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Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die thermische Belastbarkeit der Rohre des Dampfreformers hängt wesentlich
von der Werkstoffwahl und der Druckdifferenz zwischen Rohrinnenraum und Rohraußenraum
ab.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand einiger
in den Figuren schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert.
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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.
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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.
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Der Dampfreformer 2 besteht im wesentlichen aus einem vertikal angeordneten
Behälter, dem über Leitung 10 von oben zu reformierender Einsatzstrom zugeführt
wird.
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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.
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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.
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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-%).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 %.
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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 %.
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- Leerselte -