier nur anhand eines Beispiels veranschaulicht sind) verteilt und durch die Strahlungszone geführt wird.
Ein auf diese Weise gebildetes Produktgemisch bzw. Rohgas oder Spaltgas wird in Form eines Stoffstroms D einer hier stark vereinfacht gezeigten Aufbereitung 2 zugeführt. Die Aufbereitung 2 beginnt typischerweise mit einer Ölwäsche und einer Wasserwäsche, in denen das noch heiße Rohgas weiter abkühlt und schwere Verunreinigungen wie Koks und Teer abgeschieden werden. Anschließend wird das Spaltgas zunächst stufenweise verdichtet. Im Zuge der Verdichtung können beispielsweise mittels einer Laugewäsche Sauergase entfernt werden. Mittels eines adsorptiven Trockners kann Wasser entfernt werden. Im Zuge der Aufbereitung 2 kann ferner eine Hydrierung von Acetylenen erfolgen. Die Aufbereitung 2 umfasst zudem folgt die stufenweise Kühlung des Spaltgases und eine Sequenz von Rektifikationen, in denen das Spaltgas bzw. dessen nach den vorigen Schritten verbleibender Rest in Fraktionen unterschiedlicher Kohlenstoffzahl zerlegt wird.
Insgesamt werden in der Aufbereitung ein oder mehrere Produkte, unter anderem beispielsweise Ethylen, in Form eines oder mehrerer Stoffströme F, ein oder mehrere Nebenprodukte, unter anderem beispielsweise Pyrolysebenzin, Pyrolyseöl und Sauergase, in Form eines oder mehrerer Stoffströme G, und ein sogenanntes Rest- bzw. Tailgasgemisch, das insbesondere Wasserstoff und Methan enthält, in Form eines Stoffstroms H gebildet. Zumindest ein Teil des Stoffstroms H kann dabei bei der Bildung des Stoffstroms A, und damit als Brennstoff, verwendet werden. Bei Bedarf kann aber auch ausschließlich oder zusätzlich frischer Brennstoff in Form eines Stoffstroms I zugeführt werden.
In der Konvektionszone 11 oder einem Rauchgaskanal stromab hiervon können ein oder mehrere weitere Wärmetauscher 16 angeordnet sein, mittels dessen oder derer beispielsweise ein oder mehrere Wasser- und/oder Dampfströme, wie hier anhand eines Stoffstroms K veranschaulicht, erwärmt bzw. gebildet werden können. Nach einer auf diese Weise erfolgten Wärmerückgewinnung wird aus der Konvektionszone 11 bzw. über den Rauchgaskanal stromab hiervon ein Rauchgas in Form eines Stoffstroms L abgezogen. Dieses kann zumindest zum Teil bei der Bildung des Stoffstroms B, und damit des Verbrennungsunterstützungsgases, verwendet werden, um dessen Temperatur zu moderieren. In diesem Fall wird ein weiteres sauerstoffhaltiges Gas oder Gasgemisch, insbesondere Luft, in Form eines Stoffstroms M bei der Bildung des Stoffstroms B und damit als Teil des Verbrennungsunterstützungsgases verwendet. Grundsätzlich kann auch auf die Verwendung von Rauchgas bei der Bildung des Stoffstroms B und damit des Verbrennungsunterstützungsgases verzichtet werden.
Ein wesentlicher Aspekt der hier veranschaulichten Anlage 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist dass das Verbrennungsunterstützungsgas zumindest teilweise vorgeheizt wird, bevor es den Brennern 13 zugeführt wird. Hierzu ist eine Heizeinrichtung 3 vorgesehen, welche unter Verwendung von elektrischem Strom, wie hier in Form eines Pfeils N veranschaulicht, betrieben werden kann. Ferner kann die Heizeinrichtung 3 im dargestellten Beispiel unter Verwendung von Brennstoff, wie hier in Form eines Stoffstroms O veranschaulicht, betrieben werden. Auch hier kann der Stoffstrom O, und damit ein entsprechender Brennstoff, unter Verwendung zumindest eines Teils des Stoffstroms H, und damit des Rest- bzw. Tailgases aus der Aufbereitung 2, gebildet werden.
In der Anlage 100 erfolgt das Vorheizen des Verbrennungsunterstützungsgases, und damit des Stoffstroms B, in einem ersten Zeitraum unter Verwendung einer ersten Menge des elektrischen Stroms N und in einem sich nicht mit dem ersten Zeitraum überschneidenen zweiten Zeitraum unter Verwendung einer zweiten, geringeren Menge elektrischen Stroms N oder stromlos. In dem zweiten Zeitraum kann also in einem stärkeren Maße oder ausschließlich auf die Verwendung des Brennstoffs O zur Beheizung zurückgegriffen werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines oder mehrerer gasförmiger Reaktionsprodukte, bei dem ein Reakor (1) verwendet wird, der unter Verwendung eines Brennstoffs befeuert wird, wobei zum Befeuern einem oder mehreren Brennern (2) der Brennstoff und ein sauerstoffhaltiges Verbrennungsunterstützungsgas zugeführt wird und zumindest ein Teil des Brennstoffs mit zumindest einem Teil des Sauerstoffs in dem Verbrennungsunterstützungsgas unter Erhalt eines Rauchgases mittels des einen oder der mehreren Brenner (2) verbrannt wird, wobei das Verbrennungsunterstützungsgas zumindest teilweise vorgeheizt wird, und wobei das eine oder die mehreren gasförmigen Reaktionsprodukte dem Reaktor (1) als Teil eines Gasgemischs entnommen wird oder werden, das aus einer oder mehreren Reaktionszonen des Reaktors (1) ausgeleitet wird, die mittels des einen oder der mehreren Brenner (2) indirekt beheizt wird oder werden, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest teilweise Vorheizen des Verbrennungsunterstützungsgases in einem ersten Zeitraum unter Verwendung einer ersten Menge elektrischen Stroms und in einem sich nicht mit dem ersten Zeitraum überschneidenen zweiten Zeitraum unter Verwendung einer zweiten, geringeren Menge elektrischen Stroms oder stromlos erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, das als ein Dampfspaltverfahren oder ein Reformierungsverfahren ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der erste Zeitraum zumindest teilweise einem Zeitraum entspricht, in der der elektrische Strom im Überschuss zur Verfügung steht, und bei dem der zweite Zeitraum zumindest teilweise einem Zeitraum entspricht, in dem der elektrische Strom nicht oder zumindest nicht im Überschuss zur Verfügung steht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der elektrische Strom unter Verwendung einer erneuerbaren Energiequelle bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das zumindest teilweise Vorheizen des Verbrennungsunterstützungsgases in dem zweiten Zeitraum unter Verwendung einer ersten Menge eines Brennstoffs und in dem zweiten Zeitraum unter Verwendung einer zweiten, geringeren Menge des Brennstoffs erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem bei der Verbrennung ein Rauchgas gebildet wird, das zumindest zum Teil zur Bildung des Verbrennungsunterstützungsgases verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem aus dem Gasgemisch, welches aus der einen oder den mehreren Reaktionszonen des Reaktors (1) ausgeleitet wird, und welches das eine oder die mehreren gasförmigen Reaktionsprodukte enthält, ein Gas oder Gasgemisch abgetrennt wird, das eine oder mehrere brennbare Komponenten enthält, und in dem Verfahren bei der Bildung des Brennstoffs verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem unter Verwendung von Abwärme des oder der Brenner (2) in einem oder mehreren Wärmetauschern Wasser erwärmt und/oder Dampf erzeugt, erwärmt und/oder überhitzt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem zumindest in dem zweiten Zeitraum eine Erzeugung von elektrischem Strom vorgenommen wird.
Anlage (100) zur Herstellung eines oder mehrerer gasförmiger Reaktionsprodukte, mit einem Reakor (1), der unter Verwendung eines Brennstoffs befeuerbar ist, wobei zum Befeuern einem oder mehreren Brennern (2) der Brennstoff und ein sauerstoffhaltiges Verbrennungsunterstützungsgas zuführbar ist und zumindest ein Teil des Brennstoffs mit zumindest einem Teil des Sauerstoffs in dem Verbrennungsunterstützungsgas unter Erhalt eines Rauchgases mittels des einen oder der mehreren Brenner (2) verbrennbar ist, wobei eine Vorheizeinrichtung (3) zum zumindest teilweise Vorheizen des Verbrennungsunterstützungsgas bereitgestellt ist, und wobei das eine oder die mehreren gasförmigen Reaktionsprodukte dem Reaktor (1) als Teil eines Gasgemischs entnehmbar ist oder sind, das aus einer oder mehreren Reaktionszonen des Reaktors (1) ausleitbar ist, die mittels des einen oder der mehreren Brenner (2) indirekt beheizbar ist oder sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage dafür eingerichtet ist, die Vorheizeinrichtung (3) in einem ersten Zeitraum unter Verwendung einer ersten Menge elektrischen Stroms und in einem sich nicht mit dem ersten Zeitraum überschneidenen zweiten Zeitraum unter Verwendung einer zweiten, geringeren Menge elektrischen Stroms oder stromlos zu betreiben.