DE3117361A1

DE3117361A1 - Verfahren und vorrichtung zum antrieb einer drehmaschine

Info

Publication number: DE3117361A1
Application number: DE19813117361
Authority: DE
Inventors: Dennis Raymond Bromley Kent Aldridge
Original assignee: Davy Mckee Oil & Chemicals Ltd London; Davy Mckee Oil and Chemicals Ltd
Current assignee: Davy Mckee Oil & Chemicals Ltd London; Johnson Matthey Davy Technologies Ltd
Priority date: 1980-05-02
Filing date: 1981-05-02
Publication date: 1982-01-14
Also published as: BR8102680A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Antrieb einer Drehmaschine, z.B. eines Elektrizitätsgenerators oder eines Synthesegaskompressors.
Mit fossilem Brennstoff beheizte ofen dienen in der Industrie für zahlreiche Zwecke, z.B. fUr die Dampfbildung zur Energieerzeugung oder zur Wärmeerzeugung für chemische Prozesse.
In diesen ofen werden die heißen gasförmigen Verbrennungsprodukte benutzt, um z.B. Kessel rohre oder mit Katalysator gefüllte Rohre zu beheizen, um so deren Inhalt durch indirekten Wärmeaustausch zu erhitzen. Um eine maximale Brennstoffausnutzung zu erreichen, muß dafür gesorgt werden, so viel Warme wie möglich aus den heißen gasförmigen Verbrennungsprodukten zurückzugewinnen, und es wurden zahlreiche Vorschläge für die Abwärmeruckgewinnung aus den Ofenabgasen beschrieben. Allgemein Ubliche Maßnahmen sind die Verwendung dieser Abwärme zur Vorwärmung von Kesselspeisewasser oder der ankommenden Reaktionsteilnehmer und dergl.. In vielen chemischen Prozessen wird die Abwärme zur Erzeugung von Dampf benutzt, der zum Antrieb von Turbinen für die ElektrizitStserzeugung oder Gaskompression oder zur Bereitstellung von Wärme in anderen Teilen der Anlage dienen kann. Typische chemische Anlagen, die einen Ofen umfassen, sind Synthesegasanlagen, bei denen Dampf zur Reformierung eines Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterials dient.
Synthesegas, d.h. ein Gas, das ein Gemisch aus Kohlenoxid(en) und Wasserstoff in variablen Verhältnissen enthält, wird großtechnisch in großen Mengen als Ausgangsstoff für anschließende Synthesereaktionen erzeugt. Methanol wird beispielsweise katalytisch in großen Mengen aus einem Synthesegasgemisch mit einem ungefähren Verhältnis Wasserstoff:Kohlenoxid(e) von 2:1 synthetisiert. Ein Synthesegasgemisch mit einem ungefähren Verhältnis von Wasserstoff: Kohlenmonoxid von 1:1 wird bei der Hydroformylierung eingesetzt.
Synthesegas ist auch ein Ausgangsmaterial zur Herstellung eines Gemisches von Wasserstoff und Stickstoff im Verhältnis 3:1, das bei der Ammoniaksynthese eingesetzt wird. Synthesegas wird beispielsweise ferner bei der Herstellung von synthetischen Treibstoffen aus Kohle benutzt.
Ein Hauptweg zum Synthesegas benutzt die Dampfreformierung z.B.
eines Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterialsi des Methans, als primäre Reaktionsstufe. Bei dieser Stufe wird ein Gemisch aus Wasserdampf und Kohlenwasserstoff durch katalysatorgefüllte Reformerrohre geleitet, die in einem Reformerteil eines Reformerofens angeordnet sind. Die Abgase aus dem Reformierteil des Ofens werden benutzt, um das Dampf/Kohlenwasserstoff-Gemisch, das Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial und/oder den eingesetzten Dampf vorzuwärmen, sowie um Dampf für die Verwendung in der Anlage und für die Abgabe nach außerhalb der Anlagegrenzen zu erzeugen. Diese Vorwärmung erfolgt in in einem oder mehreren Wärmeaustauschern, die/einem Konvektionsteil des Reformerofens angebracht sind. Normalerweise dient ein dampfangetriebenes Gebläse für die Luftzuführung zu der Ofenkammer, während ein mit Dampf angetriebener Kompressor zur Verdichtung des Synthesegases auf den für die nachfolgenden Prozessstufen, z.B. die Methanolsynthese, erforderlichen Reaktionsdruck benutzt wird. Nach geläufiger Praxis werden die Synthesegaskompressoren gewöhnlich durch Hochdruck-Gegendruckdampfturbinen angetrieben, deren Mitteldruck-Abgabedampf als Dampfzuführung für das Reformierverfahren dient. Derartige Hochdruckturbinen und Hochdruck-Dampferzeugungsanlagen erfordern hohe Investitions- und Unterhaltungskosten.
Da bei Kessel öfen der thermische Wirkungsgrad des Reformerofens infolge der Abwärmeverluste mit den Ofenabgasen kleiner als 100 % ist, wurden beträchtliche Anstrengungen unternommen und werden auch jetzt noch unternommen, um den Gesamtwirkungsgrad einer Synthesegasanlage durch Verbesserung der Abhitzerückgewinnung aus den Ofenabgasen zu steigern.
Die vorliegende Erfindung zielt ab auf die Schaffung eines verbesserten Verfahrens zum Antrieb einer Rotationsmaschine.
Sie zielt auch darauf ab, eine verbesserte Vorrichtung zum Antrieb einer Rotationsmaschine zu schaffen. Ferner soll eine verbesserte konstruktive Ausbildung einer Synthesegasanlage geschaffen werden.
Ferner soll ein verbessertes Verfahren zur Synthesegasherstellung geschaffen werde. Weiterhin soll eine Synthesegasanlage geschaffen werden, bei der nicht die Notwendigkeit des Einsatzes von Hochdruck-Gegendruckdampfturbinen und demzufolge der Erzeugung von Hochdruckdampf besteht. Darüber hinaus soll die Erfindung ein Verfahren zur Synthesegasherstellung schaffen, das weniger Brennstoffeinsatz als eine herkömmliche Synthesegasanlage benötigt. Schließlich soll die Synthesegasanlage mit geringeren Kapital kosten und mit einem kleineren Flächenbedarf als eine herkömmliche Synthesegasanlage errichtet werden können.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Antrieb einer Drehmaschine geschaffen, das darin besteht, daß man in einem Verbrennungsteil eines Ofens einen Brennstoff mit Verbrennungsluft verbrennt, in wenigstens einem Kompressor überschüssige Luft über die von dem Ofen benötigte Verbrennungsluft hinaus komprimiert, die gebildete komprimierte Luft durch Wärmeaustausch mit den heißen gasförmigen Verbrennungsprodukten aus dem Verbrennungsteil des Ofens erhitzt, um so einen ersten und einen zweiten Massestrom erhitzter komprimierter Luft zu bilden, wobei der erste Massestrom eine erste erhöhte Temperatur hat und im wesentlichen den als Verbrennungsluft benötigten Luftmassestrom umfasst und der zweite Massestrom eine zweite erhöhte Temperatur unterhalb der ersten erhöhten Temperatur hat und im wesentlichen den über den als Verbrennungsluft benötigten Luftmassestrom hinausgehenden überschüssigen Luftmassestrom umfasst, den ersten Massestrom der erhitzten komprimierten Luft in einer mit dem ersten oder einem ersten Kompressor gekuppelten, ersten Turbine entspannt, die entspannte Luft aus der ersten Turbine als Verbrennungsluft dem Ofen zuführt, in dem zweiten Massestrom der erhitzten komprimierten Luft zusätzlichen Brennstoff verbrennt und dadurch diesen Strom überhitzt, und den resultierenden überhitzten Massestrom in einer mit der anzutreibenden Maschine und dem zweiten oder einem zweiten Kompressor gekuppelten zweiten Turbine entspannt.-Nach einem anderen Aspekt der Erfindung besteht die Anlage zum Antrieb einer Drehmaschine aus einem Ofen mit einem Verbrennungsteil, dem ein Brennstoff zugeführt werden kann, und einer Verbrennungsluftzufuhrleitung, die an den Verbrennungsteil zwecks Zufuhr der für die Brennstoffverbrennung erforderlichen Luft angeschlossen ist, wenigstens einem Kompressor für die Verdichtung der Luft, die über die von dem Ofen benötigten Verbrennungsluft hinausgeht, Wärmeaustauscheinrichtungen in dem Weg der heißen, gasförmigen Verbrennungsprodukte aus dem Verbrennungsteil des Ofens, durch die komprimierte Luft aus dem genannten wenigstens einen Kompressor geleitet werden kann, wobei die Wärmeaustauscheinrichtungen so ausgebildet sind, daß sie einen ersten und einen zweiten Massestrom erhitzter komprimierter Luft liefern, der erste Massestrom auf einer ersten erhöhten Temperatur ist und im wesentlichen den als Verbrennungsluft vom Ofen benötigten Luftstrom umfasst und der zweite Massestrom auf einer zweiten erhöhten Temperatur unterhalb der ersten erhöhten Temperatur ist und im wesentlichen den Masseluftstrom umfasst, der über den als Verbrennungsluft benötigten Luftstrom hinausgeht, ersten Turbineneinrichtungen, die mit dem oder einem ersten Kompressor gekuppelt sind und deren Eingang mit dem ersten Massestrom der erhitzten komprimierten Luft beaufschlagt wird und deren Ausgang an die Verbrennungsltiftzufuhrleitung angeschlossen ist, Zusatzbrennereinrichtungen für die Verbrennung von Zusatzbrennstoff in dem zweiten Massestrom, um diesen zu überhitzen, zweiten Turbineneinrichtungen, die mit der anzutreibenden Maschine und mit der oder einer zweiten Kompressoreinrichtung gekupppelt sind, sowie Leitungen für die Zufuhr der durch den Zusatzbrenner überhitzten komprimierten Luft zum Eingang der zweiten Turbineneinrichtung.
Durch die Erfindung kann so die Abhitzerückgewinnung aus den heißen gasförmigen Verbrennungsprodukten eines Ofens durch indirekten Wärmeaustausch mit durch eine oder mehrere Wärmeaustauscheinrichtungen strömender komprimierter Luft erreicht werden, wobei ein erster Massestrom der resultierenden heißen komprimierten.
Luft zum Antrieb einer ersten Turbineneinrichtung dient, die mit dem Luftkompressor zur Erzeugung komprimierter Luft gekuppelt ist und deren Abluft als Verbrennungsluft für den Ofen dient, während ein zweiter Massestrom heißer komprimierter Luft aus der Wärmeaustauscheinrichtung durch Verbrennung von Zusatzbrennstoff in dem Strom überhitzt wird und zum Antrieb einer zweiten Turbineneinrichtung dient, die mit dem anzutreibenden Synthesegaskompressor, Wechselstromgenerator oder anderen Drehmaschine gekuppelt ist.
Außerdem kann diese zweite Turbine auch mit dem gleichen Luftkompressor wie die erste Turbine oder mit einem separaten Kompressor gekuppelt sein. Da die Eingangstemperaturen an den Turbinen hoch sein können, beispielsweise über etwa 815 "C, können Niederdruck-Gasturbinensätze eingesetzt werden, die beispielsweise bei Eingangsdrucken von etwa 4,22 bar und Ausgangsdrucken von etwa 1,05 bar arbeiten.
Durch die Verwendung der heißen Abluft aus der ersten Turbine als Verbrennungsluft wird der Brennstoffbedarf des Ofens verringert, da diese Luft beispielsweise auf einer Temperatur von wenigstens etwa 538 "C sein kann. Das noch heiße Abgas aus der zweiten Turbine, das auf einer ähnlich hohen Temperatur wie das aus der ersten Turbine sein kann, kann zu dem Abhitzerückgewinnungsteil des Ofens zurückgeführt und beispielsweise zur Vorwärmung von Kesselspeisewasser und/oder Einsatzmaterial für den Prozess verwendet werden.
Die erste und/oder zweite Turbineneinrichtung kann jeweils eine einstufige Maschine oder eine Mehrzahl paralleler einstufiger Maschinen oder eine mehrstufige Maschine aus zwei oder mehr in Serie angeordneten Turbinenstufen oder eine Mehrzahl dieser parallelen mehrstufigen Maschinen sein.
Die erste und/oder zweite Kompressoreinrichtung kann jeweils eine einstufige Maschine oder eine Mehrzahl paralleler einstufiger Maschinen oder eine mehrstufige Maschine aus zwei oder mehr in Serie geschalteten Kompressorstufen oder eine Mehrzahl dieser parallelen mehrstufigen Maschinen sein.
Bei der praktischen Ausführung der Erfindung können herkömmliche Gasturbinensätze eingesetzt werden. So werden vorzugsweise zwei solche Sätze benutzt, jeder Satz mit eigenem Kompressor und eigener Turbine, wobei aber die zwei Kompressoren parallel arbeiten, und die vereinigten Luftströme aus den Kompressoren werden der zwei Sätze/durch die Wärmeaustauscheinrichtung geleitet. Alternativ ist es möglich, einen einzigen Gasturbinensatz mit einem einzigen Kompressor zu verwenden, der mit der ersten und der zweiten Turbine gekuppelt ist.
Die Wärmeaustauscheinrichtung kann ein in dem Abhitzerückgewinnungsteil des Ofens angeordneter einziger Wärmeaustauscher sein. In diesem Falle kann der zweite Massestrom aus dem Wärmeaustauscher als Anzapfstrom an einer Stelle zwischen seinen Enden entnommen werden. Alternativ kann die Wärmeaustauscheinrichtung zwei oder mehr in Serie geschaltete Wärmeaustauscher umfassen, wobei der zweite Massestrom als'ein Anzapfstrom beispielsweise an einer Stelle zwischen aufeinanderfolgenden Wärmeaustauschern entnommen wird. Wenngleich es gewöhnlich zweckmäßig ist, den zweiten Massestrom als nur ein Anzapfstrom aus der Wärmeaustauscheinrichtung abzuziehen, ist es natürlich möglich, ihn in Form von zwei oder mehr Anzapfströmen an verschiedenen Stellen abzuziehen.
Alternativ kann die Wärmeaustauscheinrichtung zwei parallele Wärmeaustauscher oder zwei parallele Wärmeaustauschersätze umfassen, von denen einer zur Erhitzung des ersten Massestroms und der andere zur Erhitzung des zweiten Massestroms dient.
Die Unterteilung der komprimierten Luft in den ersten und den zweiten Massestrom kann demzufolge erfolgen, nachdem die komprimierte Luft durch Wärmeaustausch mit den heißen gasförmigen Verbrennungsprodukten wenigstens etwas erhitzt worden ist, oder bevor sie erhitzt worden ist. Demzufolge umfasst ein bevorzugtes Verfahren zum Antrieb einer Rotationsmaschine nach der Erfindung die Stufen der Zuführung des Massestroms komprimierter Luft aus dem wenigstens einen Kompressor zum Eintrittsende der in dem Weg der heißen gasförmigen Verbrennungsprodukte aus dem Verbrennungsteil des Ofens angeordneten Wärmeaustauscheinrichtungen, Abziehen des ersten Massestroms der erhitzten komprimierten Luft vom Ausgang der Wärmeaustauscheinrichtung und Abziehen des zweiten Massestroms der erhitzten komprimierten Luft zwischen dem Eingangs- und Ausgangsende der Wärmeaustauscheinrichtung.
Ein anderes bevorzugtes Verfahren umfasst die Stufen der Erhitzung der komprimierten Luft aus dem wenigstens einen Kompressor in getrennten Masseströmen durch Warmeaustausch mit den heißen gasförmigen Verbrennungsprodukten unter Bildung des ersten und zweiten Massestroms erhitzter komprimierter Luft.
Obgleich es in vielen Fällen zweckmäßig ist, den ersten und zweiten Massestrom als einzelnen Strom oder als Ströme durch einen oder mehrere in Serie geschaltete Wärmeaustauscher zu leiten, kann es in einigen Fällen von Vorteil sein, die Masseströme als zwei oder mehr parallele Ströme dadurch zu erhitzen, daß man sie durch mehrere parallele Wärmeaustauscher oder Wärmeaustauschersätze leitet.
Bei einer Anlage mit zwei Gasturbtnensätzen, deren Kompressoren parallel geschaltet sind, kann die erste Turbine erforderlich sein, um geringe oder keine äußere Energie zu liefern; sie kann beispielsweise nur zum Antrieb des Absauggebläses zum Abziehen der Abgase aus dem Ofen zum Ofenkamin nötig sein. Dies bedeutet, daß die von der ersten Turbine entwi.ckelte Energie beträchtlich über das hinaus geht, was normalerweise von ihrem angeschlossenen Kompressor benötigt wird. Diese Oberschußenergie kann benutzt werden, um mehr Luft durch ihren angeschlossenen Kompressor zu ziehen als durch die erste Turbine benötigt wird. Dieser Oberschuß)uft-Strom kann so benutzt werden, den Luftausstoß des mit der zweiten Turbine verbundenen Kompressors zu ergänzen, wobei die Summe dieses Oberschußluftstroms und des Luftausstoßes aus der zweiten Turbine den zweiten Massestrom liefert, der überhitzt und durch die zweite Turbine geleitet wird. Auf diese Weise wird ein Zustand geschaffen, in dem der Kompressor des zweiten Gasturbinensatzes weniger Energie von seiner angeschlossenen Turbine benötigt, wodurch mehr Energie für den Antrieb des Synthesegaskompressors, dec Wechselstromgenerators oder der anderen Rotationsmaschine verfügbar gemacht wird.
Bei einer Dampfreformieranlage zur Herstellung von Synthesegas kann als Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial irgendein Einsatzmaterial dienen, das der Dampfreformierung zugänglich ist.
Solche Einsatzmaterialien sind beispielsweise u.a. Erdgas, Athan, Propan, Butan, verflüssigte Petroleumgase, leichte Naphthas, mittlere Naphthas und dergl..
In den Reformerrohren laufen in Gegenwart des Katalysators verschiedene Gasphasereaktionen ab. Wenn man beispielsweise Methan als Beispiel für ein geeignetes Einsatzmaterial nimmt, sind die Reaktionen CH4 + H20 - b CO + 3 H2 CO + H20 - CO2 + H2 2 CO -c CO2 + C Die erste Reaktion ist als Reformierungsreaktion bekannt, die zweite Reaktion ist die Konvertierungsreaktion und die dritte Reaktion ist die Kohlenstoffreaktion. Die ersten zwei Reaktionen sind von Nutzen, die dritte Reaktion, die Kohlenstoffreaktion, ist eine unerwünschte Nebenreaktion. Um die Kohlenstoffabscheidung auf ein Mindestmaß zu beschränken, ist es deshalb ratsam, einen relativ niedrigen Druck, eine relativ hohe Temperatur und ein relativ hohes Verhältnis von Wasserdampf zu Kohlenwasserstoff zu wählen. Gewöhnlich bevorzugt man ein Einsatzmaterial mit relativ niedrigem Molekulargewicht, um die relative Menge der Kohlenoxide in dem Gas zu verringern.
Das Verhältnis Dampf/Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial wird vorzugsweise so gewählt, daß die Kohlenstoffabscheidung in den Reformerrohren auf ein Mindestmaß beschränkt bleibt. In typischen Fällen ist das Verhältnis Dampf/Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial so, daß sich ein Verhältnis Dampf/Kohlenstoffatom von wenigstens etwa 2:5 bis zu etwa 5:1 oder höher, z.B. etwa 4:1, ergibt.
Der Katalysator kann irgendein konventioneller Dampfreformierungskatalysator sein. Die Bedingungen in den Reformerrohren sind die für die Dampfreformierung herkömmlichen Bedingungen.
In typischen Fällen liegt die Temperatur im Bereich von etwa 700 bis etwa 1000 "C, vorzugsweise etwa 750 bis 900 OC, z.B. etwa bei 850 "C, während der Druck in dem Bereich von Atmosphärendruck bis zu etwa 30 bar absolut reichen kann Gewöhnlich bevorzugt man jedoch eine Arbeitsweise bei einem Druck von etwa 5 bis etwa 15 bar absolut in den Reformerrohren.
Die aus den Reformerrohren austretenden reformierten Gase haben eine hohe Temperatur, z.B. in der Gegend von 850 OC, sie enthalten gewöhnlich einen hohen Anteil, z.B. etwa 70 Vol.-% oder mehr Dampf. Da die Temperatur der aus den Reformerrohren austretenden reformierten Gase im allgemeinen die für die nachfolgende Weiterverarbeitung erforderliche Temperatur weit übersteigt (ausgenommen, wenn eine sekundäre Reformierung durchgeführt wird), ist es im allgemeinen praktisch, einen großen Teil der fühlbaren Wärme aus den Gasen durch indirekten Wärmeaustausch mit dem ankommenden Dampf/Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial -Gemisch, durch Dampferzeugung und/oder durch Erwärmung von Kesselspeisewasser und dergl. zu gewinnen. Gewöhnlich bevorzugt man eine genügende Abkühlung der reformierten Gase, um den nicht umgesetzten Wasserdampf zu kondensieren. Da das gebildete Synthesegas unter einem geringeren Druck stehen kann als die nachfolgende Weiterverarbeitung, z.B.die Methanolsynthese erfordert, kann es danach notwendig sein, das Gas zu komprimieren.
Ein bevorzugter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas bei einem über Atmosphärendruck liegenden erhöhten Druck durch Dampfreformierung eines Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterials, bei dem man in einem Verbrennungsteil eines Reformerofens einen Brennstoff in Verbrennungsluft verbrennt, um eine Mehrzahl von Reformerrohren zu beheizen, durch die ein Dampf/Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial-Gemisch unter einem Dampfreformierdruck strömt, der höher als Atmosphärendruck, aber niedriger als der erhöhte Druck ist, einen über die von dem Ofen benötigte Verbrennungsluft hinausgehende Luftüberschuß in wenigstens einer Kompressoreinrichtung komprimiert, die resultierende komprimierte Luft durch Wärmeaustausch mit den heißen gasförmigen Verbrennungsprodukten aus dem Verbrennungsteil des Reformerofens erhitzt, so daß ein erster und ein zweiter Massestrom aus erhitzter komprimierter Luft gebildet wird, von denen der erste Massestrom auf einer ersten erhöhten Temperatur ist und im wesentlichen den als Verbrennungsluft benötigten Luftstrom umfasst und der zweite Massestrom auf einer zweiten erhöhten Temperatur unterhalb der ersten erhöhten Temperatur ist und im wesentlichen den als Verbrennungsluft erforderlichen Luftstrom übersteigenden Luftstromüberschuß umfasst, den ersten Massestrom der erhitzten komprimierten Luft in einer ersten Turbineneinrichtung entspannt, die mit der oder einer ersten Kompressoreinrichtung gekuppelt ist, die entspannte, erhitzte Luft aus der ersten Turbineneinrichtung als Verbrennungsluft dem Verbrennungsteil des Ofens zuführt, in dem zweiten Massestrom der erhitzten komprimierten Luft zu ihrer Oberhitzung zusätzlichen Brennstoff verbrennt, und den resultierenden überhitzten Massestrom in einer zweiten Turbineneinrichtung entspannt, die mit der oder einer zweiten Kompressoreinrichtung und mit einer Synthesegaskompressoreinrichtung gekuppelt ist, um so das Synthesegas von einem Druck zwischen Atmosphärendruck und dem erhöhten Druck auf den erhöhten Druck zu komprimieren.
Nach einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung umfasst eine Synthesegasanlage zur Erzeugung von Synthesegas durch Dampfreformierung eines Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterials unter einem über Atmosphärendruck liegenden erhöhten Druck einen Reformerofen mit einem Verbrennungsteil, dem ein Brennstoff zugeführt werden kann, eine an den Verbrennungsteil angeschlossene Verbrennungsluftzufuhrleitung für die Zufuhr der für die Verbrennung des Brennstoffs erforderlichen Luft, eine Mehrzahl von in dem Verbrennungsteil angeordneten Reformerrohren für den Durchgang eines zu reformierenden Dampf/Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial-Gemisches unter einem Dampfreformierdruck, der über Atmosphärendruck, aber unter dem erhöhten Druck liegt, und einem Konvektionsteil zur Gewinnung der Abhitze aus den Verbrennungsgasen aus dem Verbrennungsteil, wenigstens einer Kompressoreinrichtung zur Kompression des über die von dem Ofen benötigte Verbrennungsluft hinausgehenden Luftüberschusses, Wärmeaustauscheinrichtungen in dem Konvektionsteil auf dem Wege der Verbrennungsgase aus dem Verbrennungsteil des Ofens, durch die Luft aus der wenigstens einen Kompressoreinrichtung geleitet werden kann, wobei die Wärmeaustauscheinrichtung einen ersten und einen zweiten Massestrom erhitzter komprimierter Luft liefert, von denen der erste Strom auf einer ersten erhöhten Temperatur ist und im wesentlichen den von dem Ofen als Verbrennungsluft benötigten Luftstrom umfasst und der zweite Massestrom auf einer zweiten erhöhten Temperatur unterhalb der ersten erhöhten Temperatur ist und im wesentlichen den über den als Verbrennungsluft benötigten Luftstrom hinausgehenden Luftüberschußstrom umfasst, eine erste Turbineneinrichtung, die mit der oder einer ersten Kompressoreinrichtung gekuppelt ist, deren Eingang den ersten Massestrom der erhitzten komprimierten Luft aufnimmt und deren Ausgang an die Verbrennungsluftzufuhrleitung angeschlossen ist, einer Zusatzbrennereinrichtung für die Verbrennung von zusätzlichem Brennstoff in dem zweiten Massestrom, um diesen zu überhitzen, Synthesegaskompressoreinrichtungen für die Verdichtung des Synthesegases von einem Druck zwischen Atmosphärendruck und dem erhöhten Druck auf den erhöhten Druck, zweite Turbineneinrichtungen, die mit dem Synthesegaskompressor und der oder einer zweiten Kompressoreinrichtung gekuppelt sind, und Leitungen für die Zuführung der durch die Zusatzbrennereinrichtung überhitzten komprimierten Luft zum Eingang der zweiten Turbineneinrichtung.
Bei einer Ausführungsform der Anlage ist die zweite Turbineneinrichtung auch mit einer zweiten Kompressoreinrichtung gekuppelt, von der komprimierte Luft ebenfalls durch die Wärmeaustauscheinrichtung geleitet wird. In diesem Falle können zwei Gasturbinensätze vorgesehen sein. Bei einer anderen Ausführungsform der Anlage sind die erste und die zweite Turbineneinrichtung mit einer gemeinsamen Luftkompressoreinrichtung gekuppelt, und sie bilden mit dieser einen einzigen Gasturbinensatz.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die zweite Turbineneinrichtung zwei parallele Gasturbinen, und der Uberhitzte Massestrom aus dem Zusatzbrenner wird geteilt, wobei ein Teil zum Antrieb einer mit dem Synthesegaskompressor gekuppelten Gasturbine dient, während der andere Teil zum Antrieb einer mit einem Luftkompressor gekuppelten Gasturbine dient und verdichtete Luft aus dem Luftkompressor der Wärmeaustauscheinrichtung zugeführt wird.
Der Massestrom durch die zweite Turbineneinrichtung kann gewünschtenfalls dadurch vergrößert werden, daß man in den zweiten Massestrom vor, gleichzeitig mit oder nach seiner Oberhitzung Wasserdampf einführt. Dieser Dampf kann durch indirekten Wärmeaustausch mit den Verbrennungsgasen des Ofens erzeugt werden.
Die Synthesegaskompressoreinrichtung kann eine einzelne Kompressorstufe oder zwei oder mehr Kompressorstufen, gegebenenfalls mit Zwischenkühlung zwischen den Kompressorstufen, umfassen.
Der mittlere Druck des Synthesegases entspricht etwa dem in den Reformerrohren herrschenden Druck unter der Annahme, daß abströmseitig der Rohre der Druckabfall zu vernachlässigen ist. Demzufolge liegt der Druck vorzugsweise in dem Bereich von etwa 5 bar bis zu etwa 30 bar. Der erhöhte Druck hängt ab von der Verwendung des Synthesegases. Wenn beispielsweise das Synthesegas für die Methanolsynthese dienen soll, kann der erhöhte Druck in dem Bereich von etwa 300 bar bis zu etwa 400 bar oder mehr liegen.
Die Zusammensetzung des Synthesegases hängt von ihrer beabsichtigten Verwendung ab. Ein Synthesegas für die Hydroformylierung enthält ein H2/CO-Gemisch im Verhältnis von etwa 1:1 (z.B.
H2:CO = 1,05:1), während ein Synthesegas für die Methanolsynthese im typischen Fall ein H2/CO-Verhältnis von etwa 2:1 (z.B. H2:CO = 2,25:1) aufweist. Die genaue Zusammensetzung des Synthesegases kann in bekannter Weise durch die Bedingungen in den Reformerrohren variiert werden.
Zum besseren Verständnis der Erfindung und zur leichteren praktischen Ausführung werden nun eine bevorzugte Ausführungsform der Synthesegasanlage und mehrere ihrer Modifikationen zusammen mit ihren Betriebsverfahren beispielsweise unter Bezugnahme auf die beiliegenden schematischen Zeichnungen beschrieben.
Figur 1 ist ein Fließbild einer nach der Erfindung konstruierten Synthesegasanlage, und die Figuren 2 bis 9 zeigen Einzelheiten der Fließbilder modifizierter Ausführungsformen der Anlage nach Figur 1.
Für den Fachmann ist erkennbar, daß die Zeichnungen schematische Darstellungen sind und verschiedene Ausrüstungsteile, die bei einer praktischen Betriebsanlage notwendig sind, wie Ventile, Temperaturmessinstrumente, Druckregeleinrichtungen und dergl., aus Gründen der Obersichtlichkeit weggelassen wurden. Diese Standard-Ausrüstungsteile werden entsprechend der herkömmlichen Chemieingenieurpraxis vorgesehen und sind nicht Gegenstand der Erfindung.
Nach Figur 1 der Zeichnung weist eine Synthesegasanlage für die Methanol synthese einen Reformerofen 1 mit einem Reformerteil 2 und einem Konvektionsteil 3 auf. In dem Reformerteil 2 sind mehrere Reformerrohre 4 angeordnet, von denen in Figur 1 zwei dargestellt sind. Durch die Rohre 4 strömt ein zu reformierendes Gemisch aus Dampf und Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial. Durch Leitung 5 kann einer oder mehreren Brennerdüsen (nicht dargestellt) Brennstoff zugeführt werden, während die Verbrennungsluft dem Reformerteil 2 durch Leitung 6 zugeführt wird.
Das Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial, z.B. Methan, wird durch Leitung 7 zugeführt und in dem Konvektionsteil 3 im Wärmeaustauscher 8 vorgewärmt, und zwar im typischen Fall auf eine Temperatur in dem Bereich von etwa 400 bis etwa 420 "C. Das vorgewärmte Einsatzmaterial gelangt dann durch Leitung 9 zu einem Entschwefelungsbehälter 10, der eine Charge eines geeigneten Entschwefelungsmittels enthält. Das entschwefelte Einsatzmaterial strömt weiter durch Leitung 11 und wird mit durch Leitung 12 zuge-.
führtem Wasserdampf gemischt. Im typischen Fall hat das rsultierende Gemisch aus Dampf und Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial ein Verhältnis Wasserdampf:Kohlenstoffatom von etwa 4:1. Dieses Gemisch gelangt durch Leitung 13 zu einem Wärmeaustauscher 14, in dem es durch die aus den Reformerrohren 4 austretenden, reformierten Gase auf die Eingangstemperatur (typischerweise etwa 850 dC) erhitzt wird.
Aus dem Wärmeaustauscher 14 wird das erhitzte Gemisch durch Leitung 15 zum Eingang der Reformerrohre 4 geleitet, die mit einem geeigneten Katalysator, wie etwa Nickel auf einem feuerfesten Träger aus Calcium- und Aluminiumoxid, gefüllt sind.
Die heißen reformierten Gase werden durch Leitung 16 zu dem Wärmeaustauscher 14 geleitet, in dem sie das ankommende Gemisch aus Dampf und Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial erhitzen.
Sie strömen dann weiter durch die Leitung 17 zu den Wärmeaustauschern 18, 19 und 20 und dann zu dem Kühler/Kondensator 21 und der Kondensattrommel 22. Das Kondensat wird durch Leitung 23 aus der Trommel 22 entfernt, während das resultierende Synthesegas durch Leitung 24 weiterströmt. Die Bezugszahl 25 bezeichnet eine Entnebelungseinrichtung in der Trommel 22.
In dem Wärmeaustauscher 18 erzeugen die heißen reformierten Gase durch Wärmeaustausch mit Wasser in der an die Dampftrommel 27 angeschlossenen Leitung 26 Dampf, der durch Leitung 28 zu der Dampftrommel 27 zurückgeführt wird. Die reformierten Gase werden im Wärmeaustauscher 19 durch Wärmeaustausch mit Kesselspeisewasser in Leitung 29 weiter gekühlt. Der Wärmeaustauscher 20 bewirkt eine weitere Kühlung der reformierten Gase gegen das in Leitung 30 zirkulierende heiße Wasser. Der Kühler/Kondensator 21 wird durch Leitung 31 mit Kühiwasser beaufschlagt.
Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, wird der Dampf für die Leitung 12 aus der Dampftrommel 27 geliefert.
Die Luft für die Verbrennung des dem Reformierteil 2 durch Leitung 5 zugeführten Brennstoffs wird auf der Eingangsseite des Kompressors 32 eines Gasturbinensatzes 33 angesaugt, wie durch die Pfeile 34 angegeben ist. Die resultierende verdichtete Luft wird von der Ausgangsseite des Kompressors 32 durch die Leitungen 35 und 36 einem Wärmeaustauscher 37 zugeführt, der in dem Konvektionsteil 3 des Reformerofens 1 angebracht ist. Die heiße komprimierte Luft wird aus dem Wärmeaustauscher 37 durch die Leitung 38 abgezogen und gelangt zur Eingangsseite der Turbine 44 des Gasturbinensatzes 33. Die Ausgangsseite der Turbine 44 ist an die Verbrennungsluftzufuhrleitung 6 angeschlossen Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, sind der Kompressor 32 und die Turbine 44 zusammen mit einem Saugzuggebläse 46 auf einer gemeinsamen Welle 45 angebracht, wobei das Gebläse 46 dazu dient, Abgase aus dem Konvektionsteil 3 des Reformerofens 1 durch die Leitungen 47 und 48 zu einem Kamin 49 zu fördern.
Die Bezugszahl 50 bezeichnet einen Anlassermotor für den Gasturbinensatz 33.
Das Synthesegas in Leitung 24 wird in einer primären Kompressorstufe 51 auf einen mittleren Druck komprimiert und durch Leitung 52 einer Kühl stufe 53 und dann durch Leitung 54 der Eingangsseite eines sekundären Kompressors 55 zugeführt, in dem es weiter auf den Methanolsynthesedruck komprimiert wird. Das Gas von der Ausgangsseite des Kompressors 55 strömt weiter durch Leitung 56 zu einer weiteren Kühl stufe 57 und dann durch Leitung 58, um das Ergänzungsgas für die Methanol synthese zu bilden, wobei es mit dem Umwälzgas aus der Methanolsyntheseanlage 60 (die von herkömmlicher Bauart ist und geeignete Naßreinigungs-, Methanolsynthese-und Rückgewinnungsstufen umfasst) in Leitung 59 gemischt wird.
Die gemischten Gase werden durch Leitung 61 dem Rückführkompressor 62 und dann durch Leitung 63 der Anlage 60 zugeführt.
Der primäre Kompressor 51, der sekundäre Kompressor 55 und der Rückführkompressor 62 sind auf einer gemeinsamen Welle 64 angebracht und werden durch eine zweite Turbinenstufe 65 eines zweiten Gasturbinensatzes 66 angetrieben. Dies ist ein zweiwelliger Gasturbinensatz mit einem Kompressor 67 und einer ersten Turbinenstufe 68, die beide auf einer Welle 69 angebracht sind, sowie zusätzlich einer zweiten Turbinenstufe 65. Der Kompressor 67 saugt an seiner Eingangsseite Luft an, wie durch die Pfeile 70 angegeben ist. Die komprimierte Luft gelangt von seinem Ausgang durch Leitung 71 und 36 zum Wärmeaustauscher 37. Aus dem Wärmeaustauscher 37 wird durch teitung 72 ein Strom heißer Luft abgezogen, der zu einer Verbrennungskammer 73 gelangt, der durch Leitung 74 auch Brennstoff zugeführt wird. Die gebildeten heißen Verbrennungsgase werden durch Leitung 75 der Eingangs seite der den Kompressor 67 antreibenden ersten Turbinenstufe 68 und dann direkt der zweiten Turbinenstufe 65 zugeführt. Da sich die erste Turbinenstufe 68 und die zweite Turbinenstufe 65 auf verschiedenen Wellen befinden, können diese mit verschiedenen Drehzahlen laufen. Von der Ausgangsseite der zweiten Turbinenstufe-65 strömen die entspannten Gase durch Leitung 76 zum Konvektionsteil 3 des Reformerofens 1, in dem diese Gase das ankommende Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial in Wärmeaustauscher 8 erhitzen.
Die Bezugszahl 77 bezeichnet eine andere Abgasleitung aus dem Konvektionsteil 3.
Beim Anlassen dient der Motor 50 zum Anfahren des Gasturbinensatzes 33 und dann dazu, anfänglich Luft durch den Wärmeaustauscher 37 zu drücken. Gleichzeitig wird Brennstoff durch die Leitungen 5 und 74 zugeführt und durch geeignete Zündeinrichtungen (nicht dargestellt) gezündet. Mit dem Ansteigen der Temperatur in dem Konvektionsteil 3 tritt ein entsprechender Anstieg der Lufttemperatur in Leitung 38 ein, bis der Motor 50 abgeschaltet werden kann. Ein Hilfserhitzer (nicht dargestellt) dient dazu, Dampf in der Dampftrommel zu erzeugen. Wenn die Reformerrohre 4 auf die richtige Temperatur aufgewärmt sind, lässt man Einsatzmaterial durch Leitung 7 strömen. Bei einer anderen Ausführung kann ein Inertgas, wie Stickstoff, durch die Reformerrohre 4 strömen, bis in der Dampftrommel 27 Dampf erzeugt wurde, worauf das Einsatzmaterial durch Leitung 7 zugeführt werden kann.
Wie für einen Fachmann erkennbar, unterscheidet sich die Anlage der Figur 1 von einer herkömmlichen Anlage dadurch, daß das Zwangsfördergebläse für die Verbrennungsluft des Reformerofens mit seinem angeschlossenen Antrieb, das Saugzuggebläse für die Abgase aus dem Konvektionsteil des Reformerofens mit seinem angeschlossenen Antrieb und der Lufterhitzer für die Erwärmung der Verbrennungsluft, die in einer konventionellen Anlage alle vorhanden sind, durch einen einzigen Gasturbinensatz und einen Wärmeaustauscher, d.h. den Gasturbinensatz 33 und den Wärmeaustauscher 37, ersetzt sind. Da ferner herkömmliche Auslegungen normalerweise Dampfturbinen für den Antrieb des Zwangsfördergebläses für die Ofenverbrennungsluft und des Saugzuggebläses für die Abgase aus dem Konvektionsteil des Ofens benutzen, beseitigt die Anlage der Figur 1 die Notwendigkeit, Kondensatoren und Kondensatpumpen für diese Dampfturbinen vorzusehen. Ferner ist die bisher zum Antrieb des Synthesegaskompressors benutzte Hochdruckdampfturbine durch einen zweiten Gasturbinensatz ersetzt, wodurch sich wiederum eine Vereinfachung der Anlage ergibt, da hierfür keine. Dampfkondensatoren oder Kondensatpumpen benötigt werden. Da ferner keine Hochdruckdampfturbinen vorhanden sind, besteht keine Notwendigkeit, Hochdruckdampf, z.B. mit Drucken in der Gegend von 100 bar, zu erzeugen. Stattdessen besteht nur ein Bedarf an Dampf unter dem Prozessdruck des Dampfreformers, z.B. unter einem Druck in der Gegend von 30 bar, und dann nur für eine Dampfmenge, die für den Dampfreformierprozess selbst erforderlich ist. Dies stellt eine beträchtliche Ersparnis an Investitionskapital dar, da die Dampftrommel sowie auch die angeschlossenen Leitungen und Dampfregelventile kleiner als in einer herkömmlichen Anlage und von leichterer Konstruktion sein können. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, daß die Unterhaltungskosten der Anlage nach Figur 1 infolge ihrer Vereinfachung und der Verringerung des Dampfdruckes kleiner als die einer konventionellen Anlage sind. Ein weiterer Nutzen durch den Einsatz von Gasturbinensätzen besteht darin, daß diese kompakte Anlagen sind und demzufolge der Grundflächenbedarf für die Synthesegasanlage im Vergleich zu konventionellen Anlagen reduziert werden kann. Schließlich sind, verglichen mit konventionellen Anlagen mit Hochdruckdampfturbinen, bedeutende Brennstoffeinsparungen zu erwarten.
Die Anlage der Figur 2 ist mit der von Figur 1 identisch mit der Ausnahme, daß die Leitung 12 von der Dampftrommel 27 zu einem Oberhitzer 78 in dem Konvektionsteil 3 führt.
In der Anlage der Figur 3 wird zusätzlicher Dampf in dem Kessel 80 erzeugt, der durch die Leitungen 81 und 82 mit der Dampftrommel 27 verbunden ist. Der überschüssige Dampf zu dem Bedarf in der Dampfreformierreaktion wird durch Leitung 83 zu der Leitung 72 geführt. Die Verbrennungsgase aus der Brennkammer 73 werden durch diesen Oberschußdampf ergänzt, so daß der Gasdurchsatz durch die Turbinenstufen 68,65 gesteigert wird und zusätzliche Energie über die Energie hinaus geschaffen wird, die zum Antrieb der Synthesegaskompressoren 51,55 und 62 erforderlich ist. Diese zusätzliche Energie dient zum Antrieb des Wechselstromgenerators 84 und somit zur Erzeugung von Elektrizität zur Abgabe nach außerhalb der Anlagengrenze oder zur Verwendung innerhalb der Anlage.
Die Anlage der Figur 4 hat für die Dampferzeugung eine ähnliche Anordnung wie die der Figur 3. In diesem Falle wird jedoch der Oberschußdampf durch Leitung 85 zu einer Dampfturbine 86 geleitet, die einen Wechselstromgenerator 87 antreibt. Der aus der Turbine 86 austretende Dampf wird in dem Kondensator 88 kondensiert, der durch Leitung 89 mit Kühlwasser beaufschlagt wird.
Bei der Anlage nach Figur 5 sind die zwei Gasturbinensätze der Ausführungsformen nach den Figuren 1 bis 4 durch einen einzigen Gasturbinensatz ersetzt. Dieser hat einen Luftkompressor 32, dessen Kapazität gleich der Summe der Kapazitäten der zwei Luftkompressoren 32 und 67 der Anlagen der Figuren 1 bis 4 ist. Daher gibt es hier eine einzige Zufuhrleitung 35,36 zu dem Wärmeaustauscher 37. Die Turbine 44 und die Turbinenstufen 68 und 65 bilden einen Teil des einzigen Gasturbinensatzes, der zweiwellig ausgelegt ist, wobei die Turbine 44 und die erste Turbinenstufe 68 auf der gleichen Welle wie der Kompressor 32 und auf einer anderen Welle als die zweite Turbinenstufe 65 angebracht sind.
Die Figur 6 zeigt noch eine andere Ausführungsform der Anlage der Figur 1. Bei dieser Ausftihrungsform ist die Strömung der Abgase aus der Verbrennungskammer 73 in Leitung 75 in zwei Ströme aufgeteilt, die durch die Leitungen 90 und 91 zu den Turbinen 92 bzw. 93 gelangen (weiche die Turbinenstufen 68 und 65 der Anlage der Figur 1 ersetzen). Die entspannten Gase aus den Turbinen 92 und 93 strömen durch Leitung 94 bzw. 95 ab, die an die Leitung 76 führen.
Bei der Ausführungsform der Figur 6 strömt nicht das gesamte Gas durch die Synthesegaskompressorturbine. Beide Turbinen 92 und 93 werden mit heißem Gas von gleicher Eingangstemperatur und gleichem Druck beaufschlagt und können relativ kleine Maschinen sein. Daher ist der Gasturbinensatz 96 (bestehend aus Kompressor 67 und Turbine 92) kleiner als beispielsweise der Gasturbinensatz 66 der Figur 1.
Gewünschtenfalls kann die Anlage der Figur 6 dadurch weiter modifiziert werden, daß auch die Ausführungsform der Figur 4 verwirklicht wird. In diesem Falle wird Dampf durch Leitung 83 (in Figur 6 in gestrichelter Linie dargestellt) zugeführt, und ein Wechselstromgenerator 97 (in Figur 6 ebenfalls in gestrichelten Linien dargestellt) kann ebenfalls durch Turbine 92 angetrieben werden, um Elektrizität zur Abgabe nach außerhalb der Anlagengrenze oder Verwendung innerhalb der Anlage zu erzeugen.
Bei einer anderen Ausführungsform (nicht dargestellt) der Anlage von Figur 1 wird in der Dampftrommel 27 Hochdruckdampf durch Wärmeaustausch mit dem heißen reformierten Gas erzeugt, und dieser Dampf, der beispielsweise einen Druck in der Gegend von 100 bar oder mehr haben kann, wird durch eine nichtkondensierende Dampfturbine geleitet, um den Dampf zu entspannen und seinen Druck auf den Prozessdruck (z.B. etwa 30 bar) zu reduzieren. Diese nichtkondensierende Dampfturbine kann beispielsweise zum Antrieb eines elektrischen Wechselstromgenerators dienen, dessen Leistung nach außerhalb der Anlagengrenzen abgegeben oder teilweise innerhalb der Anlage verbraucht wird.
Bei der Anlage der Figur 7 schickt der Kompressor 32 komprimierte Luft durch die Leitung 35. Die zur Verbrennung benötigte Luft strömt durch Leitung 101 zu dem in dem Konvektionsteil 3 in dem Weg der heißen gasförmigen Verbrennungsprodukte angeordneten Wärmeaustauscher 102, während der Luftüberschuß, der den Verbrennungsluftbedarf des Ofens übersteigt, durch Leitung 103 zu einem anderen Wärmeaustauscher 104 strömt, der in dem Konvektionsteil 3 abströmseitig des Wärmeaustauschers 102 in dem Weg der heißen gasförmigen Verbrennungsprodukte angeordnet ist. Die Ausgangsseite des Wärmeaustauschers 102 ist an Leitung 38 angeschlossen, während die Ausgangsseite des Wärmeaustauschers 104 an Leitung 105 angeschlossen ist.
Die Luft in Leitung 38 ist auf einer höheren Temperatur als die Luft in Leitung 105.
Luft wird ferner in dem Kompressor 67 des zweiten Gasturbinensatzes 66 verdichtet. Der grdßere Teil der verdichteten Luft strömt durch Leitung 71 zu einem dritten Wärmeaustauscher 106, der sich in dem Konvektionsteil 3 des Ofens abströmseitig des WärmeaustauSchers 102 in dem Weg der gasförmigen Verbrennungsprodukte befindet, während ein kleinerer Teil längs einer Bypass-Leitung 107 zu der Turbine 108 des zweiten Gasturbinensatzes 66 strömt. (Wie in Figur 7 gezeigt, ist die Turbine 108 eine einstufige Turbine; sie kann jedoch wie die Stufen 65 und 68 der Figur 1 auch zwei Stufen haben). Die Ausgangsseite des Wärmeaustauschers 106 ist an Leitung 109 angeschlossen, und die Luftströme in den Leitungen 105 und 109 werden vereinigt und strömen durch Leitung 72 zur Verbrennungskammer 73.
Bei der Anlage der Figur 8 kann der Strom der komprimierten Luft in Leitung 35 zwischen den Leitungen 110 und 111 aufgespalten werden, wobei die durch die zwei Leitungen strömenden Anteile durch Ventil 112 gesteuert werden. Ein größerer Teil der komprimierten Luft aus Leitung 35 strömt bei normalem Betrieb der Anlage durch Leitung 110 und die hintereinander angeordneten Wärmeaustauscher 113 und 114 in dem Konvektionsteil 3 des Ofens. Die Ausgangsseite des Wärmeaustauschers 114 ist mit Leitung 38 verbunden. Ein kleinerer Teil des komprimierten Luftstroms aus Leitung 35 wird durch Leitung 111 abgeleitet und mit dem Luftstrom in Leitung 71 vereinigt, um dann durch Leitung 115 und den Wärmeaustauscher 116 zu der Leitung 72 zu strömen.
Wie bei der Anlage der Figur 1 wird der Strom des Kohlenwasserstaff-Einsatzmaterials in Leitung 7 in dem Wärmeaustauscher vorgewärmt und in dem Entschwefelungsbehälter 10 entschwefelt, bevor es mit durch Leitung 12 zugeführtem Dampf in geeignetem Verhältnis gemischt wird. Anstelle der weiteren Erhitzung durch indirekten Wärmeaustausch mit den heißen reformierten Gasen entsprechend der Anlage der Figur 1, wird das Gemisch aus Dampf/Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial jedoch auf die Eingangstemperatur durch Wärmeaustausch in dem Wärmeaustauscher 117 mit den entspannten Gasen der Leitung 76 erhitzt. Die Turbinenabgase werden durch Leitung 118 zum Kamin 49 abgesaugt.
Beim Anfahren der Anlage der Figur 8 kann das Ventil 112 geschlossen werden, während der erste Gasturbinensatz 33 auf die Betriebsdrehzahl hochgefahren wird. Der zweite Gasturbinensatz 66 kann unabhängig auf die Betriebsdrehzahl hochgefahren und das Ventil 112 eingestellt werden, um das gewünschte Verhältnis der Druckluftströme in den Leitungen 110 und 111 herzustellen.
In der Anlage der Figur 9 ist der Gasturbinensatz 33 durch zwei Gasturbinensätze (nicht dargestellt) ersetzt, wobei die Ströme komprimierter Luft aus ihren Kompressoren vereinigt und durch Leitung 35 abgeführt wurden und die Abluftströme aus ihren Turbinen vereinigt und durch Leitung 6 abgeführt wurden.
Der Ausgangsstrom aus dem Austauscher 113 wird geteilt und gelangt zu zwei parallel geschalteten Wärmeaustauschern 119,120, deren Ausgangsströme durch Leitungen 121 bzw. 122 zu den Eingängen der zwei Gasturbinensätze, d.h. der beiden Sätze, die den Satz 33 ersetzen, geführt werden. Im übrigen ist die Anlage der Figur 9 die gleiche wie die der Figur 8.
Die Erfindung wird durch das folgende Beispiel näher erläutert.
Beispiel Es wird eine Anlage des in Figur 1 dargestellten Typs konstruiert, wobei die Kapazität der Methanolsyntheseanlage 60 1360 t/d beträgt. Der Verbrennungsluftbedarf des Reformerofens liegt bei 226,795 t/h und wird mit 1,05 bar absolut und 588 "C angeliefert.
Die Ausbildung des Wärmeaustauschers 37 ist derart, daß sich an ihm ein Druckabfall von 0,88 bar ergibt. Der Luftkompressor 32 hat ein Kompressionsverhältnis von 5:1, so daß er Luft mit einem Ausgangsdruck von 5,1 bar absolut und einer Ausgangstemperatur von 223,9 "C liefert, wenn der Umgebungsluftdruck 1,02 bar absolut und die Umgebungslufttemperatur 15,6 OC beträgt. Der Eingangsdruck an der Turbine 44 beträgt 4,22 bar absolut und der Ausgangsdruck 1,05 bar absolut. Beim Durchgang durch den Wärmeaustauscher 37 wird die komprimierte Luft auf. 871 "C erwärmt. Die Leistungsabgabe der Turbine 44 beträgt somit 20 225 kW (27 112 PS). Etwa 746 kW (etwa 1000 PS) sind für den Antrieb des Gebläses 46 erforderlich, so daß 19 479 kW (26 112 PS) für den Antrieb des Kompressors 32 zr Verfügung stehen. Bei einer Umgebungslufttemperatur von 15,6 OC bedeutet dies, daß der Kompressor 32 51,417 t/h Luft durchsetzt, d.h. einen Oberschuß von 16,267 t/h über den Verbrennungsluftbedarf des Reformerofens 1 hinaus.
Der Luftkompressor 67 saugt Luft von 15,6 "C unter einem Druck von 1,01 bar absolut in einer Menge von 17,733 t/h an und liefert diese mit 5,1 bar absolut und 223,9 "C in die Leitung 71. 34 t/h Luft unter 4,75 bar absolut werden mit 537,8 "C aus dem Wärmeaustauscher 37 durch Leitung 72 abgezogen und der Verbrennungskammer 73 zugeführt. Durch Leitung 74 wird genügend Brennstoff zugeführt, um eine Verbrennungswärme von 22 680 kW zu erzeugen, mit der das Gas in Leitung 75 auf 871 "C erhitzt wird. Dieser überhitzte Gasstrom wird beim Durchgang durch die Turbinenstufen 68 und 65 auf 1,05 bar absolut entspannt, wobei seine Temperatur auf 569,4 "C abfällt. Die Summe der Leistungsabgaben der Turbinenstufen 68 und 65 beträgt 20 904 kW (28 021 PS), von denen 6718 kW (9005 PS) für den Antrieb des Luftkompressors 67 benötigt werden. Damit verbleiben 14 186 kW (19 016 PS) für den Antrieb der Synthesegaskompressoren 51 und 55 und des Rückführgaskompressors 62, eine Leistungsabgabe, die für diese Kapazität der Methanolanlage 60 ausreicht.
Verglichen mit einer konventionellen Auslegung einer Synthesegasanlage ist der gesamte Brennstoffbedarf für den Reformerofen 1 der Anlage nach Figur 1 (der durch den durch Leitungen 5 und 74 zugeführten Brennstoff gegeben ist) verringert.
Obgleich die dargestellten Ausführungsformen der Anlage so ausgelegt sind, daß sie Synthesegas für eine Methanolsyntheseanlage liefern, ist für den sachkundigen Leser ersichtlich, daß die Lehre der Erfindung auf andere Ausführungsformen einer Synthesegasanlage anwendbar ist, der die Dampfreformierung eines Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterials zugrunde liegt, z.B. auf Anlagen für die Synthesegasbereitstellung für Hydroformyl ierungsanlagen sowie Anlagen für die Bereitstellung von Synthesegas für Ammoniakanlagen.
Bei diesen letzteren Anlagetypen bedeutet die Position 60 je nach dem vorliegenden Fall eine Hydroformylierungsanlage oder eine Ammoniaksyntheseanlage, und es sind nötigenfalls weitere Verfahrens- und/oder Reinigungsstufen zwischen dem Abscheidegefäß 22 und dem Kompressor 51 anzuordnen. Diese weiteren Prozessstufen können z.B. im Falle einer Ammoniaksyntheseanlage eine sekundäre Reformierstufe, eine Wassergaskonvertierungsstufe, C02-Entfernungsstufe und eine Methanierungsstufe sein. Darüber hinaus ist es einleuchtend, daß die Lehre der Erfindung auf andere Fälle, wie etwa Kraftwerke, anwendbar ist. In diesen Fällen dient der Ofen beispielsweise primär zur Erzeugung von Dampf in Kessel rohren anstatt zur Erhitzung von Reformerrohren, und ein elektrischer Generator tritt an die Stelle des dargestellten Synthesegaskompressors.
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Claims

Verfahren und Vorrichtung zum Antrieb einer Drehmaschine Patentansprüche Verfahren zum Antrieb einer Drehmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß man in einem Verbrennungsteil eines Ofens einen Brennstoff mit Verbrennungsluft verbrennt, Luft in einem Oberschuß über die von dem Ofen benötigte Verbrennungsluft hinaus in wenigstens einem Kompressor verdichtet, die verdichtete Luft durch Wärmeaustausch mit heißen gasförmigen Verbrennungsprodukten aus dem Verbrennungsteil des Ofens erhitzt und dabei einen ersten und einen zweiten Strom erhitzter komprimierter Luft bildet, von denen der erste Strom auf einer erhöhten Temperatur ist und im wesentlichen den als Verbrennungsluft benötigten Luftstrom umfasst und der zweite Strom eine zweite erhöhte Temperatur unterhalb der ersten erhöhten Temperatur hat und im wesentlichen den über den als Verbrennungsluft benötigten Luftstrom hinausgehenden Oberschußluftstrom umfasst, den ersten Strom der erhitzten, verdichteten Luft in einer ersten mit dem oder einem ersten Kompressor gekuppelten ersten Turbine entspannt, die entspannte Luft aus der ersten Turbine als Verbrennungsluft dem Ofen zugeführt, Zusatzbrennstoff in dem zweiten erhitzten verdichteten Luftstrom verbrennt und diesen dadurch überhitzt und diesen überhitzten Strom in einer zweiten Turbine entspannt, die mit der anzutreibenden Maschine und mit dem oder einem zweiten Kompressor gekuppelt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Kompressor einen ersten und einen zweiten Kompressor umfasst, die mit der ersten bzw. zweiten Turbine gekuppelt sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Kompressor einen einzelnen Kompressor umfasst, der mit der ersten und der zweiten Turbine gekuppelt ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Strom komprimierter Luft aus dem wenigstens einen Kompressor zum Eingang eines in dem Weg der heißen, gasförmigen Verbrennungsprodukte aus dem Verbrennungsteil des Ofens angeordneten Wärmeaustauscher leitet, den ersten erhitzten, verdichteten Luftstrom am Ausgang des Wärmeaustauschers abzieht und den zweiten erhitzten verdichteten Luftstrom zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Wärmeaustauschers abzieht.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man verdichtete Luft aus dem wenigstens einen Kompressor in getrennten Strömen durch Wärmeaustausch mit den heißen gasförmigen Verbrennungsprodukten erhitzt, um den ersten und den zweiten erhitzten, verdichteten Luftstrom zu bilden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man den Strom durch die zweite Turbine dadurch in vergrößert, daß man/den zweiten Strom vor, zugleich mit oder nach seiner Oberhitzung Dampf einführt.
7. Verfahren zur Herstellung eines Synthesegases bei einem oberhalb Atmosphärendruck liegenden erhöhten Druck durch Dampfreformierung eines KohlenwasSerstoff-Einsatzmaterials, dadurch gekennzeichnet, daß man in einem Verbrennungsteil eines Reformerofens einen Brennstoff in Verbrennungsluft verbrennt und so eine Mehrzahl von Reformerrohren erhitzt, durch die ein Gemisch aus Dampf und Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial unter einem Dampfreformierdruck strömt, der Uber Atmosphärendruck, aber unter dem erhöhten Druck liegt, Luft in einem Oberschuß Uber die von dem Ofen erforderliche Verbrennungsluft hinaus in wenigstens einem Kompressor verdichtet, die verdichtete Luft durch Wärmeaustausch mit den heißen gasförmigen Verbrennungsprodukten aus dem Verbrennungstell des Reformerofens erhitzt und einen ersten und einen zweiten Strom erhitzter verdichteter Luft bildet, von denen der erste Strom auf einer ersten erhöhten Temperatur ist und im wesentlichen den als Verbrennungsluft benötigten Luftstrom umfasst und der zweite Strom auf einer zweiten erhöhten Temperatur unterhalb der ersten erhöhten Temperatur ist und im wesentlichen den Oberschußluftstrom umfasst, der über den als'Verbrennungsluft benötigten Luftstrom hinausgeht, den ersten erhitzten verdichteten Luftstrom in einer ersten mit dem oder einem ersten Kompressor gekuppelten Turbine entspannt, die entspannte erhitzte Luft aus der ersten Turbine als Verbrennungsluft dem Verbrennungsteil des Ofens zugeführt, zusätzlichen Brennstoff in dem zweiten erhitzten verdichteten Luftstrom verbrennt und diesen dadurch überhitzt, und den erhitzten Strom in einer zweiten Turbine entspannt, die mit dem oder einem zweiten Kompressor und mit einem Synthesegaskompressor gekuppelt ist, wodurch das Synthesegas von einem Druck zwischen Atmosphärendruck und dem erhöhten Druck auf den erhöhten Druck verdichtet wird.
8. Vorrichtung zum Antrieb einer Drehmaschine, gekennzeichnet durch einen Ofen (1) mit einem Verbrennungsteil (2), dem ein Brennstoff zugeführt werden kann, und einer an den Verbrennungsteil (2) angeschlossenen Verbrennungsluftzufuhrleitung (6) für die Zufuhr der fUr die Brennstoffverbrennung erforderlichen Luft, wenigstens einen Kompressor (32,67) für die Verdichtung von Luft in einer über die von dem Ofen (1) benötigten Verbrennungsluft hinausgehende Oberschußmenge, Wärmeaustauscher (37) in dem Weg der heißen gasförmigen Verbrennungsprodukte aus dem Verbrennungsteil (2) des Ofens (1), durch welche verdichtete Luft aus dem wenigstens einen Kompressor (32,67) geleitet werden kann und der so ausgebildet ist, daß er einen ersten und einen zweiten Strom erhitzter verdichteter Luft liefert, wobei der erste Strom auf einer ersten erhöhten Temperatur ist und im wesentlichen den von dem Ofen (1) als Verbrennungsluft benötigten Luftstrom umfasst und der zweite Strom auf einer zweiten erhöhten Temperatur unterhalb der ersten erhöhten Temperatur ist und im wesentlichen den Oberschußluftstrom umfasst, der über den als Verbrennungsluft erforderlichen Luftstrom hinausgeht, eine erste mit dem oder einem ersten Kompressor (32) gekuppelte Turbine (44), deren Eingangsseite den ersten Strom erhitzter verdichteter Luft aufnimmt und deren Ausgangsseite an die Verbrennungsluftzufuhrleitung (6) angeschlossen ist, einen Zusatzbrenner (73) zur Verbrennung von Zusatzbrennstoff in dem zweiten Strom, um diesen zu überhitzen, eine zweite Turbineneinrichtung (68,65), die mit der anzutreibenden Maschine (51,55) und mit dem oder einem zweiten Kompressor (67) gekuppelt ist, und einer Leitung (75) für die Zuführung der durch den Zusatzbrenner (73) Uberhitzten, verdichteten Luft zur Eingangsseite der zweiten Turbineneinrichtung (68,65).
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Kompressor einen ersten und einen zweiten Kompressor (32;67) umfasst, die mit der ersten Turbine (44) bzw.

der zweiten Turbine (68,65) gekuppelt sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Kompressor einen einzelnen Kompressor (32) umfasst, der mit der ersten Turbine (44) und der zweiten Turbine (68) gekuppelt ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher (37) einen einzelnen Wärmeaustauscher in dem Abhitzerückgewinnungsteil des Ofens (1) umfasst, wobei der zweite Luftstrom im Wärmeaustauscher (37) in Form eines Anzapfstroms an einer Stelle zwischen seinen Enden entnommen wird.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauscheinrichtung zwei oder mehr in Serie angeordnete Wärmeaustauscher (119,120; 113,116) umfasst und der zweite Strom als Anzapfstromaneiner Stelle zwischen aufeinanderfolgenden Wärmeaustauschern (120,116) entnommen wird.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauscheinrichtung zwei parallele Wärmeaustauscher (102,104) oder Wärmeaustauschersätze umfasst, von denen einer zur Erhitzung des ersten Stroms bzw.

der andere zur Erhitzung des zweiten Stroms dient.
14. Synthesegasanlage zur Erzeugung von Synthesegas unter einem oberhalb Atmosphärendruck liegenden, erhöhten Druck durch Dampfreformierung eines Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterials, gekennzeichnet durch einen Reformerofen (1) mit einem Verbrennungsteil (2), dem Brennstoff zugeführt werden kann, einer an den Verbrennungsteil (2) angeschlossenen Verbrennungsl uftzufuhrleitung (6) für die Zufuhr der für die Brennstoffverbrennung benötigten Luft, einer in dem Verbrennungsteil (2) angeordneten Mehrzahl von Reformerrohren (4) für den Durchtritt eines zu reformierenden Gemisches aus Dampf und Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial bei einem über Atmosphärendruck, aber unter dem erhöhten Druck liegenden Dampfreformierdruck und einem Konvektionsteil (3) für die Abhitzerückgewinnung aus den Verbrennungsgasen aus dem Verbrennungsteil (2), wenigstens einen Kompressor (32,67) für die Verdichtung von Luft in einer Oberschußmenge über die von dem Ofen (1) benötigte Verbrennungsluft hinaus, Wärmeaustauscher (37) in dem Konvektionsteil (3) in dem Weg der Verbrennungsgase aus dem Verbrennungsteil (2) des Ofens (1), durch die Luft aus dem wenigstens einen Kompressor (32,67) geleitet werden kann, wobei der Wärmeaustauscher (37) so ausgebildet ist, daß er einen ersten und einen zweiten Strom erhitzter, verdichteter Luft liefert, von denen der erste Strom auf einer ersten erhöhten Temperatur ist und im wesentlichen den als Verbrennungsluft von dem Ofen (1) benötigten Luftstrom umfasst und der zweite Strom auf einer zweiten erhöhten Temperatur unterhalb der ersten erhöhten Temperatur ist und im wesentlichen den Luftstrom umfasst, der den als Verbrennungsluft benötigten Luftstrom übersteigt, eine erste Turbine (44), die mit dem oder einem ersten Kompressor (32) gekuppelt ist und deren Eingangsseite zur Aufnahme des ersten erhitzten, verdichteten Luftstroms dient und deren Ausgangsseite an die Verbrennungsluftzufuhrleitung (6) angeschlossen ist, einen Zusatzbrenner (73) zur Verbrennung von zusätzlichem Brennstoff in dem zweiten Strom, um diesen zu Uberhitzen, eine Synthesegaskompressoreinrichtung (51,56) für die Verdichtung von Synthesegas von einem Druck zwischen Atmosphärendruck und dem erhöhten Druck auf den erhöhten Druck, eine zweite Turbineneinrichtung (65,68), die mit dem Synthesegaskompressor (51,56) und dem oder einem zweiten Kompressor (67) gekuppelt ist, und eine Leitung (75) für die Zuführung der durch den Zusatzbrenner (73) überhitzten, verdichteten Luft zur Eingangsseite der zweiten Turbine (68,65).
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Turbine (68) auch mit einem zweiten Luftkompressor (67) gekuppelt ist, von dem ebenfalls verdichtete Luft durch den Wärmeaustauscher (37) gefördert wird.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Turbine (44;68) an einen gemeinsamen Luftkompressor (32) gekuppelt sind und mit diesem einen einzigen Gasturbinensatz bilden.
17. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Turbineneinrichtung zwei parallele Gasturbinen (92,93) umfasst und der überhitzte Strom aus dem Zusatzbrenner (73) unterteilt wird, wobei ein Teil zum Antrieb einer mit dem Synthesegaskompressor (51,56) gekuppelten Gasturbine (93) dient, während der andere Teil zum Antrieb der Gasturbine (92) dient, die mit einem Luftkompressor (67) gekuppelt ist, von dem der Wärmeaustauscher (37) mit verdichteter Luft beaufschlagt wird.