DE2346275B2

DE2346275B2 - Verfahren zum beheizen einer anlage zur spaltung von kohlenwasserstoffen

Info

Publication number: DE2346275B2
Application number: DE19732346275
Authority: DE
Inventors: Hagen 6000 Frankfurt; Jockei Heinz Dipl.-Ing. 6081 Klein-Gerau; Walter Klaus von 6381 Arnoldshain· Restin Kurt Dr .-Ing.; Kühn Robert Dipl.-Ing.; 1000 Berlin Krumm
Original assignee: Metallgesellschaft AG
Current assignee: GEA Group AG
Priority date: 1973-09-14
Filing date: 1973-09-14
Publication date: 1976-10-21
Also published as: BE819761A; IT1021220B; FR2244134A1; GB1425697A; DE2346275A1; NL7410984A; FR2244134B1; CA1031572A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beheizen einer Anlage zur Spaltung von Kohlenwasserstoffen zur Gaserzeugung, durch Verbrennen von Brennstoffen mit erhitzter Verbrennungsluft und Entzug fühlbarer Wärme aus den Rauchgasen der Verbrennung in einem Wärmeaustauscher (Luftvorwärmer) zum Erhitzen der zur Verbrennung bestimmten Luft.

Beim Beheizen von Gaserzeugungsanlagen und der dabei notwendigen Erhitzung von Verbrennungsluft im Luftvorwärmer treten immer wieder Schwierigkeiten auf, die auf örtliche Taupunktsunterscdreitung der Rauchgase, insbesondere beim Verfeuern schwefelhaltiger Brennstoffe, zurückzuführen sind. Beim Heizen mit schwefelfreien Brennstoffen enthalten die Kondensationsprodukte in geringem Umfang Kohlensäure und Sauerstoff und sind nur wenig aggressiv gegen die berührten Anlagenteile aus Stahl. Anders verhält es sich, wenn Taupunktsunterschreitungen in solchen Rauchgasen eintreten, die aus der Verbrennung schwefelhaltiger Brennstoffe stammen. Der im Brennstoff enthaltene Schwefel wird bei der Verbrennung zu SO2 und SO3 oxidiert, welche bewirken, daß der Wasserdampftaupunkt erhöht wird. Die Erhöhung des Taupunktes richtet sich in erster Linie nach dem Schwefelgehalt des Brennstoffs, weitere Faktoren sind der Luftüberschuß bei der Verbrennung und die Art des Brennstoffs.

Der Wasserdampftaupunkt der Rauchgase eines schwefelfreien Benzins liegt bei ca. 50° C, der Taupunkt der Rauchgase aus der Verfeuerung von leichtem Heizöl (Heizöl EL) mit 0,5% Schwefel liegt bei 80 bis c₅ 85⁰C, während bei der Verfeuerung eines schweren Heizöls mit etwa 4% Schwefel mit einem Taupunkt bei ca. 160 bis 180⁰C gerechnet werden muß. Bei einer Taupunktunterschreitung im Rauchgas enthalt das Kondensationsprodukt schweflige Saure und Schwefelsäure in unterschiedlichen Konzentraüonen und ist gegenüber den meisten metallischen Werkstoffen äußerst aggressiv. Wegen der Gefährdung von Stahl-Wärmeaustauschern, Saugzuggebläsen und Stahlkaminen muß man vielfach die Rauchgase mit relativ hohen Temperaturen in den Abgaskamin leiten, um auf diese Weise mit Sicherheit Taupunktunterschreitungen zu vermeidea

Bei den herkömmlichen Anordnungen der Wärmeabnehmer in einem gefeuerten System wird die auf hohem Temperaturniveau liegende fühlbare Wärme zumeist zur Dampfüberhitzung, zur Beheizung chemischer Prozesse oder zur Vorwärmung von Prozeßemsatzstoffen ausgenutzt Auch werden gelegentlich die höchsten Temperaturspitzen zum Schutz der nachfolgenden Wärmeaustauscher durch einen Dampterzeuger aufgenommen, der vorzugsweise im Bereich oberhalb von etwa 250 bis 300° C arbeitet Unterhalb dieser Temperaturen müssen dann besondere Überlegungen angestellt werden, wenn die fühlbare Wärme der Rauchgase noch weiter ausgenutzt werden soll, wobei vor allem auch das Korrosionsproblem in Betracht zu ziehen ist. Leitet man aus diesem Grund die Rauchgase mit zu hoher Temperatur in den Abgaskamin, gehen beträchtliche Energien ungenutzt verloren.

Im allgemeinen werden zur weiteren Ausnutzung der fühlbaren Rauchgaswärme Verbrennungsluft-Vorwär mer vorgesehen. Die Vorwärmung der Verbrennungs luft erhöht die Wirtschaftlichkeit des gefeuerten Systems Die Wärmeaustauscher zur Verbrennungsluftvorwärmung sind meist aus Stahl oder Gußeisen hergestellt welche aber durch Säuren angegriffen werden. Wohl ist Gußeisen gegen konzentrierte Schwefelsäure beständig, doch erweist sich eir.e Säure geringerer Konzentration auch hiergegen als aggressiv. Dies kann es erforderlich machen, korrosionsgefährdete Teile des Luftvorwärmers durch Glasrohre zu schützen Dabei bleibt jedoch bei einem Rohrbündel-Wärmeaustauscher immer die Austrittsseite der kalten Rauchgase und die Eintrittsseite der kalten Verbrennungsluft sowie der Rauchgaskanal zum Saugzuggebläse und auch das Gebläse selbst gefährdet.

Heißes Rauchgas und kalte Verbrennungsluft auf den beiden Seiten eines üblichen Verbrennungsluftvorwärmers haben etwa die gleiche Wärmeübergangszahl, da man für diese beiden Gase mit niedrigem Druck etwa die gleichen Geschwindigkeiten wählt, woraus folgt, daß die Rohrwandtemperatur im Wärmeaustauscher etwa in der Mitte zwischen Rauchgas- und Verbrennungslufttemperatur liegt. Wegen der schlechten Wärmeübergangszahlen wird meist die reine Gegenstromschaltung oder aber die Kreuz-Gegenstromschaltung gewählt, um den Wärmeaustauscher klein zu halten und auf eine möglichst hohe Lufttemperatur zu kommen. Bei einer mittleren Austrittstemperatur des Rauchgases von 150⁰C und einer Lufttemperatur von 25°C am Eintritt des Wärmeaustauschers hat man bei Gegenstromschaltung mit einer Rohrwandtemperatur von etwa 87°C zu rechnen, die beim Verbrennen von Heizöl EL noch über dem Taupunkt der dabei gebildeten Rauchgase liegt. Bei einer Eintritts-Lufttemperatur von 0⁰C beträgt die Rohrwandtemperatur jedoch nur noch etwa 75⁰C, so daß mit Kondensationen im Rauchgas und deshalb auch mit Korrosion gerechnet werden muß. Mit fallender Lufttemperatur verstärkt sich der Kondensatanfall und die Korrosionen nehmen weiter zu. Bei einer Kreuz-Ge-

genstromschaltung im Wärmeaustauscher liegen bei gleicher mittlerer Austrittstemperatur der Rauchgase deren örtliche Temperaturen am Lufteintritt bis zu 80⁰C niedriger, so daß hierbei immer mt Taupunktunterschreitungen gerechnet werden mu3. .,

Aus der DT-PS 10 91269 ist es bekannt, zum Vermeiden örtlicher Taupunktunterschreitungen im rauchgasbeheizten Luftvorwärmer die eintretende Verbrennungsluft aufzuheizen. Hierfür ist der Luftvorwärmer mit einem Zusatzbrenner ausgestattet, dessen ,₀ Rauchgase über einen indirekten Wärmeaustausch die angesaugte Luft erwärmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf einfache Weise dafür zu sorgen, daß die Rohrwandtemperaturen im Luftvorwärmer immer über dem Taupunkt der Rauchgase liegen. Dies ist insbesondere in kalten winterlichen Zeiträumen wichtig, wenn die Außenlufttemperaturen in der Nähe oder noch unter dem Gefrierpunkt liegen. Gleichzeitig soll dafür gesorgt werden, daß ein zusätzlicher Energieeinsatz in der Gesamtanlage nicht notwendig wird. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die heißen Produktgase der Kohlenwasserstoffspaltung zumindest teilweise mittels Luftkühlung gekühlt und die dabei anfallende erwärmte Kühlluft mit einer Temperatur von etwa 50 bis 12O⁰C mindestens zum Teil durch den Luftvorwärmer geleitet wird, in welchem durch indirekten Wärmeaustausch mit Schwefeloxide enthaltendem Rauchgas die Verbrennungsluft erhitzt wird.

Diese Verfahrensmaßnahme sorgt dafür, daß nur vorgewärmte Luft in den Verbrennungsluftvorwärmer geleitet wird, so daß dort eine örtliche Abkühlung der Rauchgase unter ihren Taupunkt vermieden wird. Von besonderer Bedeutung ist hierbei, daß diese Vorwärmung der Luft durch Energie geschieht, welche im Verfahren selbst vorhanden ist und normalerweise ungenutzt bleibt. Das erfindungsgemäße Verfahren verbessert damit auch ilen gesamten Wirkungsgrad. Wie weiter unten an einem Beispiel noch gezeigt wird, ist die Wirkungsgradverbesserung von einer solchen Größenordnung, daß die für das Verfahren erforderlichen Einrichtungen auch beim Verfeuern schwefelfreier Brennstoffe nutzbringend installiert werden können. Die Vorteile des Verfahrens liegen nämlich auch darin, daß zur Luftvorwärmung im wesentlichen bereits vorhandene Einrichtungen benutzt werden, wodurch auch in überraschend einfacher Weise nicht nur Schwefelsäurekorrosionen im kalten Teil des Luftvorwärmers verhindert werden, sondern insgesamt noch eine echte Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades der Anlage erzielt wird.

Es ist zweckmäßig, das Produktgas der Gaserzeugung mit einer Temperatur von etwa 80 bis 170⁰C in den Luftkühler einzuleiten. Dabei kann es ratsam sein, die für den Luftvorwärmer bestimmte, erwärmte Kühlluft vom Produktgas-Eintrittsbereich des Luftkühlers abzuziehen. Die im Luftvorwärmer weiter erhitzte Verbrennungsluft wird z. B. mit einer Temperatur von etwa 120 bis 35O⁰C in die Feuerung gegeben; falls erforderlich, können die Temperaturen auch noch darüber liegen. ho

Das Verfahren wird nachfolgend an einem Beispiel mit Hilfe der Zeichnung noch näher erläutert. In diesem Beispiel wird auf eine Anlage zur Erzeugung von Stadtgas aus flüssigen Kohlenwasserstoffen nach dem Dampfreformierverfahren Bezug genommen, doch läßt fts sich der erfinderische Gedanke auch bei anderen Verfahren anwenden.

In einer Stadtgasanlage wird Benzin über Leitung 1 einem Vorwärmer und Verdampfer 2 und anschließend über Leitung 3 einem Röhrenofen 4 zugeführt Im Röhrenofen 4 wird das Benzin zusammen mit Prozeßdampf, der über Leitung 5 zugemischt wird, in von außen beheizten, mit Katalysator gefüllten Rohren in ein Spaltgas umgewandelt, das Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Methan und unzersetzten Wasserdampf enthält Die Spaltung des Benzins geschieht in an sich bekannter Weise. Das mit ca. 700³C aus dem Röhrenofen 4 austretende Produktgas wird über Leitung 6 zur ersten Kühlung einem Abhitzekessel 7 zugeführt und dann über Leitung 8 der Kohlenmonoxid-Konvertierung 9 zugeleitet, wo de- größte Teil des enthaltenen Kohlenmonoxids aufgezehrt wird. Über Leitung 10 wird das nur noch Reste von CO enthaltende Gas dem Benzinvorwärmer und -verdampfer 2 zugeleitet, wo es einen weiteren Teil seiner Wärme abgibt. Anschließend gelangt das Gas über Leitung 11 in den Speisewasservorwärmer f2. wo das in der Leitung 36 herangeführte Wasser erwärmt wird.

Über die Leitungen 13 und 14 wird ein kleiner Teil des Gases dem Aufkocher 15 zugeführt, in welchem Dampf zur Regenerierung der Waschlösung einer COrWäsche 16 erzeugt wird. In der CO₂-Wäsche 16 wird aus diesem kleinen Teil des Gases das Kohlendioxid ausgewaschen, um die erforderliche Dichte des fertigen Stadtgases einzustellen. Der von CO2 befreite Teilstrom wird über Leitung 17 wieder dem Hauptstrom zugegeben.

Der Hauptstrom des Gases liegt nach dem Speisewasservorwärmer 12 noch 140⁰C heiß vor und muß gekühlt werden. Zu diesem Zweck wird der Hauptstrom über die Leitungen 13 und 18 dem Luftkühler 19 zugeführt, wo das Gas auf 30⁰C abgekühlt wird. Die zur Kühlung des Gases benutzte Luft erwärmt sich dabei am Fintritt des. zu kühlenden Gases im Luftkühler auf 80" C. Über Leitung 20 verläßt das gekühlte Gas den Luftkühler, wird mit dem CO₂-freien Gas aus Leitung 17 gemischt und verläßt über Leitung 21 als fertiges Stadtgas die Anlage.

Der Spaltprozeß in den Rohren des Röhrenofens 4 ist endo'herm und muß durch Wärmezufuhr unterhalten werden. Zu diesem Zweck wird Heizöl EL über Leitung 22 und Verbrennungsluft über Leitung 23 dem Röhrenofen 4 zugeführt und verbrannt. Die heißen Rauchgase des Röhrenofens geben einen Teil ihrer Wärme in einem Dampfüberhitzer 24 an den zu überhitzenden Prozeßdampf ab, zusätzlich wird in einem Abhitzekessel 25 Prozeßdampf und Dampf für andere Zwecke erzeugt, der über Leitung 33 abgeführt wird. Schließlich werden die Rauchgase in einem Verbrennungsluftvorwärmer 26 durch Wärmeaustausch auf 15O⁰C abgekühlt und danach vom Rauchgasgebläse 27 dem Kamin 28 zugefördert.

Die zur Verbrennung des Heizöls notwendige Luft wird über dem Luftkühler 19 in der Ansaughaube 29 angesaugt und über die Leitung 30 dem Gebläse 31 zugeführt, von wo aus sie über die Leitung 32, den Luftvorwärmer 26 und die Leitung 23 in den Röhrenofen 4 gegeben wird. Die Temperatur der in der Haube 29 angesaugten Luft beträgt 8O⁰C.

Die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens sei nachfolgend anhand zweier Verfahrensbeispiele überprüft:

1.Be i spiel

Zur Erzeugung von 500 000 NmVTag Stadtgas mit einem Heizwert von 4200 kcal/Nm³ und bei bekanntem Ansaugen der Verbrennungsluft mit 0⁰C aus der Atmosphäre werden benötigt: 6670 kg/h Prozeßbenzin

mit einem oberen Heizwert von 11 470 kcal/kg sowie zur Unterfeuerung 1680 kg/h Heizöl EL (oberer Heizwert 10 970 kcal/kg). Der thermische Wirkungsgrad der Anlage ist demnach

500000-4200· 100

24 · (6670 - 11 470 + 1680 ■ 10970)

= 92,17%.

Die Temperatur der in den Kamin geführten Rauchgase beträgt 15O⁰C. Je kg Heizöl werden dem gefeuerten System, bestehend aus dem Röhrenofen 4, Dampfüberhitzer 24, Rauchgaskessel 25 und Verbrennungsluftvorwärmer 26 an Energie zu- bzw. abgeführt (bezogen auf O⁰C):

Durch 1 kg Heizöl EL von 10⁰C wird durch dessen unteren Heizwert und seine fühlbare Wärme 10 265 kcal/kg dem System zugeführt; die Verbrennungsluft von O⁰C beeinflußt die Energiebilanz nicht. Der Energieverlust durch die Ableitung von 14,8 Nm³ Rauchgas von 150⁰C mit einer Enthalpie von 50 kcal/Nm³ beträgt 740 kcal/kg. Die zugeführte Nutzwärme errechnet sich als Differenz beider Zahlen zu 9525 kcal/kg.

Die im Luftvorwärmer mit Kreuz-Gegenstromschaltung am Eintritt der Verbrennungsluft gemessene tiefste Rauchgastemperatur beträgt 55° C. Es werden Kondensationsanfall und nach einiger Zeit rauchgasseitig starke Korrosionserscheinungen am Stahlblechgehäuse und der kalten Rohrplatte des Verbrennungsluftvorwärmers festgestellt; durch die Korrosionsprodukte werden einige der wegen der Korrosionsgefahr eingesetzten Glasrohre zerdrückt. Nach einiger Zeit sind die Korrosionserscheinungen im Luftvorwärmer so stark, daß eine gründliche Reparatur notwendig wird.

2. B e i s ρ i e 1

Für den zweiten Verfahrensfall wird eine Rohrleitung 30 von dem in der Nähe gelegenen Luftkühler 19 zur Saagseite des Verbrennungsluftgebläses gelegt und mit einer Ansaughaube 29 heiße Luft, die an der Oberseite des Luftkühlers 19 ausgestoßen wird, angesaugt und zur weiteren Vorwärmung dem Verbrennungsluftvorwärmer 26 zugeführt. Beim Betrieb der Anlage hat die angesaugte Verbrennungsluft 80⁰C, die Temperatur der in den Kamin 28 gehenden Rauchgase wird durch Regelung der Rauchgas-Eintrittstemperatur in den Luftvorwärmer wie im ersten Fall auf 150⁰C gehalten. Die tiefste im Luftvorwärmer gemessene Rauchgastemperatur beträgt 100°C und liegt damit wesentlich über dem Taupunkt des Rauchgases von ca. 83° C. Durch das neue Verfahren werden Korrosionen vollständig ausgeschaltet.
In diesem Fall werden je kg Heizöl dem gefeuerten System zu- und abgeführt (bezogen auf 0⁰C):

Die Energiezufuhr durch 1 kg Heizöl ist wie im ersten Beispiel 10 265 kcal/kg, hinzu kommen durch 13,4 Nm³ Luft von 8O⁰C mit einer Enthalpie von 24,9 kcal/Nm³ noch 334 kcal/kg. Die Summe dieser zugeführten Energie beträgt 10 599 kcal/kg, wovon 47 kcal/kg für 14,8 Nm³ Rauchgas von 150⁰C abzuziehen sind. Die zugeführte Wärme beläuft sich damit auf 9859 kcal/kg. Durch die zusätzliche Luftvorwärmung auf 8O⁰C verringert sich der Heizölverbrauch auf 1680 χ 9525/9859 = 1623 kg/h. Der thermische Anlagenwirkungsgrad ist nunmehr

500000-4200- 100

24 ■ (6670 · 11 470 + 1623 - 10 970)

= 92,78% .

Gegenüber dem ersten Beispiel ergibt sich eine Verbesserung von 0,61% bzw. eine Ersparnis von 57 kg/h Heizöl. Bei 8000 Betriebsstunden im Jahr und einer mittleren Auslastung von 70% bedeutet dies eine Ersparnis von ca. 320 t/Jahr, bei einem Heizöl-Preis von ca. 130.- DM/t sind das im Jahr ca. 41 600.- DM. Neben dieser Ersparnis verhilft das Verfahren noch zu eingesparten Reparaturkosten für den Luftvorwärmer und einem Gewinn durch größere Betriebssicherheit der Gesamtanlage.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Beheizen einer Anlage zur Spaltung von Kohlenwasserstoffen zur Gaserzeugung, durch Verbrennen von Brennstoffen mit erhitzter Verbrennungsluft und Entzug fühlbarer Wärme aus den Rauchgasen der Verbrennung in einem Wärmeaustauscher (Luftvorwärmer) zum Erhitzen der zur Verbrennung bestimmten Luft, ι ο dadurch gekennzeichnet, daß die heißen Produktgase der KohlenwasserstoffspaJtung zumindest teilweise mittels Luftkühlung gekühlt und die dabei anfallende erwärmte Kühlluft mit einer Temperatur von etwa 50 b^;s 120⁰C mindestens zum Teil durch den Luftvorwärmer geleitet wird, in welchem durch indirekten Wärmeaustausch mit Schwefeloxide enthaltendem Rauchgas die Verbrennungsluft erhitzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Produktgas mit einer Temperatur von etwa 80 bis 170° ς in den Luftkühler eingeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Luftvorwärmer bestimmte, erwärmte Kühlluft vom Bereich des Produktgaseintritts des Luftkühlers angesaugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluft im Luftvorwärmer auf Temperaturen von etwa 120 bis 350° C erhitzt wird.