DE3439487C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas, bei dem das in einen Vergasungsreaktor durch Vergasung von C-haltigem Brennmaterial gewonnene, und Methan als Nebenprodukt enthaltende Synthesegas in einem Regenerator abgekühlt und einer Gasaufbereitung unterzogen wird, und ein Teil des Gases als Kreislaufgas dem Vergasungsreaktor wieder zusammen mit Verbrennungsgas und C-haltigem Brennmaterial zugeführt wird, wobei das Gas vor dem Wiedereintritt in den Vergasungsreaktor von dem Regenerator aufgeheizt wird.
Durch das Patent 32 37 334 der Anmelderin ist ein Verfahren der genannten Art zur Erzeugung von Synthesegas bekannt. Dieses Verfahren zeichnet sich durch einen niedrigen Energieverbrauch aus, da die Hochtemperaturenergie des aus dem Synthesegas austretenden Gases dafür verwendet wird, um das Kreislaufgas vor dem Wiedereintritt in den Vergasungsreaktor aufzuheizen.
Unter den im Vergasungsreaktor herrschenden Bedingungen wird bei diesem Verfahren ein Synthesegas erhalten, bei dem der Wasserstoffgehalt relativ niedrig liegt und das so gut wie kein Methan enthält. Um den Wasserstoffgehalt des Gases aufzubessern, ist es weiterhin erforderlich, das Gas durch einen Hochtemperatur-Konverter zu schicken.
Das Verfahren wird derart durchgeführt, daß das in einem Regenerator abgekühlte Synthesegas in einem Dampferzeuger weiter abgekühlt wird, von Flugasche befreit, einer Hochtemperatur-Konvertierung und Gaswäsche unterworfen wird, anschließend aufgeheizt einem Reduktionsreaktor zur teilweisen Oxidation zugeführt wird, nach Verlassen des Reduktionsreaktors durch den Regenerator aufgeheizt und zusammen mit vorerhitztem Sauerstoff und kohlenstoffhaltigem Brennmaterial dem Vergasungsreaktor wieder zugeführt wird.
Da das Synthesegas nach der Passage des Hochtemperatur- Konverters eine Gaswäsche durchläuft, in der Bestandteile wie Kohlendioxyd herausgewaschen werden, sind wegen der großen Temperaturunterschiede zwischen Konverter und Gaswäsche Energieverluste unvermeidbar. Bei einer derartigen Gasaufbereitung kann ferner das wertvolle Nebenprodukt Methan nicht auf einfache Weise abgetrennt werden.
Ebenfalls durch das Patent 32 23 702 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Vergasungsreaktors zur Erzeugung von Synthesegas bekannt. Ein Teil der Abwärme des erzeugten Synthesegases wird nach einer Gasaufbereitung dem Kreislauf wieder zugeführt. Zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit wird bei dem Verfahren das Kreislaufgas vor Wiedereintritt in den Vergasungsreaktor durch die Abgaswärme des Reaktors aufgeheizt. Der Wärmeaustausch zwischen heißem Synthesegas und kaltem Kreislaufgas erfolgt dabei über Wärmeaustauscher.
Nachteilig hat sich neben dem doch beträchtlichen Energieverlust auch herausgestellt, daß das Material dieses Wärmeaustauschers dem heißen und korresiven Synthesegas auf die Dauer nicht standhält.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das bekannte, unter niedrigem Energieverbrauch arbeitende Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas so zu verbessern, daß bei der Gasaufbereitung der Wasserstoffgehalt des Gases ohne Konvertierungsschritt erhöht und die Gasbestandteile mit Methan und Kohlendioxyd selektiv abgetrennt werden können, und beim Synthesegas nur relativ geringe Wärmeverluste auftreten. Die Reaktionstemperaturen sollen dabei relativ niedrig gehalten werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, bei welchem zur Erhöhung des Wasserstoffanteils des Synthesegases ohne Konvertierung das Synthesegas bei der Gasaufbereitung in einem 4-Pol-Wärmeaustauscher und einem Kondensator weiter abgekühlt wird, einer Gaswäsche in an sich bekannter Weise durch Druckwechsel-Adsorption zur Entfernung des Hauptanteils von Methan und Kohlendioxyd unterzogen wird und beim erneuten Durchtritt durch den 4-Pol-Wärmeaustauscher aufgeheizt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Synthesegas nach Durchlaufen des Regenerators in dem 4-Pol-Wärmetauscher und dem Kondensator soweit abgekühlt, daß es seinen Taupunkt unterschreitet. Die dem Gas entzogene Wärmeenergie wird aber nicht abgeführt, sondern an den Stellen in den Kreislauf wieder eingespeist, an denen die Wärmeenergie benötigt wird. Durch das Verfahren läßt sich auf einfache Weise ein wasserstoffreiches Synthesegas für die Erzdirektreduktion darstellen, wobei als wertvolles Nebenprodukt auch noch Methan anfällt, das als Synthesegas zur Erzeugung chemischer Produkte, z. B. bei der Methanolerzeugung, oder als Brenngas bei anderen Verfahren eingesetzt werden kann.
Bei einer zweiten Variante des Verfahrens kann das Synthesegas derart geführt werden, daß es nach dem ersten Durchtritt durch den 4-Pol-Wärmeaustauscher den Erhitzer durchläuft.
Bei dem Verfahren ist weiterhin vorgesehen, daß in den Vergasungsreaktor Sauerstoff als Verbrennungsgas eingeleitet wird. Zusammen mit dem Prozeßdampf, der die Reaktionsfähigkeit der im Vergasungsreaktor eingesetzten Kohle steigert, wird durch den Sauerstoff das Vergasungsverhalten der Kohle verbessert. Vorteilhaft für die Energiebilanz des Verfahrens ist es, wenn ein Teil der im Überschuß anfallenden Prozeßdampfenergie zur Sauerstofferzeugung für den Vergasungsreaktor eingesetzt wird.
Im folgenden wird anhand eines Schemas ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens näher beschrieben. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein Blockdiagramm einer Anlage zur Erzeugung von Synthesegas, mit dem ein Erzreduktionsreaktor beschickt wird.
Gemäß der Figur wird einem Vergasungsreaktor 1, hier einem Wirbelbett-Reaktor, Kohlenstoff in Form von feinkörnigem, reaktivem Kohlenstaub zugeführt. Als Vergasungsmittel für den Kohlenstaub werden hocherhitzter Prozeßdampf, Sauerstoff und Kreislaufgas in den Vergasungsreaktor 1 geleitet. Die Zusammensetzung des Kreislaufgases ist aus Tabelle 1, Spalte 3.0 ersichtlich.
In dem Vergasungsreaktor 1 erfolgt die Vergasung der Kohle bei einer Temperatur von 800°C und einem Druck von 10 bar. Die bei der Kohlevergasung anfallende Asche wird unten aus dem Vergasungsreaktor abgezogen. Das Synthesegas verläßt den Vergasungsreaktor über Kopf mit einer Zusammensetzung gemäß Spalte 4.0, Tabelle 1.
Nach Passieren eines Flugasche- oder Staubabscheiders 2 tritt das Synthesegas dann in das Kühlelement eines Regenerators 3 ein, in dem es von 800°C auf 578°C abgekühlt wird. Geeignete Regeneratoren, die über ein Kühlelement einem heißen Gasstrom Wärme entziehen, speichern und über ein Heizelement die Speicherwärme auf einen anderen Gasstrom übertragen, sind dem Fachmann z. B. aus der Hochofentechnik und der Glasherstellung bekannt und brauchen daher nicht besonders beschrieben zu werden. Eine weitere Abkühlung erfährt das Gas in einem 4-Pol-Wärmeaustauscher 4 und einem Kondensator 5, in dem das Gas bis auf 60°C abgekühlt wird. Das im Kondensator 5 anfallende Kondensatwasser wird abgeleitet.
Im Anschluß an den Kondensator 5 wird das Gas einer sogenannten PSA-Gaswäsche (Druckwechsel-Adsorption) bei 6 unterzogen, durch die der Methan- und Kohlendioxid- Anteil des Synthesegases selektiv aus dem Gasstrom abgetrennt wird. Bei dieser Gaswäsche handelt es sich um ein bekanntes Adsorptionsverfahren, bei dem bestimmte, aus einem Gasstrom abzutrennende Gase an einem Feststoff adsorbiert und anschließend durch ein Spülgas, z. B. Stickstoff, nach Druckentspannung entfernt werden. Das abgetrennte Methan und das Kohlendioxid werden aus dem Gaskreislauf ausgeschleust und stehen zur anderweitigen Verwendung zur Verfügung.
Durch die Gaswäsche 6 wird der Wasserstoffgehalt des Synthesegases erheblich heraufgesetzt, wie aus Tabelle 1, Spalte 6.0 ersichtlich ist. Das Synthesegas hat jetzt die Gaszusammensetzung, die für die spätere Erzreduktion benötigt wird.
Im Anschluß an die Gaswäsche 6 wird das Synthesegas einem Kompressor 7 zugeführt und durchläuft danach erneut den 4-Pol-Wärmeaustauscher 4, in welchem es auf 466°C aufgeheizt wird. Bevor das Gas dann in einen Reduktionsreaktor 9 eingeleitet wird, durchläuft der Gasstrom einen Erhitzer 8, in dem zusätzlich der bei dem Verfahren benötigte Prozeßdampf erzeugt wird und in dem das Synthesegas durch Verbrennen eines Teils des bei der Gaswäsche 6 abgetrennten Methans hoch erhitzt wird, so daß nach Durchlaufen des Erhitzers 8 das Synthesegas mit einer Temperatur von 900°C in den Reduktionsreaktor 9 eintritt.
In dem Reduktionsreaktor 9, in dem Eisenerz direkt zu Eisenschwamm reduziert wird, wird das Synthesegas bei der Reduktion teilweise oxidiert und verläßt anschließend den Reaktor 9 mit einer wasserstoffärmeren Zusammensetzung gemäß Tabelle 1, Spalte 3.0. Dieses sogenannte Gichtgas wird dem Heizelement des Regenerators 3 zugeführt, durch das es auf 750°C aufgeheizt wird und anschließend hocherhitzt als Kreislaufgas wieder in den Vergasungsreaktor 1 eingeleitet wird.
Der im Erhitzer 8 erzeugte hocherhitzte Wasserdampf treibt eine Dampfturbine 10 an, deren Leistung praktisch den gesamten elektrischen Energiebedarf des Verfahrens deckt. Ein Teil der Turbinenleistung wird dazu verwendet, den bei der Kohle-Vergasung benötigten Sauerstoff durch Luftzerlegung bei 11 herzustellen. Der Sauerstoff wird anschließend komprimiert und dem Vergasungsreaktor 1 zugeführt.
Der aus der Dampfturbine 10 austretende Dampf wird als Prozeßdampf dem Vergasungsreaktor 1 zugeführt, wobei er zuvor im Regenerator 3 auf 750°C aufgeheizt wird. Dadurch, daß zusätzlich zum Kreislaufgas (Gichtgas) auch der Prozeßdampf im Regenerator 3 aufgeheizt wird, wird die Energiebilanz des Verfahrens weiterhin verbessert. Selbstverständlich brauchen der Kreislaufgas- und Prozeßdampfstrom nicht in getrennten Leitungen geführt zu werden, sondern können vor dem Eintritt in den Regenerator 3 vereinigt und gemeinsam in dem Regenerator aufgeheizt werden.
Tabelle 1
Vorgegebene Verfahrensdaten

Claims (3)

1. Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas, bei dem das in einen Vergasungsreakor durch Vergasung von C-haltigem Brennmaterial gewonnene, und Methan als Nebenprodukt enthaltende Synthesegas in einem Regenerator abgekühlt und einer Gasaufbereitung unterzogen wird, und ein Teil des Gases als Kreislaufgas dem Vergasungsreaktor wieder zusammen mit Verbrennungsgas und C-haltigem Brennmaterial zugeführt wird, wobei das Gas vor dem Wiedereintritt in den Vergasungsreaktor von dem Regenerator aufgeheizt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung des Wasserstoffanteils des Synthesegases ohne Konvertierung das Synthesegas bei der Gasaufbereitung in einem 4-Pol- Wärmeaustauscher (4) und einem Kondensator (5) weiter abgekühlt wird, einer Gaswäsche (6) in an sich bekannter Weise durch Druckwechsel-Adsorption zur Entfernung des Hauptanteils von Methan und Kohlendioxyd unterzogen wird und beim erneuten Durchtritt durch den 4-Pol-Wärmeaustauscher (4) aufgeheizt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Synthesegas nach dem ersten Durchtritt durch den 4-Pol-Wärmeaustauscher (4) zusätzlich einen Erhitzer (8) zur Bildung von Prozeßdampf durchläuft.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gaswäsche (6) der Methan-Anteil des in dem Vergasungsreaktor (1) erzeugten Synthesegases selektiv entfernt und aus dem Gaskreislauf zur anderweitigen Verwendung ausgeschleust wird.
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