DE3345064A1 - Verfahren zur erzeugung von synthesegas - Google Patents

Verfahren zur erzeugung von synthesegas

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Description

  • Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Synthesegases durch Umsetzung von Kohlenwasserstoffen unter erhöhtem Druck durch eine endotherme katalytische Dampfreformierung und eine katalytische autotherme Reformierung.
  • Die Bereitstellung von Synthesegas, also eines im wesentlichen Wasserstoff und Kohlenoxide enthaltenden Gases, ist eine Grundvoraussetzung für die Durchführung einer ganzen Reihe wichtiger großtechnischer Synthesen. Beispielsweise werden Synthesegase bei der Herstellung von Ammoniak oder Methanol, bei der Oxosynthese und der Fischer-Tropsch-Synthese benötigt, wobei das rohe Synthesegas im Einzelfall noch so aufbereitet wird, daß es die für die jeweilige Synthese erforderliche Zusammensetzung aufweist. Daneben wird aus Synthesegas auch in großem Umfang Wasserstoff erzeugt, wobei im allgemeinen durch Konvertierung des Kohlenmonoxid-Anteils mit Wasserdampf zunächst der Wasserstoffgehalt des Synthesegases erhöht und dann das konvertierte Gas gereinigt wird.
  • Die Zusammensetzung von rohen Synthesegasen hängt sowohl von der Art des Herstellungsverfahrens als auch von der Natur des dabei eingesetzten Einsatzes ab. Ein übliches Verfahren zur Synthesegaserzeugung ist die Dampfreformierung von leichten Kohlenwasserstoffen, beispielsweise von Methan, Äthan, Propan, Flüssiggas (LPG), leichten Benzinfraktionen bis hin zu Naphtha oder von Erdgas bzw. Erdölbegleitgas, wobei der jeweils verwendete Einsatzstoff mit Wasserdampf vermischt und bei erhöhter Temperatur und bei Drücken zwischen etwa 15 und 30 bar in einem endothermen Prozeß katalytisch umgesetzt werden, wobei die Reaktionswärme durch Beheizung von katalysatorgefüllten Rohren mit einem heißen Rauchgas bereitgestellt wird.
  • Einem solchen Dampfreformer, der häufig auch Primärreformer genannt wird, schließt sich häufig noch eine zweite Reformierungsstufe an, um restlichen, bei der Primärreformierung noch nicht umgesetzten Einsatz umzuwandeln, beispielsweise, um bei der Reformierung von Erdgas ein Synthesegas mit einem Methangehalt von weniger als 0,5 Vol-% zu erhalten. Diese zweite Stufe oder Sekundärreformierung wird üblicherweise autotherm durchgeführt, wobei das Synthesegas der ersten Stufe in einer Brennkammer in Gegenwart von tuft oder Sauerstoff gezündet und dann bei der sich einstellenden hohen Temperatur durch ein Katalysatorbett geführt wird, wobei die Umsetzung des Einsatzes vervollständigt wird.
  • Obwohl diese Verfahrensweise in großem Umfang praktisch angewendet wird, (beispielsweise wird weltweit der überwiegende Anteil des Ammoniaksynthesegases so erzeugt), haften ihm einige Mängel an, die noch nicht in befriedigender Weise gelöst werden konnten.
  • Ein wesentlicher Pünkt ist dabei der hohe Energiebedarf für die Dampfreformierung, der durch die Verbrennung von Primärenergieträgern gedeckt werden muß. Diese Primärenergieträger, die häufig ein Teilstrom des zu reformierenden Einsatzstroms sind, werden zu einem heißen Rauchgas umgesetzt, mit dem die katalysatorgefüllten Reformerrohre beheizt werden und aus dem zwar noch durch Dampferzeugung und Anwärmung von Einsatz strömen weitere Wärme zurückgewonnen wird, das aber dennoch zu einem hohen spezifischen Energieverbrauch des Verfahrens führt und schließlich als Abgas in die Atmosphäre abgegeben wird, statt zu Synthesegas umgesetzt zu werden. Um den hohen Energiebedarf für die Dampfreformierung zu reduzieren, hat man auch schon vorgeschlagen, den Dampfreformer dadurch zu verkleinern, daß man einen Teil des Einsatzstroms direkt in den Sekundärreformer führt (US-PS 3,278,452), oder daß man den Dampfreformierer in zwei getrennte Reaktoren unterteilt, von denen der erste in üblicher Weise und der andere durch das aus dem Sekundärreformer austretende Synthesegas beheizt wird (US-PS'en 4,079,017 und 4,162,290).
  • Diese Vorschläge, die teilweise mit zusätzlichen Reaktoren und damit erhöhten Investitionskosten verbunden sind, lassen zwar den Energiebedarf des Verfahrens absinken, bedürfen aber noch weiterer Verbesserung bzw. Vereinfachung.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß sowohl der Energiebedarf für den Betrieb als auch die Investitionskosten für die Errichtung einer verfahrensgemäßen Anlage gering sind.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein erster Strom von Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von Wasserdampf und Sauerstoff oder eines sauerstoffhaltigen-Gases der autothermen Reformierung und ein zweiter Strom von Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von Wasserdampf der Dampfreformierung unterzogen werden, wobei die für die Dampfreformierung benötigte Wärmemenge mindestens teilweise dem Produktgas der autothermen Reformierung entnommen wird.
  • Bei der Erfindung wird im autothermen Reaktor der erste Kohlenwasserstoffstrom in Gegenwart von Sauerstoff und gegebenenfalls von Wasserdampf und/oder Kohlendioxid in eine Brennkammer eingeführt, in der unter Ausbildung einer hohen Temperatur, beispielsweise zwischen 900 und 1500 °C, eine Teilverbrennung der Kohlenwasserstoffe erfolgt. Das heiße Gas wird dann durch eine Katalysatorschicht geführt, wobei es unter Ausnutzung seines Wärmeinhalts einer endothermen Reformierungsreaktion unterzogen wird. Das dabei gebildete Synthesegas, das nahezu völlig frei von nicht umgesetzten Kohlenwasserstoffen ist, wird bei einer Austrittstemperatur zwischen etwa 850 und 1400 OC aus dem autothermen Reaktor abgezogen und zur Beheizung des parallel betriebenen Dampfreformers, in dem der zweite Kohlenwasserstoffstrom mit Wasserdampf umgesetzt wird, herangezogen.
  • Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß bei dieser Verfahrensführung kein Rauchgas anfällt, das zur Beheizung irgendwelcher Reformerstufen benötigt wird. Dadurch wird nicht nur der erhebliche, trotz Wärmerückgewinnung aus dem Rauchgas nicht zu vermeidende Wärmeverlust unterdrückt, sondern es wird auch kein Teil strom des zu reformierenden Einsatzes oder eines anderen vergleichbaren Ersatzbrennstoffes für Heizzwecke verbraucht, so daß der Einsatz strom völlig zu Synthesegas umgesetzt bzw. zusätzlicher Brennstoff eingespart werden kann.
  • Die Beheizung der katalysatorgefüllten Rohre des Dampfreformers erfolgt in zweckmäßiger Weise durch unmittelbaren indirekten Wärmetausch mit dem Produktgas der autothermen Reformierung, obwohl die Einschaltung eines Zwischenwärmeträgers nicht auszuschließen ist, insbesondere bei sehr hohen Austrittstemperaturen aus dem autothermen Reformer.
  • Bei dem Wärmetausch wird das heiße Produktgas vorzugsweise im Gegenstrom zur Strömungsrichtung, die in den Rohren herrscht, über die Rohraußenwand geführt und kühlt sich unter Abgabe des für die Dampfreformierung benötigten Wärmeinhalts ab.
  • Die thermische Belastbarkeit der Rohre des Dampfreformers hängt wesentlich von der Werkstoffwahl und der Druckdifferenz zwischen Rohrinnenraum und Rohraußenraum ab.
  • In herkömmlichen Reformern, in denen zwischen dem nahezu drucklosen Rauchgas und dem Reformereinsatz eine Druckdifferenz von etwa 15 bis 25 bar herrscht, lassen sich deshalb bei Verwendung üblicher Rohrwerkstoffe Austrittstemperaturen des reformierten Gases von maximal etwa 850 bzw. Rohrwandtemperaturen von maximal etwa 950 OC erreichen, was zur Folge hat, daß ein Teil des Einsatzes noch nicht umgesetzt wird. Beispielsweise verbleibt bei der Dampfreformierung von Erdgas bei einem Druck von 25 bar noch ein Rest-Methangehalt im Synthesegas, der 10 bis 20 Vol-% der Gasmenge erreichen kann, wodurch die Nachschaltung eines Sekundärreformers zur weiteren Umsetzung bei einem solchen Verfahren meist eine notwendige Maßnahme ist.
  • Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist dieser Nachteil weitgehend ausgeschaltet. Die autotherme Reformierung wird unter einem wesentlich ;scheren Druck als eine Verbrennung zur Erzeugung von heißem Rauchgas durchgeführt, bei spielsweise bei Drücken über 40 bar, insbesondere bei Drücken zwischen 60 und 100 bar»Dabei kann die Druckdifferenz zwischen dem die Rohre des Dampfreformers beheizenden Produktgas der autothermen Reformierung und dem in diesen Rohren umzusetzenden Gas gering gehalten werden, wodurch eine höhere Rohrwandtemperatur und damit höhere Reaktionstemperatur bei der Dampfreformierung eingestellt werden kann, was wiederum zu einer vollständiger ablaufenden Reformierungsreaktion, also geringeren Anteilen nicht umgesetzter Kohlenwasserstoffe im Produktgas, führt. Sofern der Druck des Produktgases der autothermen Reformierung erheblich höher ist als die üblicherweise bei der Dampfreformierung angewendeten Drücke von etwa 15 bis 25 bar, kann auch der Druck im Dampfreformer höher als. üblich gewählt und dem Druck der autothermen Reformierung angepaßt werden. Zwar erhöht sich bei der Dampfreformierung generell der Anteil der nicht umgesetzten Kohlenwasserstoffe bei einer Druckerhöhung, doch läßt sich aufgrund der steigenden Reaktionstemperatur dieser Effekt mehr als kompensieren, so daß auch in der Dampfreformierung ein nahezu vollständig umgesetztes Produktgas anfällt. Vorzugsweise werden die Drücke in der autothermen Reformierung und im Dampfreformer so aufeinander eingestellt, daß die Rohre im Dampfreformer nur geringen Druckbelastungen ausgesetzt sind, da dann die maximal zulässige Rohrwandtemperatur angestrebt werden kann.
  • Das aus der autothermen Reformierung austretende Produktgas, das Temperaturen zwischen 850 und 1400 OC, insbesondere zwischen 900 und 1300 OC aufweist, wird vorzugsweise bei einer Temperatur unterhalb von 1100 OC über die Rohre des Dampfreformers geführt, da übliche Rohrwerkstoffe bis zu dieser Temperatur belastbar sind, sofern sie keinen äußeren Druckbelastungen ausgesetzt sind. Das erfindungsgemäße Verfahren ist zwar auch bei höheren Temperaturen durchführbar, doch wäre dann der Einsatz von Spezialwerkstoffen erforderlich.
  • Sofern die Temperatur des Produktgases der autothermen Reformierung so hoch ist, daß eine direkte Einführung in den Dampfreformer nicht in Frage kommt, kann beispielsweise durch Zugabe von kälteren Gasen eine geeignete Temperatur eingestellt werden. Für die Zugabe eignen sich dabei insbesondere solche Gase, die bei einer nachfolgenden Aufarbeitung des Synthesegases ohnehin zugegeben werden müssen, beispielsweise Stickstoff bei der Herstellung von Ammoniaksynthesegas oder Wasserdampf, falls eine nachfolgende Konvertierung vorgesehen ist. Eine andere mögliche Art der Kühlung dieses Gases auf eine geeignete Eintrittstemperatur für den Dampfreformer ist in der Verwendung eines Abhitzekessels, beispielsweise unter Gewinnung von überhitztem Dampf oder Hochdruckdampf, zu sehen.
  • Wenn die Temperatur des Heizgases für den Dampfreformer auch nicht über 1100 OC liegen soll, so ist es doch vorteilhaft, möglichst nahe an diesen Grenzwert heranzugehen, beispielsweise eine Temperatur zwischen 1000 und 1100 OC zu wählen. Die Dampfreformierung läßt sich dann bei einer Temperatur von etwa 950 bis 1050 OC und damit bei nahezu vollständigem Umsatz durchführen.
  • Die Führung des Produktgases der autothermen Reformierung im Gegenstrom zur Strömungsrichtung in den Rohren des Dampfreformers ist besonders günstig, weil dadurch die Temperatur innerhalb des Rohres in Strömungsrichtung ansteigt und am Austrittsende ihren maximalen Wert erreicht, was im Hinblick auf eine möglichst vollständige Umsetzung erwünscht ist.
  • Das bei einer Temperatur von beispielsweise 1000 bis 1100 OC in den Dampfreformer eintretende Produktgas kann beim Überströmen der Rohre bis auf etwa 400 bis 850 OC abgekühlt werden, so daß ein Großteil der im Gas enthalte- nen Wärme direkt und auf hohem Temperaturniveau zur Erzeugung weiteren Synthesegases genutzt wird, ohne daß die Produktion von Uberschußdampf zur Nutzung dieser Energie erforderlich wäre.
  • Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber üblichen Verfahren ergibt sich aus der Möglichkeit, ein so weitgehend umgesetztes Synthesegas zu erhalten, daß kein Sekundärreformer mehr eingesetzt werden muß. Hierdurch entfällt nicht nur ein Anlagenteil erheblicher Größe, durch den zur Umsetzung des Kohlenwasserstoff-Restgehaltes von maximal etwa 15 bis 20 Vol-% der gesamte aus dem Dampfreformierer austretende Gasstrom geführt werden mußte, sondern es ergibt sich auch hinsichtlich der Synthesegasausbeute ein Vorteil, da in dieser Verfahrensstufe bisher ein Teil der bei der Primärreformierung gebildeten erwünschten Synthesegaskomponenten, im wesentlichen Wasserstoff und Kohlenmonoxid, zu weniger erwünschten Komponenten wie Wasser und Kohlendioxid oxidiert werden und damit in der Regel für die weitere Verwendung des Synthesegases als Verlust anzusehen sind. Eine derartige Verlustquelle scheidet dagegen beim erfindungsgemäßen Verfahren völlig aus.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Produktgas der autothermen Reformierung mit dem Produktgas der Dampfreformierung vermischt, bevor es die Rohre des Dampfreformers beheizt. Diese Verfahrensvariante, die annähernd den gleichen Druck in beiden Reformerstufen voraussetzt, ist insbesondere hinsichtlich der konstruktiven Ausgestaltung der Verfahrensanlage günstig, da getrennte Leitungen zur Führung der beiden Produktströme entfallen können. Das Produktgas der Dampfreformierung kann in einfacher Weise durch an den Rohraustrittsenden angebrachte oeffnungen, beispielsweise Siebe, Schlitze oder ähnliche Vorrichtungen, die das Gas austreten lassen, aber den Katalysator in den Rohren zurückhalten, austreten und im Rohraußenraum unmittelbar mit dem Produktgas der autothermen Reformierung vermischt werden.
  • Für die Durchführung dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich vorzugsweise eine besondere Ausführungsform eines Dampfreformers, der ausgebildet ist als ein im wesentlichen vertikal angeordneter Reaktor mit einer in einen Eintrittsbereich des Reaktors führenden Zuführungsleitung für einen zu reformierenden Einsatzstrom, einem den Eintrittsbereich des Reaktors begrenzenden Rohrboden, in dem von Eintrittsbereich wegführende katalysatorgefüllte Rohre, die an ihrem anderen Ende mit Austrittsöffnungen versehen sind, befestigt sind, ferner mit einer Austrittsöffnung für reformiertes Gas, die in der Nähe des Rohrbodens angeordnet ist, und mit einer Zuführungsleitung von Produktgas aus einem autothermen Reaktor, die im Bereich der Enden der katalysatorgefüllten Rohre angeordnet ist.
  • Die Bauweise dieses Dampfreformers unterscheidet sich von üblichen Konstruktionen im wesentlichen dadurch, daß die Reformerrohre nur einseitig gelagert sein müssen, wodurch sich wesentliche Vorteile ergeben. Durch die im wesentlichen freie Anordnung der Rohre, d.h. durch das Fehlen einer eintritts- und austrittsseitigen Lagerung der Reformerrohre, entfallen die üblicherweise auftretenden Probleme bezüglich der thermischen Ausdehnung der Rohrwerkstoffe sowie der Zuführung des Einsatzmaterials über flexible Leitungen, sogenannte Pig-tails. Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Konstruktion dadurch, daß das Produktgasgemisch im Gegenstrom über die Rohre geführt wird,und dadurch bei Erreichen der Eintrittszone des Reaktors schon weitgehend abgekühlt sind, wodurch die thermische Belastung des Rohrbodens verringert wird. Der Innenraum des Reaktorbehälters kann daher im Bereich des Rohrbodens in vielen Fällen schon auf eine feuerfeste Ausmauerung verzichten, während im Bereich hoher Temperaturen eine solche feuerfeste Ausmauerung erforderlich ist.
  • In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Dampfreformers wird der autotherme Reformer mit in den Reaktorbehälter integriert. Hierbei ist vorgesehen, daß unterhalb eines sich an die Austrittsenden der Dampfreformerrohre anschließenden Mischraums für die Produktgase der beiden Reformierstufen eine Katalysator zone für die Durchführung der autothermen Reformierung vorgesehen ist, unter der ein Brennraum angeordnet ist, in den Zuführungen für den Einsatz der autothermen Reformierung vorgesehen sind. In einem derartigen Reaktor erfolgt also eine Dampfreformierung eines ersten Einsatzstroms von oben her nach unten bis in einen mittleren Bereich, während die autotherme Reformierung von unten her bis in den mittleren Bereich erfolgt, woraufhin die Produktgase nach Vermischung und Beheizung der Reformerrohre wieder aus dem oberen Bereich des Reaktors abgezogen werden.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand einiger in den Figuren schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert.
  • Es zeigen: Figur 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung, Figur 2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung und Figur 3 eine Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit einer Aufbereitung des erzeugten Synthesegases.
  • Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind ein Reaktor 1 für eine autotherme Reformierung und ein Reaktor 2 für eine Dampfreformierung parallel zueinander angeordnet. Der autotherme Reformer 1 besteht im wesentlichen aus einem vertikal angeordnetem Reaktorbehälter, der innen mit einer feuerfesten Ausmauerung 3 verkleidet ist, einem Brennraum 4 und einer Katalysatorzone 5. Der zu reformierende Einsatzstoff wird über Leitung 6 in den Reaktor eingeführt und am Brenner 7, der über Leitung 8 mit Wasserdampf und Sauerstoff oder Luft versorgt wird, im Brennraum 4 zu einem heißen Gasgemisch umgesetzt, das anschließend beim Durchströmen der Katalysatorschüttung 5 in Synthesegas umgesetzt wird. Das heiße Gas der autothermen Reformierung wird über eine ebenfalls feuerfest ausgemauerte Transferleitung 9 in den unteren Bereich des Dampfreformers 2 eingeleitet.
  • Der Dampfreformer 2 besteht im wesentlichen aus einem vertikal angeordneten Behälter, dem über Leitung 10 von oben zu reformierender Einsatzstrom zugeführt wird.
  • Der Eintrittsbereich 11 des Dampfreformers 2 wird begrenzt durch einen Rohrboden 12, in dem nach unten hängende, katalysatorgefüllte Rohre 13 befestigt sind. Infolge der nur einseitigen Befestigung der Rohre sind dabei keine besonderen Maßnahmen erforderlich, um thermische Ausdehnungen bei der Inbetriebnahme der Anlage zu kompensieren. Die Rohre 13 sind an ihrem unteren Ende 14 mit Austrittsöffnungen versehen, die zwar das reformierte Gas austreten lassen, die in den Rohren vorliegende Katalysatorschüttung jedoch zurückhält. Unter den Rohren ist ein Raum 15 vorgesehen, in dem sich das aus dem Rohrbündel 13 austretende Synthesegas mit dem über Leitung 9 herangeführten Synthesegas aus der autothermen Reformierung vermischt und dann, begrenzt durch den mit einer feuerfesten Ausmauerung 3 versehenen Reaktormantel, die Rohre 13 des Rohrbündels von unten nach oben umströmt und beheizt. Das sich dabei abkühlende Synthesegas tritt schließlich unterhalb des Rohrbodens 12 über Leitung 16 aus dem Dampfreformer 2 aus. Da das Synthesegas beim Uberstreichen des Rohrbündels bereits eine erhebliche Temperaturabsenkung erfährt, bevor es in den Bereich des Rohrbodens 12 gelangt, ist eine feuerfeste Auskleidung des Rohrbodens 12 in vielen Fällen nicht erforderlich.
  • Bei der in Figur 2 dargestellten Ausführungsweise der Erfindung sind die Autothermreformierung und die Dampfreformierung in einem gemeinsamen Reaktorbehälter 17 angeordnet. Dabei ist der Reaktormantel des Dampfreformers 2 gemäß Figur 1 nach unten hin verlängert worden, wobei unterhalb des Mischraums 15 die Katalysatorschüttung 5 des autothermen Reformers und darunter der Brennraum 4 mit dem Brenner 7 und den Zuleitungen 6 und 8 angeordnet ist.
  • Das in der Figur 3 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine energetisch besonders günstige Art der Gewinnung von Synthesegas mit anschließender Aufbereitung zur Wasserstoffgewinnung. Das Synthesegas wird dabei zunächst in zwei parallel geschalteten Re- formern 1 und 2 nach dem in der Figur 1 dargestellten Verfahren erzeugt und tritt mit einer Temperatur von 800 OC bei einem Druck von 60 bar aus Leitung 16 aus. Das Gas besteht zu 41,4 % aus Wasserstoff und enthält daneben 12,6 % Kohlenmonoxid, 5,9 % Kohlendioxid, 0,3 % Methan, 0,4 % Stickstoff und 39,4 % Wasserdampf (jeweils Mol-%).
  • Dieses Gas wird nach Temperaturabsenkung auf 700 °C, was beispielsweise durch Dampfeinspritzung oder unter Erzeugung von Mitteldruckdampf von etwa 300 OC erfolgt, in einer Expansionsturbine 18 auf 30 bar entspannt, wobei es sich auf etwa 590 OC abkühlt. Anschließend wird das Gas im Wärmetauscher 19 auf die Eintrittstemperatur einer Kohlenmonoxidkonvertierung, die zwischen 260 und 320 OC liegt, abgekühlt und in der Konvertierung 20 zu einem Gas umgesetzt, das zu 53,6 % aus Wasserstoff besteht und daneben 0,3 % Kohlenmonoxid, 18,1 % Kohlendioxid, 0,3 % Methan, 0,4 % Stickstoff und 27,3 % Wasserdampf (jeweils Mol-%) enthält. Nach Abkühlung im Wärmetauscher 21 und Abtrennung von kondensiertem Wasser über Leitung 22 wird aus dem Gas in einer Druckwechseladsorptionsanlage 23 ein reiner Wasserstoffstrom gewonnen, der bei einer Temperatur von 30 OC und einem Druck von etwa 25 bar in Leitung 24 anfällt und einem Kompressor 25 zugeleitet wird, in dem es auf den ursprünglichen Druck von 60 bar rückverdichtet wird, bevor es über Leitung 26 als Produktgas abgezogen wird.
  • Der Kompressor 25 wird dabei über eine Welle 27 von der Expansionsturbine 18 angetrieben. Die von der Expansionsturbine 18 gelieferte Energie ist in der Regel wesentlich größer als die für die Rückverdichtung erforderliche Energie, da das gesamte, über Leitung 16 aus der Gaserzeugung abgezogene Roh-Synthesegas arbeitsleistend entspannt wird, während nur ein geringerer Anteil wieder rückverdichtet werden muß. So fällt beispielsweise bei der beschriebenen Wasserstofferzeugung ein zusätzlicher Leistungsgewinn von etwa 5 MW an, wenn durch das Verfahren der Wasserstoffbedarf für eine Ammoniaksyntheseanlage mit einer Leistung von etwa 1150 Tagestonnen Ammoniak gedeckt werden soll.
  • Es versteht sich von selbst, daß die Synthesegasaufbereitung gemäß Figur 3 auch andere Verfahrensschritte, beispielsweise eine CO2-Wäsche, eine Methanisierung, eine Teilkonvertierung oder andere gebräuchliche Aufbereitungsverfahren, umfassen kann.
  • Um bei der Abkühlung des Synthesegases im Dampfreformer eine Rußbildung zu vermeiden, sind vorzugsweise Dampfreformer-Austrittstemperaturen des Synthesegases um 800 OC anzustreben, beispielsweise 780 OC bei einem unter 60 bar stehenden Synthesegas. Um dies sicherzustellen, ist es erforderlich, den Einsatz strom für die Dampfreformierung auf eine höhere als die übliche Temperatur vorzuwärmen. Diese zusätzliche Vorwärmung, beispielsweise auf etwa 750 OC statt auf etwa 500 OC kann auf beliebige Weise geschehen. Beispielsweise kann dafür eine externe Vorwärmung in einem befeuerten Erhitzer vorgesehen sein.
  • Sofern für die Befeuerung eines solchen Erhitzers kein anderer Brennstoff eingesetzt werden kann oder soll, kann zu diesem Zweck ein Teilstrom des Einsatz stromes abgezweigt werden. Zur Temperaturerhöhung des Einsatzstroms um etwa 250 OC reicht dabei ein geringer Teil strom von etwa 1 bis 2 % des Einsatzstroms aus. Dabei kann im Erhitzer gegebenenfalls auch noch Prozeßdampf erzeugt oder überhitzt werden. Eine andere Art der Einsatzvorwärmung auf etwa 750 OC kann darin bestehen, daß ein Teilstrom des Einsatzstroms einem in der Eintrittshaube des Dampfreformers vorgesehenen Brenner zugeführt und verbrannt wird. Das heiße Verbrennungsgas wird dabei direkt dem Einsatz strom zugemischt. Auch in diesem Fall werden zur Temperaturerhöhung um etwa 250 OC nur 1 bis höchstens 2 % des Einsatzstroms benötigt.
  • Nachfolgend sei das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Zahlenbeispiels dargestellt. Ausgegangen wird dabei von einem Erdgasstrom mit folgender Zusammensetzung (in Mol-%): Methan 93,25 % C5+-Kohlenwasserstoffe 0,01 % Ethan 3,32 % Stickstoff 1,95 % Propan 0,87 % Argon 0,4 % Butan 0,19 % Kohlendioxid 0.01 %.
  • Der Schwefelwasserstoffgehalt des Erdgases lag unter Sppm. Der Einsatzstrom wird im engen Verhältnis von etwa 4 : 1 auf den autothermen und den endothermen Reformer aufgeteilt. Dem Einsatzstrom in den autothermen Reformer wird Wasserdampf zugesetzt, bis das Verhältnis Wasserdampf : Kohlenwasserstoff 2 beträgt, und Sauerstoff für die teilweise Verbrennung zugegeben. Der Einsatzstrom in den endothermen Reformer wird mit Wasserdampf versetzt, bis das Verhältnis Wasserdampf : Kohlenwasserstoff 3,5 beträgt. Das erzeugte Synthesegas hat auf trockener Basis die folgende Zusammensetzung (in Mol-%): Wasserstoff 68,1 %, Kohlenmonoxid 20,9 %, Kohlendioxid 9,8 %, Methan 0,5 % und Stickstoff 0,69 %.
  • - Leerselte -

Claims (14)

  1. Patentansprüche 1. Verfahren zur Erzeugung eines Synthesegases durch Umsetzung von Kohlenwasserstoffen unter erhöhtem Druck durch eine endotherme katalytische Dampfreformierung und eine katalytische autotherme Reformierung, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Strom von Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von Wasserdampf und Sauerstoff oder eines sauerstoffhaltigen Gases der autothermen Reformierung und ein zweiter Strom von Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von Wasserdampf der Dampfreformierung unterzogen werden, wobei die für die Dampfreformierung benötigte Wärmemenge mindestens teilweise dem Produktgas der autothermen Reformierung entnommen wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfreformierung in katalysatorgefüllten Rohren, die außen vom Produktgas der autothermen Reformierung umströmt und beheizt werden, erfolgt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die autotherme Reformierung bei Austrittstemperaturen zwischen 850 und 1400 bC betrieben wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des die Rohre des Dampfreformers beheizenden Gases unterhalb von .1200 OC liegt.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des aus dem Dampfreformer austretenden Produktgases zwischen 850 und 1200 OC liegt.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Produktgases der autothermen Reformierung durch Zumischung eines kälteren Gases abgesenkt wird, bevor es die Rohre des Dampfreformers beheizt.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Produktgas der autothermen Reformierung mit dem Produktgas der Dampf reformierung vermischt wird, bevor es die Rohre des Dampfreformierers beheizt.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfreformierung und die autotherme Reformierung bei im wesentlichen gleichem Druck durchgeführt werden.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,daß der Druck über 25 bar, vorzugsweise im Bereich zwischen 40 und 150 bar, insbesondere im Bereich zwischen 60 und 100 bar, liegt.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Synthesegas nach der Beheizung der Rohre des Dampfreformers bei einer Temperatur zwischen 400 und 850 OC, insbesondere zwischen 700 und 800 °C, aus dem Dampfreformer austritt.
  11. 11. Dampfreformer zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfreformer ausgebildet ist als ein im wesentlichen vertikal angeordneter Reaktor mit einer in einen Eintrittsbereich des Reaktors führenden Zuführungsleitung für einen zu reformierenden Einsatz strom, einem den Eintrittsbereich des Reaktors begrenzenden Rohrboden, in dem vom Eintrittsbereich wegführende katalysatorgefüllte Rohre, die an ihrem anderen Ende mit Austrittsöffnungen versehen sind, befestigt sind, ferner mit einer Austrittsöffnung für reformiertes Gas, die in der Nähe des Rohrbodens angeordnet ist, und mit einer Zuführungsleitung von Produktgas aus einem autothermen Reformer, die im Bereich der Enden der katalysatorgefüllten Rohre angeordnet ist.
  12. 12. Dampfreformer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb der katalysatorgefüllten Rohre ein Mischraum vorgesehen ist. -
  13. 13. Dampfreformer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einem autothermen Reformer in einem gemeinsamen Reaktorbehälter angeordnet ist.
  14. 14. Dampfreformer nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Eintrittsbereich des Reaktors ein Brenner vorgesehen ist.
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