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Diese
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Synthesegas
und auf ein Verfahren zum Betreiben eines Festbett-Trockenbodenvergasers.
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Es
stehen verschiedene Vergasungstechnologien zum Vergasen eines kohlenstoffhaltigen
Materials wie Kohle zur Verfügung,
um Synthesegas herzustellen. Mit geeigneter Kohle, die für eine Festbett-Trockenbodenvergasungstechnologie
verwendet wird, sind weniger Sauerstoff und Kohle für die Herstellung
einer bestimmten effektiven Menge von Synthesegas erforderlich als
mit Hochtemperaturvergasungstechnologien, insbesondere für Kohle,
die eine Menge anorganisches Material und inhärente Feuchtigkeit enthält. (Effektives
Synthesegas ist definiert als der Teil eines Synthesegases, welcher
in Anbetracht des gewählten
Produktzustands und der Umwandlungstechnologie potentiell in ein
Kohlenwasserstoffprodukt umgewandelt werden kann). Der Verbrauch
von Dampf als Vergasungs- oder Moderationsmittel ist jedoch höher, wenn
eine Festbett-Trockenbodenvergasungstechnologie eingesetzt wird, verglichen
mit anderen Vergasungstechnologien. Wenn die für die Dampferzeugung erforderliche
Kohle berücksichtigt
wird, ist der von der Festbett-Trockenbodenvergasungstechnologie
bereitgestellte Nutzen der Verwendung von weniger Kohle, verglichen
mit alternativen Hochtemperaturvergasungstechnologien, zum Herstellen
einer effektiven Menge an Synthesegas, verringert oder gleich Null.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von Synthesegas
bereitgestellt, wobei das Verfahren umfasst:
das Befeuchten
eines sauerstoffhaltigen Stroms durch in Kontakt bringen des sauerstoffhaltigen Stroms
mit einer heißen
wässrigen
Flüssigkeit,
um einen befeuchteten sauerstoffhaltigen Strom zu erzeugen; und
das
Einspeisen des befeuchteten sauerstoffhaltigen Stroms in einen Vergaser,
in welchem ein kohlenstoffhaltiges Material vergast wird, um dadurch
Synthesegas zu erzeugen.
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Der
Begriff "Vergaser" wird in dieser Beschreibung
in dem herkömmlichen
Sinne verwendet, d. h. eine Apparatur zum Umwandeln eines kohlenwasserstoffhaltigen
Einsatzmaterials, welches überwiegend
fest (z. B. Kohle) oder flüssig
ist, in Synthesegas, im Gegensatz zu "Reformer", welcher eine Apparatur zur Umwandlung
eines überwiegend
gasförmigen
kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzmaterials in Synthesegas ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist der Vergaser ein nicht verschlackender Niedertemperaturvergaser,
wie etwa ein Niedertemperatur-Festbett-Trockenbodenvergaser (auch als Trockenasche-Wanderbettvergaser
bezeichnet), z. B. ein Niedertemperatur-Festbettvergaser von Sasol-Lurgi
(Handelsname).
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Außerdem verwenden
bestimmte Arten und/oder Anwendungen von Flugstromvergasern (d. h.
verschlackenden Hochtemperaturvergasern), verschlackenden Festbettvergasern,
Bewegtbettvergasern oder Fließbettvergasern
Dampf als Einsatzmaterial, wenngleich in niedrigeren Mengen als
denjenigen, die in nichtverschlackenden Niedertemperaturvergasern
verwendet werden. Ein solcher Dampf kann z. B. als Moderator verwendet
werden, um Brenner der Vergaser, die Brenner aufweisen, zu schützen oder
um das H2/CO-Verhältnis von durch einen Vergaser
erzeugtem Synthesegas einzustellen. So kann in verschiedenen Ausführungsformen
der Erfindung der Vergaser ein Flugstromvergaser oder ein verschlackender
Festbettvergaser oder ein Bewegtbettvergaser oder ein Fließbettvergaser
sein.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines
Festbett-Trockenbodenvergasers bereitgestellt, wobei das Verfahren
umfasst:
das Befeuchten eines sauerstoffhaltigen Stroms durch
in Kontakt bringen des sauerstoffhaltigen Stroms mit einer heißen wässrigen
Flüssigkeit,
um einen befeuchteten sauerstoffhaltigen Strom zu erzeugen;
das
Einspeisen des befeuchteten sauerstoffhaltigen Stroms, von Dampf
und festem kohlenstoffhaltigem Material in den Festbett-Trockenbodenvergaser;
das
Vergasen des festen kohlenstoffhaltigen Materials in Gegenwart von
Sauerstoff und Dampf in dem Vergaser, um Synthesegas und Asche zu
erzeugen; und
das Entfernen des Synthesegases und der Asche aus
dem Vergaser.
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Das
Verfahren kann das Erzeugen des sauerstoffhaltigen Stroms in einer
Luftzerlegungsanlage (air separation unit, ASU), vorzugsweise einer
kryogenen ASU, umfassen.
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Das
Befeuchten des sauerstoffhaltigen Stroms schließt typischerweise das Erhitzen
des sauerstoffhaltigen Stroms durch direktes in Kontakt bringen
des sauerstoffhaltigen Stroms mit der heißen wässrigen Flüssigkeit ein. Die theoretische
Höchsttemperatur,
auf welche der sauerstoffhaltige Strom durch solchen direkten Kontakt
vorgeheizt werden kann, wird durch die Sättigungstemperatur von Wasser
bei dem Sauerstoffsystemdruck festgelegt. Bei einem Sauerstoffsystemdruck
von 3000 kPa (absolut) liegt die theoretische maximale Vorheiztemperatur unter
234°C und
sie liegt unter 257°C
bei einem Systemdruck von 4500 kPa (absolut). Insbesondere kann
bei typischen Vergaserbetriebsbedingungen der in den Vergaser eingespeiste
befeuchtete sauerstoffhaltige Strom eine Temperatur von wenigstens 160°C, vorzugsweise
wenigstens ungefähr
200°C, mehr
bevorzugt wenigstens ungefähr
220°C aufweisen.
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Bei
Bedingungen, wie sie typischerweise angetroffen werden, kann der
in den Vergaser eingespeiste befeuchtete sauerstoffhaltige Strom
eine Wasserkonzentration von wenigstens ungefähr Vol.-%, vorzugsweise wenigstens
ungefähr
20 Vol.-%, mehr bevorzugt wenigstens ungefähr 40 Vol.-%, typischerweise
zwischen ungefähr
40 und ungefähr
90 Vol.-%, noch typischer zwischen ungefähr 40 und ungefähr 70 Vol.-%,
z. B. ungefähr
65 Vol.-% als Ergebnis der Befeuchtung durch die heiße wässrige Flüssigkeit
aufweisen.
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Typischerweise
weist der befeuchtete sauerstoffhaltige Strom einen Druck zwischen
ungefähr 2000
kPa (absolut) und ungefähr
6000 kPa (absolut) auf.
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Der
sauerstoffhaltige Strom kann in einer oder mehreren Befeuchtungsstufen
befeuchtet werden. In einer oder in einer ersten Befeuchtungsstufe kann
der sauerstoffhaltige Strom mit Wasser in Kontakt gebracht werden,
das als Kühlwasser
verwendet wird. Das Kühlwasser
kann von Kesselspeisequalität sein
und kann dann in einem im Wesentlichen geschlossenen Kreislauf verwendet
werden. Wasser von Kesselspeisequalität bedeutet Wasser, das sich zur
Dampferzeugung in typischen kohlebefeuerten Kesseln (z. B. bei 40
bar (Überdruck))
eignet und eine Leitfähigkeit
von weniger als 120 Mikrosiemens aufweist. Das Kühlwasser wird somit typischerweise im
indirekten Wärmeaustausch
mit einem oder mehreren heißen
Prozessströmen
verwendet, die in einem Komplex erzeugt werden, der das Synthesegas verwendet
oder erzeugt. In einer Ausführungsform der
Erfindung wird das Kühlwasser
zum Kühlen
eines komprimierten gasförmigen
Stroms in der ASU verwendet. Vorteilhafterweise verringert dies
den Bedarf an normalem Kühlwasser
von einem Anlagenkühlwasserkreislauf
und für
einen Anlagenkühlwasserkreislauf,
der einen Verdunstungs-Kühlturm verwendet,
verringert dies somit auch den Verlust von Wasser an die Atmosphäre.
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Wenn
das Kühlwasser
zum Kühlen
eines komprimierten gasförmigen
Stroms in der ASU verwendet wird, kann das zum Befeuchten des sauerstoffhaltigen
Stroms verwendete Kühlwasser
eine Speisetemperatur zwischen ungefähr 50°C und ungefähr 150°C, z. B. ungefähr 130°C aufweisen.
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Der
Vergaser kann Teil eines Komplexes zur Kohlenwasserstoffsynthese
sein, welcher Reaktionswasser erzeugt. In einer oder in einer zweiten
Befeuchtungsstufe kann der sauerstoffhaltige Strom mit dem Reaktionswasser
in Kontakt gebracht werden.
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Das
zum Befeuchten des sauerstoffhaltigen Stroms verwendete Reaktionswasser
kann vor dem in Kontakt bringen des sauerstoffhaltigen Stroms damit
erhitzt werden und kann eine Speisetemperatur zwischen ungefähr 100°C und ungefähr 280°C, z. B. ungefähr 190°C aufweisen.
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Typischerweise
umfasst das Reaktionswasser oxidierte Kohlenwasserstoffe wie Alkohole,
Ketone, Aldehyde und Säuren.
Wenigstens einige von diesen oxidierten Kohlenwasserstoffen können durch den
sauerstoffhaltigen Strom während
der Befeuchtung aufgenommen werden.
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Wenn
die heiße
wässrige
Flüssigkeit
Reaktionswasser ist, wird das Wasser typischerweise zur Befeuchtung
bei einem einmaligen Durchgang verwendet, wonach das Reaktionswasser
zu einer Wasserbehandlungsanlage oder -einrichtung geleitet werden
kann. Vorteilhafterweise können
somit wenigstens einige von diesen oxidierten Kohlenwasserstoffen
auf diese Weise dem Vergaser zugeführt werden und es muss weniger
behandelt oder entfernt werden.
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In
einer oder als eine alternative Ausführungsform der zweiten Befeuchtungsstufe
kann der sauerstoffhaltige Strom mit Wasser in Kontakt gebracht
werden, das zum Kühlen
des Reaktionsprodukts von einer Kohlenwasserstoffsynthesestufe verwendet
wird. Dieses Wasser kann Reaktionswasser sein. Das Reaktionsprodukt
kann ein gasförmiges Produkt
sein, von dem wenigstens ein Teil kondensiert wird, um Komponenten
davon abzutrennen, z. B. Reaktionswasser und schwere Kohlenwasserstoffe.
Andererseits kann das Reaktionsprodukt ein flüssiges Produkt, z. B. Wachs
sein, welches vor der weiteren Verarbeitung oder Verwendung gekühlt wird.
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Typischerweise
ist der Vergaser ein Teil eines größeren Komplexes, der das Synthesegas
verwendet oder erzeugt. Ein solcher größerer Komplex umfasst typischerweise
auch eine Kesselstufe. In einer oder als eine weitere alternative
Ausführungsform
der zweiten Be feuchtungsstufe kann der sauerstoffhaltige Strom mit
Kesselabschlämmwasser
in Kontakt gebracht werden.
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Das
Kesselabschlämmwasser,
das zum Befeuchten des sauerstoffhaltigen Stroms verwendet wird,
weist die Gleichgewichtstemperatur für Wasser bei dem gegebenen
Dampferzeugungsdruck in der Dampftrommel des Kessels auf, von dem
der Kesselablass herrührt.
Für einen
Dampferzeugungsdruck von ungefähr
44 bar (absolut) beträgt
diese Temperatur ungefähr
257°C und
bei einem Dampferzeugungsdruck von 60 bar (absolut) beträgt diese
Temperatur ungefähr
275°C. Je
höher der
Druck und somit die Gleichgewichtstemperatur, desto weniger Kesselablass
ist erforderlich, um eine bestimmte Wasserdampffraktion in dem befeuchteten
sauerstoffhaltigen Strom zu erhalten. Somit kann das Kesselabschlämmwasser,
das zum Befeuchten des sauerstoffhaltigen Stroms verwendet wird,
eine Speisetemperatur zwischen ungefähr 200°C und ungefähr 350°C, z. B. ungefähr 260°C aufweisen.
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Die
Fließgeschwindigkeit
des Kesselabschlämmwassers
kann über
den Wert erhöht
werden, der für
den Kesselbetrieb unbedingt erforderlich ist. Das Speisewasser der
Kesselstufe kann in indirekten Wärmeaustausch
mit einem oder mehreren heißen Prozessströmen vorgeheizt
werden, die in dem größeren Komplex
erzeugt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Speisewasser
der Kesselstufe gegen das indirekte Kühlen von Synthesegas vorgeheizt,
das in dem Vergaser erzeugt wird. Vorteilhafterweise stellt das
Vorheizen des Speisewassers der Kesselstufe eine Senke für die geringwertige Wärme bereit
und verringert den Bedarf an weiterer Kohle zum Unterstützen der
erhöhten
Geschwindigkeit des Kesselabschlämmwassers.
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Das
Speisewasser der Kesselstufe kann von ungefähr Umgebungstemperatur auf
gerade weniger als den Siedepunkt, z. B. ungefähr 90°C vorgeheizt werden, bevor es
entgast wird. Entgastes Speisewasser der Kesselstufe kann ferner
vom Siedepunkt in dem Entgaser bis ungefähr 10°C unter der Kesseldampferzeugungstemperatur
vorgeheizt werden, welche ungefähr
257°C für Dampf
mit 45 bar (absolut) und ungefähr
350°C für Dampf
mit 165 bar (absolut) beträgt.
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Das
Kesselabschlämmwasser,
typischerweise mit einer erhöhten
Konzentration von gelöstem Sauerstoff,
kann von der Befeuchtungsstufe, d. h. nach dem Befeuchten des sauerstoffhaltigen
Stroms, als Speisewasser zu der Kesselstufe zurückgeführt werden. Es kann dann erforderlich
sein, das Wasser bei einem verringerten Druck in einer Flash-Stufe
im Anschluss an die Befeuchtungsstufe sehr rasch zu verdampfen,
um wenigstens einen Teil des gelösten Sauerstoffs
zu entfernen. Die Flash-Stufe geht vorzugsweise dem Vorheizen des
Wassers, das der Kesselstufe zugeführt wird, voran.
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Die
Flash-Stufe kann bei Atmosphärendruck betrieben
werden oder kann durch einen Entgaser ersetzt werden.
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Der
sauerstoffhaltige Strom kann mit der heißen wässrigen Flüssigkeit in jeder geeigneten
herkömmlichen
Vorrichtung zum in Kontakt bringen von Gas und Flüssigkeit,
z. B. einer Füllkörperkolonne oder
einem Füllkörperturm,
in Kontakt gebracht werden.
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Das
Verfahren schließt
typischerweise das Zuführen
von Dampf als Vergasungsmittel zu dem Vergaser ein. Der Dampf und
befeuchtete sauerstoffhaltige Ströme können vereinigt werden, bevor
sie dem Vergaser zugeführt
werden.
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Die
Kohlenwasserstoffsynthese kann eine Fischer-Tropsch-Synthese sein.
Die Fischer-Tropsch-Synthese
kann eine Dreiphasen-Niedertemperatur-Fischer-Tropsch-Synthese sein.
Die Niedertemperatur-Fischer-Tropsch-Synthese kann bei einer Temperatur
von weniger als ungefähr 280°C, typischerweise
bei einer Temperatur zwischen ungefähr 160°C und ungefähr 280°C, vorzugsweise zwischen ungefähr 220°C und ungefähr 260°C, z. B.
bei ungefähr
240°C durchgeführt werden.
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Die
Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen
Abbildungen beschrieben, in welchen
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1 einen
Kohlenwasserstoffsyntheseprozess zeigt, welcher eine Ausführungsform
eines Verfahrens gemäß der Erfindung
für die
Herstellung von Synthesegas einsetzt;
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2 zeigt
einen weiteren Kohlenwasserstoffsyntheseprozess, welcher eine weitere
Ausführungsform
eines Verfahrens gemäß der Erfindung
für die
Herstellung von Synthesegas einsetzt; und
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3 zeigt
einen Prozess gemäß dem Verfahren
der Erfindung zur Herstellung von Synthesegas.
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Wie
unter Bezugnahme auf 1 der Abbildungen zu sehen ist,
gibt das Bezugszeichen 10 allgemein einen Prozess zur Herstellung
von Kohlenwasserstoffen an. Der Prozess 10 um fasst allgemein einen
Luftkompressor 12, eine Luftzerlegungsanlage (ASU) 14,
eine erste Befeuchtungsstufe 16, eine zweite Befeuchtungsstufe 18,
eine Vergasungsstufe 20, eine Fischer-Tropsch-Kohlenwasserstoffsynthesestufe 22,
einen Dreiphasenseparator 24 und eine Wasserbehandlungsstufe 28.
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Der
Luftkompressor 12 umfasst mehrere Kompressionsstufen 30,
von denen zwei in 1 gezeigt sind, sowie mehrere
Zwischenkühler 32,
von denen zwei in 1 gezeigt sind. Der Prozess 10 umfasst
ferner einen Kühler 34 für gasförmiges Produkt
und einen luftgekühlten
Kühler 35 zwischen
der Fischer-Tropsch-Kohlenwasserstoffsynthesestufe 22 und
dem Dreiphasenseparator 24.
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Eine
Luftzufuhrleitung 36 führt
zu dem Luftkompressor 12, wobei eine Druckluftleitung 38 von dem
Luftkompressor 12 zu der ASU 14 führt. Eine Sauerstoffleitung 40 führt von
der ASU 14 zu der ersten Befeuchtungsstufe 16 und
dann von der ersten Befeuchtungsstufe 16 zu der zweiten
Befeuchtungsstufe 18. Eine Leitung 42 für befeuchteten
Sauerstoff verbindet die zweite Befeuchtungsstufe 18 und
die Vergasungsstufe 20. Die Vergasungsstufe 20 ist auch
mit einer Kohlenzufuhrleitung 44 und einer Dampfzufuhrleitung 46 verbunden,
wobei eine Synthesegasleitung 48 von der Vergasungsstufe 20 zu der
Fischer-Tropsch-Kohlenwasserstoffsynthesestufe 22 führt.
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Eine
Leitung 50 für
flüssiges
Kohlenwasserstoffprodukt und eine Leitung 52 für gasförmiges Produkt
führen
von der Fischer-Tropsch-Kohlenwasserstoffsynthesestufe 22 weg.
Die Leitung 52 für
gasförmiges
Produkt führt
durch den Kühler 34 für gasförmiges Produkt
und den Kühler 35 zu
dem Dreiphasenseparator 24, von wo eine Leitung 54 für flüssigen Kohlenwasserstoff
und eine Abgas- bzw. Restgasleitung 56 führen. Eine
Reaktionswasserleitung 58 führt ebenfalls von dem Dreiphasenseparator 24 zu
der zweiten Befeuchtungsstufe 18 über den Kühler 34 für gasförmiges Produkt,
bevor sie zu der Wasserbehandlungsstufe 28 führt.
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Eine
Kühlwasserzirkulationsleitung 60 führt durch
die Zwischenkühler 32 in
die erste Befeuchtungsstufe 16, bevor sie zu den Zwischenkühlern 32 zurückkehrt.
Eine Kühlwasserauffüllungsleitung 62 und
eine optionale Kühlwasserablassleitung 64 sind ebenfalls
bereitgestellt.
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Bei
der Anwendung wird Luft durch die Luftzufuhrleitung 36 in
den Luftkompressor 12 gesaugt, wo die Luft komprimiert
wird, wobei die Kompressionsstufen 30 verwendet werden.
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Zwischen
den Kompressionsstufen 30 wird die Luft mittels der Zwischenkühler 32 gekühlt, wobei das
Kühlwasser
in der Kühlwasserzirkulationsleitung 60 verwendet
wird. Das Kühlwasser
ist von Kesselspeisequalität
und weist einen Druck von ungefähr 1000
bis 4500 kPa (absolut) auf. Druckluft verlässt den Luftkompressor 12 mittels
der Druckluftleitung 38 und wird in der Luftzerlegungsanlage 14 zerlegt, wobei
ein komprimierter, im Wesentlichen trockener Sauerstoffstrom erzeugt
wird, der mittels der Sauerstoffleitung 40 in die erste
Befeuchtungsstufe 16 eingespeist wird, und ein oder mehrere
weitere gasförmige
Ströme
erzeugt werden, wie durch die Leitung 41 angezeigt ist.
Eine herkömmliche
kryogene Zerlegungstechnologie wird in der Luftzerlegungsanlage 14 verwendet,
um die Luft zu zerlegen. Der Sauerstoffstrom in der Sauerstoffleitung 40 weist
typischerweise einen Druck von ungefähr 3000 bis 4500 kPa (absolut)
und Umgebungstemperatur auf, welche ungefähr 20 bis 30°C betragen
könnte.
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Das
Kühlwasser
von den Zwischenkühlern 32 wird
mittels der Kühlwasserzirkulationsleitung 60 in
die erste Befeuchtungsstufe 16 eingespeist, wo das Kühlwasser
unter Verwendung einer herkömmlichen
Gas-Flüssigkeits-Kontakttechnologie,
z. B. eines Füllkörperturms,
mit dem Sauerstoffstrom in Kontakt gebracht wird. Wenn es in die
erste Befeuchtungsstufe 16 eintritt, weist das Kühlwasser
eine Temperatur von ungefähr
100 bis 120°C
auf. In der ersten Befeuchtungsstufe 16 wird das Kühlwasser durch
den kalten Sauerstoffstrom von der ASU 14 abgekühlt, wobei
der kalte Sauerstoffstrom erhitzt und durch das Kühlwasser
befeuchtet wird. Das Kühlwasser
verlässt
die erste Befeuchtungsstufe 16 mit einer Temperatur von
ungefähr
40°C. Das
Kühlwasser
ist somit kalt genug, um für
Kühlungsaufgaben
zu den Zwischenkühlern 32 zurückgeführt zu werden.
Die Auffüllung
des Kühlwassers
erfolgt durch die Kühlwasserauffüllungsleitung 62,
um Wasser auszugleichen, das durch den Sauerstoffstrom in der ersten Befeuchtungsstufe 16 aufgenommen
wird. Falls erforderlich kann ein Teil des Kühlwassers auch unter Verwendung
der Kühlwasserablassleitung 64 abgelassen
werden.
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In
der ersten Befeuchtungsstufe 16 wird der kalte Sauerstoffstrom
bis zu einer Wasserkonzentration von ungefähr 3 Vol.-% befeuchtet und
auf eine Temperatur von ungefähr
100 bis 120°C
erhitzt. Der teilweise erhitzte, teilweise befeuchtete Sauerstoffstrom
wird dann der zweiten Befeuchtungsstufe 18 (typischerweise
ebenfalls ein Füllkörperturm)
mittels der Sauerstoffleitung 40 zugeführt. In der zweiten Befeuchtungsstufe 18 wird
der Sauerstoffstrom durch in Kontakt bringen des Sauerstoffstroms
mit Reaktionswasser, das mittels der Reaktionswasserleitung 58 in
die zweite Befeuchtungsstufe 18 eingespeist wird, weiter
er hitzt und befeuchtet. Das in die zweite Befeuchtungsstufe 18 eingespeiste
Reaktionswasser hat eine Temperatur von ungefähr 180 bis 220°C und verlässt die
zweite Befeuchtungsstufe 18 mit einer Temperatur von ungefähr 120 bis
150°C. In
der zweiten Befeuchtungsstufe 18 wird der Sauerstoffstrom auf
eine Temperatur von ungefähr
160°C erhitzt
und bis zu einer Wasserkonzentration von ungefähr 22 Vol.-% weiter befeuchtet.
Der erhitzte befeuchtete Sauerstoff wird dann mittels der Leitung 42 für befeuchteten
Sauerstoff zu der Vergasungsstufe 20 zugeführt.
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Die
Vergasungsstufe 20 umfasst einen Festbett-Trockenbodenvergaser
(typischerweise mehrere davon). In der Vergasungsstufe 20 wird
das feste kohlenstoffhaltige Material, d. h. Kohle, unter Verwendung
des befeuchteten Sauerstoffstroms und von Dampf als Moderationsmittel
vergast. Die Kohle wird mittels der Kohlezufuhrleitung 44 in
die Vergasungsstufe 20 eingespeist und der Dampf wird über die
Dampfzufuhrleitung 46 zugeführt. Die Vergasungsstufe 20 erzeugt
Synthesegas, welches mittels der Synthesegasleitung 48 entnommen
wird, sowie Asche. Das Entfernen der Asche aus der Vergasungsstufe 20 ist
in 1 nicht gezeigt.
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Das
aus der Vergasungsstufe 20 mittels der Synthesegasleitung 48 entnommene
Synthesegas wird typischerweise einer Kühlung und verschiedenen Reinigungsstufen,
z. B. einer Stufe zum Entfernen von Schwefel (nicht gezeigt) unterworfen,
bevor es in die Fischer-Tropsch-Kohlenwasserstoffsynthesestufe 22 für eine Fischer-Tropsch-Kohlenwasserstoffsynthese
eingespeist wird.
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Die
Fischer-Tropsch-Kohlenwasserstoffsynthesestufe 22 ist eine
herkömmliche
katalytische Dreiphasen-Niedertemperatur-Fischer-Tropsch-Kohlenwasserstoffsynthesestufe,
die bei einer Temperatur von ungefähr 240°C und einem Druck von 2000 bis
2500 kPa (absolut) betrieben wird. Flüssiges Kohlenwasserstoffprodukt
wird in der Fischer-Tropsch-Kohlenwasserstoffsynthesestufe 22 erzeugt
und mittels der Leitung 50 für flüssiges Kohlenwasserstoffprodukt
für eine
weitere Behandlung entnommen. Die Fischer-Tropsch-Kohlenwasserstoffsynthesestufe 22 erzeugt
auch gasförmige
Produkte, welche mittels der Leitung 52 für gasförmiges Produkt
entfernt werden und durch die Kühler 34 und 35 für gasförmiges Produkt
geleitet werden, wo die gasförmigen
Produkte auf eine Temperatur von ungefähr 40 bis 70°C abgekühlt werden,
um ein Dreiphasengemisch zu bilden, welches kondensierte Kohlenwasserstoffe,
Reaktionswasser und Restgas umfasst. Dieses Gemisch wird in den
Dreiphasenseparator 24 eingespeist. In dem Dreiphasenseparator 24 wird
das Gemisch getrennt, wobei ein flüssiges Kohlenwasserstoffprodukt,
welches mittels der Leitung 54 für flüssigen Kohlenwasserstoff entnommen wird,
und ein Restgas erzeugt wird, welches mittels der Restgasleitung 56 entfernt
wird. Der Dreiphasenseparator 24 erzeugt auch einen Reaktionswasserstrom,
welcher mittels der Reaktionswasserleitung 58 entfernt
wird.
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Das
entlang der Restgasleitung 56 entnommene Restgas kann neben
anderen Optionen weiteren Reinigungsstufen unterworfen werden, als Brenngas
verwendet werden oder zu der Fischer-Tropsch-Kohlenwasserstoffsynthesestufe 22 zurückgeführt werden.
Diese Optionen sind in 1 der Abbildungen nicht veranschaulicht.
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Der
Reaktionswasserstrom umfasst überwiegend
Wasser und gelöste
oxidierte Kohlenwasserstoffe. Der Reaktionswasserstrom wird dem
Kühler 34 für gasförmiges Produkt
zugeführt,
um das gasförmige
Produkt von der Fischer-Tropsch-Kohlenwasserstoffsynthesestufe 22 in
indirekter Wärmeaustauschbeziehung
zu kühlen.
Der Reaktionswasserstrom, der dem Kühler 34 für gasförmiges Produkt zugeführt wird,
weist typischerweise eine Temperatur von ungefähr 40 bis 70°C auf und
verlässt
den Kühler 34 für gasförmiges Produkt
mit einer Temperatur von ungefähr
180 bis 220°C.
Der heiße
Reaktionswasserstrom wird dann in die zweite Befeuchtungsstufe 18 eingespeist,
wie vorstehend beschrieben, um den Sauerstoffstrom weiter zu erhitzen
und zu befeuchten.
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Gekühltes Reaktionswasser
von der zweiten Befeuchtungsstufe 18 wird mittels der Reaktionswasserleitung 58 entnommen
und der Wasserbehandlungsstufe 28 zugeführt, wo das Reaktionswasser behandelt
wird, um gelöste
oxidierte Kohlenwasserstoffe zurückzugewinnen,
bevor das Wasser verworfen wird.
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Falls
gewünscht
oder erforderlich, kann Reaktionswasser von dem Dreiphasenseparator 24 einer
Behandlung in der Wasserbehandlungsstufe 28 unterworfen
werden, bevor das Reaktionswasser in dem Kühler 34 für gasförmiges Produkt
und in der zweiten Befeuchtungsstufe 18 verwendet wird.
Diese Option ist durch die optionalen Reaktionswasserflussleitungen 66 veranschaulicht.
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Wie
man sieht, kann das heiße
Reaktionswasser, das in die zweite Befeuchtungsstufe 18 eingespeist
wird, somit mehr oder weniger gelöste oxidierte Kohlenwasserstoffe
enthalten. Einige von diesen Kohlenwasserstoffen können in
der zweiten Befeuchtungsstufe 18 durch den Sauerstoffstrom
von dem Reaktionswasser abgestrippt werden, um mit dem befeuchteten
Sauerstoff in die Vergasungsstufe 20 eingespeist zu werden.
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Wie
unter Bezugnahme auf 2 der Abbildungen zu sehen ist,
gibt das Bezugszeichen 100 allgemein einen weiteren Prozess
gemäß der Erfindung zum
Herstellen von Kohlenwasserstoffen an. Der Prozess 100 ähnelt dem
Prozess 10 und sofern nichts anderes angegeben ist, sind
die gleichen oder ähnliche
Teile oder Merkmale durch die gleichen Bezugszeichen angegeben.
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Der
Prozess 100 umfasst eine Flüssigkeitsabscheidestufe 104 im
Anschluss an die Fischer-Tropsch-Kohlenwasserstoffsynthesestufe 22. Der
Prozess 100 umfasst ferner einen Wärmeaustauscher 37 zwischen
der Vergasungsstufe 20 und der Kohlenwasserstoffsynthesestufe 22.
Bei der Anwendung wird das gasförmige
Produkt von der Fischer-Tropsch-Kohlenwasserstoffsynthesestufe 22 nur
teilweise in dem Kühler 34 und
dem Luftkühler 35 auf
eine Temperatur von ungefähr
100°C gekühlt. Bei dieser
Temperatur und bei dem Auslassdruck der Fischer-Tropsch-Kohlenwasserstoffsynthesestufe 22 ergibt
sich ein Dreiphasengemisch, das eine unkondensierte Phase, eine
heiße
Kohlenwasserstoffphase und eine heiße Reaktionswasserphase umfasst. Dieses
Dreiphasengemisch wird in die Flüssigkeitsabscheidestufe 104 eingespeist,
um einen Reaktionswasserstrom, den Kohlenwasserstoffstrom und einen
gasförmigen
Produktstrom zu erzeugen. Der gasförmige Produktstrom und der
Kohlenwasserstoffstrom werden mittels einer Leitung 106 für gasförmiges Produkt
und einer Leitung 107 für
flüssiges Produkt
entnommen und werden weiteren Aufarbeitungs- und Trennstufen unterworfen, welche
nicht gezeigt sind.
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Der
heiße
Reaktionswasserstrom weist weniger gelöste oxidierte Kohlenwasserstoffe
auf als er aufwiese, wenn er bei 40°C abgeschieden würde. Dieser
heiße
Reaktionswasser-Strom
kann somit für die
Sättigung
von Sauerstoff sicher verwendet werden, ohne die Gefahr einer Verbrennung
mit dem Sauerstoff und ohne teilweise oder vollständige Behandlung
des Wassers vor der Verwendung, wie es in dem Prozess 10 erforderlich
sein kann. Der heiße Reaktionswasserstrom
von der Wasserabscheidestufe 104 wird gespalten und über die
Wärmeaustauscher 34 und 36 mittels
der Reaktionswasserleitung 58 in die zweite Befeuchtungsstufe 18 eingespeist, um
den Sauerstoffstrom weiter zu erhitzen und zu befeuchten, wie es
vorstehend unter Bezugnahme auf den Prozess 10 beschrieben
ist. In der zweiten Befeuchtungsstufe 18 wird der Sauerstoffstrom
auf eine Temperatur von ungefähr
160°C erhitzt
und befeuchtet, so dass er eine Wasserkonzentration von ungefähr 22 Vol.-% aufweist. Der befeuchtete
Sauerstoffstrom von der zweiten Befeuchtungsstufe 18 umfasst
typischerweise auch Kohlenwasserstoffe, die von dem Reaktionswasser
nach dem Kühlen
abgestrippt wurden (nicht gezeigt).
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In
der zweiten Befeuchtungsstufe 18 wird das Reaktionswasser
auf eine Temperatur von ungefähr
140°C gekühlt. Das
gekühlte
Reaktionswasser wird mittels der Reaktionswasserleitung 58 entnommen
und zu der Wasserbehandlungsstufe 28 überführt.
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Wie
unter Bezugnahme auf 3 der Abbildungen zu sehen ist,
gibt das Bezugszeichen 200 allgemein einen Prozess gemäß dem Verfahren
der Erfindung für
die Herstellung von Synthesegas an. Der Prozess 200 ähnelt Teilen
der Prozesse 10 und 100 und sofern nichts anderes
angegeben ist, werden die gleichen oder ähnliche Teile oder Merkmale
durch die gleichen Bezugszeichen angegeben.
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Der
Prozess 200 zeigt keine spezielle stromabwärts erfolgende
Verwendung des erzeugten Synthesegases, das entlang der Synthesegasleitung 48 abgezogen
wird. Der Prozess 200 umfasst eine Kesselstufe 202,
eine Kesselablass-Flashtrommel 204 und einen Synthesegaskühler 206.
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Eine
Kohlezufuhrleitung 208 und eine Luftzufuhrleitung 206 führen zu
der Kesselstufe 202. Eine Rauchgasleitung 222 führt von
der Kesselstufe 202 weg. Eine Hochdruckdampfleitung 210 verbindet
die Kesselstufe 202 mit stromabwärts liegenden Verwendern (allgemein
nicht gezeigt) und insbesondere zweigt die Dampfzufuhrleitung 46 zu
der Vergasungsstufe 20 von der Hochdruckdampfleitung 210 ab.
Eine Kesselabschlämmwasserleitung 212 verbindet
die Kesselstufe 202 mit der zweiten Befeuchtungsstufe 18 und
führt von
dort weiter zu der Flashtrommel 204. Eine Niederdruckdampfleitung 214 führt von
der Flashtrommel 204 zu anderen Verwendern (nicht gezeigt).
Eine Kesselstufenspeisewasserleitung 216 führt von
der Flashtrommel 204 zu der Kesselstufe 202 über den
Synthesegaskühler 206,
der sich selbst an der Synthesegasleitung 48 befindet.
Es wird für
das Ablassen und Auffüllen
der Kesselstufenspeisewasserleitung 216 entlang der Leitungen 218 bzw. 220 gesorgt.
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Bei
der Verwendung werden Kohle und Verbrennungsluft zu der Kesselstufe 202 entlang
der jeweiligen Zufuhrleitungen 206, 208 zugeführt und
verbrannt, wobei das resultierende Rauchgas entlang der Rauchgasleitung 222 abgezogen
wird. Die durch diese Verbrennung freigesetzte Wärme wird dazu verwendet, das
entlang der Kesselstufenspeisewasserleitung 216 zugeführte Wasser
zum Siedepunkt zu bringen und einen Teil in überhitzten Dampf umzuwandeln,
welcher entlang der Hochdruckdampfleitung 210 abgezogen
wird. Ein Teil des Wassers an seinem Siedepunkt wird entlang der
Kesselabschlämmwasserleitung 212 abgezogen
und zu der zweiten Befeuchtungsstufe 18 zugeführt, wo
es zum weiteren Erhitzen und Befeuchten des Sauerstoffstroms verwendet
wird, wie es vorstehend unter Bezug nahme auf die Prozesse 10 und 100 beschrieben
wurde. In der zweiten Befeuchtungsstufe 18 verdampft ein
Teil des Kesselabschlämmwassers
und der Sauerstoffstrom wird auf eine Temperatur von ungefähr 210°C erhitzt
und befeuchtet, so dass er eine Wasserkonzentration von ungefähr 63 Vol.-%
aufweist.
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In
der zweiten Befeuchtungsstufe 18 wird das Kesselabschlämmwasser
auf eine Temperatur von ungefähr
150°C gekühlt. Das
gekühlte
Kesselabschlämmwasser
wird mittels der Kesselabschlämmwasserleitung 212 entfernt
und zu der Flashtrommel 204 überführt.
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In
der Flashtrommel 204, die bei Atmosphärendruck betrieben wird, wird
genügend
von dem in dem Kesselabschlämmwasser
in der zweiten Befeuchtungsstufe 18 gelösten Sauerstoff zusammen mit
bei der Flashverdampfung gebildetem Niederdruckdampf entfernt, um
ein flüssiges
Bodenprodukt, das durch Leitung 216 entfernt wird, nach
einer herkömmlichen
chemischen Behandlung als Kesselspeisewasser zu verwenden. Der Niederdruckdampf und
Sauerstoff werden entlang der Niederdruckdampfleitung 214 entfernt.
Das flüssige
Produkt von der Flashtrommel 204 ist das Kesselstufenspeisewasser
und wird somit entlang der Kesselstufenspeisewasserleitung 216 abgezogen.
Das Kesselstufenspeisewasser wird dann in indirektem Wärmeaustausch
mit dem Synthesegas in dem Synthesegaskühler 206 auf eine
Temperatur von 180°C
vorgeheizt, bevor es der Kesselstufe 202 zugeführt wird.
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In
welcher Ausführungsform
die Erfindung auch immer praktisch durchgeführt wird, schreiben Sicherheitserwägungen vor,
dass die heiße
wässrige Flüssigkeit,
die zum Befeuchten des sauerstoffhaltigen Stroms durch in Kontakt
bringen damit verwendet wird, keine entflammbaren Komponenten in
solchen Konzentrationen enthalten sollte, dass im Ergebnis diese
entflammbaren Komponenten in dem befeuchteten sauerstoffhaltigen
Strom in Konzentrationen zwischen den unteren und oberen Explosionsgrenzen
des befeuchteten sauerstoffhaltigen Stroms vorliegen. Außerdem sollten
gelöste
Feststoffe und Sauerstoff in der heißen wässrigen Flüssigkeit keine übermäßige Korrosion
der gewählten
Konstruktionsmaterialien verursachen.
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Der
Anmelder glaubt, dass die Erfindung, so wie sie veranschaulicht
wurde, zu einer verbesserten Effizienz bei der Herstellung von Synthesegas
führt, insbesondere
wenn ein nichtverschlackender Niedertemperaturvergaser, wie etwa
ein Niedertemperatur-Festbett-Trockenbodenvergaser
zum Vergasen von Kohle verwendet wird. Es ist weniger Hochdruckdampf
als Zufuhr zu dem Vergaser erforderlich, da ein Teil des erforderlichen
Verga sungsmitteldampfes zusammen mit dem befeuchteten Sauerstoff
zugeführt
wird. Dies führt
typischerweise zu einer Verringerung des Kohleverbrauchs. In Abhängigkeit
von der Temperatur des Hochdruckdampfvergasungsmittels, von dem
ein Teil nun zusammen mit dem befeuchteten Sauerstoff zugeführt wird,
ist es möglich, dass
die Temperatur der vereinigten Vergasungsmittel, die dem Vergaser
zugeführt
werden, höher
ist als sie sein würde,
wenn der Sauerstoff nicht befeuchtet wäre. Dies kann zu leichten Verringerungen
des Sauerstoffs führen,
der zum Unterstützen
der endothermen Vergasungsreaktionen erforderlich ist. Außerdem stellt
das Verfahren der Erfindung, wie veranschaulicht, auch eine wertvolle
Senke für
Niedertemperaturwärmequellen
bereit, die typischerweise in Luftzerlegungsanlagen oder in Komplexen,
die Synthesegas verwenden oder erzeugen, vorkommen. In dem Verfahren
der Erfindung, wie veranschaulicht, wird die Belastung eines verdunstenden
Anlagenkühlwassersystems
verringert, da das Anlagenkühlwasser
nicht zum Kühlen
der Druckluft oder des Produktgases der Syntheseeinheit verwendet
wird. In dem Verfahren der Erfindung, wie in 3 veranschaulicht,
ist die Belastung eines verdunstenden Anlagenkühlwassersystems sogar noch
weiter verringert, da das Anlagenkühlwasser auch nicht zum Kühlen des
Synthesegases verwendet wird, das in der Vergasungsstufe erzeugt
wird. Dies führt
zu einer Wassereinsparung. Wenn Reaktionswasser verwendet wird,
um den Sauerstoffstrom zu befeuchten, wie in 1 und 2 veranschaulicht,
ist die Menge an Reaktionswasser, welches behandelt werden muss, ebenfalls
vorteilhaft verringert. Das Verfahren der Erfindung, wenn es in
einem Prozess zum Erzeugen von Kohlenwasserstoffen, wie veranschaulicht,
verwendet wird, hat somit das Potential, die Gesamtkohlenstoffeffizienz
zu erhöhen
und die CO2-Emissionen der Anlage zu verringern.
Dies ist wichtig, da die CO2-Emissionen
bei einer großen
Kohle-zu-Flüssigkeiten-Anlage,
die sich am wenigsten leicht einfangen lassen, von der kohlebetriebenen
Dampfanlage herrühren.
Das Verringern dieser Emissionen ist somit von besonderem Wert bei
der Einhaltung der herabgesetzten CO2-Emissionsgrenzwerte.
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Die
Erfindung macht es möglich,
die Menge des Dampfes zu erhöhen,
die von gegenwärtigen kohlebasierten
Kohlenwasserstoffsyntheseanlagen (z. B. Kohle-zu-Flüssigkeiten-
oder CTL-Anlagen) erhalten werden, ohne Kessel zum Erzeugen von Dampf
aus niederwertiger Wärme
hinzuzufügen.
Für neue
Anlagen kann die Kapazität
von kohlebefeuerten Kesseln herabgesetzt werden, was zu einer geringeren
CO2-Erzeugung und somit zu konkurrenzfähigeren
Vergasungseigenschaften führt.
Die Vorteile sind niedrigere Kapitalkosten und eine verringerte Umweltbelastung
für kohlebasierte
Kohlenwasserstoffsyntheseanlagen, insbe sondere dann, wenn ein Festbett-Trockenbodenvergaser
(z. B. Sasol-Lurgi-Vergasung) eingesetzt wird.
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Zusammenfassung
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VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG
VON SYNTHESEGAS UND ZUM BETREIBEN EINES FESTBETT-TROCKENBODENVERGASERS
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Ein
Verfahren (10) für
die Herstellung von Synthesegas umfasst das Befeuchten eines sauerstoffhaltigen
Stroms (40) durch in Kontakt bringen des sauerstoffhaltigen
Stroms (40) mit einer heißen wässrigen Flüssigkeit (58), um
einen befeuchteten sauerstoffhaltigen Strom (42) zu erzeugen,
und das Einspeisen des befeuchteten sauerstoffhaltigen Stroms (42)
in einen Vergaser (20), in welchem ein kohlenstoffhaltiges
Material (44) vergast wird, um dadurch Synthesegas zu erzeugen.