DE10053778A1 - Verfahren zum Erzeugen eines Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO)enthaltenden Syngases sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum Erzeugen eines Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO)enthaltenden Syngases sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Erzeugen eines Wasserstoff (H¶2¶) und Kohlenmonoxid (CO) enthaltenden Syngases, insbesondere für die Herstellung von Methanol, wird ein Methan (CH¶4¶) enthaltendes Gas, insbesondere Erdgas, mittels Dampf und/oder Sauerstoff (O¶2¶) und/oder Kohlenstoff (CO¶2¶) in einer Reformierungsanlage (17) reformiert und verlässt die Reformierungsanlage (17) mit hoher Temperatur und unter hohem Druck. DOLLAR A Gemäß der Erfindung wird dem Syngas vor der Weiterverarbeitung mittels eines zwischengeschalteten thermodynamischen Kreisprozesses ein wesentlicher Teil des Enthalpiegehaltes entzogen und für andere Zwecke wie z. B. Stromerzeugung oder Prozesswärmeerzeugung nutzbar gemacht.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verfahrenstechnik. Sie betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO) enthaltenden Syngases gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
STAND DER TECHNIK
Die Produktion von H2/CO-Syngasgemischen hat (besonders in der Zukunft) eine große industrielle Bedeutung, z. B. für die Erzeugung von flüssigen, synthetischen Brennstoffen, wie Methanol oder DME (Di-Methyl-Ether).
Verschiedene Verfahrenskonzepte werden zur Syngaserzeugung zur Zeit einge­ setzt oder wurden in der jüngeren Vergangenheit vorgeschlagen. Sie basieren hauptsächlich auf der Reformierung von Methan enthaltenden Gasen, insbeson­ dere von Erdgas, mittels Dampf, O2, CO2 oder einer Kombination dieser 3 Pro­ zesse.
Ein vereinfachtes Schema einer bekannten Anlage zur Erzeugung von Syngas (aus Erdgas) mit anschliessender Produktion von Methanol aus dem erzeugten Syngas ist in Fig. 1 wiedergegeben: Zentraler Bestandteil der Anlage 10 zur Methanolproduktion ist eine Reformierungsanlage 17. Die Reformierungsanlage 17 umfasst sämtliche für die Reformierung erforderlichen Reaktoren (Reformierer) sowie - im Falle der Reformierung mit Dampf - die notwendigen Zusatzeinrichtun­ gen zur Erzeugung von Dampf. Beim bekannten LCM-Verfahren (Leading Con­ cept Methanol) der Firma ICI (siehe z. B. S. Nirula, "Methanol from natural gas by ICI's LCM process", PEP-Review No. 91-3-2, SRI International (1993)) erfolgt die Reformierung innerhalb der Reformierungsanlage 17 in einer ersten Stufe mit Dampf in einem gasbeheizten Reformer GHR (Gas Heated Reformer) und in einer zweiten Stufe mit O2 in einem Sekundärreformer. Ausgenutzt wird dabei im GHR die endotherme Reaktion:
CH4 + H2O = CO + 3H2 (1)
und im Sekundärreformer die exotherme Reaktion
CH4 + 1/2O2 = CO + 2H2 (2).
Ein dritter, möglicher Reformierungsprozess gemäss der endothermen Reaktion
CH4 + CO2 = 2CO + 2H2 (3)
wird hierbei nicht eingesetzt.
Das zu reformierende Erdgas gelangt über eine Erdgaseinspeisung 14 in einen ersten Kompressor 15 und wird dort komprimiert. Das komprimierte Erdgas wird dann in einer Vorrichtung 16 zur Gasaufbereitung hinsichtlich Druck, Temperatur und Zusammensetzung weiter aufbereitet, also beispielsweise entschwefelt und mit Wasser gesättigt. Das so aufbereitete Erdgas wird dann in die Reformierungs­ anlage 17 eingeleitet und dort reformiert. Beim o. g. LCM-Verfahren hat das aufbe­ reitete Erdgas bei Eintritt in die Reformierungsanlage 17 z. B. eine Temperatur von 250°C und einen Druck von etwa 86 bar. In die Reformierungsanlage 17 wird weiterhin der für eine Reformierung gemäss Reaktion (2) notwendige Sauerstoff eingespeist. Der Sauerstoff wird beispielsweise in einer Vorrichtung 12 zur Sau­ erstofferzeugung durch Verflüssigung und Zerlegung von über eine Lufteinspei­ sung 11 zugeführter Luft erzeugt und anschliessend in einem zweiten Kompressor 13 komprimiert. Zur Erzeugung von Dampf für die Reformierung gemäss Reaktion (1) ist in der Reformierungsanlage ein (nicht dargestellter) Dampferzeuger vorge­ sehen, der über eine Wassereinspeisung 18 mit Wasser und über eine Brenn­ stoffeinspeisung 19 mit Brennstoff versorgt wird und die bei der Verbrennung er­ zeugten Abgase über einen Abgasauslass 20 abgibt. Am Ausgang der Reformie­ rungsanlage 17 wird dann das erzeugte Syngas abgegeben, durch einen nachfol­ genden Dampfabscheider 21 geschickt und schliesslich in einer Vorrichtung 22 zur Methanolerzeugung weiterverarbeitet. Das erzeugte Methanol steht schliesslich an einem Methanolauslass 23 zur Verfügung.
In allen Prozessen besitzen die produzierten Syngase, die die Reaktormodule der Reformierungsanlage 17 mit hohem Druck und hohen Temperaturen verlassen (beim LCM-Prozess sind dies z. B. 1065°C und 82 - 84 bar), einen großen Enthal­ piegehalt, der in den bekannten Prozessschema gemäss Fig. 1 fast gar nicht genutzt wird, aber prinzipiell für eine Verwertung zur Verfügung steht (Nutzung für Stromerzeugung, Kraft-Wärmekoppelung).
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung von Syngas an­ zugeben, bei welchem die Nachteile bekannter Verfahren vermieden werden und insbesondere der Enthalpiegehalt des bei der Reformierung entstehenden Synga­ ses weitgehend genutzt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Ver­ fahrens anzugeben.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 10 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, dem Syngas vor der Weiterverar­ beitung mittels eines zwischengeschalteten, thermodynamischen Kreisprozesses einen wesentlichen Teil des Enthalpiegehaltes zu entziehen und für andere Zwecke, wie z. B. Stromerzeugung oder Prozesswärmeerzeugung, nutzbar zu ma­ chen. Hierdurch kann die Energiebilanz des Gesamtprozesses wesentlich verbes­ sert werden.
Bevorzugt wird als thermodynamischer Kreisprozess ein invertierter Brayton-Zy­ klus mit Dampfeinspritzung und Dampfkondensation verwendet, wobei zur Reali­ sierung des Brayton-Zyklus Komponenten einer Gasturbinenanlage, insbesondere in Form von Gasturbinen und Kompressoren, eingesetzt werden. Das Syngas wird zunächst in einer Gasturbine unter Leistung von Arbeit entspannt. Das entspannte Syngas wird dann durch einen Abhitzedampferzeuger geschickt. Es wird anschliessend in einem ersten, von der Gasturbine angetriebenen Kompressor wieder komprimiert. Dabei wird vorzugsweise mittels eines von der Gasturbine angetriebenen Generators Strom erzeugt.
Vorzugsweise wird das Syngas nach Durchlaufen des Abhitzedampferzeugers und vor Eintritt in den ersten Kompressor in einem zwischengeschalteten Kühler/Kondensator abgekühlt und im Syngas enthaltenes Wasser abgeschieden. Durch den Kühler/Kondensator wird eine möglichst niedrige Temperatur am Kom­ pressoreintritt erzeugt. Gleichzeitig wird der Massenstrom des Prozessgases mit hohem Feuchtigkeitsgehalt nach der Turbine durch Unterschreiten des Taupunk­ tes stark reduziert und dadurch die Kompressionsarbeit minimiert. Diese Mass­ nahme führt verglichen mit dem konventionellen Gasturbinenprozeß zu einer sehr großen Verbesserung des thermischen Wirkungsgrads und einer starken Erhö­ hung der spezifischen Leistung.
Ist die Syngaserzeugung Teil eines Verfahrens zur Methanolproduktion, wird vor­ zugsweise das Syngas nach dem Verlassen des ersten Kompressors mittels eines Zwischenkühlers abgekühlt und anschliessend in einem zweiten Kompressor auf einen für die Methanolsynthese geeigneten Druck oberhalb 50 bar komprimiert.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemässe Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen dem Ausgang der Gasturbine und dem Eingang des ersten Kompressors ein Abhitzedampferzeuger angeordnet ist und dass zwischen dem Ausgang des Abhitzedampferzeugers und dem Eingang des ersten Kom­ pressors ein Kühler/Kondensator angeordnet ist.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusam­ menhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 ein stark vereinfachtes Schema einer Anlage zur Methanolproduk­ tion aus Erdgas nach dem Stand der Technik, in welcher das Erd­ gas durch Reformierung zunächst in Syngas umgewandelt wird; und
Fig. 2 in einem zu Fig. 1 analogen Schema eine Anlage zur Metha­ nolproduktion, in welcher die Syngasproduktion gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung abläuft.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In Fig. 2 ist in einem zu Fig. 1 analogen Schema eine Anlage 24 zur Methanolpro­ duktion dargestellt, in welcher die Syngasproduktion (aus Erdgas) gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung abläuft. Gleich Anlagenteile sind dabei mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet wie in Fig. 1. Zentraler Bestand­ teil der Anlage 24 ist wiederum eine Reformierungsanlage 17, in welcher das im Kompressor 15 komprimierte und in der Vorrichtung 16 zur Gasaufbereitung auf­ bereitete Erdgas (oder ein anderes, Methan enthaltendes Gas) unter Einsatz von Dampf und/oder Sauerstoff und/oder Kohlendioxid reformiert wird. Dem aus der Reformierungsanlage 17 austretenden, einen hohen Druck und eine hohe Tempe­ ratur aufweisenden Syngas wird nun, bevor es für die eigentliche Methanolgewin­ nung eingesetzt wird, gemäss der Erfindung zunächst durch einen thermodynami­ schen Kreisprozess ein wesentlicher Teil seines Enthalpiegehaltes entnommen.
Der im dargestellten Ausführungsbeispiel dafür eingesetzte, thermodynamische Kreisprozess kann als invertierter Brayton-Zyklus mit Dampfeinspritzung und -kondensation charakterisiert werden, bei dem Komponenten einer Gasturbinen­ anlage 27, wie Kompressoren 32 und Gasturbinen 29, verwendet werden.
Bei der Expansion der aus den Reaktoren der Reformierungsanlage austretenden Syngase wird technische Arbeit in der Gasturbine 29 erzeugt, die zur Stromerzeu­ gung in einem angekoppelten Generator 28 benutzt werden kann. Die Gasturbine 29 arbeitet bei ähnlichen Betriebsbedingungen (P ≧ 12 bar, Turbineneintrittstem­ peratur (TIT) ≧ 850°C) wie Industriegasturbinen oder Turbolader. Zusätzlich kann die hohe Temperatur der Turbinenabgase in einem nachgeschalteten Abhitze­ dampferzeuger (HRSG) 30 auf verschiedene Weise genutzt werden:
  • - für die Prozeßwärmeerzeugung (Wärme-Kraft-Koppelung)
  • - für die Energieerzeugung in Dampfturbinen (Kombi-Kraftwerk).
Durch einen dem Abhitzedampferzeuger 30 nachgeschalteten Kühler/Kondensator 31 wird eine möglichst niedrige Temperatur des Prozessgases (Syngases) am Eintritt des Kompressors 32 erzeugt. Gleichzeitig wird der Massenstrom des Pro­ zessgases mit hohem Feuchtigkeitsgehalt nach der Gasturbine 29 durch Unter­ schreiten des Taupunktes stark reduziert und dadurch die Kompressionsarbeit minimiert.
Diese Maßnahme führt verglichen mit dem konventionellen Gasturbinenprozess zu einer sehr großen Verbesserung des thermischen Wirkungsgrads und einer starken Erhöhung der spezifischen Leistung.
Nach Durchlaufen eines Zwischenkühlers 26 wird das Syngas dann mittels eines weiteren Kompressors 25 auf den erforderlichen Druck für die Methanol-Synthese in der Vorrichtung 22 zur Methanolerzeugung (ca. P ≧ 50 bar) komprimiert.
Industriestandard für die Methanolproduktion ist z. Zt. der eingangs genannte LCM- Prozess der Firma ICI (Imperial Chemical Industries). Für eine Anlage mit einer Produktionsrate von 1 Million Tonnen/Jahr (trockenes Syngas) können durch die integrierte Gasturbinenanwendung gemäss dem Ausführungsbeispiel der Er­ findung folgende zusätzliche Leistungen erzielt werden:
Wärme-Kraft-Koppelung
Gasturbinenleistung: 33,6 MWmech
,
+ Prozeßwärme: 70,9 MWth
.
Kombi-Prozess
Gas- und Dampfturbinenleistung: 54,6 MWmech
.
Im Vergleich zu dem vorgeschlagenen Verfahren produziert ein reiner Dampfpro­ zess nur eine Leistung von 30,1 MWmech.
Insgesamt schafft die Erfindung in dem Punkt der ungenügend genutzten Enthal­ pieströme bei der Syngaserzeugung wirksam Abhilfe. Das neue Verfahren kann dabei prinzipiell bei den meisten bekannten Verfahren zur Syngaserzeugung ein­ gesetzt werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
10
,
24
Anlage zur Methanolproduktion
11
Lufteinspeisung
12
Vorrichtung zur Sauerstofferzeugung
13
,
15
Kompressor
14
Erdgaseinspeisung
16
Vorrichtung zur Gasaufbereitung
17
Reformierungsanlage
18
Wassereinspeisung
19
Brennstoffeinspeisung
20
Abgasauslass
21
Dampfabscheider
22
Vorrichtung zur Methanolerzeugung
23
Methanolauslass
25
Kompressor
26
Zwischenkühler
27
Gasturbinenanlage
28
Generator
29
Gasturbine
30
Abhitzedampferzeuger (HRSG)
31
Kühler/Kondensator
32
Kompressor

Claims (14)

1. Verfahren zum Erzeugen eines Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO) enthaltenden Syngases, insbesondere für die Herstellung von Methanol, bei welchem Verfahren ein Methan (CH4) enthaltendes Gas, insbesondere Erdgas, mittels Dampf und/oder Sauerstoff (O2) und/oder Kohlendioxid (CO2) in einer Re­ formierungsanlage (17) reformiert wird und die Reformierungsanlage (17) mit ho­ her Temperatur und unter hohem Druck verlässt, dadurch gekennzeichnet, dass dem Syngas vor der Weiterverarbeitung mittels eines zwischengeschalteten ther­ modynamischen Kreisprozesses ein wesentlicher Teil des Enthalpiegehaltes ent­ zogen und für andere Zwecke, wie z. B. Stromerzeugung oder Prozesswärmeer­ zeugung, nutzbar gemacht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als thermo­ dynamischer Kreisprozess ein invertierter Brayton-Zyklus mit Dampfeinspritzung und Dampfkondensation verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Realisie­ rung des Brayton-Zyklus Komponenten einer Gasturbinenanlage (27), insbeson­ dere in Form von Gasturbinen (29) und Kompressoren (32), eingesetzt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Syngas zunächst in einer Gasturbine (29) unter Leistung von Arbeit entspannt wird, dass das entspannte Syngas dann durch einen Abhitzedampferzeuger (30) geschickt wird und dass das Syngas anschliessend in einem ersten, von der Gasturbine (29) angetriebenen Kompressor (32) wieder komprimiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines von der Gasturbine (29) angetriebenen Generators (28) Strom erzeugt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Syngas nach Durchlaufen des Abhitzedampferzeugers (30) und vor Ein­ tritt in den ersten Kompressor (32) in einem zwischengeschalteten Küh­ ler/Kondensator (31) abgekühlt und im Syngas enthaltenes Wasser abgeschieden wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Syngas nach dem Verlassen des ersten Kompressors (32) mittels eines Zwischenkühlers (26) abgekühlt und anschliessend in einem zweiten Kompressor auf einen für die Methanolsynthese geeigneten Druck oberhalb 50 bar komprimiert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Syngas die Reformierungsanlage (17) mit einer Temperatur grösser gleich 850°C und einem Druck grösser gleich 12 bar, verlässt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Reformierung in der Reformierungsanlage (17) in einer ersten Stufe unter Einsatz von Dampf und in einer zweiten Stufe unter Einsatz von Sauerstoff (O2) erfolgt.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprü­ che 1 bis 9, umfassend eine Reformierungsanlage (17) mit einem Eingang (14) zum Einspeisen eines methanhaltigen Gases sowie Mitteln (11, 12, 13; 18, 19) zur Zuführung von Dampf und/oder Sauerstoff (O2) und/oder Kohlendioxid (CO2) und einem Ausgang zur Abgabe von Syngas, dadurch gekennzeichnet, dass der Re­ formierungsanlage (17) eine Gasturbinenanlage (27) mit wenigstens einer Gastur­ bine (29) und einem mit der Gasturbine gekoppelten, ersten Kompressor (32) nachgeschaltet ist, in welcher das Syngas zunächst durch die Gasturbine (29) und anschliessend durch den ersten Kompressor (32) strömt, und dass ein Generator (28) vorgesehen ist, welcher durch die Gasturbine (29) angetrieben wird.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ausgang der Gasturbine (29) und dem Eingang des ersten Kompressors (32) ein Abhitzedampferzeuger (30) angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ausgang des Abhitzedampferzeugers (30) und dem Eingang des ersten Kompressors (32) ein Kühler/Kondensator (31) angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Gasturbinenanlage (27) eine Vorrichtung (22) zur Methanoler­ zeugung nachgeschaltet ist und dass zwischen dem Ausgang der Gasturbinen­ anlage (27) und dem Eingang der Methanolerzeugungsvorrichtung (22) ein zweiter Kompressor (25) angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ausgang der Gasturbinenanlage (27) und dem Eingang des zweiten Kom­ pressors (25) ein Zwischenkühler (26) angeordnet ist.
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