JP2008540310A - 第一の改質器の後における水蒸気／天然ガス混合物の加熱および部分酸化方法 - Google Patents

第一の改質器の後における水蒸気／天然ガス混合物の加熱および部分酸化方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、別々に予熱されておらず、予め改質されたNH3合成ガス用の水蒸気／天然ガス混合物の加熱および部分酸化方法であって、ガス流（粗合成ガス）に、第一の改質器の後で流れの方向にエネルギーが供給される前記の方法に関し、この方法では、煤煙形成をできるだけ避けることができ、可変的な量で例えばN2もしくはO2またはこれらの混合物を添加することができる。これは、第一の改質器のガス排出ラインに位置する少なくとも1つの多孔質バーナーを介して第一の改質器の後で直接エネルギーが添加されるという方法によって達成される。

Description

本発明は、別々に予熱されておらず、予め改質されたNH3合成ガス用の水蒸気／天然ガス混合物の加熱および部分酸化方法であって、ガス流（粗合成ガス）に、第一の改質器の後で流れの方向にエネルギーが供給される前記の方法に関する。
水蒸気改質による合成ガスの製造は、通常、大規模な熱統合を用いて行われ、すなわち、水蒸気改質器の余熱が、数多くの熱交換器において天然ガス、空気および水蒸気の加熱、または水蒸気の製造に利用される。その際、合成ガスの製造においては、その後のアンモニア合成のために、大気窒素の供給に必要な空気をできるだけ高温に予熱することが重要である。
大気窒素の添加は、第一の水蒸気改質器の後に接続されるいわゆる第二の改質器において大気酸素とともに行われる。第一の改質器から来るガスの部分酸化によって、ガスの組成が一部は燃焼により、しかし大部分は高い平衡温度への到達によって変化し、それによって、合成ガス中の残留メタンの含有量は乾燥状態で明らかに1 mol%より小さくなる（通常、1050〜1150℃より高い）。続いて触媒を投入することにより、平衡の成立が速められる。
この工程段階においては、COおよびCO2の存在にも関連する、残留メタン含有量（通常、10〜14 mol%）からのCH4分解による煤煙形成を避けるために、ガスの良好な混和、継続的な温度上昇においても水蒸気改質活性な触媒の存在、および水蒸気の存在が重要である。
ここで、本発明は、特に煤煙の形成をできるだけ避けることを目的とし、本発明においては、例えば、N2およびO2またはこれらの混合物を可変的な量で添加することも可能である。
本発明における課題は、上述の方法において、エネルギー供給が第一の改質器の後において、第一の改質器のガス排出ラインに位置する少なくとも1つの多孔質バーナー（Porenbrenner）を介して直接行われることによって解決される。
第一の改質器の後において処理されるガスの流路に多孔質バーナーを使用することにより、多くの利点が得られ、特に、第二の改質器のような別の反応器が完全に不要になる。
さらなる利点としては、例えば以下を挙げることができる：
- 広い調節性、
- 粗合成ガス（Rohsynthesegas）の流入速度に依存しないバーナー炎の安定性（個別に燃料ガスの供給が可能であることによる）、
- サイクル中にN2／水蒸気のみが存在する場合にもバーナーが始動すること、
- 可変的な量の窒素および酸素ならびにこれらの混合物の添加が可能なこと、
- 煤煙形成リスクが低いことにより、短時間での反応が可能なこと、
- スタティックミキサー（statischen Mischern）上の触媒：ガスを平衡状態にし、激しい温度上昇の際の煤煙形成リスクを減少させる、
- モジュール構造により、内壁が張られた管を分離することによってスタティックミキサーの交換が可能なこと（耐メタルダスティング材料由来の、場合によりアルミニウムコーティングされた材料）、
- 可変的な量の追加的触媒を使用できること：例えば、水蒸気改質触媒に応じて部分酸化触媒をバーナーにおいて直接、
- 別に燃料ガス（例えばCH4）が添加されるので、または添加され得るので、必要な酸素量が少なくてよく、既に生じた粗合成ガス（H2、COおよびCH4）における消費（燃焼）が減少する、
- なおも存在している残留メタンがさらに水蒸気改質される。
本明細書においては、本発明の課題について触れられているいくつかの文献が参照される。独国特許出願公開第1920001号明細書、欧州特許出願公開第200825号明細書、欧州特許出願公開第876993号明細書または米国特許出願公開第6730285号明細書は、合成ガスの製造に関する。同一の出願人による米国特許出願公開第6746624号明細書にはコーティングされた触媒管が示されており、独国出願公開第19839782号明細書には流路中におけるスタティックミキサーが示されている。独国出願公開第10232970号明細書には、先行して水蒸気改質を行わない短時間の特殊酸化が記載されている。独国出願公開第10239111号明細書には、燃料電池と組み合わせた多孔質バーナーの使用が記載されている。
本発明の別の態様は、従属請求項から明らかであり、それらによれば、流路を形成する第一の改質器のガス排出ラインに位置するいくつかの多孔質バーナーを介して、エネルギー供給が直接行われる。
例えば、燃料ガスによるエネルギー供給および酸化剤（酸素）の他に、窒素および／または少量のCO2および／または水蒸気を供給することもできる。
本発明の多孔質バーナーによれば、燃料ガスの量を広い領域で、好ましくは超化学量論的（ueberstoechiometrisch）に制御することが可能である。
多孔質バーナーの使用においては、ガス流中に、触媒コーティングがされたスタティックミキサーを配置することも可能であり、これによって、本発明が同じく意図しているように、このガス流がこのミキサーによって適当に旋回する。この場合に、スタティックミキサーを通るガス流をそれぞれのバーナーの後で旋回させることが好適であり、第一のミキサーには本発明に従って部分酸化触媒コーティングが、残りのミキサーには水蒸気改質触媒コーティングが施される。
本発明ではまた、化学量論的なまたは超化学量論的な稼動のために、予熱されていないかもしくはわずかに予熱された燃料ガス-空気混合物（特に、CH4 + 空気）が多孔質バーナー自体に供給される。燃料ガス混合物は、点火限界下で温度が適度に維持されなければならない。
好ましくは、ガス混合物は多孔質バーナーによって約1000℃〜約1100℃の温度に加熱され、それによって合成ガスにおける煤煙の生成が確実に妨げられる。
加熱はいくつかの直列に接続された多孔質バーナーによって行うことができ、その際、本発明の触媒的な混合段階が間に挿入される。
本発明の別の態様において、ガス流はスタティック混合エレメントの後または間において、別の、特にハチの巣状の触媒含有エレメントに導かれる。
最初に記載された課題は、本発明によって、特に、第一の改質器の後の移送ラインでの最後の管の入り口と連結との間における改質管の各収集ラインにおいて、少なくとも1つの多孔質バーナーが配置されることを特徴とする装置によって、解決される。
1つの態様においては、1つのスタティックミキサーがそれぞれの多孔質バーナーに割り当てられ、特に多孔質バーナーの後に接続される。
本発明のさらなる特徴、詳細および利点は、以下の説明および図に基づいて明らかにされるものである。これは以下において示される：
図1は、後に装置が接続され、そして本発明の多孔質バーナーを有する第一の改質器の原理を示す接続図である。
図2は、収集管および本発明に従って位置する多孔質バーナーを有する第一の改質器を簡略化した立体図である。
図3〜5は、種々の形態で形成された多孔質バーナーを有する管を切断した場合の拡大図である。
図6は、収集ラインから移送ラインへの移行領域における多孔質バーナーの位置を示す。
図1において概略的に1で示されるユニットの本質的な構成要素は、改質管3（CH4+ 水蒸気給送管）を有する第一の改質器（2で示される）、および天井バーナー4、ならびに収集ライン5および少なくとも1つの移送ライン6から形成され、この場合に、後者は、水蒸気ドラム8を有する廃熱ボイラー7中につながれ、そして熱交換器9を通って最終的にはCO／シフト10につながれるが、このことはここではさほど問題ではない。
場合によっては外部の（断熱の）触媒床11が可能であることが破線で記載されている。移送ライン6に位置する多孔質バーナーが図1では概略的に12で、そしてその供給機関が13で示されており、それを通って、例えば空気およびCH4が別に供給され、そしてまず真っ先に混合される。ここで、図1に示されるように、それぞれの多孔質バーナー12の後で流れの方向に触媒的なスタティックミキサー14が配置されている。最後に、図1にはさらに、場合により水蒸気を系に供給可能な供給ライン15が示されている。
図2においては、概略化された第一の改質器2が、CH4-水蒸気供給ライン3aを通って供給が行われる改質管3、天井バーナー4、および燃焼室からの排ガスの排出用コレクター16、および収集ライン5、ならびに多孔質バーナー12が配置される移送ライン6とともに三次元で示される。
図3〜5においては、例えば、移送ライン6（概略的に12で示される多孔質バーナーが組み込まれる）の6’で示される管が抜き出して示されている。図3において表される例は多孔質バーナーの先端部であって、これは16で示され、多孔性のバーナー壁17および流れの方向に対して反対に向けられたリストリクター部18（下流に向けられたカバープレートを有する）を有し、円錐台状に形成される。
バーナー先端部16を携える供給ライン13には、外側の断熱材（Isolierung） 19、冷気供給ライン20（例えばO2含有ガスを有する）、および点火ガスまたは燃料ガス用の中心内部管21が示される。
多孔質バーナーでは、通常、バーナー壁17において燃焼が起こり、従って逆火は起こり得ない。このようなバーナーの詳細については、独国特許出願公開第4322109号明細書および対応の欧州特許第0657011号明細書を引用することができる。
図3では、触媒コーティング22を施されたスタティックミキサー14がどのように管6に位置するかについても示されている。これらは調節プレート（Prallbleche）またはガイドプレート（Leitbleche）としてただ象徴的に表されたものであり、シャベル形状で形成されることもあるが、このことはここではさほど問題ではない。詳細には記載されていないが、スタティックミキサーは、隔離コーティング（Isolierungsbeschichtung）6’’を有する管6から取り出し可能なように、例えば支持棒23を介して数個〜1個の構造ユニットに組み込むことができる。これは、バーナーの取り出しを可能にする点においても有効である。
粗合成ガスの流れの方向は、小さい矢印24によって図中に示される。すなわち、バーナーの後の合成ガスは、矢印25によって表される。これらの合成ガスはN2、CO、CO2、H2、H2Oを含有する。
図4には、図3と類似の表現方法で、バーナー先端部16aに改変を施した態様が示されている。この場合には、多孔性バーナー壁17aが少し異なった場所に位置し、内部に位置するリストリクター部18と同様にバーナーのカバープレートを形成する。その他の点に関しては、図3の状態と一致する。
図4では、触媒的にコーティングされたスタティックミキサーが、少し異なったブレード部分（Teilschaufelblatter）22aとして示されており、また、これらは、取り付けられている1つのケージに適当な連結エレメント23を介して組み込まれている。
他方、図5には、改変を施した1つの実施態様が示されており、これは特に多孔質バーナー16bの構成に関する。ここでは、これは円筒状のバーナー先端部として形成され、炎の先端が収容される壁10bの長さ全体にわたって、多数のスタティックミキサー22bが取り付けられる。
最後に、図6では供給ラインとともに多孔質バーナーが示されており、このバーナー先端部16は、記載された例では、改質管を携えた収集ライン5中に突き出ており、この先端部の側に移送ライン6が配置される（これは表現上の理由から紙面では90°回転させている）。図6では、この移送ライン6における多孔質バーナー先端部16の位置が最も細い線によって示されており、これらは、遮へいカバーを介して容易に取り付けられまたは取り外される。遮へいカバーは26として示す。
当然のことながら、記載された本発明の実施態様は、さらにいくつかの点において、基本的概念から逸脱することなく変更され得るものである。これは特に、多孔質バーナーの全ての構成、および加熱されるガスの流路中におけるこれらの特殊な位置に当てはまるものである。
図1は、後に装置が接続され、そして本発明の多孔質バーナーを有する第一の改質器の原理を示す接続図である。 図2は、収集管および本発明に従って位置する多孔質バーナーを有する第一の改質器を簡略化した立体図である。 図3は、種々の形態で形成された多孔質バーナーを有する管を切断した場合の拡大図である。 図4は、種々の形態で形成された多孔質バーナーを有する管を切断した場合の拡大図である。 図5は、種々の形態で形成された多孔質バーナーを有する管を切断した場合の拡大図である。 図6は、収集ラインから移送ラインへの移行領域における多孔質バーナーの位置を示す。

Claims (15)

  1. ガス流（粗合成ガス）に第一の改質器の後で流れの方向にエネルギーが供給される、予熱されておらず、予め改質されたNH3合成ガス用の水蒸気／天然ガス混合物の加熱および部分酸化方法であって、前記のエネルギー供給が、第一の改質器の後において、この第一の改質器のガス排出ラインに位置する少なくとも1つの多孔質バーナーを介して直接行われることを特徴とする、前記の加熱および部分酸化方法。
  2. 流路を形成する第一の改質器のガス排出ラインに位置するいくつかの多孔質バーナーを介して、エネルギー供給が直接行われることを特徴とする、請求項1記載の方法。
  3. アンモニア装置用合成ガスの調節のために、燃料ガスによるエネルギー供給および酸化剤（例えば、酸素）の他に、窒素もまたガス流に供給されることを特徴とする、請求項1または2のいずれか1つに記載の方法。
  4. ガス流に追加的にCO2および／または水蒸気を供給することを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1つに記載の方法。
  5. 多孔質バーナーが、予め改質された水蒸気／天然ガス混合物を基準として化学量論に従って（unterstoechiometrisch）、または導入された燃料ガスとともに超化学量論的に稼動することを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1つに記載の方法。
  6. 水蒸気改質触媒コーティングが施されたスタティックミキサーによってガス流が旋回することを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1つに記載の方法。
  7. スタティックミキサーを通るガス流がそれぞれのバーナーの後で旋回し、そして前記ミキサーには部分酸化触媒コーティングが施されていることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1つに記載の方法。
  8. 化学量論的なまたは超化学量論的な稼動のために、予熱されていないかもしくはわずかに予熱された燃料ガス-空気混合物（特に、CH4 + 空気）が多孔質バーナーに供給されることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか1つに記載の方法。
  9. 多孔質バーナーによってガス混合物が約1000℃〜約1100℃の温度に加熱されることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか1つに記載の方法。
  10. 直列に接続され、触媒的な混合段階が間に挿入されたいくつかの多孔質バーナーによって加熱が行われることを特徴とする、請求項1〜9のいずれか1つに記載の方法。
  11. ガス流がスタティック混合エレメントの後または間において、水蒸気改質触媒（例えばNi）でコーティングされた、別の、特にハチの巣状のエレメントに導かれることを特徴とする、請求項1〜10のいずれか1つに記載の方法。
  12. 多孔質バーナーが酸素バーナー／水蒸気バーナーとして稼動することを特徴とする、請求項1〜11のいずれか1つに記載の方法。
  13. 合成ガスにおけるH2／CO比を約3とするために、煤煙を回避する量でCO2を追加的に混和することを特徴とする、請求項12記載の方法。
  14. 移送ライン（6）での最後の管の入り口と連結との間における改質管（3）の各収集ライン（5）、および／または移送ライン（6）において少なくとも1つの多孔質バーナー（12）が配置されることを特徴とする、特に、請求項1〜13のいずれか1つに記載の方法を実施するための装置。
  15. 1つのスタティックミキサー（14）がそれぞれの多孔質バーナー（12）に割り当てられ、特に多孔質バーナー（12）の後に接続されることを特徴とする、請求項14記載の装置。
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