DE19649356A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines N¶2¶, CO und H¶2¶ enthaltenden Gasgemischs - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines N¶2¶, CO und H¶2¶ enthaltenden Gasgemischs

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines N2, CO und H2 enthaltenden Gasgemischs, insbesondere Schutzgases für die Wärmebehandlung von Metallen.
Bei der Wärmebehandlung von Metallen, insbesondere kohlenstoffhaltigen Stählen, werden Schutzgase verwendet. Diese werden in der Regel durch unterstöchiometrische (luftarme) Verbrennung eines kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffs in Luft hergestellt. Je nach Fahrweise des hierzu verwendeten Gasgenerators (Luftzahl und weitere Parameter) ergeben sich unterschiedliche Gaszusammensetzungen, von denen in der nachstehenden Tabelle Beispiele für die am häufigsten eingesetzten angeführt sind:
Die Bezeichnung "EXO" weist hierbei auf einen exotherm arbeitenden Gasgenerator, die Bezeichnung "ENDO" auf einen endotherm arbeitenden Gasgenerator (praktisch keine Erzeugung von CO2 und H2O) hin.
Weiterhin ist die Erzeugung von Stickstoff mittels Membran-- oder PSA- (Pressure-Swing-Adsorption)-Anlagen bekannt. Für die Wärmebehandlung ist das Einsatzspektrum dieser Anlagen jedoch begrenzt, da der für diese Anlagen typische Restsauerstoffgehalt von 0,5 bis 1% einwandfreie Glühergebnisse verhindert.
Ein mit dem Stand der Technik zusammenhängendes Problem bei der Herstellung von Schutzgasen besteht darin, daß bei der Verwendung von Luft der gesamte in der Luft vorhandene Sauerstoff umgesetzt werden muß. Auch ist für manche Anwendungsfälle nachteilig, daß mit diesem Verfahren nur ein relativ begrenzter CO- bzw. H2-Anteil im Schutzgas erzielt werden kann.
Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen der genannten Schutzgase anzugeben, wobei die derzeit bestehenden Nachteile vermieden werden sollen und durch Bereitstellung eines ausreichenden CO-- und H2-Gehalts ein genügend großes Reduktions- bzw. Kohlungspotential ohne oxidierende oder abkohlende Wirkung des Schutzgases vorhanden sein soll.
Diese Aufgabe wird in verfahrensmäßiger Hinsicht durch Anspruch 1 und in vorrichtungsmäßiger Hinsicht durch Anspruch 13 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels weiter erläutert, wobei die (einzige)
Fig. 1 in schematischer Weise das erfindungsgemäße Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum Herstellen eines Schutzgasgemischs zeigt.
Bevor anhand der Zeichnung auf das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Vorrichtung eingegangen wird, sei der wesentliche Nachteil der bekannten Verfahrensweise der unterstöchiometrischen Verbrennung aus Luft anhand eines Beispiels erläutert.
Angenommen sei ein in der Praxis häufig vorkommender Fall, nämlich die Herstellung eines "EXO"-Schutzgases mit ca. 6,5 (Volumen-)Prozent CO und ca. 13% H2. Das gewünschte Schutzgas soll praktisch CO2- und H2O-frei sein. Die Bezeichnung eines derartigen Schutzgases als "EXO"-Gas resultiert aus der bisherigen Herstellungsweise in einem exotherm arbeitenden Gasgenerator, in dem der gesamte in der Luft enthaltene Sauerstoff durch Verbrennung von z. B. CH4 in CO, CO2, H2 und H2O umgesetzt wird. Um auf den gewünschten CO- und H2-Gehalt im Schutzgas zu kommen, werden anschließend die CO2- und H2O-Anteile aus dem Verbrennungsgas in geeigneter Weise entfernt, z. B. durch für H2O durch Kühlung und Trocknung, für CO2 durch Adsorption oder Auswaschen.
Bei der Herstellung eines Schutzgases mit den genannten CO-- und H2-Anteilen wäre bei Verbrennung von CH4 folgende angenäherte Umsatzgleichung maßgeblich (Luft als 20% O2 und 80% N2 angenommen):
0,2 O2 + 0,8 N2 + 0,15 CH4 → 0,066 CO + 0,133 H2 + 0,083 CO2 + 0,166 H2O + 0,8 N2
Nach dem Entfernen von CO2 und H2O ergibt sich ein Produktgas mit der Zusammensetzung:
0,066 CO + 0,133 H2 + 0,8 N2,
d. h. mit einer CO-Konzentration von etwa 6,6% und einer H2- Konzentration von etwa 13,3%. Mit den Zahlenwerten dieses Beispiels ergibt sich weiter ein CH4-Bedarf von 0,15 kmol je kmol Schutzgas. Dieser Wert muß zwangsläufig relativ schlecht sein, da ein erheblicher Teil der (exotherm) gewonnenen Produktgaskomponenten, nämlich CO2 und H2O, als "Abfallprodukte" auftreten und entfernt werden müssen, um die gewünschte CO- und H2-Konzentrationen zu erreichen.
Demgegenüber wird nach der Lehre der Erfindung so vorgegangen, daß ein sauerstoffangereicherter Gasstrom von einer Lufttrennanlage, im wesentlichen bestehend aus O2 und N2, mit einer adäquaten Menge Brennstoff, z. B. CH4, zur Reaktion gebracht wird. Bei dieser Reaktion wird vorzugsweise ausschließlich CO und H2 (und wenig oder kein CO2) gebildet. Dieses Produktgas wird anschließend mit dem stickstoffangereicherten Gasstrom der Lufttrennanlage (vorzugsweise mit 99,5% N2) "verdünnt", um die gewünschte CO- und H2-Konzentration im fertigen Schutzgas zu erhalten.
Beispielhaft sei ein sauerstoffangereicherter Gasstrom mit 50% O2 und 50% N2 betrachtet. Dieser Gasstrom wird mit CH4 gemäß folgender Umsatzgleichung umgesetzt:
0,5 O2 + 0,5 N2 + 1,0 CH4 → 1 CO + 2 H2 + 0,5 N2 [+ x N2]
Der Faktor x für die zuzusetzende Menge des näherungsweise aus reinem Stickstoff bestehenden, stickstoffangereicherten Gasstroms ist so zu bestimmen, daß sich im fertigen Produktgas entsprechend dem hier angenommenen Beispiel ca. 6,5% CO und ca. 13% H2 befinden. Bei einem Faktor x = 11,5 ergibt sich hierbei (wie oben) ein CO-Gehalt von 6,6% und ein H2-Gehalt von 13,3%. Der CH4-Bedarf zur Herstellung dieses Schutzgases, das in seiner Zusammensetzung mit dem nach dem obigen Beispiel praktisch identisch ist, beträgt demnach 1 kmol für 15 kmol Schutzgas, d. h. 0,066 kmol CH4 je kmol Schutzgas. Dies ist gleichbedeutend mit einer Verminderung des CH4-Bedarfs gegenüber dem Stand der Technik von mehr als 50% und einer entsprechenden Primärenergieeinsparung.
Hierbei muß zwar berücksichtigt werden, daß die bei niedrigeren O2-Gehalten des Ausgangsgases meist endotherme Gesamtfahrweise (sofern kein CO2 und H2O gebildet wird), eines Gasgenerators für die erfindungsgemäße Schutzgasherstellung eine gewisse Zusatzenergie, z. B. in Form einer Beheizung, erfordern. Ein Vorteil der Erfindung ist aber, daß bei hohen O2-Gehalten des Ausgangsgases die Zusatzheizung gänzlich entfallen kann. Insgesamt ergibt sich dadurch eine erheblich Brennstoff- bzw. Primärenergieeinsparung gegenüber der bisherigen Vorgehensweise.
Fig. 1 erläutert das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Vorrichtung in einer blockdiagrammartigen Darstellung. Eine Lufttrennungs-- oder -zerlegungsanlage liefert eine N2-reiche Fraktion (bevorzugt mindestens 99,5% N2) sowie eine O2-reiche Fraktion (bevorzugt zwischen 30 und 95% O2). Die O2-reiche Fraktion kann zusätzlich mit reinem Sauerstoff angereichert werden. Die Synthesegaserzeugung erfolgt in einer Brennkammer, die zwecks weitestgehender Umsetzung des Brenngases zu CO und H2, was im allgemeinen erwünscht ist, mit einem Katalysator versehen sein kann. Selbstverständlich kann der Umsatz auch stärker exotherm erfolgen, wenn das Vorhandensein von CO2 und H2O in einem bestimmten Schutzgas nicht stört. Da bei manchen Wärmebehandlungsprozessen kein CO erwünscht ist, kann in einer H2-Abtrennstufe weitgehend reiner Wasserstoff aus dem Synthesegas abgetrennt werden. Dies kann mit einer Membran- oder PSA-Anlage erfolgen.
Die N2-reiche Fraktion der Lufttrennanlage wird in einem gewünschten Mischungsverhältnis entweder unmittelbar mit dem Synthesegas oder aber mit dem (abgetrennten) Wasserstoff vermischt und das so gebildete Schutzgas in den Wärmebehandlungsofen eingeleitet, oder aber Synthesegas bzw. Wasserstoff und die N2-reiche Fraktion werden dem Wärmebehandlungsofen getrennt zugeführt.
Die in der vorangehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims (17)

1. Verfahren zum Herstellen eines N2, CO und H2 enthaltenden Gasgemischs, insbesondere als Schutzgas für die Wärmebehandlung von Metallen, mit den Schritten
  • a) Erzeugen eines N2-angereicherten und eines O2-angereicherten Gasstromes durch Lufttrennung,
  • b) Umsetzen wenigstens eines Teils des O2-angereicherten Gasstroms mit einem Kohlenstoff und Wasserstoff enthaltenden Brennstoff zu einem N2, CO und H2 enthaltenden Synthesegas, wobei dieses Gasgemisch auch CO2 und H2O enthalten kann.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gasgemisch ein Teil des N2-angereicherten Gasstroms zugemischt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der N2-angereicherte Gasstrom 95 bis 99,5% N2 enthält.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der O2-angereicherte Gasstrom zwischen 30% und 95% O2 enthält.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem O2-angereicherten Gasstrom zusätzlich O2 zugesetzt wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff ein Kohlenwasserstoffgas, insbesondere Methan ist.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff weitestgehend zu CO und H2 umgesetzt wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff durch Verbrennung und/oder katalytisch umgesetzt wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der CO-Anteil des Synthesegases teilweise oder ganz entfernt wird.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der CO-Anteil des Synthesegases in einem Konverter zu H2 und CO2 umgewandelt wird und CO2 abgetrennt wird.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch mindestens 3% H2 enthält.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch mindestens 3% CO enthält.
13. Vorrichtung zum Herstellen eines N2, CO und H2 enthaltenden Gasgemischs, insbesondere als Schutzgas für die Wärmebehandlung von Metallen, mit
  • - einer Lufttrennanlage zum Erzeugen eines N2-angereicherten und eines O2-angereicherten Gasstromes,
  • - einer Reaktionseinrichtung zum Umsetzen wenigstens eines Teils des O2-angereicherten Gasstroms mit einem Kohlenstoff und Wasserstoff enthaltenden Brennstoff zu einem N2, CO und H2 enthaltenden Synthesegas, wobei dieses Gasgemisch auch CO2 und H2O enthalten kann.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Mischeinrichtung zum Zumischen wenigstens eines Teils des N2-angereicherten Gasstromes zu dem Gasgemisch.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Lufttrennanlage eine kryogene, Membran- oder PSA (Pressure-Swing-Adsorption)-Anlage ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionseinrichtung eine Brennkammer und/oder einen Katalysator aufweist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, gekennzeichnet durch einen Konverter zum Umwandeln des CO-Anteils des Synthesegases in H2 und CO2 und eine Einrichtung zum Abtrennen des CO2-Anteils.
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