EP4069636A1 - Verfahren zum stabilen betrieb einer dampfreformierungsanlage - Google Patents

Verfahren zum stabilen betrieb einer dampfreformierungsanlage

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EP4069636A1
EP4069636A1 EP20812013.9A EP20812013A EP4069636A1 EP 4069636 A1 EP4069636 A1 EP 4069636A1 EP 20812013 A EP20812013 A EP 20812013A EP 4069636 A1 EP4069636 A1 EP 4069636A1
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EP
European Patent Office
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steam
flow
feedstock
utilization
degree
Prior art date
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Pending
Application number
EP20812013.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ernst Sichtermann
Ralph PIONTEK
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ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Original Assignee
ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a method for regulating and for the stable operation of a steam reforming plant which can be regulated with regard to the degree of utilization and has a steam reformer, a hydrogenation and desulphurisation unit upstream of the steam reformer for the desulphurisation of the feedstock and a furnace unit of the steam reformer.
  • an input material preparation is regularly connected, which includes, for example, a compression or evaporation or preheating of the input material.
  • This is regularly followed by a two-step desulfurization of the feedstock, in which organic sulfur compounds contained in the feedstock, but also olefins, are hydrogenated in a hydrogenation unit.
  • the sulfur which is now present as H 2 S, is then adsorbed onto zinc oxide, for example.
  • the entire amount of process steam required for the subsequent catalytic steps is added, for example.
  • the addition takes place in a certain molar ratio.
  • the ratio is formed from the organic carbon contained in the feedstock flow and the process steam flow.
  • pre-reforming can be carried out in an adiabatic reactor to minimize feedstock and fuel consumption and to minimize the size of the steam reformer, which converts heavy hydrocarbons into methane, hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide at around 450 to 540 ° C.
  • the synthesis gas leaving the steam reformer is cooled to a temperature suitable for the pressure swing adsorption system.
  • impurities such as CO, C0 2, H 2 0, N 2 and CH 4 are effectively separated and high-purity hydrogen is obtained.
  • the resulting waste heat is recovered. Steam produced from waste heat is reused as process steam, and any excess is released into an existing network, for example.
  • Hydrogen production plant based on steam reforming is known which, through algorithms and complex correction models, enables the
  • the requirements placed on a method for operating a hydrogen production plant or, in general, a steam reforming plant are not limited to finding the operating point that is optimized for the consumption of raw materials. Rather, such a process should also make it possible to adjust the degree of utilization of the plant in the event of a fluctuating product or hydrogen demand.
  • Another requirement of the system is that stable system operation is ensured despite a variable degree of utilization, i.e. a changing product or hydrogen demand.
  • the invention is therefore based on the object of providing a method for regulation and stable operation of a system that can be regulated with regard to the degree of utilization
  • this object is achieved by a method mentioned at the beginning, in which a predetermined degree of utilization of the production plant under automated control of the continuously monitored parameter relationships
  • a treatment step ensures that the feedstock is supplied with a sufficient amount of hydrogen to be used in the hydrogenation unit upstream of the steam reformer to carry out an effective hydrogenation, for example of organic sulfur compounds and olefins.
  • this can advantageously be achieved, for example, in that a small partial flow of the hydrogen generated by the steam reforming is withdrawn and fed to the feedstock flow in a special ratio.
  • the current hydrogen to input material ratio is continuously monitored and the respective input variables, here: hydrogen and input material flow, are adjusted accordingly.
  • the hydrogen to feedstock ratio selected in this step in this process is preferably dependent on the feedstock.
  • a hydrogen-to-feed ratio based on the molar flow rates is preferably set in the range from 0.01 to 0.60.
  • processed feedstock is available for the subsequent steam reforming.
  • the steam-to-carbon ratio is monitored by suitable measuring equipment, for example by means of flow measurements and feedstock analysis, and by means of regulation of the steam and / or the Desulfurized feedstock stream set.
  • suitable measuring equipment for example by means of flow measurements and feedstock analysis, and by means of regulation of the steam and / or the Desulfurized feedstock stream set.
  • the steam flow is preferably selected to be adapted to the desulphurized feedstock flow obtained from the hydrogenation and desulphurisation unit and entering the steam reformer.
  • the feed stream already prepared in the first step can be regarded as unchanged in the course of the preparation, since the sulfur compounds removed from the feed stream usually only have a proportion of a few ppm.
  • a molar steam-to-carbon ratio of 2.0 to 4.0 is particularly preferably set when the process steam is added.
  • the last step of the method according to the invention comprises the monitoring and setting of a fuel-to-air ratio in the furnace unit associated with the steam reformer, with which the heat required for the endothermic reaction is introduced through combustion of the fuel.
  • the selected fuel-to-air ratio depends on the input material and fuel.
  • the stability of the plant operation can also be improved if, when the degree of utilization of the plant changes, the hydrogen-to-feed ratio is regulated in such a way that the sequence in which the hydrogen and feedstock flows are set in the first, the Preparation of the feedstock serving, step depending on it it is selected whether the degree of utilization of the steam reforming plant is increased or decreased.
  • the regulation of the steam-to-carbon ratio relevant for steam reforming when the plant's utilization rate changes is carried out in such a way that the sequence of setting the steam and feedstock flow, in a further development of the method according to the invention, is particularly beneficial It is selected depending on whether the degree of utilization of the steam reforming plant is increased or decreased.
  • the stability of the plant operation can be further improved by regulating the fuel-to-air ratio carbon ratio in the event of changes in the degree of utilization of the plant in such a way that the sequence of setting the fuel and air flow is selected depending on whether the degree of utilization the steam reforming plant is raised or lowered.
  • the use of the method according to the invention is particularly useful when the degree of utilization of the steam reforming plant is in the range from 30 to 100%, which should regularly be desired for economic reasons.
  • low utilization rates below 30%
  • non-equilibrium states can occur as a result of the presence of non-continuous partial loads, which can lead to instabilities in the system operation.
  • the hydrogen production plant with its entirety of the individual plant parts is typically in an area of stable, continuous operation in which the method according to the invention works particularly well, so that the probability of an undesired shutdown of the plant as a result of changes in the The degree of utilization is effectively minimized.
  • the rate of change of the degree of utilization is limited to 0.5 to 2.0% of the input material quantity required for 100% degree of utilization per minute. This can be Transfer rate of change to all other currents or parameters to be changed in good approximation. Higher rates of change entail the risk of excessive fluctuations in volume, pressure and temperature, which may lead to the specified safety-relevant system limit values being exceeded.
  • the mentioned rate of change represents a preferred value at which the change in the degree of utilization is achieved quickly, but while maintaining stable plant operation.
  • FIG. 2 a schematic representation of the method according to the invention in the case of a falling degree of utilization.
  • Fig. 1 an embodiment of the method according to the invention is shown in which the control of a steam reforming plant in the case of an increasing degree of utilization and thus an increasing hydrogen production, the sequence of changes in the respective variables is also taken into account to further improve the stability of the plant operation.
  • the feedstock is processed by means of hydrogenation in the hydrogenation stage and then in the desulfurization unit 1 by performing the hydrogenation with a specific hydrogen to feedstock ratio of 2.
  • the setpoint values of the hydrogen and the feedstock flow are calculated as a function of the specified, typically increased by the user (for example, manually or on the basis of the product delivery pressure), 3.
  • the hydrogen flow is set 4.
  • the feedstock flow 5 is set.
  • the hydrogen flow 4 is therefore set in advance of the feedstock flow 5 setting.
  • the feedstock flow 5 is preferably set before the desired value of the hydrogen flow is reached.
  • the desired hydrogen-to-feed ratio 2 is set in this way.
  • the steam reformer 6 first calculates the desired values of the steam and carbon flow 8 for the desired degree of utilization in order to ensure its intended function by setting a specific steam-to-carbon ratio 7 before entering the steam reforming.
  • the amount of carbon introduced by the starting material can be determined on the basis of its molar mass fraction in the starting material by suitable measurements, for example a gas chromatographic measurement or by taking samples and evaluating them in the laboratory.
  • the adjustment of the steam flow 9 thus takes place in advance of the adjustment of the feedstock flow 10.
  • the adjustment of the steam flow 9 preferably begins before the setpoint value of the feedstock flow 10 is reached.
  • a specific fuel-to-air ratio 12 is set in the furnace unit 11 of the steam reformer 6 as a function of the degree of utilization by first calculating the setpoint values of the air and fuel flow 13. Then first the calculated air flow 14 and then the fuel flow 15 corresponding to the setting of the desired ratio is set.
  • FIG. 2 describes the opposite case with respect to FIG. 1 of a falling degree of utilization or a falling hydrogen production.
  • Process steps relating to the sequence of the change in the currents can be used not only in the totality described (i.e. in all three process steps), but also only in one or two of the three process steps described, the use of all process steps being preferred with regard to ensuring system stability is.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung und zum stabilen Betrieb einer hinsichtlich des Auslastungsgrades regelbaren durch Dampfreformierung betriebenen Dampfreformierungsanlage mit einem Dampfreformer (6), einer dem Dampfreformer (6) vorgeschalteten Hydrier- und Entschwefelungseinheit (1) zur Einsatzstoff-Entschwefelung und einer Feuerungseinheit (11) des Dampfreformers (6), welche sich dadurch auszeichnet, dass ein vorgegebener Auslastungsgrad der Dampfreformierungsanlage unter automatisierter Regelung von den kontinuierlich überwachten Parameter-Verhältnissen - Wasserstoff-zu-Einsatzstoffverhältnis (2) in der Hydrier- und Entschwefelungseinheit (1), - Dampf-zu-Kohlenstoffverhältnis (7) im Dampfreformer (6), - Brennstoff-zu-Luft-Verhältnis (12) in der Feuerungseinheit (11) des Dampfreformers (6), eingestellt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zum stabilen Betrieb einer Dampfreformierungsanlage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung und zum stabilen Betrieb einer hinsichtlich des Auslastungsgrades regelbaren Dampfreformierungsanlage mit einem Dampfreformer, einer dem Dampfreformer vorgeschalteten Hydrier- und Entschwefelungseinheit für die Einsatzstoff-Entschwefelung und einer Feuerungseinheit des Dampfreformers.
Beispielsweise angesichts des weltweit steigenden Bedarfs an Wasserstoff werden die Produktionskapazitäten kontinuierlich ausgebaut und die Verfahren zur Wasserstoffproduktion hinsichtlich ihrer Effizienz optimiert. Eine effiziente und daher auch weit verbreitete Methode zur Wasserstoffproduktion stellt die Dampfreformierung dar, wobei aus Kohlenwasserstoffen wie beispielsweise aus Erdgas, Naphtha (Erdöl, Rohbenzin), LPG, wasserstoffreichen Abgasen wie Raffinerieabgase, Biomasse oder Erdöl Wasserstoff produziert wird.
Die Dampfreformierung ist dabei typischerweise in die folgende Prozesskette eingebettet:
Vor die eigentliche Dampfreformierung ist regelmäßig eine Einsatzstoff-Vorbereitung geschaltet, die beispielsweise eine Kompression oder Verdampfung oder Vorwärmung des Einsatzstoffes umfasst. Darauf folgt regelmäßig eine zweischrittige Einsatzstoff- Entschwefelung, in der in einer Hydriereinheit in dem Einsatzstoff enthaltene organische Schwefelverbindungen, aber auch Olefine, hydriert werden. Anschließend wird der nun als H2S vorliegende Schwefel beispielsweise auf Zinkoxid adsorbiert.
Nach der Einsatzstoff-Vorbereitung erfolgt die Zugabe beispielsweise der gesamten für die nachfolgenden katalytischen Schritte erforderlichen Prozessdampfmenge. Die Zugabe erfolgt in einem bestimmten molaren Verhältnis. Das Verhältnis wird gebildet aus dem im Einsatzstoffstrom enthaltenen organischen Kohlenstoff und dem Prozessdampfmengenstrom. Bevor die eigentliche Dampfreformierung stattfindet, kann aus Gründen der Minimierung des Einsatzstoff- und Brennstoffverbrauchs sowie der Minimierung der Größe des Dampfreformers eine Vor-Reformierung in einem adiabatischen Reaktor durchgeführt werden, welche die Konversion von schweren Kohlenwasserstoffen in Methan, Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid bei etwa 450 bis 540 °C zum Gegenstand hat.
Die eigentliche Dampfreformierung zur Gewinnung von Wasserstoff in einem Dampfreformer läuft bei etwa 500 bis 930 °C ab und geschieht bei einer endothermen Reaktion von Kohlenwasserstoff, beispielsweise Methan, und Wasserdampf:
CH4 + H2O O CO + 3 H2
Für gesättigte Kohlenwasserstoffe lässt sich in allgemeiner Form schreiben:
CnHm + n FI O n CO + (m/2 +n)H
Zur Steigerung der Wasserstoffausbeute schließt sich möglicherweise, im Falle einer Anlage zur Wasserstofferzeugung regelmäßig, noch die sogenannte Wassergas-Shift- Reaktion an, bei der Kohlenmonoxid und Wasserdampf zu Kohlendioxid und Wasserstoff reagieren:
CO + H O CO + H
Abschließend wird das den Dampfreformer verlassende Synthesegas auf eine für die Druckwechsel-Adsorptions-Anlage geeignete Temperatur abgekühlt. In der Druckwechsel-Adsorptions-Anlage werden Verunreinigungen wie CO, C02, H20, N2 und CH4 wirksam abgetrennt und hochreiner Wasserstoff gewonnen. Aus Effizienzgründen wird die anfallende Abwärme zurückgewonnen. Aus Abwärme produzierter Dampf wird als Prozessdampf wiederverwendet, etwaiger Überschuss beispielsweise in ein vorhandenes Netzwerk abgegeben. Aus US 7,881,825 B2 ist ein Verfahren zum Betrieb einer
Wasserstoffproduktionsanlage auf Basis der Dampfreformierung bekannt, welches durch Algorithmen und aufwendige Korrekturmodelle ermöglicht, die
Wasserstoffproduktionsanlage so nah wie möglich an einem optimalen Betriebspunkt zu betreiben, um den Verbrauch von Einsatzstoff zu minimieren, während die Wasserstoffausbeute maximiert werden soll.
Die Anforderungen an ein Verfahren zum Betrieb einer Wasserstoffproduktionsanlage oder allgemein einer Dampfreformierungsanlage erschöpfen sich jedoch nicht in dem Auffinden des einsatzstoffverbrauchsoptimierten Betriebspunkts. Vielmehr sollte ein solches Verfahren ebenfalls ermöglichen, im Falle einer schwankenden Produkt beziehungsweise Wasserstoffnachfrage, den Auslastungsgrad der Anlage daran anzupassen. Eine weitere Anforderung an die Anlage besteht darin, dass trotz eines variablen Auslastungsgrades, also einer veränderlichen Produkt- beziehungsweise Wasserstoffnachfrage, ein stabiler Anlagenbetrieb sichergestellt ist. Das - in Anbetracht der Komplexität der ablaufenden Prozesse und involvierten Anlagenbestandteile keine Trivialität darstellende - Kriterium der Anlagenstabilität ist dabei von besonderer Bedeutung, da Wasserstoffproduktionsanlagen wie viele chemische Großanlagen notwendigerweise mit einem „Emergency Shut Down System“ ausgestattet sind, welches bei beispielsweise durch Lastwechsel bedingten Mengen-, Druck- und Temperaturschwankungen, die zur Überschreitung vorgegebener sicherheitsrelevanter Anlagengrenzwerte führen, eingreift und die Wasserstoffproduktionsanlage als Ganzes abschaltet. Eine Anlagenabschaltung ist mit erheblichen Folgekosten verbunden, die die Gesamtproduktivität einer Anlage - deutlich negativ beeinflussen können, so dass eine einzige Anlagenabschaltung oftmals mit höheren Kosten einhergeht, als leichte Abweichungen von dem optimalen Betriebspunkt hinsichtlich des Einsatzstoffverbrauches im Normalbetrieb.
Wenn im Rahmen dieser Ausführungen von Dampf gesprochen wird, dann ist hiermit aus Gründen der Lesbarkeit Wasserdampf gemeint.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung und zum stabilen Betrieb einer hinsichtlich des Auslastungsgrades regelbaren Dampfreformierungsanlage bereitzustellen, welches die Regelung des Auslastungsgrades übernimmt und gleichzeitig ein hohes Maß an Stabilität des Anlagenbetriebes - insbesondere während Veränderungen des Auslastungsgrads - garantiert.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein eingangs genanntes Verfahren, bei dem ein vorgegebener Auslastungsgrad der Produktionsanlage unter automatisierter Regelung von den kontinuierlich überwachten Parameter-Verhältnissen
- Wasserstoff-zu-Einsatzstoffverhältnis in der Hydrier- und Entschwefelungseinheit,
- Dampf-zu-Kohlenstoffverhältnis im Dampfreformer,
- Brennstoff-zu-Luft-Verhältnis in der Feuerungseinheit des Dampfreformers, eingestellt wird.
Bei diesem Verfahren wird in einem ersten Schritt - noch vor Eintritt der beteiligten Gase in den Dampfreformer - zum Schutze des in dem Dampfreformer befindlichen Katalysators vor als Katalysatorgift wirkenden Schwefelverbindungen in einem Aufbereitungsschritt sichergestellt, dass dem Einsatzstoff eine ausreichende Menge an Wasserstoff zugeführt wird, um in der dem Dampfreformer vorgeschalteten Hydriereinheit eine wirksame Hydrierung, beispielsweise von organischen Schwefelverbindungen und Olefinen, durchzuführen. Dieses kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielweise in vorteilhafter Weise dadurch erreicht werden, dass ein kleiner Teilstrom des durch die Dampfreformierung erzeugten Wasserstoffs abgezogen und dem Einsatzstoffstrom in einem speziellen Verhältnis zugeführt wird. Dabei wird das aktuelle Wasserstoff-zu-Einsatzstoffverhältnis kontinuierlich überwacht und die jeweiligen Eingangsgrößen, hier: Wasserstoff- und Einsatzstoffstrom, entsprechend nachgeregelt.
Das bei diesem Verfahren in diesem Schritt gewählte Wasserstoff-zu- Einsatzstoffverhältnis ist vorzugsweise abhängig vom Einsatzstoff. Besonders bevorzugt wird ein Wasserstoff-zu-Einsatzstoffverhältnis auf Basis der molaren Mengenströme im Bereich von 0,01 bis 0,60 eingestellt.
Nach Abschluss dieses Aufbereitungsschrittes steht aufbereiteter Einsatzstoff für die sich anschließende Dampfreformierung zur Verfügung.
In einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur effizienten Durchführung der Dampfreformierung, also der endothermen Reaktion von Kohlenwasserstoffen mit Wasserdampf, das Dampf-zu-Kohlenstoffverhältnis durch geeignete Messapparaturen beispielsweise mittels Durchflussmessungen und Einsatzstoff-Analytik überwacht und mittels Regelung des Wasserdampf- und/oder des entschwefelten Einsatzstoffstroms eingestellt. Vorzugsweise wird der Wasserdampfstrom an den aus der Hydrier- und Entschwefelungseinheit erhaltenen in den Dampfreformer eintretenden entschwefelten Einsatzstoffstrom angepasst gewählt.
Der bereits in dem ersten Schritt aufbereitete Einsatzstoffstrom kann als im Laufe der Aufbereitung unverändert betrachtet werden, da die entfernten Schwefelverbindungen des Einsatzstoffstroms regelmäßig nur einen Anteil von einigen ppm haben. Besonders bevorzugt wird bei der Prozessdampfzugabe ein molares Dampf-zu- Kohlenstoffverhältnis von 2,0 bis 4,0 eingestellt.
Der letzte Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die Überwachung und Einstellung eines Brennstoff-zu-Luft-Verhältnisses in der zum Dampfreformer zugehörigen Feuerungseinheit, mit der durch Verbrennung des Brennstoffs die für die endotherme Reaktion erforderliche Wärme eingetragen wird. Das gewählte Brennstoff- zu-Luft-Verhältnis ist dabei einsatzstoff- und brennstoffabhängig.
Es hat sich gezeigt, dass die Stabilität des Anlagenbetriebs zusätzlich verbessert werden kann, wenn bei Veränderungen des Auslastungsgrades der Anlage die Regelung des Wasserstoff-zu-Einsatzstoffverhältnisses derart erfolgt, dass die Reihenfolge der Einstellung des Wasserstoff- und des Einsatzstoffstroms, in dem ersten, der Aufbereitung des Einsatzstoffes dienenden, Schritt in Abhängigkeit davon gewählt wird, ob der Auslastungsgrad der Dampfreformierungsanlage angehoben oder abgesenkt wird.
Besonders günstig hinsichtlich der Verbesserung der Stabilität des Anlagenbetriebes erfolgt die Regelung des für die Dampfreformierung relevanten Dampf-zu- Kohlenstoffverhältnisses bei Veränderungen des Auslastungsgrades der Anlage derart, dass die Reihenfolge der Einstellung des Dampf- und des Einsatzstoffstroms, in einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, in Abhängigkeit davon gewählt wird, ob der Auslastungsgrad der Dampfreformierungsanlage angehoben oder abgesenkt wird.
Die Stabilität des Anlagenbetriebes kann weiter verbessert werden, indem das Brennstoff-zu-Luft-Verhältnis Kohlenstoffverhältnisses bei Veränderungen des Auslastungsgrades der Anlage derart geregelt wird, dass die Reihenfolge der Einstellung des Brennstoff- und des Luftstroms, in Abhängigkeit davon gewählt wird, ob der Auslastungsgrad der Dampfreformierungsanlage angehoben oder abgesenkt wird.
Ferner hat sich gezeigt, dass die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders sinnvoll ist, wenn der Auslastungsgrad der Dampfreformierungsanlage im Bereich von 30 bis 100% liegt, was aus wirtschaftlichen Gründen regelmäßig gewünscht sein dürfte. Bei geringen Auslastungsgraden (unterhalb von 30%) können in Folge des Vorliegens nichtkontinuierlicher Teillasten Nichtgleichgewichtszustände auftreten, die zu Instabilitäten im Anlagenbetrieb führen können. Bei einem Auslastungsgrad von 30 bis 100% befindet sich die Wasserstoffproduktionsanlage mit ihrer Gesamtheit der einzelnen Anlagenteile typischerweise in einem Bereich stabilen, kontinuierlichen Betriebs, in welchem das erfindungsgemäße Verfahren besonders gut funktioniert, so dass die Wahrscheinlichkeit eines unerwünschten Abschaltens der Anlage in Folge von Änderungen des Auslastungsgrades wirksam minimiert wird.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich überdies als vorteilhaft für die Anlagenstabilität herausgestellt, wenn eine Limitierung der Änderungsrate des Auslastungsgrades auf 0,5 bis 2,0 % der für 100% Auslastungsgrad benötigten Einsatzstoffmenge pro Minute vorgenommen wird. Dabei lässt sich diese Änderungsrate auch auf alle anderen zu ändernden Ströme beziehungsweise Parameter in guter Näherung übertragen. Höhere Änderungsraten bringen das Risiko übermäßiger Mengen-, Druck- und Temperaturschwankungen mit sich, die möglicherweise zur Überschreitung vorgegebener sicherheitsrelevanter Anlagengrenzwerte führen. Die angesprochene Änderungsrate stellt dabei einen bevorzugten Wert dar, bei dem die Änderung des Auslastungsgrades zügig, aber unter Aufrechterhaltung des stabilen Anlagenbetriebes erreicht wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Figuren.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1: Eine schematisierte Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Falle eines steigendenden Auslastungsgrades und
Fig. 2: eine schematisierte Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Falle eines sinkenden Auslastungsgrades.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, bei welchem die Regelung einer Dampfreformierungsanlage im Falle eines steigenden Auslastungsgrades und damit einer steigenden Wasserstoffproduktion betrifft, wobei die Reihenfolge der Änderungen der jeweiligen Größen zur weiteren Verbesserung der Stabilität des Anlagenbetriebs mitberücksichtigt wird.
In einem Schritt wird der Einsatzstoff mittels Hydrierung in der Hydrierstufe und danach in der Entschwefelungseinheit 1 aufbereitet, indem die Hydrierung mit einem spezifischen Wasserstoff-zu-Einsatzstoffverhältnis 2 durchgeführt wird. Zur Einstellung dieses einsatzstoffabhängigen Verhältnisses werden in Abhängigkeit von dem vorgegebenen, typischerweise nutzerseitig angehobenen (beispielsweise manuell oder auf Basis des Produktabgabedruckes), Auslastungsgrad die Sollwerte des Wasserstoff und des Einsatzstoffstroms berechnet 3. Zuerst wird der Wasserstoffstrom eingestellt 4. Anschließend erfolgt zur Wahrung des gewünschten Wasserstoff-zu- Einsatzstoffverhältnisses die Einstellung des Einsatzstoffstroms 5. Die Einstellung des Wasserstoffstroms 4 erfolgt somit vorauseilend zur Einstellung des Einsatzstoffstroms 5. Die Einstellung des Einsatzstoffstroms 5 beginnt dabei vorzugsweise bevor der Sollwert des Wasserstoffstroms erreicht ist. Auf diese Weise wird das gewünschte Wasserstoff-zu-Einsatzstoffverhältnis 2 eingestellt.
In einem weiteren Schritt werden im Dampfreformer 6 vor Eintritt in die Dampfreformierung zur Sicherstellung deren bestimmungsgemäßen Funktion durch Einstellung eines spezifischen Dampf-zu-Kohlenstoffverhältnisses 7 zunächst die Sollwerte des Dampf- und des Kohlenstoffstroms 8 für den angestrebten Auslastungsgrad berechnet. Dabei kann die Menge des durch den Einsatzstoff eingetragenen Kohlenstoffs anhand seines Molmassenanteils an dem Einsatzstoff durch geeignete Messungen, beispielsweise einer gaschromatografischen Messung oder durch Probenentnahme und Auswertung im Labor, ermittelt werden. Anschließend wird zuerst der berechnete Dampfstrom 9 und daraufhin der zur Einstellung des gewünschten Verhältnisses korrespondierende Einsatzstoffstrom 10 eingestellt. Die Einstellung des Dampfstroms 9 erfolgt somit vorauseilend zur Einstellung des Einsatzstoffstroms 10. Die Einstellung des Dampfstroms 9 beginnt dabei vorzugsweise bevor der Sollwert des Einsatzstoffstroms 10 erreicht ist.
Zur Sicherstellung der Einhaltung der vorbeschriebenen Reihenfolge kann vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit des Zeitverlaufs des Einsatzstoffstroms in der Hydrier- und Entschwefelungseinheit und einer anlagenspezifischen Laufzeit zwischen der Hydrier- und Entschwefelungseinheit und dem Dampfreformer ein Zeitverlauf für die Sollwerte der in den Dampfreformer einzubringenden Einsatzstoff- und Dampfströme berechnet wird.
In einem dritten Schritt wird in der Feuerungseinheit 11 des Dampfreformers 6 in Abhängigkeit von dem Auslastungsgrad ein spezifisches Brennstoff-zu-Luft-Verhältnis 12 eingestellt, indem zuerst die Sollwerte des Luft- und Brennstoffstroms 13 berechnet werden. Anschließend wird zunächst der berechnete Luftstrom 14 und anschließend der zur Einstellung des gewünschten Verhältnisses korrespondierende Brennstoffstrom 15 eingestellt.
Fig. 2 beschreibt den bezüglich Fig. 1 umgekehrten Fall eines sinkenden Auslastungsgrades beziehungsweise einer sinkenden Wasserstoffproduktion.
Wesentlich hierbei ist, dass die Reihenfolge der Einstellungen der jeweiligen Ströme im Vergleich zu dem in Fig. 1 gezeigten Fall vertauscht ist, um das angestrebte Maß an Anlagenstabilität zu erreichen. Es versteht sich, dass die im Rahmen der Ausführungsbeispiele beschriebenen
Verfahrensschritte, betreffend die Reihenfolge der Änderung der Ströme, nicht nur in der beschriebenen Gesamtheit (also in allen drei Verfahrensschritten), sondern auch lediglich in einem oder zwei der drei beschriebenen Verfahrensschritte angewandt werden können, wobei die Anwendung sämtlicher Verfahrensschritte hinsichtlich der Sicherstellung der Anlagenstabilität bevorzugt ist.
Bezugszeichenliste
1 Hydrier- und Entschwefelungseinheit
2 Wasserstoff-zu-Einsatzstoffverhältnis 3 Sollwerte des Wasserstoff- und des Einsatzstoffstroms
4 Einstellung des Wasserstoffstroms
5 Einstellung des Einsatzstoffstroms
6 Dampfreformer
7 Dampf-zu-Kohlenstoffverhältnisses 8 Sollwerte des Dampf- und des Kohlenstoffstroms
9 Einstellung des Dampfstroms
10 Einstellung des Einsatzstoffstroms
11 Feuerungseinheit
12 Brennstoff-zu-Luft-Verhältnis 13 Sollwerte des Luft- und Brennstoffstroms
14 Einstellung des Luftstroms
15 Einstellung des Brennstoffstroms

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Regelung und zum stabilen Betrieb einer hinsichtlich des Auslastungsgrades regelbaren Dampfreformierungsanlage mit einem Dampfreformer (6), einer dem Dampfreformer (6) vorgeschalteten Hydrier- und Entschwefelungseinheit (1) zur Einsatzstoff-Entschwefelung und einer Feuerungseinheit (11) des Dampfreformers (6), dadurch gekennzeichnet, dass ein vorgegebener Auslastungsgrad der Produktionsanlage unter automatisierter Regelung von den kontinuierlich überwachten Parameter- Verhältnissen
- Wasserstoff-zu-Einsatzstoffverhältnis (2) in der Hydriereinheit (1),
- Dampf-zu-Kohlenstoffverhältnis (7) im Dampfreformer (6),
- Brennstoff-zu-Luft-Verhältnis (12) in der Feuerungseinheit (11 ) des Dampfreformers (6), eingestellt wird.
2. Verfahren nach ein Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von dem vorgegebenen Auslastungsgrad das gewünschte Wasserstoff-zu-Einsatzstoffverhältnis (2) ergebende Sollwerte (3) für einen in die Hydrier- und Entschwefelungseinheit einzubringenden Wasserstoff- und einen Einsatzstoffstrom berechnet werden, wobei bei anzuhebendem Auslastungsgrad der Produktionsanlage der Wasserstoffstrom (4) vorauseilend zu dem Einsatzstoffstrom (5) auf den jeweiligen Sollwert (3) eingestellt und bei abzusenkendem Auslastungsgrad der Produktionsanlage der Einsatzstoffstrom (5) vorauseilend zu dem Wasserstoffstrom (4) auf den jeweiligen Sollwert (3) eingestellt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserstoff-zu-Einsatzstoffverhältnis (2) auf Basis der molaren Mengenströme auf einen Wert im Bereich von 0,01 bis 0,60 eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von dem vorgegebenen Auslastungsgrad das gewünschte Dampf-zu-Kohlenstoffverhältnis (7) ergebende Sollwerte (8) des Dampf- und des Einsatzstoffstroms berechnet werden, wobei bei anzuhebendem Auslastungsgrad der Dampfreformierungsanlage der Dampfstrom (9) vorauseilend zu dem Einsatzstoffstrom (10) auf den jeweiligen Sollwert (8) eingestellt und bei abzusenkendem Auslastungsgrad der Dampfreformierungsanlage der Einsatzstoffstrom (10) vorauseilend zu dem Dampfstrom (9) auf den jeweiligen Sollwert (8) eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dampf-zu-Kohlenstoffverhältnis (7) auf Basis der molaren Mengenströme auf einen Wert im Bereich von 2,0 bis 4,0 eingestellt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des durch den Einsatzstoff in den Dampfreformer (6) eingetragenen Kohlenstoffs anhand seines Molmassenanteils an dem Einsatzstoff ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des durch den Einsatzstoff in den Dampfreformer (6) eingetragenen Kohlenstoffs beispielsweise anhand einer gaschromatografischen Messung oder durch Probenentnahme und Auswertung im Labor ermittelt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von dem vorgegebenen Auslastungsgrad das gewünschte Brennstoff-zu-Luftverhältnis (12) ergebende Sollwerte (13) des Luft- und des Brennstoffstroms berechnet werden, wobei bei anzuhebendem Auslastungsgrad der Dampfreformierungsanlage der Luftstrom (14) vorauseilend zu dem Brennstoffstrom (15) auf den jeweiligen Sollwert (13) eingestellt und bei abzusenkendem Auslastungsgrad der Dampfreformierungsanlage der Brennstoffstrom (15) vorauseilend zu dem Luftstrom (14) auf den jeweiligen Sollwert (13) eingestellt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslastungsgrad der Dampfreformierungsanlage insbesondere 30% bis 100% beträgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung eines oder mehrerer Parameter-Verhältnisse mit definierten zulässigen Änderungsraten durchgeführt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des Zeitverlaufs des Einsatzstoffstroms in der Hydrier- und Entschwefelungseinheit und einer anlagenspezifischen Laufzeit zwischen der Hydrier- und Entschwefelungseinheit (1) und dem Dampfreformer (6) ein Zeitverlauf für den Sollwert des in den Dampfreformer (6) einzubringenden Dampfstroms berechnet wird.
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