EP3619162A1 - Verbesserte verwendung des restgases einer druckwechseladsorptionsanlage - Google Patents

Verbesserte verwendung des restgases einer druckwechseladsorptionsanlage

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EP3619162A1
EP3619162A1 EP18724775.4A EP18724775A EP3619162A1 EP 3619162 A1 EP3619162 A1 EP 3619162A1 EP 18724775 A EP18724775 A EP 18724775A EP 3619162 A1 EP3619162 A1 EP 3619162A1
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EP
European Patent Office
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pressure
control valve
buffer tank
swing adsorption
load
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18724775.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Werner Leitmayr
Tobias Keller
Florian Hang
Alexander Maier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Publication of EP3619162A1 publication Critical patent/EP3619162A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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    • B01D53/047—Pressure swing adsorption
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    • B01D2256/16—Hydrogen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • C01B2203/16—Controlling the process
    • C01B2203/1695—Adjusting the feed of the combustion

Definitions

  • the invention relates to a method for providing a fuel gas, which is used in the regeneration of a synthesis gas for the decomposition of synthesis gas
  • DWA Pressure swing adsorption
  • the raw hydrogen is fed to the DWA where it flows at elevated pressure through one of several adsorbers each filled with an adsorbent material which adsorbs and holds the impurities contained in the raw hydrogen while allowing the water off to pass largely unhindered ,
  • the emerging from the adsorber hydrogen therefore has a high purity of
  • Impurities loaded adsorber regenerated.
  • the pressure in the adsorber is lowered to the so-called regeneration pressure in order to desorb the adsorbed contaminants from the adsorber material. So that the impurities are removed as completely as possible, the adsorber during and / or after the
  • residual gas gas mixture consists for the most part of combustibles and is therefore usually used as a fuel gas for firing the steam reformer. Since both the flow rate and the composition of the residual gas time strong
  • From the hydrogen generator A is the one from the burner-fired
  • Buffer tank P available to bridge the time to replace the residual gas by a fuel gas from an external source can.
  • the pressure regulator PC1 changes the setpoint value for the flow regulator FC, which then regulates the flow rate in the fuel gas line 4
  • Control valve Z1 which is usually a control valve, further opens or closes and so reduces or increases the pressure loss of the fuel gas, the fuel gas flow increases or decreases accordingly.
  • the flow controller FC very slow controller parameters are set, so that only long-term trends
  • control valve Z2 opens immediately and residual gas 5 to a torch (not shown) passes as soon as the pressure in the buffer tank P its set value
  • Object of the present invention is therefore to provide a method of the generic type, which allows to overcome the resulting in a reduction in the Regenerier horrs according to the prior art difficulties.
  • the stated object is achieved in that the control valve is positioned by specifying a particular value determined by the load of the pressure swing adsorption plant to an operating point, wherein the pressure in the buffer tank is within a defined range.
  • An operating point is to be understood as meaning a position of the control valve in which the fuel gas flows from the buffer vessel to the burner with a mass flow corresponding to the load of the DWA and the pressure drop across the control valve, which is moved around the operating point for control purposes, is within one range , which allows a trouble-free execution of the control task.
  • the load of the DWA is measured in temporal intervals, usually in the range of seconds, and averaged over several consecutive measured values. Between two
  • the manipulated variable remains unchanged regardless of the actual load of the DWA.
  • pressure fluctuations of the residual gas preferably designed as a control valve and equipped with a remote-controlled drive and a position feedback control valve is usefully controlled by a flow controller, the corresponding fast control parameters are set.
  • the current residual gas quantity can be determined and compared, for example, with the residual gas quantity at nominal load. Since a direct measurement of the amount of residual gas is usually possible only with considerable errors, the current amount of residual gas is usefully not measured directly, but calculated from the amount of the synthesis gas flowing into the DWA and the known yield of the DWA. Preferably, however, to determine the DWA load, the amount of the synthesis gas flowing into the DWA is determined and compared with the amount of synthesis gas at nominal load.
  • the control value of the control valve is usefully set so that sets a pressure over the entire load range of the DWA in the buffer tank, the time average is lower than in the prior art, so that a
  • the time average of the pressure is between 100 and 250 mbar (g).
  • Control valve is characteristic for the production unit, of which the DWA is a part. It must be determined experimentally or by simulation and is preferably stored as a curve or table electronically or otherwise.
  • the size and position of the defined area in which the pressure in the buffer tank can move are also dependent on the characteristics of the production unit and their operating conditions and are predefined for the system. They are chosen so that a stable plant operation is guaranteed, as long as the pressure in the buffer tank is within the defined range.
  • the synthesis gas to be separated is generated in a burner-fired steam reformer, for the heating of which the residual gas is used, the lower limit of the defined
  • Pressure range between 50 and 150mbar (g) and the upper limit between 200 and 300mbar (g).
  • the hydraulic balancing is preferably carried out such that the maximum pressure loss via the control valve is less than 70%, and particularly preferably less than 50%, of the total pressure drop across the controlled system. Short, in the range of seconds pressure fluctuations in the buffer tank, such as occur when switching between the adsorbers of the DWA, therefore, for example, via an acting on the control valve, operated with much faster control parameters than in the prior art flow regulator effectively in the lower DWA load range become. This is not possible in a concept according to the prior art, since the high pressure drop of the control valve system especially at a low load operation is already disturbed sensitive even at low position changes.
  • the control valve expediently has sufficient distance to its end positions over the entire load range of the DWA in their respective operating point.
  • the control valve is at full load in its operating point preferably 70 to 90% open, the pressure in the buffer tank a distance of 30 to 50mbar to the upper end of defined area.
  • the pressure in the buffer tank is 30 to 50 mbar from the lower end of the defined range, and the control valve is 20 to 40% open.
  • Buffer tank is not a controlled variable. At least with unchanged load of the DWA, the control valve remains under these conditions at its operating point. Only when the pressure reaches the limits of the defined range, additional high and low pressure regulators become active.
  • the proposed method can be realized in different ways. Preferably, the position of the control valve via a flow controller is changed, which is coupled to a position analysis controller.
  • the position analysis controller which sets the operating point derived from the stored curve or table as a control value dependent on the load of the DWA, compares this with the actual position value of the control valve and determines a setpoint for the flow controller from the deviation of the two values.
  • the flow controller also compensates for short-term pressure fluctuations in the buffer tank, for which purpose it is set much faster control parameters than the position analysis controller.
  • Another possibility is to dispense with the position analysis controller and instead to control the flow controller via a pressure regulator, which monitors the pressure in the buffer tank and its setpoint from the stored curve or table is given as a function of the current load of the DWA ,
  • the setpoint for the pressure regulator can also be determined via a load-dependent calculation, in which, for example, the desired pressure drop over the
  • a line is opened by the high pressure regulator, can flow through the residual gas from the buffer tank.
  • the high-pressure regulator keeps the line open until the pressure in the buffer tank falls below the upper limit of the defined pressure range again.
  • the line is preferably a connecting line to a torch, in which the residual gas flowing out of the buffer tank is disposed of by combustion.
  • the buffer tank is operated in particular at partial load of the DWA with a pressure only slightly above the ambient pressure and correspondingly reduced storage effect. To ensure that the buffer tank can be used in all operating conditions meaningful as a volume storage, it is therefore intended to open by a low-pressure regulator a line through which a combustible gas in the
  • conduit is a bypass conduit via which synthesis gas or a synthesis gas obtained by decomposition
  • Gas mixture such as raw hydrogen is diverted upstream of the DWA and introduced in the bypass to this in the buffer tank.
  • the direct supply of synthesis gas or raw hydrogen into the buffer container makes it possible, in the event of a malfunction of the DWA and a resulting interruption of the residual gas supply, to use the entire residual gas present in the buffer container. This stands for the Provision of a substitute gas from an external fuel gas source a much longer compared to the prior art time available.
  • FIG. 2 shows a production plant for hydrogen with a burner-fired steam reformer for the production of synthesis gas
  • the residual gas is used according to a preferred variant of the invention for heating the steam reformer. Same
  • Hydrogen generator A is separated from a synthesis gas raw hydrogen 1 to the pressure swing adsorption D to get pure hydrogen 2 and a residual gas 3, which is temporarily stored in the buffer tank P and then the burners B of the steam reformer S zugnosti as fuel gas 4.
  • the position of the control valve Z1 is changed during normal operation of the system via the flow controller FC, which is coupled to a position analysis controller ZC.
  • the actual value 7 for the fuel gas flow with the current fuel gas density 10 can be corrected, which is determined by means of the density analyzer Ql.
  • the position analysis regulator ZC to which the operating point dependent on the load of the pressure swing adsorption system D, specified from a stored curve or table for control valve Z1, is compared with the position actual value of control valve Z1 and determined from the deviation of both values a setpoint 9 for the flow controller FC. If the operating point for the control valve Z1 is smaller than the actual position value, the control valve Z1 is thus opened further than required, the currently valid setpoint value for the flow controller FC is reduced so that the control valve Z1 moves in the closing direction. On the other hand, if the position analysis shows that the control valve Z1 is currently closed too far, the
  • Flow controller FC a higher setpoint specified, whereby the control valve Z1 continues to open.
  • the flow controller FC is set fast control parameters, so that it is able to compensate for short-term pressure fluctuations in the buffer tank P caused flow changes of the fuel gas 4.
  • the pressure in the buffer container P is not a controlled variable in normal operation and can fluctuate freely in a defined range, which preferably extends between 100 and 250 mbar (g).
  • the system is designed with a PC2 high-pressure regulator and a PC3 intakes pressure regulator.
  • the obturator Z2 is opened by the high pressure regulator PC2, so that residual gas from the buffer tank P via the torch lead 5 to a torch (not shown) can flow, where it is disposed of by combustion.
  • High pressure regulator PC2 keeps the torch lead 5 open until the pressure in the
  • Buffer tank P falls below the upper limit of the defined pressure range again.
  • the obturator Z3 is opened by the low pressure regulator PC3, so that raw hydrogen 1 via the line 6 in the bypass to
  • Pressure swing adsorption D is introduced directly into the buffer tank P.
  • the intakes PC3 keeps the line 6 open until the pressure in the
  • Buffer container P again exceeds the lower limit of the defined range or a replacement gas for the residual gas 3 is provided from an external source.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung eines Brenngases (4), das bei der Regenerierung einer zur Zerlegung von Synthesegas (1) eingesetzten Druckwechseladsorptionsanlage (D) als Restgas (3) mit Regenerierdruck anfällt und nach Zwischenspeicherung in einem Pufferbehälter (P) über eine Regelarmatur (Z1) geführt wird, um einem Brenner (B) mit kontrolliertem Massenstrom zugeleitet zu werden. Kennzeichnend hierbei ist, dass die Regelarmatur (Z1) durch Vorgabe eines von der Last der Druckwechseladsorptionsanlage (D) bestimmten Stellwerts (8) an einen Arbeitspunkt positioniert wird, wobei der Druck im Pufferbehälter (P) in einem definierten Bereich liegt.

Description

Beschreibung
Verbesserte Verwendung des Restgases einer Druckwechseladsorptionsanlage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung eines Brenngases, das bei der Regenerierung einer zur Zerlegung von Synthesegas eingesetzten
Druckwechseladsorptionsanlage als Restgas mit Regenerierdruck anfällt und nach Zwischenspeicherung in einem Pufferbehälter über eine Regelarmatur geführt wird, um mit kontrolliertem Massenstrom einem Brenner zugeleitet zu werden.
Druckwechseladsorptionsanlagen (im Folgenden kurz als DWA bezeichnet) werden beispielsweise zur Erzeugung von hochreinem Wasserstoff eingesetzt, wobei ein kohlenwasserstoffhaltiger Ausgangsstoff in einem brennerbefeuerten Dampfreformer zu einem Wasserstoff enthaltenden Synthesegas umgesetzt wird. In nachfolgenden Verfahrensschritten wird aus dem Synthesegas Rohwasserstoff gewonnen, der zwar weitgehend aus Wasserstoff besteht, daneben aber noch bedeutende Mengen an Verunreinigungen wie Kohlenmonoxid und Methan enthält. Um die Verunreinigungen abzutrennen, wird der Rohwasserstoff der DWA zugeführt, wo er mit erhöhtem Druck durch einen von mehreren Adsorbern strömt, die jeweils mit einem Adsorbermaterial gefüllt sind, das die im Rohwasserstoff enthaltenen Verunreinigungen adsorbiert und festhält, während es den Wasseroff weitgehend ungehindert passieren lässt. Der aus dem Adsorber austretende Wasserstoff weist daher eine hohe Reinheit von
typischerweise mehr als 99,99Vol.-% auf.
Da die Aufnahmefähigkeit des Adsorbermaterials für die Verunreinigungen begrenzt ist, muss der Rohwasserstoffstrom in den Absorber nach einer gewissen Zeit unterbrochen werden, ehe sich die Reinheit des austretenden Wasserstoffs verschlechtert. Während der Rohwasserstoff zu einem anderen Adsorber der DWA mit noch aufnahmefähigem Adsorbermaterial umgelenkt wird, wird der mit
Verunreinigungen beladene Adsorber regeneriert. Hierzu wird der Druck im Adsorber bis auf den sog. Regenerierdruck abgesenkt, um die adsorbierten Verunreinigungen vom Adsorbermaterial zu desorbieren. Damit die Verunreinigungen möglichst vollständig entfernt werden, wird der Adsorber während und/oder nach der
Druckabsenkung mit einem Regeneriergas gespült, bei dem es sich gewöhnlich um in der DWA gewonnenen Reinwasserstoff handelt. Bei geringerem Regenerierdruck kann mit weniger Regeneriergas die gleiche Menge an Verunreinigungen desorbiert werden.
Das bei der Adsorberregenerierung anfallende, als Restgas bezeichnete Gasgemisch besteht zum überwiegenden Teil aus brennbaren Stoffen und wird daher gewöhnlich als Brenngas für die Befeuerung des Dampfreformers eingesetzt. Da sowohl der Mengenstrom als auch die Zusammensetzung des Restgases zeitlich stark
schwanken, wird es aus der DWA zunächst in einen Pufferbehälter eingeleitet, aus dem es weitgehend homogenisiert wieder entnommen und dem Dampfreformer zugeführt wird. Ohne eine Erhöhung des Restgasdrucks, wie sie etwa die Patentschrift DE19955676 vorschlägt, wird der Minimalwert für den Regenerierdruck der Adsorber durch den Druck im Pufferbehälter bestimmt, der nach dem Stand der Technik auf einen festen Sollwert von nicht weniger als 300mbar(g) geregelt wird. Ein hierfür eingesetztes Regelkonzept soll anhand der Figur 1 näher erläutert werden.
Aus dem Wasserstofferzeuger A wird der aus einem im brennerbefeuerten
Dampfreformer S erzeugten Synthesegas abgetrennte Rohwasserstoff 1 zur
Druckwechseladsorptionsanlage D geführt, um Reinwasserstoff 2 und ein Restgas 3 zu erhalten, das in einem Pufferbehälter P zwischengespeichert wird. Der Druck im Pufferbehälter P wird durch den Druckregler PC1 auf einem Wert von ca. 300mbar(g) weitgehend konstant gehalten. Im Falle einer störungsbedingten Beeinträchtigung des Restgaszustroms 3 ist so stets eine ausreichend große Restgasmenge im
Pufferbehälter P vorhanden, um die Zeit bis zum Ersatz des Restgases durch ein Brenngas aus einer externen Quelle überbrücken zu können. Zur Konstanthaltung des Drucks im Pufferbehälter P verändert der Druckregler PC1 den Sollwert für den Durchflussregler FC, der daraufhin die in der Brenngasleitung 4 angeordnete
Regelarmatur Z1 , bei der es sich gewöhnlich um eine Regelklappe handelt, weiter öffnet oder schließt und so den Druckverlust des Brenngases vermindert oder erhöht, wobei der Brenngasdurchfluss entsprechend zu- bzw. abnimmt. Um zu verhindern, dass kurzzeitige, im Sekundenbereich liegende Druckschwankungen, wie sie bei der Umschaltung zwischen den einzelnen Absorbern der DWA D regelmäßig auftreten, zu unerwünschten Schwingungen im Regelkreis führen, werden dem Durchflussregler FC sehr langsame Reglerparameter gesetzt, so dass lediglich Langzeittrends
ausgeglichen werden und sich die Stellung der Regelarmatur Z1 praktisch nur bei Laständerungen des Dampfreformers S ändert, während sie bei einem konstanten Normalbetrieb weitgehend unverändert bleibt. Insbesondere kurzzeitige Druckschwankungen im Pufferbehälter P werden daher ohne wesentliche
Abschwächung bis hin zu den Brennern B und somit in den Brennraum des
Dampfreformers S übertragen. Diese Druckschwankungen im Brennraum sind ein häufiger Grund für eine sicherheitsgerichtete Ofenabschaltung. Nicht zuletzt bei auftretenden Anlagenstörungen verhindern die langsamen Reglerparameter des Durchflussreglers FC ein wirksames und schnelles Eingreifen der Regelung.
Gegen zu hohe Druckanstiege ist das System durch den Fackelregler PC2
abgesichert, der die Regelarmatur Z2 sofort öffnet und Restgas 5 zu einer Fackel (nicht dargestellt) leitet, sobald der Druck im Pufferbehälter P seinen Sollwert um
typischerweise mehr als 50mbar überschreitet.
Wird die Anlage in Unterlast betrieben, sinkt die dem Brennersystem B zuführbare Restgasmenge 3, und die Druckabfälle über die Festwiderstände in der
Brenngasleitung 4 zwischen Pufferbehälter P und Dampfreformer S reduzieren sich entsprechend. Damit der Restgasdruck im Pufferbehälter P auch unter diesen
Bedingungen konstant gehalten werden kann, muss der Strömungswiderstand der Regelarmatur Z1 erhöht werden, was durch die Verlegung des Arbeitspunktes in die Nähe der Geschlossen-Stellung erfolgt. In dieser Position ist der Zusammenhang zwischen Stellungs- und Durchflussänderung ausgeprägt nichtlinear, so dass bereits minimale spontane Stellungsänderungen der Regelarmatur Z1 zu erheblichen
Änderungen des Brenngasstroms 4 und Druckschwankungen im Brennraum führen, die ihrerseits eine Abschaltung des Brennersystems B und damit eine Unterbrechung der Wasserstofferzeugung zur Folge haben können.
Durch eine Verringerung des Drucks im Pufferbehälter P gegenüber dem Stand der Technik ist es zwar möglich, den Regenerierdruck der DWA D abzusenken und die Reinwasserstoffausbeute aufgrund des dann geringeren Bedarfs an Regeneriergas zu steigern. Dies führt jedoch zu einer Verminderung der gespeicherten Gasmenge und - aufgrund des geringeren Pufferdrucks - zu größeren relativen Druckschwankungen. Durch eine Vergrößerung des Pufferbehälters kann dem entgegengewirkt werden, allerdings steigen dadurch die Investitionskosten für die Anlage an und die
Wirtschaftlichkeit der Wasserstofferzeugung verringert sich. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art anzugeben, das es erlaubt, die sich bei einer Absenkung des Regenerierdrucks nach dem Stand der Technik ergebenden Schwierigkeiten zu überwinden. Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Regelarmatur durch Vorgabe eines von der Last der Druckwechseladsorptionsanlage bestimmten Stellwerts an einen Arbeitspunkt positioniert wird, wobei der Druck im Pufferbehälter in einem definierten Bereich liegt. Unter einem Arbeitspunkt ist dabei eine Stellung der Regelarmatur zu verstehen, in der das Brenngas mit einem der Last der DWA entsprechenden Massenstrom aus dem Pufferbehälter zum Brenner strömt und der Druckabfall über die Regelarmatur, die zu Regelungszwecken um den Arbeitspunkt herumbewegt wird, in einem Bereich liegt, der eine störungsfreie Ausführung der Regelaufgabe zulässt.
Um den Stellwert für die Regelarmatur zu bestimmen, wird die Last der DWA in zeitlichen, gewöhnlich im Sekundenbereich liegenden Abständen gemessen und über mehrere aufeinander folgende Messwerte gemittelt. Zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Lastermittlungen bleibt der Stellwert unabhängig von der tatsächlichen Last der DWA unverändert. Um kurzzeitige, im Sekundenbereich liegende Druckschwankungen des Restgases kompensieren zu können, wird die bevorzugt als Regelklappe ausgeführte und mit einem fernbetätigten Antrieb sowie einer Stellungsrückmeldung ausgestattete Regelarmatur sinnvollerweise über einen Durchflussregler angesteuert, dem entsprechend schnelle Regelparameter gesetzt sind.
Zur Ermittlung der Last der DWA kann die aktuelle Restgasmenge bestimmt und beispielsweise mit der Restgasmenge bei Nennlast verglichen werden. Da eine direkte Messung der Restgasmenge gewöhnlich nur mit erheblichen Fehlern möglich ist, wird die aktuelle Restgasmenge sinnvollerweise nicht direkt gemessen, sondern aus der Menge des der DWA zuströmenden Synthesegases und der bekannten Ausbeute der DWA berechnet. Vorzugsweise wird jedoch zur Ermittlung der DWA-Last die Menge des der DWA zuströmenden Synthesegases ermittelt und mit der Synthesegasmenge bei Nennlast verglichen. Der Stellwert wird der Regelarmatur sinnvollerweise so vorgegeben, dass sich über den gesamten Lastbereich der DWA im Pufferbehälter ein Druck einstellt, dessen zeitlicher Mittelwert geringer ist, als im Stand der Technik, so dass sich eine
Reduzierung des Regenerierdrucks der DWA gegenüber dem Stand der Technik ergibt. Vorzugsweise liegt der zeitliche Mittelwert des Drucks zwischen 100 und 250mbar(g).
Der Zusammenhang zwischen der Last der DWA und dem Stellwert für die
Regelarmatur ist charakteristisch für die Produktionsaniage, deren Teil die DWA ist. Er muss experimentell oder durch Simulation ermittelt werden und wird vorzugsweise als Kurve oder Tabelle elektronisch oder anderweitig hinterlegt.
Größe und Lage des definierten Bereichs, in dem sich der Druck im Pufferbehälter bewegen kann, sind ebenfalls von der Charakteristik der Produktionsaniage und deren Betriebsbedingungen abhängig und werden dem System fest vorgegeben. Sie werden so gewählt, dass ein stabiler Anlagenbetrieb gewährleistet ist, solange sich der Druck im Pufferbehälter in dem definierten Bereich befindet. Insbesondere dann, wenn das zu zerlegende Synthesegas in einem brennerbefeuerten Dampfreformer erzeugt wird, zu dessen Beheizung das Restgas dient, liegt die untere Grenze des definierten
Druckbereichs zwischen 50 und 150mbar(g) und die obere Grenze zwischen 200 und 300mbar(g).
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist über den gesamten Lastbereich der DWA ein hydraulischer Abgleich der Regelstrecke zwischen dem Ausgang des
Pufferbehälters und der Mündung des Brenners möglich. Vorzugsweise wird der hydraulische Abgleich so durchgeführt, dass der maximale Druckverlust über die Regelarmatur weniger als 70%, und besonders bevorzugt weniger als 50% des Gesamtdruckabfalls über die Regelstrecke beträgt. Kurze, im Sekundenbereich liegende Druckschwankungen im Pufferbehälter, wie sie etwa beim Umschalten zwischen den Adsorbern der DWA auftreten, können daher beispielsweise über einen auf die Regelarmatur einwirkenden, mit deutlich schnelleren Regelparametern als im Stand der Technik betriebenen Durchflussregler auch im unteren DWA-Lastbereich effektiv ausgeregelt werden. Dies ist in einem Konzept nach dem Stand der Technik bisher nicht möglich, da durch den hohen Druckabfall der Regelarmatur das System insbesondere bei einem Betrieb mit niedriger Last bereits bei geringen Stellungsänderungen empfindlich gestört wird.
Die Regelarmatur weist dabei zweckmäßigerweise über den gesamten Lastbereich der DWA in ihrem jeweiligen Arbeitspunkt ausreichend Abstand zu ihren Endlagen auf. Um insbesondere ausreichend Spielraum für Eingriffe eines zur Kompensation von kurzzeitigen Druckschwankungen im Pufferbehälter eingesetzten Durchflussreglers zu haben, ist die Regelarmatur bei Volllastbetrieb in ihrem Arbeitspunkt bevorzugt zu 70 bis 90% geöffnet, wobei der Druck im Pufferbehälter einen Abstand von 30 bis 50mbar zum oberen Ende des definierten Bereichs aufweist. Während des Betriebs mit minimaler Last ist der Druck im Pufferbehälter 30 bis 50mbar vom unteren Ende des definierten Bereichs entfernt, und die Regelarmatur ist zu 20 bis 40% geöffnet.
Solange er den definierten Druckbereich nicht verlässt, stellt der Druck im
Pufferbehälter keine Regelgröße dar. Zumindest bei unveränderter Last der DWA verbleibt die Regelarmatur unter diesen Bedingungen an ihrem Arbeitspunkt. Erst wenn der Druck die Grenzen des definierten Bereichs erreicht, werden zusätzliche Hoch- bzw. Tiefdruckregler aktiv. Das vorgeschlagene Verfahren kann auf unterschiedliche Arten verwirklicht werden. Vorzugsweise wird die Stellung der Regelarmatur über einen Durchflussregler verändert, der mit einem Stellungs-Analyseregler gekoppelt ist. Der Stellungs- Analyseregler, dem der von der Last der DWA abhängige, aus der hinterlegten Kurve oder Tabelle entnommene Arbeitspunkt als Stellwert vorgegeben wird, vergleicht diesen mit dem Stellungs-Istwert der Regelarmatur und ermittelt aus der Abweichung der beiden Werte einen Sollwert für den Durchflussregler. Ist der Arbeitspunkt für die Regelarmatur kleiner als der Stellungs-Istwert, die Regelarmatur also weiter geöffnet, als gefordert, wird der momentan gültige Sollwert für den Durchflussregler reduziert, so dass die Regelarmatur in Schließrichtung fährt. Ergibt die Stellungsanalyse dagegen, dass die Regelarmatur aktuell zu weit geschlossen ist, wird dem Durchflussregler ein höherer Sollwert vorgegeben, wodurch sich die Regelarmatur weiter öffnet. Über den Durchflussregler werden auch kurzfristige Druckschwankungen im Pufferbehälter kompensiert, wozu ihm deutlich schnellere Regelparameter gesetzt werden, als dem Stellungs-Analyseregler. Eine andere Möglichkeit besteht darin, auf den Stellungs-Analyseregler zu verzichten und stattdessen den Durchflussregler über einen Druckregler anzusteuern, der den Druck im Pufferbehälter überwacht und dem sein Sollwert aus der hinterlegten Kurve oder Tabelle in Abhängigkeit von der aktuellen Last der DWA als Stellwert vorgegeben wird. Der Sollwert für den Druckregler kann auch über eine lastabhängige Rechnung ermittelt werden, in die beispielsweise der gewünschte Druckabfall über die
Regelarmatur eingeht.
Damit der Druck im Pufferbehälter in jedem Betriebszustand der Anlage, besonders aber in Sonderbetriebs- und Störfällen in einem begrenzten Bereich gehalten werden kann, wird der Einsatz eines Hoch- und eines Tiefdruckreglers vorgeschlagen.
Überschreitet der Druck im Pufferbehälter die obere Grenze des definierten
Druckbereichs, wird durch den Hochdruckregler eine Leitung geöffnet, über die Restgas aus dem Pufferbehälter abströmen kann. Der Hochdruckregler hält die Leitung solange geöffnet, bis der Druck im Pufferbehälter die obere Grenze des definierten Druckbereichs wieder unterschreitet. Bevorzugt handelt es sich bei der Leitung um eine Verbindungsleitung zu einer Fackel, in der das aus dem Pufferbehälter abströmende Restgas durch Verbrennung entsorgt wird.
Der Pufferbehälter wird insbesondere bei Teillast der DWA mit einem nur wenig über dem Umgebungsdruck liegenden Druck und entsprechend reduzierter Speicherwirkung betrieben. Um sicherzustellen, dass der Pufferbehälter in allen Betriebszuständen sinnvoll als Mengenspeicher genutzt werden kann, ist daher vorgesehen, durch einen Tiefdruckregler eine Leitung zu öffnen, über die ein brennbares Gas in den
Pufferbehälter eingeleitet wird, sobald der Druck des Restgases die untere Grenze des definierten Druckbereichs unterschreitet. Der Tiefdruckregler hält die Leitung solange geöffnet, bis der Druck im Pufferbehälter die untere Grenze des definierten Bereichs wieder überschreitet. Bevorzugt handelt es sich bei Leitung um eine Bypass-Leitung, über die Synthesegas oder ein durch Zerlegung von Synthesegas erhaltenes
Gasgemisch wie z.B. Rohwasserstoff stromaufwärts der DWA abgezweigt und im Bypass zu dieser in den Pufferbehälter eingeleitet wird. Die direkte Zuführung von Synthesegas bzw. Rohwasserstoff in den Pufferbehälter erlaubt es, bei einer Störung der DWA und einer daraus resultierenden Unterbrechung der Restgaszufuhr, das gesamte im Pufferbehälter vorliegende Restgas zu nutzen. Dadurch steht für die Bereitstellung eines Ersatzgases aus einer externen Brenngasquelle eine im Vergleich zum Stand der Technik erheblich längere Zeit zur Verfügung.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Figur 2 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Die Figur 2 zeigt eine Produktionsanlage für Wasserstoff mit einem brennerbefeuerten Dampfreformer zur Erzeugung von Synthesegas, sowie einer
Druckwechseladsorptionsanlage, deren Restgas gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung zur Beheizung des Dampfreformers eingesetzt wird. Gleiche
Anlagenteile und Stoffströme wie in Figur 1 sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Aus dem mit einem brennerbefeuerten Dampfreformer S ausgestatteten
Wasserstofferzeuger A wird der aus einem Synthesegas abgetrennte Rohwasserstoff 1 zur Druckwechseladsorptionsanlage D geführt, um Reinwasserstoff 2 und ein Restgas 3 zu erhalten, das im Pufferbehälter P zwischengespeichert und anschließend den Brennern B des Dampfreformers S als Brenngas 4 zugleitet wird. Zur Regelung des Brenngasstroms 4 wird im Normalbetrieb der Anlage die Stellung der Regelarmatur Z1 über den Durchflussregler FC verändert, der mit einem Stellungs- Analyseregler ZC gekoppelt ist. Um eine höhere Genauigkeit zu erreichen, kann der Istwert 7 für den Brenngasdurchfluss mit der aktuellen Brenngasdichte 10 korrigiert werden, die mit Hilfe des Dichteanalysators Ql ermittelt wird. Der Stellungs- Analyseregler ZC, dem der von der Last der Druckwechseladsorptionsanlage D abhängige, aus einer hinterlegten Kurve oder Tabelle entnommene Arbeitspunkt für die Regelarmatur Z1 als Stellwert 8 vorgegeben wird, vergleicht diesen mit dem Stellungs- Istwert der Regelarmatur Z1 und ermittelt aus der Abweichung der beiden Werte einen Sollwert 9 für den Durchflussregler FC. Ist der Arbeitspunkt für die Regelarmatur Z1 kleiner als der Stellungs-Istwert, die Regelarmatur Z1 also weiter geöffnet, als gefordert, wird der momentan gültige Sollwert für den Durchflussregler FC reduziert, so dass die Regelarmatur Z1 in Schließrichtung fährt. Ergibt die Stellungsanalyse dagegen, dass die Regelarmatur Z1 aktuell zu weit geschlossen ist, wird dem
Durchflussregler FC ein höherer Sollwert vorgegeben, wodurch sich die Regelarmatur Z1 weiter öffnet. Dem Durchflussregler FC sind schnelle Regelparameter gesetzt, so dass er in der Lage ist, durch kurzfristige Druckschwankungen im Pufferbehälter P verursachte Durchflussänderungen des Brenngases 4 zu kompensieren. Der Druck im Pufferbehälter P stellt im Normalbetrieb keine Regelgröße dar und kann in einem definierten Bereich, der sich vorzugsweise zwischen 100 und 250mbar(g) erstreckt, frei schwanken.
Um den Druck im Pufferbehälter P in jedem Betriebszustand, besonders aber in Sonderbetriebs- und Störfällen im definierten Bereich zu halten, ist die Anlage mit einem Hoch- PC2 und einem Tiefdruckregler PC3 ausgeführt.
Überschreitet der Druck im Pufferbehälter P die obere Grenze des definierten
Druckbereichs, wird durch den Hochdruckregler PC2 das Absperrorgan Z2 geöffnet, so dass Restgas aus dem Pufferbehälter P über die Fackelleitung 5 zu einer Fackel (nicht dargestellt) strömen kann, wo es durch Verbrennung entsorgt wird. Der
Hochdruckregler PC2 hält die Fackelleitung 5 solange geöffnet, bis der Druck im
Pufferbehälter P die obere Grenze des definierten Druckbereichs wieder unterschreitet.
Unterschreitet der Druck im Pufferbehälter P die untere Grenze des definierten
Druckbereichs, wird durch den Tiefdruckregler PC3 das Absperrorgan Z3 geöffnet, so dass Rohwasserstoff 1 über die Leitung 6 im Bypass zur
Druckwechseladsorptionsanlage D direkt in den Pufferbehälter P eingeleitet wird. Der Tiefdruckregler PC3 hält die Leitung 6 solange geöffnet, bis der Druck im
Pufferbehälter P die untere Grenze des definierten Bereichs wieder überschreitet oder ein Ersatzgas für das Restgas 3 aus einer externen Quelle bereitgestellt wird.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Bereitstellung eines Brenngases (4), das bei der Regenerierung einer zur Zerlegung von Synthesegas (1) eingesetzten
Druckwechseladsorptionsanlage (D) als Restgas (3) mit Regenerierdruck anfällt und nach Zwischenspeicherung in einem Pufferbehälter (P) über eine
Regelarmatur (Z1) geführt wird, um einem Brenner (B) mit kontrolliertem
Massenstrom zugeleitet zu werden, dadurch gekennzeichnet, dass die
Regelarmatur (Z1) durch Vorgabe eines von der Last der
Druckwechseladsorptionsanlage (D) bestimmten Stellwerts (8) an einen
Arbeitspunkt positioniert wird, wobei der Druck im Pufferbehälter (P) in einem definierten Bereich liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Regelarmatur (Z1) der Stellwert (8) so vorgegeben wird, dass sich über den gesamten Lastbereich der Druckwechseladsorptionsanlage (D) im Pufferbehälter (P) ein Druck einstellt, dessen zeitlicher Mittelwert geringer als 300mbar(g) ist.
Verfahren nach einen der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Grenze des definierten Druckbereichs zwischen 50 und 150mbar(g) und die obere Grenze zwischen 200 und 300mbar(g) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelarmatur (Z1) an ihren Arbeitspunkt über einen mit einem Stellungs- Analyseregler (ZC) gekoppelten Durchflussregler (FC) positioniert wird, wozu der Stellungs-Analyseregler (ZC) aus dem Vergleich des Stellungs-Istwerts der Regelarmatur (Z1) mit dem lastabhängigen Stellwert (8) einen Wert ermittelt, den er dem Durchflussregler (FC) als Sollwert vorgibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelarmatur (Z1) an ihren Arbeitspunkt über einen mit einem Druckregler (PC1) gekoppelten Durchflussregler (FC) positioniert wird, wozu der Druckregler (PC1) aus dem Vergleich des Drucks im Pufferbehälter (P) mit dem lastabhängigen Stellwert (8) einen Sollwert ermittelt, den er dem Durchflussregler (FC) vorgibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelarmatur (Z1) an ihren Arbeitspunkt über einen mit einem Druckregler (PC1) gekoppelten Durchflussregler (FC) positioniert wird, wozu der Druckregler (PC1) einen lastabhängig berechneten Sollwert erhält.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (B) zur Befeuerung eines Dampfreformers (S) eingesetzt wird. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckwechseladsorptionsanlage (D) zur Abtrennung von Wasserstoff (2) aus einem im Dampfreformer (S) erhaltenen Synthesegas eingesetzt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Synthesegas oder ein durch Zerlegung des Synthesegases erhaltenes Gasgemisch (1) stromaufwärts der Druckwechseladsorptionsanlage (D) abgezweigt und im Bypass zu dieser direkt in den Pufferbehälter (P) geleitet wird, sobald der Druck im Pufferbehälter (P) die untere Grenze des definierten Druckbereichs unterschreitet.
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