DE2834589C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum katalytischen Umwandeln eines kohlenoxyd- und wasser­ stoffreichen, schwefelarmen Einsatzgasgemisches in ein Methan und/oder höhere Kohlenwasserstoffe enthaltendes Gas­ gemisch unter erhöhtem Druck in einem Mehrzonen-Reaktor mit einer Reaktionszone, bei dem die Reaktionswärme mit Hilfe eines verdampfenden Kühlmediums abgeführt und in eine an­ dere Energieform umgewandelt wird.

Bei einem aus der DE-OS 26 51 567 bekannten Verfahren dieser Art wird das Wasserstoff, Kohlenoxyd, Kohlendioxyd und Stickstoff enthaltende Einsatzgasgemisch durch einen Wirbelbettreaktor geleitet. Ein solcher Methanisierungsre­ aktor kann mehrere Methanisierungszonen aufweisen. Bei der Methanisierung laufen in einer Vormethanisierungsstufe und einer Nachmethanisierungsstufe folgende Hauptreaktionen ab:

CO + 3 H₂ → CH₄ + H₂O und CO + H₂O → CO₂ + H₂.

Diese Reaktionen verlaufen exotherm, so daß zur Vermeidung von Übertemperaturen im Bereich der Methanisierungszone eine Kühlung vorhanden sein muß.

Das sich im Kühler erwärmende, meist in Wasserdampf über­ führte Kühlwasser wird entweder außerhalb des Wirbelbett­ reaktors wieder heruntergekühlt oder als Dampf an einen Dampfverbraucher gegeben. Nach der DE-OS 26 51 567 dient ein aus Siederohren bestehendes Kühlsystem zum Abführen der Reaktionswärme.

In der deutschen Offenlegungschrift 19 22 181 ist ein zweistufiges Verfahren zur Methanerzeugung beschrieben. Hierbei wird in einen Reaktor ein vorerhitztes Gemisch aus Wasserdampf und dem Dampf eines überwiegend paraffinischen Kohlenwasserstoff-Einsatzgutes in eine katalytische Re­ aktionszone eingeleitet. In dieser Reaktionszone setzt sich das Gemisch in Gegenwart eines Dampfreformierkatalysators zu einem Gas um, das Methan, Wasserstoff, Kohlenoxyde und Dampf enthält. Das Gas wird dann in einen weiteren kata­ lytischen Reaktor eingeleitet, in dem sich seine Bestand­ teile in Gegenwart eines Methanisierungskatalysators zwecks Erhöhung der Methankonzentration miteinander umsetzen. Beide Reaktoren werden mit Hilfe je eines Wärmeaustauschers gekühlt. Dabei wird im einzelnen in dem ersten Reaktor eine sogenannte Tieftemperaturvergasung der Kohlenwasserstoffe mit dem Wasserdampf bei Temperaturen möglichst unter 500°C durchgeführt, und auch die Methanisierungsreaktion läuft bei möglichst niedrigen Temperaturen und hohen Drücken ab. Dementsprechend sollen Methanisierungskatalysatoren einge­ setzt werden, die das Reaktionsgleichgewicht vorzugsweise auf der niedrigstmöglichen Temperatur gewährleisten. Die Methanisierung läuft hier bei Temperaturen zwischen etwa 200 bis 250° und 350°C ab.

Das Produktgas der Methanisierungsstufe erhitzt Speisewas­ ser, das im nachfolgenden Kühlsystem der Methanisierungs­ stufe verdampft. Dieser Dampft strömt dann durch das Kühl­ system des auf höherem Temperaturniveau als die Methanisie­ rungsstufe betriebenen Tieftemperaturvergasungsreaktors. Der hier erhitzte Wasserdampf verläßt den Tieftemperaturver­ gasungsreaktor bei Temperaturen etwa um 450°C und dient zum Erwärmen und Vorerhitzen des zu vergasenden Naphtas. Dem­ nach dient der in der Methanisierungsstufe auf einem mög­ lichst niedrigen Temperaturniveau gehaltene Wasserdampf zum Kühlen eines auf einem höheren Temperaturniveau ablaufenden chemischen Prozesses sowie anschließend zum Aufbringen der Verdampfungswärme des eingesetzten Kohlenwasserstoffs. Wei­ tere Verwendungsmöglichkeiten des erzeugten Wasserdampfs sind nicht angegeben.

Wenn nun aber die Methanisierung, wie es wünschenswert ist, bei höheren Gleichgewichtstemperaturen abläuft, so daß größ­ ere Dampfmengen entstehen, an denen jedoch im Prozeß kein Bedarf besteht, dann wird eine für die Energieausnutzung sinnvolle Weiterverwendung des Kühldampfs der Methanisie­ rungsstufe zu einem erheblichen technischen Problem, das sich dadurch vergrößert, daß die Temperaturführung in der Methanisierungszone - unabhängig von der Weiterverwendung des Kühldampfes - den optimalen Methanisierungsbedingungen entsprechen muß, d. h., daß in unterschiedlichen Höhen des zumeist als Wirbelbett betriebenen Methanisierungsreaktors ein ganz bestimmtes Temperaturgefälle eingehalten werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bei der Metha­ nisierung anfallende Reaktionswärme mit möglichst großem thermischen Wirkungsgrad in eine andere Energieform umzu­ wandeln. Des weiteren sollen die Reaktoren zum Gewinnen von Methan mit möglichst hohem thermischen Wirkungsgrad betrie­ ben werden. Schließlich sollen die in den unterschiedlichen Reaktionszonen erforderlichen Temperaturen eingehalten werden, so daß im unteren Teil der Gasreaktionszone mit höheren Temperaturen und im oberen Teil mit niedrigeren Temperaturen gefahren werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß bei Verfahren der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß die Reaktionstem­ peraturen in den Reaktionszonen mit Hilfe von in einem Ver­ dampfer verdampfendem Speisewasser vorgegebenen Drucks und durch Überhitzen des erzeugten Dampfes mit Hilfe eines Überhitzers bei gleichbleibendem Druck unterschiedlich ein­ gestellt werden.

Der Wasserdampf wird somit in der Zone des größten Reak­ tionswärmeanfalls überhitzt. Dadurch werden nicht nur auf wirksame Weise die in der Reaktionszone erforderlichen Tem­ peraturen eingehalten, sondern es wird auch die Reaktions­ wärme optimal genutzt. Darüber hinaus ergibt sich für die Gasreaktion ein weiterer Vorteil dadurch, daß diese Zone mit höherer Temperatur auf der Gasseite gefahren wird.

Die Erfindung stellt demzufolge einen wesentlichen Beitrag zur wirksamen Ausnutzung der bei der Methanisierung frei­ werdenden Wärme dar. Durch eine entsprechende Mengensteu­ erung ist es beispielsweise möglich, bei der Methanisierung in der heißesten Zone eine Temperatur von 820 K einzuhalten und das überschüssige Wärmepotential zum Überhitzen von Wasserdampf auszunutzen.

Zur Regelungder Temperatur in der heißesten Zone und des erzeugten überhitzten Dampfes, kann dem Überhitzer vorzugs­ weise vorgewärmtes Speisewasser zugeführt werden.

Der bei der Energieumwandlung teilentspannte Wasserdampf kann hinter der Zone des größten Reaktionswärmeanfalls zwischenerhitzt und anschließend wieder der Energieumwand­ lung zugeführt werden. Des weiteren kann ein Teil des bei der Energieumwandlung teilentspannten Wasserdampfes in die Reaktionszone beispielsweise eines Wirbelbetts geführt werden. Dadurch wird auf einfache Weise der für die Gas­ reaktion erforderliche Wasserdampf geliefert.

Um eine weitere Wärmeausnutzung bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu erreichen, kann das Einsatz­ gasgemisch in einem Wärmeaustauscher von dem Produktgas­ gemisch erhitzt werden. In der gleichen Weise kann das Speisewasser in einem Wärmeaustauscher von dem Produktgas erwärmt werden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Be­ reich des Wirbelbettreaktors eine über zwei Rohrleitungen mit einer Wasserdampftrommel verbundene Wärmetauscherschlan­ ge und im unteren Bereich des Wirbelbettreaktors ein mit einer Speisewasserleitung verbundener Wasserdampfüberhitzer angeordnet ist und daß eine Dampfturbine über eine Dampflei­ tung mit dem Wasserdampfüberhitzer verbunden ist.

Durch das Überhitzen des Wasserdampfes im Reaktor läßt sich der Wasserdampf wesentlich besser in der angeschlossenen Dampfturbine oder gegebenenfalls auch in anderen Dampf­ verbrauchern ausnutzen. Wegen der bei der Methanisierung entstehenden hohen Temperaturen von beispielsweise 820 K können die Überhitzerflächen gegenüber normalen Rauchgas­ überhitzerflächen relativ klein sein, da die α-Werte in Wirbelschichten auf der Gasseite bei etwa 500 W/m² K liegen.

Oberhalb des Wasserdampfüberhitzers kann ein Zwischenüber­ hitzer angeordnet sein, der zum Zwischenüberhitzen des in der Turbine teilentspannten Wasserdampfes mit der Turbine verbunden ist. Auf diese Weise läßt sich die Reaktionswärme besonders günstig ausnutzen.

Vorteilhafterweise zweigt von der zu dem Zwischenüberhitzer führenden Dampfleitung für den teilentspannten Wasserdampf eine in die Einsatzgasleitung mündende Leitung ab. Durch diese Leitung wird der für die Methanisierungsreaktion not­ wendige Wasserdampf in den Wirbelbettreaktor eingeführt.

Des weiteren können sowohl die Produktgasleitung als auch die Einsatzgasleitung durch einen Wärmetauscher führen. Dadurch ist es möglch, gleichzeitig das Produktgas zu kühlen und das Einsatzgas zu erwärmen. Aus ähnlichen Gründen können durch einen weiteren Wärmeaustauscher sowohl die Produktgasleitung als auch die Speisewasserleitung führen. Auf diese Weise ist es möglich, das Produktgas noch weiter zu kühlen und gleichzeitig das Speisewasser zu erwärmen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Über eine Einsatzgasleitung 1 strömt das Einsatzgasgemisch aus Wasserstoff, Kohlenmonoxyd, Kohlendioxyd und Stick­ stoff in einen Wärmetauscher 2, in dem es auf eine Tem­ peratur von 500 K (227°C) erhitzt wird. Das erhitzte Einsatzgas verläßt den Wärmetauscher 2 mit einem Druck von 60 bar und strömt durch eine Leitung 3 von unten her in einen Wirbel­ bettreaktor 4. Die Reaktionswärme ergibt im unteren Teil 5 des Wirbelbettreaktors 4 beispielsweise eine Temperatur von 820 K (547°C). In diesem Reaktionsraum 5 befindet sich ein Wasser­ dampfüberhitzer 6, in dem sich bei der genannten Temperatur Dampftemperaturen von etwa 750 K (477°C) erreichen lassen.

Oberhalb des Wasserdampfüberhitzers 6 ist ein über Lei­ tungen 8 und 9 mit einer Dampfturbine 10 verbundener Zwischen­ erhitzer 7 angeordnet. Im oberen Bereich des Wirbelbett­ reaktors 4 ist eine Wärmetauscherschlange 11 angeordnet, die über die Leitungen 12 und 13 mit einer Wasserdampf­ trommel 14 in Verbindung steht. Mit Hilfe der Wärmetauscher­ schlangen 11 kann die Reaktion im oberen Bereich 15 des Wirbelbettreaktors 4 auf eine Temperatur von etwa 525 K (252°C) gehalten werden.

Das hier ebenfalls unter einem Druck von 60 bar stehende Produktgas verläßt den Wirbelbettreaktor 4 durch eine an seinem oberen Ende abgehende Produktgasleitung 16, die das Produktgas durch den Wärmetauscher 2 führt, in dem es unter gleichzeitigem Erwärmen des Einsatzgasgemisches abgekühlt wird. Das Produktgas verläßt den Wärmetauscher 2 durch eine Leitung 17 und gelangt von hier aus in einen weiteren Wärmetauscher 18, in dem es durch gleichzeitiges Erwärmen des durch eine Leitung 19 herangeführten Speisewassers abgekühlt wird, um von hier aus durch eine Leitung 20 seiner weiteren Verwendung bzw. Behandlung zugeführt zu werden. In dieser Leitung 20 befindet sich ein Regler 21, der in den Leitungen 1, 17 und demzufolge auch im Wirbel­ bettreaktor 4 sowie in den Einsatzgasleitungen 1 und 3 einen Druck von ca. 60 bar aufrechterhält.

Über die Leitung 19, die durch den Wärmetauscher 18 führt und diesen als Druckleitung 22 verläßt wird die Wasser­ dampftrommel 14 mit Speisewasser versorgt. Von hier aus zweigt eine Einspritzleitung 23 ab, die über ein Ventil 24 zu dem Wasserdampfüberhitzer 6 führt.

Um die gewünschte Wasserdampftemperatur an der Ausgangs­ leitung 25 des Wasserdampfüberhitzers 6 einzuhalten, wird über die Einspritzleitung 23 Speisewasser in den Wasser­ dampfüberhitzer 6 eingespritzt. Auf diese Weise läßt sich die Dampftemperatur bzw. die über die Leitung 25 der Dampf­ turbine 10 zugeführte Dampfmenge regulieren. An der Dampf­ turbine 10 wird der Wasserdampf mit niedrigem Druck über die Leitung 8 dem hinter dem Wasserdampfüberhitzer 6 in dem Wirbelbettreaktor 4 angeordneten Zwischenüberhitzer 7 geführt und überhitzt durch die Leitung 9 zur weiteren Ausnutzung zur Dampfturbine 10 geleitet. Von der Leitung 8 kann mittels eines Reglers 26 über eine Wasserdampfleitung 27 der für die Reaktion im Wirbelbettreaktor 4 erforderliche Wasser­ dampf in die Einsatzgasleitung 3 eingeführt werden. Der Abdampf der den Generator 28 antreibenden Turbine 10 kann über eine Leitung 29 verschiedenen in der Zeichnung nicht dargestellten Verbrauchern als Heizdampf zugeführt oder kondensiert werden.

Aus dem Wirbelbettreaktor 4 wird weitere Reaktionswärme mittels der Wärmetauscherschlange 11 abgeführt. Die Wärme­ tauscherschlange 11 ist über die Leitung 12 und 13 mit der Wasserdampftrommel 14 verbunden. Die Leitung 12 führt Kesselwasser aus der Wasserdampftrommel 14 in die Wärme­ tauscherschlange 11, während die Leitung 13 das Wasserdampf­ gemisch zur Wasserdampftrommel 14 zurückführt. Der Druck in der Wasserdampftrommel 14 wird beispielsweise auf 90 bar gehalten. Durch eine Leitung 30 wird mittels eines Reglers 31 der für den Wasserdampfüberhitzer 6 erforderliche Wasser­ dampf eingespeist.

Claims (7)

1. Verfahren zum katalytischen Umwandeln eines kohlen­ oxyd- und wasserstoffreichen, schwefelarmen Einsatz­ gasgemischs in ein Methan und/oder höhere Kohlenwasser­ stoffe enthaltendes Gasgemich unter erhöhtem Druck in einem Mehrzonen-Reaktor mit einer Reaktionszone, bei dem die Reaktionswärme mit Hilfe eines verdampfenden Kühlmediums abgeführt und in eine andere Energieform umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionstemperatur in den Reaktionszonen mit Hilfe von in einem Verdampfer verdampfenden Speisewassers vorgegebenen Drucks und durch Überhitzen des erzeugten Dampfes mit Hilfe eines Überhitzers bei gleichblei­ bendem Druck unterschiedlich eingestellt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Überhitzer zur Temperaturregelung Speisewasser zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß während der Energieumwandlung teilentspannter Wasserdampf hinter der Zone des größten Reaktionswär­ meanfalls zwischenerhitzt und anschließend weiterer Energieumwandlung zugeführt wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des im Rahmen der Energieumwandlung teilentspannten Wasserdampfes in den Reaktionsraum geführt wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Bereich (15) des Wirbelbettreaktors (4) eine über zwei Rohrleitungen (12, 13) mit einer Wasserdampftrommel (14) verbundene Wärmetauscherschlange (11) und im unteren Bereich (5) des Wirbelbettreaktors (4) ein mit einer Speisewasserleitung (23) verbundener Wasserdampf­ überhitzer (6) angeordnet ist und daß eine Dampftur­ bine (10) über eine Dampfleitung (25) mit dem Wasser­ dampfüberhitzer (6) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Wasserdampfüberhitzers (6) ein mit der Turbine (10) über Dampfleitungen (8, 9) verbunde­ ner Zwischenüberhitzer (7) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß von der von der Turbine (10) zu dem Zwischenüberhitzer (7) führenden Dampfleitung (8) eine in die Einsatzgasleitung (3) mündende Leitung (27) abzweigt.