DE2009711C3 - Verfahren und Anlage zur Ausnutzung des Energieinhaltes des bei katalytischem Krackanlagen anfallenden Rauchgases - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Ausnutzung des Energieinhaltes des bei katalytischen Krackanlagen anfallenden Rauchgases und zur Regelung solcher Krackanlagen gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 8.

Unter dem exotherm verlaufenden chemischen Prozessen nimmt der katalytische Krackprozeß zur Benzinerzeugung eine besondere Stellung ein, weil bei dem im sogenannten Regenerator erfolgenden Abbrennen des am Katalysator sich anlagernden Ölkoks Rauchgas mit etwa 620⁰C und Oberdrücken zwischen 127 und 176 kPa und einem CO-Gehalt von 4—50%. also ein Abgas mit beträchtlichem Energieinhalt, anfällt Es besteht daher das Bestreben, einen möglichst großen Teil der im Rauchgas des Krackprozesses enthaltenen Energie zurückzugewinnen bzw. auszunutzen; hierzu wird das aus dem Regenerator kommende Rauchgas vor dem Abblasen durch den Schornstein über einen Abhitzekessel, also eine Art Wärmetauscher, geleitet, in dem das Rauchgas zur Dampferzeugung herangezogen und dabei abgekühlt wird. Der Druck in einer solchen bisher üblichen Anlage wird durch ein Regelventil in der Rauchgasleitung hinter dem Abhitzekessel den Betriebsverhältnissen bzw. -bedürfnissen entsprechend eingestellt Hinter dem Regelventil wird das Rauchgas über einen Schalldämpfer und einen Schornstein in die Atmosphäre abgeführt Diese Art der Energieausnutzung und der Regelung der Krackanlage ist jedoch weniger befriedigend, weil einerseits die Energieausnutzung im Abhitzekessel mit geringem Wirkungsgrad erfolgt, da sich dem Rauchgas zwar die Wärme zum guten Teil entziehen läßt, die im verbrennbaren CO-Anteil latente Energie aber völlig verlorengeht, und weil andererseits das im erosiven Rauchgasstrom liegende Regelventil ein besonders störanfälliges Element ist dessen notwendiges Zusammenwirken mit der Regelung des die Verbrennungsluft liefernden Kompressors bei häufig wechselnden Prozeßverhältnissen überdies recht problematisch ist. Der Ausstoß von immerhin ganz beträchtlichen CO-Mengen ist auch aus Gründen der Luft-Reinha(tung äußerst unerwünscht. Auch führt das Rauchgas trotz im allgemeinen im Regenerator vorgesehener Zyklonstaubabscheider noch immer Katalysatormaterial mit sich, das somit verlorengeht, und auch zur Luftverunreinigung beiträgt.

Ein Verfahren und eine Anlage der eingangs bezeichneten Gattung sind aus der CH-PS 4 50 064 bereits bekannt. Bei dieser vorbekannten Verfahrensweise besteht noch keine Möglichkeit, die latente Wärme des CO-Anteils der Rauchgase auszunutzen.

Aus der DE-AS IQ 3Q 105 ist eine Brennkammer mit Entstaubungsvorrichtung für Kohlenstaub gefeuerte Gasturbinen bekannt, wobei in den Rauchgasstrom vor der Turbine ein Zyklonstaubabscheider eingeschattet ist.

Zyklonstaubabscheider sind ebenso ganz allgemein 6$ bekannt wie COBoÜer; jedoch sind COBoiler bisher nicht als Wärmetauscher verwendet worden. Dies beruht αa. darauf, daß tin COBoiler keinesfalls ein Äquivalent zu einem üblichen Wärmetauscher ist, denn der CO-Boiler dient im vorliegenden Fall zur Freisetzung latenter Energie, die in dem durch den CO-Boiler hindurchzufqhrenden Gas noch enthalten ist Gleichzeitig wird dabei die freigesetzte latente Energie an ein zweites Medium, nämlich die Überschußluft, abgegeben und mit dieser in Form freiverfügbarer Wärme dem an das eigentliche Kracken anschließenden Verfahrensteil wieder zugeführt Im Gegensatz zu dieser Aufgabe des CO-Boilers im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind CO-Boiler bisher lediglich dazu verwendet worden, den giftigen CO-Anteil eines Abgases zur Entgiftung zu CO₂ nachzuverbrennen. CO-Boiler sind also bisher lediglich als Element zur umweltfreundlichen Gestaltung eines Verfahrens verwendet worden.

Aus der US-PS 26 05 610 ist eine Gasturbinenanlage bekannt bei der ein Abhitzekessel mit Zusatzfeuerung vorgesehen ist Im übrigen handelt es sich dort nicht um die Ausnutzung des Energiegehaltes von Rauchgasen aus Krackanlagen.

Der vorliegenden Erfindung . lierr" die Aufgabe zugrunde, das eingangs hinsichtlich seiner Gattung bezeichnete Verfahren und die ebenfalls hinsichtlich ihrer Gattung bezeichnete Anlage so auszubilden, daß die geschilderten Nachteile überwunden werden und insbesondere die Möglichkeit zur Ausnutzung der latenten Energie des CO-Anteils der Rauchgase der Krackanlage gegeben ist um so den Gesamtwirkungsgrad einer Krackanlage bzw. des entsprechenden Verfahrens und die Anpassungsfähigkeit an verschiedenen Betriebsbedingungen zu verbessern.

Diese Aufgabe wird in verfahrenstechnischer bzw. vorrichtungstechnischer Hinsicht durch die Merkmale des Kennzeichenteils des Anspruchs 1 bzw. 8 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind aus den Unteransprüchen 2 bis 7 bzw. 9 bis Π zu ersehen.

Beachtenswert ist, daß durch die vorliegende Erfindung eine erhebliche Verbesserung erreicht worden ist, indem erstmalig die Möglichkeit zur AusnuJzung des latenten Energiegehaltes der CO-Anteile des Rauchgases geschaffen worden ist. Darüber hinaus wird selbstverständlich auch eine wesentliche Verbesserung der Luftreinhaltung erreicht, da bei der Freisetzung des Energiegehaltes des CO-Anteils der Rauchgase dieser Anteil zu CO umgesetzt wird.

Im folgenden wird die Erfindung weiter ins einzelne gehend erläutert unter Bezugnahme auf die in der Figur schematisch dargestellte Anlage.

In der Anlage sind mit 1 und 2 ein Regenerator einer katalytischen Krackanlage, mit 3 ein Turbokonipressor zur Förderung der Verbrennungsluft zur Regenerierung des Katalysators und mit 4 dessen Antriebsmaschine, im allgemeinen ein Asynchronmotor, bezeichnet. Bei bisher bekannten Krackanlagen wird das aus dem Regenerator kommende Rauchgas über einen Abhitzekessel 5 (Wärmetauscher), der im allgemeinen zur Dampfgewinnung vorgesehen ist, und ein Regelventil II in einen Schornstein 6 geleitet und so in die Atmosphäre abgeführt. Im Rahmen des vorliegenden Verfahrens wird jedoch das ljs dem Regenerator 2 kommende Rauchgas zur weiteren Abscheidung im Rauchgas noch mitgeführter fester Teilchen (insbesondere Katalysatormaterial) einem Zyklonslaubabscheider 9 zugeleitet und von dort einer Abgasturbine 7 zugeführt, die an einem Generator 8, im allgemeinen einem Asynchrongenerator, oder einer sonstigen Maschine angeschlossen ist. In der Abgasturbine 7 wird das mit etwa 127 bis 176 kPa Überdruck eintretende Rauchgas weitgehend entspannt

und damit auch abgekühlt. Sein Energiegehalt wird somit in elektrische oder mechanische Energie umgewandelt, die für den Eigenbedarf der Anlage herangezogen werden kann. Mit Ü ist das Eintrittsventil der Abgasturbine f bezeichnet, das praktisch nur die Aufgabe eines Sicherheits-Ventils (Schnellverschluß· ventils) hat, da eine Ventilregelung der Abgasturbine 1 in der sonst üblichen Weise aufgrund der später noch näher erläuterten Zusammenhänge flicht erforderlich ist. Das aus der Abgasturbine 1 austretende entspannte Rauchgas wird dann einem katalytisch arbeitenden CO- Boiler IO zugeführt, in dem das im Rauchgas in größeren Mengen (nämlich etwa mit 4 bis 10%) enthaltene Kohlenmonoxyd verbrannt wird. Das aus dem CO-Boiler IO austretende, von einem CO-Anteil gereinigte Rauchgas wird dann über den Schornstein 6 in die Atmosphäre abgeführt.

Vnn Hrr vnm Tiirhokomnressor 3 zum Krackprozeß (also konkret in den Regenerator 2) führenden Druckluftleitung zweigt eine Leitung 15 ab, über die bei Regelung mittels des in ihr angeordneten Ventils 14 ein Teil der vom Kompressor 3 geförderten Luft über den CO-Boiler 10 am Krackprozeß vorbeigeführt werden kann. Diese Leitung 15 (Bypassleitung) mündet vor dem Zyklonstaubabscheider 9 in die vom Regenerator 2 kommenden Rauchgasleitung. In ähnlicher Weise /wcigi hinter dem Zyklonstaubabscheider 9 und vor dem Eintrittsventil 12 der Abgasturbine 7 eine Leitung 19 ab. über die bei Öffnung des in ihr vorgesehenen Ventils 13das Rauchgas-Luft-Gemisch ander Abgasturbine 7 vorbeigeführt werden kann. Diese Leitung 19 mündet vor dem CO-Boiler 10 in die in den Schornstein 6 führende Rauchgasleitung. Die im CO-Boiler entstehende Wärme wird, soweit sie nicht zur Aufwärmung der Bypassluft verwendet wird, für andere Zwecke, z. B. /ur Dampferzeugung, verwendet, was in der Figur durch die Kessclwasserspeiseleitung 17 bzw. die Dampfleitung 18 angedeutet ist. Gegebenenfalls kann im CO-Boiler 10 der Heizwert des Rauchgases erhöht werden, indem ihm Heizgas entsprechend dosiert zugesetzt wird. Diese Möglichkeit ist in dem Schema durch die Heizgasleitung 16 angedeutet. Falls der Sauerstoff der Bypassluft nicht für die katalytische CO-Verbrennung mit gutem Wirkungsgrad ausreicht, besteht die Möglichkeit der Zuführung von Fremdluft zu dem CO-Boiler 10 über eine Leitung 22. ein Gebläse 23 und eine Antriebsmaschine 24.

Die Arbeitsweise der dargestellten Anlage ist folgende: Der Turbokompressor 3 läuft mit konstanter durch den maximalen Bedarf der Krackanlage an Verbrennungsluft gegebener Förderleistung, kann also stets mit bestem Wirkungsgrad betrieben werden. Der bei nicht voll ausgenützter Kapazität der Krackanlage bzw. anderer Fahrweise (z. B. Konversion) somit gegebene Druckluftüberschuß wird bei Regelung mittels des Ventils 14 über die Bypassleitung 15 am Krackprozeß vorbeigeführt. Die sich jeweils ergebende Überschußluft wird im CO-Boiler 10 von etwa 200⁰C auf etwa 600° C (entsprechend etwa auf Temperatur des aus dem Regenerator 2 kommenden Rauchgases) aufgewärmt und vor dem Zyklonstaubabscheider 9 dem Rauchgasstrom wieder zugeführt. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, daß der Turbokompressor 3 stets mit bestem Wirkungsgrad betrieben werden kann, ohne z. B. etwa mit Leitschaufelverstellung arbeiten zu müssen; ein weiterer Vorteil besteht darin, daß auch der

Zyklonstaubabscheidet 9 und die Abgasturbine 7 mengemäßig immer gleich beaufschlagt sind und somit ohne komplizierte Regelungsmaßnahmen gleichfalls mit sets optimalem Wirkungsgrad arbeilen können, und zwar auch wenn die Krackanlage mit stark sehwankender Belastung gefahren wird. Die Regelung der dem Regenerator 1 zugeführten Verbrennungsluft erfolgt also über das Ventil 14, das nur von reiner Luft beaufschlagt ist und daher im Gegensatz zu dem im erosiven Rauchgasstrom liegenden Ventil ti weit weniger gefährdet und somit betriebssicherer ist. Der Sauerstoffgehalt der über die Bypass-Leitung 15 dem Rauchgas zugeführten Bypassluft kommt der CO-Verbrennung im CO-Boiler 10 zugute, die sich auch durch die schon erwähnte Zumischung von Heizgas bzw. Fremdluft so steuern läßt, daß das durch den Schornstein 6 entweichende Rauchgas praktisch keinen CO-Anteil besitzt. Es ist also nicht nur eine mit sehr gutem Wirkungsgrad erfolgende Ausnutzung der Energie des Rauchgases von Krackanlagen erreichbar, sondern es wird auch der Luftverunreinigung, insbesondere infolge des CO-Anteils des Rauchgases, wirkungsvoll vorgebeugt. Durch die optimalen Betriebsbedingungen des Zyklonstaubabscheiders 9 ist überdies ein guter Schutz der Abgasturbine 7 vor Erosion durch im Rauchgas mitgerissene feste Teilchen gegeben. Auch kann sic^ das im Zyklonstaubabscheider 9 ansammelnde Katalysatormaterial eventuell dem Prozeß wieder zugeführt werden. Durch entsprechende Steuerung der Dampferzeugung im CO-Boiler 10 und/oder gezielte Dosierung der Heizgas- bzw. Fremdluftzumischung läßt sich auch die Temperatur der Überschußluft so regeln, daß nicht nur die Beaufschlagung des Zyklonstaubabscheiders 9 und der Abgasturbine 7. sondern auch die Eintrittstemperatur des Rauchgas-Luft-Gemischcs konstat gehalten werden, so daß zumindest für den stationären Betrieb die mit Temperaturschwankungen des Strömungsmediums verbundenen Gefahren weitgehend ausgeschaltet werden können. Bei Störungen im elektrischen Teil der Anlage (Ansprechen der Generatorschutzeinrichtungen) oder bei Schäden an der AbgasturDine / kann das Rauciigas-Lufi-Gcniisi-ii üuci die Leitung 19 an der Abgasturbine 7 vorbeigeführt werden. Hierzu sind die Ventile 12 und 13 so gekoppelt (im Schema durch die strichlierte Linie 20 angedeutet), daß ein Schließen des Ventils 12 ein sofortiges öffnen des Ventils 13 zur Folge hat und umgekehrt. Bei geöffneter Leitung 19 geht also die Möglichkeit, aus dem Rauchgas elektrische oder mechanische Energie zu gewinnen, verloren, die übrigen Vorteile aber (stets gleicher Wirkungsgrad des Turbokompressors 3 und des Zyklonstaubabscheiders 9, nutzbringende Beseitigung des CO-Anteils des Rauchgases im CO-Boiler 10 und gute Regelbarkeit der dem Krackprozeß zuzuführenden Druckluft) bleiben jedoch in diesem Fall voll erhalten. Um schließlich bei einer Störung, die auch den Zyklonstaubabscheider 9 oder den CO-Boiler 10 betriebsunfähig macht oder bei Revisionsarbeiten eine Art Notbetrieb aufrechterhalten zu können, ist zwischen der Rauchgasabzweigung zum Wärmetauscher 5 und der Einmündung der Bypassleitung 15 ein weiteres Ventil 21 vorgesehen, so daß nach Schließen dieses Ventils 21 und des Regelventils 14 die Rauchgasabfuhr noch immer durch den Wärmetauscher 5 und geregelt durch das Ventil 11 erfolgen kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche; 20 09 7Π

1. Verfahren zur Ausnutzung des Energieinhaltes des bei katalytisehen Krackanlagen anfallenden Rauchgases und zur Regelung solcher Kraekanlagen, wobei die für die Regenerierung des Katalysators erforderliche Verbrennungsluft über einen Kompressor dem Regenerator zugeführt wird, das anfallende Rauchgas einer Abgasturbine zugeführt wird, die ihrerseits wieder vorzugsweise einen Generator antreibt, das in der Abgasturbine entspannte Rauchgas einem nachgeschalteten Wärmetauscher zugeführt wird und wobei über eine an dem Krackprozeß vorbeiführende, zwischen Kompressor und Regenerator abzweigende Leitung is (Bypassleitung) die sich bei geringerem Bedarf an Verbrennungsluft ergebende Oberschußluft zwecks Aufwärmung über den Wärmetauscher geführt und dem vom Regenerator kommenden Rauchgas vor der Abgasturbine zugemischt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Abgasturbine (7) entspannten Rauchgase einem Wärmetauscher in der Form eines CO-Boilers (10) zur Abgabe auch der durch Verbrennung des CO-Anteils der Rauchgase gewinnbaren latenten Wärme des Rauchgases an die Überschußluft zugeführt werden und daß die Rauchgase des Regenerators (2) und die in dem CO-Boiler (10) aufgewärmte Überschußluft vor ihrer Zuführung zur Abgasturbine (7) durch einen Zyklonstaubabscheider (9) hindurchgeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei konstanter Förderung des Kompressors (3) die über die Bypassleitung (15) geführte Überschußluft über ein Ventil (14) geregelt wird, welches abhängig von dem durc'· den jeweiligen Belastungszustand (Durchsatz und/oder Konversion) der Krackanlage gegebenen und zum Teil auch vom zu verarbeitenden Rohmaterial abhängigen Bedarf an Verbrennungsluft gesteuert wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der CO-Boilcr (10) insbesondere für Schwachlastbetriebszeitcn der Krackanlage bzw. bei geringem CO-Gehalt des Rauchgases mit Heizgas (Heizgasspeisung 16) zusätzlich beheizt wird und bei Vollastbetrieb bzw. hohem CO-Gehalt des Rauchgases zur Dampferzeugung herangezogen wird (Kcsselwasseranspeisung 17).

4. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem CO-Boilcr (10) so abhängig vom Sauerstoffbedarf bei der katalytischen Verbrennung Fremdluft zugeführt wird (Frcmdluft-Leitung 22, Gebläse 23. Gebläseantrieb 24).

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ss dadurch gekennzeichnet, daß bei .Störungen im elektrischen Teil der Anlage (Ansprechen der Schutzeinrichtungen für Generator 8) oder Schaden an der Abgasturbine (7) über eine nach dem Zyklonstaubabscheider (9) und vor dem Turbineneintrittsventil (12) abzweigende Leitung (19) das Rauchgas an der Abgasturbine (7) vorbeigeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung (19) ein Ventil (13) geöffnet wird, wenn dnsTurbineneintfillsvcmil (12) geschlossen wird und umgekehrt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 6,

dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung der durch den CO-Boiler (10) geführten Ünerschußluft gesteuert wird, und zwar so, daß für jeden Belastungszustand der Krackanlage die Temperatur des in den Zyklonstaubabscheider (9) bzw, in die ihm nachgeschaltete Turbine (7) eintretenden Rauchgas-Uift^Gemisehes für den stationären Zustand der Anlage praktisch konstant gehalten wird,

8. Anlage zur Ausnutzung des Energieinlraltes des bei katalytisehen Krackanlagen anfallenden Rauchgases und zur Regelung solcher Krackanlagen, mit einem Regenerator für den Katalysator und einem den Regenerator zugeordneten Kompressor zur Zuführung der für die Regenerierung des Katalysators erforderlichen Verbrennungsluft, mii einer Abgasturbine für das anfallende Rauchgas, mit einem von dieser Abgasturbine angetriebenen Generator, mit einem der Abgasturbine nachgeschalteten Wärmetauscher für das von der Abgasturbine entspannte Rauchgas und mit einer am Krackprozeß vorbeiführenden, zwischen Kompressor und Regenerator abzweigenden Leitung (Bypassleitung) für die Zuführung der sich bei geringem Bedarf an Verbrennungsluft ergebenden Überschußluft zwecks Aufwärmung zu dem Wärmetauscher und für die Zumischung zu dem vom Regenerator kommenden Rauchgas vor der Abgasturbine, dadurch gekennzeichnet, daß der für die in der Abgasturbine (7) entspannten Rauchgase vorgesehene Wärmetauscher ein CO-Boiler (10) zur Abgabe auch der durch Verbrennung des CO-Anteils der Rauchgase gewinnbaren latenten Wärme des Rauchgases an die Umgebungsluft ist und daß vor der Abgasturbine (7) ein Zyklonstaubabscheider (9) für die Rauchgase des Regenerators (2) und die in dem CO-Boiler (10) aufgewärmte Überschußluft vorgesehen ist.

9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Bypassleitung ((S) ein Ventil (14) zur Regelung der in der Bypassleitung (15) geführten Überschußluft bei konstanter Förderung des Kompressors (3) vorgesehen ist, wobei dieses Ventil (14) unabhängig von dem durch den jeweiligen Belastungszustand (Durchsatz und/oder Konversion) der Krackanlage gegebenen und zum Teil auch vom zu verarbeitenden Rohmaterial abhängigen Bedarf an Verbrennungsluft steuerbar ist.

10. Anlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der CO'Boiler (10) an eine Heizgasspeisung (16) zu seiher zusätzlichen Beheizung insbesondere während Schwachlastbetriebszeiten der Krackanlage bzw. bei geringem CO-Gehalt des Rauchgases und an eine Kesselwasserspeisung (17) zur Dampferzeugung bei Vollastbetrieb bzw. hohem CO-Gehalt des Rauchgases angeschlossen ist.

IL Anlage nach einem der Ansprüche 8 bis 10. dadurch gekennzeichnet, daß an den CO-Boiler (10) eine Fremdluft-Leitung (22) zur Zuführung von Fremdluft abhängig vom Sauerstoffbedarf bei der katalytischer! Verbrennung angeschlossen ist, gegebenenfalls in Verbindung mit einem Zuführungsgeblase (23).

12. Anlage nach einem der Ansprüche 8 bis H. dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Zyklon* staubabscheider (9) und vor der Abgasturbine (7) eine Leitung (19) zur Bypassfühfung des Rauchgases an der Abgasturbine (7) vorbei und zum CO-Boiler

(10) hin abgezweigt ist

13, Anlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abzweigungsleitung (19) ein Ventil (13) eingebaut ist, das an das Abgasturbinen-Eintrittsventil (12) so angekoppelt ist, daß stets eines der Ventile geschlossen und das andere geöffnet ist