DE3525721A1 - Verfahren zum ausnuetzen von abwaerme - Google Patents

Verfahren zum ausnuetzen von abwaerme

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausnützen der bei der Kondensation von Bestandteilen aus einem Fluidstrom vor oder nach dessen Einsatz in einem weiteren Verfahrensschritt eines Gesamtverfahrens freiwerdenden Wärme.
Beispielsweise bei der Regenerierung von beladenen Waschmitteln, wie Aminlaugen oder physikalisch wirkenden Waschmitteln, wie Methanol oder Polyäthylenglykoläther, fällt am Kopf der Regeneriersäule eine Fraktion an, die mit Waschmitteldampf bei höheren Temperaturen gesättigt ist. Üblicherweise wird diese Fraktion in Luft- oder Kühlwasserkondensatoren abgekühlt und dabei der Dampf unter Verwendung der darin enthaltenen Wärme kondensiert.
Auch in einer Claus-Anlage wird in der letzten Claus- Stufe das Gas abgekühlt, um Schwefel auszukondensieren. Die Schwefelkondensation sollte dabei soweit wie möglich durchgeführt werden, d. h. bei tiefer Temperatur von etwa 125 bis 130°C stattfinden. Bei diesen Temperaturen ist jedoch wiederum nur Niederdruckdampf von etwa 2 bar zu erzeugen, der in der Praxis nicht mehr bis zu Verbrauchern zu leiten ist. Daher wird er meist durch Luftkühler kondensiert und das Kondensat wieder verwendet, was einer teuren Energievernichtung gleichkommt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die vorhandene Wärme wirtschaftlich verwertet wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wärme zur Beheizung einer Absorptionskälteanlage eingesetzt und die darin erzeugte Kälte zumindest teilweise in dem weiteren Verfahrensschritt genützt wird.
Das wesentliche des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Kombination einer Abwärmenutzung, vorteilhaft durch Niederdruckdampferzeugung, mit einer Kälteanlage, wobei die darin erzeugte Kälte wirtschaftlich im Gesamtverfahren genützt wird. Die Dampferzeugung ist abhängig vom Temperaturniveau des abzukühlenden Fluids. Direkt gekoppelt mit diesem Temperaturniveau ist das Kälteniveau der Absorptionskälteanlage. Dies bedeutet, daß bei höherem Temperaturniveau des abzukühlenden Fluids Kälte bei tieferem Kälteniveau in der Absorptionskälteanlage erzeugt werden kann. Als Kühlmittel wird dabei in bevorzugter Weise NH3 eingesetzt, doch kann auch beispielsweise Lithium- Bromid (LiBr) zur Anwendung kommen.
Für die Ausnutzung der erzeugten Kälte gibt es erfindungsgemäß verschiedene Möglichkeiten. So kann diese Kälte zur Abkühlung von Rohgas genützt werden. Die Kälte kann auch zur Abkühlung von regeneriertem Waschmittel oder von gewaschenem Gas in einem Gaswaschprozeß genützt werden. Schließlich kann die Kälte zur Vortrocknung eines Gases durch Wasserkondensation in einem Gasreinigungsprozeß genützt werden.
Allgemein ist es somit möglich, die gewonnene Kälte in vor- oder nachgeschalteten Verfahrensschritten eines Gesamtverfahrens einzusetzen.
Als besonders bevorzugtes Anwendungsbeispiel sei hier die Aufarbeitung von Claus-Abgasen erwähnt. Aus mit H2S angereicherten Gasfraktionen kann Schwefel nach der Claus- Reaktion
gewonnen werden. Da diese Umsetzung meist nicht vollständig ist, muß das anfallende Restgas nachbehandelt werden. Dies kann beispielsweise durch eine physikalische Wäsche erfolgen, mit der H2S oder SO2 aus dem Restgas entfernt wird. Derartige Wäschen finden bei Umgebungstemperaturen oder darunter statt, so daß das Claus-Abgas stark abgekühlt werden muß. Bei Abkühlung im letzten Schwefelkondensator der Claus-Anlage wird gleichzeitig Schwefel auskondensiert und meist Niederdruckdampf von etwa 2 bar erzeugt. Dieser Dampf wird nun erfindungsgemäß zur Beheizung einer Absorptionskälteanlage verwendet und die damit erzeugte Kälte zumindest teilweise zur Kühlung des Waschmittels eingesetzt.
Bekanntermaßen nimmt mit abnehmender Temperatur die Löslichkeit von Gasen in physikalischen Waschmitteln zu. Daraus ergibt sich, daß nach der Erfindung durch die bei tieferer Temperatur durchgeführte Wäsche eine Verringerung der Waschmittelmenge bzw. eine Verbesserung des SO2- oder H2-Auswaschungsgrades erreicht wird. Durch die verringerte Waschmittelmenge können kleinere Waschkolonnen eingesetzt werden, was sich in niedrigeren Investitionskosten auswirkt. Überdies reduzieren sich sowohl die Kosten für die Waschmittelregenerierung als auch die Waschmittelverluste ins Reingas, so daß sogar eine Waschmittelrückgewinnung eingespart werden kann. In den Wärmetauschern können größere Temperaturunterschiede zugelassen werden, und zwar vor allem beim Wärmetausch zwischen beladenem kaltem und regeneriertem warmem Waschmittel.
In besonders vorteilhafter Weise wird dabei die erzeugte Kälte zur Kühlung des regenerierten Waschmittels genützt. Diese Kühlung kann dabei über den Kopfkondensator der Regenerierkolonne oder durch indirekten Wärmetausch des regenerierten Waschmittels stattfinden oder durch einen Quenchwasserkreislauf, wobei dieser wiederum durch die erzeugte Kälte zumindest teilweise gekühlt wird. Schließlich besteht auch die Möglichkeit, die gewonnene Kälte in einem der Claus-Anlage vorgeschalteten Verfahrensschritt, wie einer Sauergaswäsche oder Synthese von z. B. NH3 oder Methanol nützen.
Als weiteres bevorzugtes Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens seien Gaswaschverfahren genannt. So kann beispielsweise nach einer chemischen Wäsche das gewaschene Gas abgekühlt werden, um Waschmitteldampf auszukondensieren. Beispielhaft sei hier die Aminwäsche für Erdgas genannt. Das von Sauergasen befreite Erdgas wird üblicherweise vor Weiterverarbeitung einer Trocknung unterzogen. Das beladene Amin wird einer Warmregenerierung zugeführt, wonach das regenerierte Waschmittel wieder abgekühlt werden muß. Die bei der Abkühlung der wasserdampfgesättigten Sauergasfraktion freiwerdende Wärme kann einer Absorptionskälteanlage zur Beheizung dienen und die hier erzeugte Kälte zur Auskondensation von Wasser aus dem gewaschenen Erdgas genützt werden. Auf diese Weise findet eine Vortrocknung statt und die nachfolgenden Trockner, Adsorber oder Glykolwäsche, werden entlastet.
Die Entfernung von Waschmitteldämpfen aus dem Kopfprodukt einer Regeneriersäule wird üblicherweise durch Abkühlung und Kondensation erreicht. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, die erzeugte Kälte auch hierfür einzusetzen, und zwar z. B. nach einem Luft- oder Wasserkühler, wodurch sich eine stärkere Abkühlung ergibt.
Bei der rektifikatorischen Trennung von Gasen und/oder Flüssigkeiten wird der Kopf der Rektifizierkolonne ebenfalls mit Hilfe von Fremdkälte gekühlt. Auch hier ist es sinnvoll, die in einem vorangegangenen Verfahrensschritt, wie einer Wäsche gewonnene Wärme zur Beheizung einer Absorptionskälteanlage zu verwenden und die hierin erzeugte Kälte zur Kühlung des Kopfes der Rektifizierkolonne einzusetzen.
Häufig wird ein Produktgas vor Weiterverwendung verdichtet. Um bei der Verdichtung Kompressionsenergie einzusparen, ist es vorteilhaft, das Produktgas vor der Kompression abzukühlen. Auch zu dieesr Abkühlung kann die erzeugte Kälte genützt werden.
Im folgenden sei die Erfindung anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Über eine Leitung 1 wird Claus-Rohgas einer Claus-Anlage 2 zugeführt. Das Rohgas enthält dabei H2S. Die Claus-Anlage 2 enthält Reaktoren mit einer Schüttung aus einem üblichen Claus-Katalysator, z. B. aktiviertem Al2O3. Über diesem Katalysator findet eine Claus-Reaktion statt, die exotherm ist, so daß sich die Temperatur im Reaktor erhöht. Dabei werden etwa 90 bis 95% des im Rohgas enthaltenen H2S zu elementarem Schwefel umgesetzt. Der elementare Schwefel wird in Kondensatoren gewonnen. Dargestellt ist der letzte Kondensator 3, wo durch Abkühlung des Gases Schwefel gewonnen und über Leitung 4 als Produktschwefel 4 abgezogen wird. Dabei wird die Wärme aus Gasabkühlung und Schwefelkondensation zur Dampferzeugung genutzt.
Das im Kondensator 3 anfallende Gas in Leitung 5 wird einer Nachverbrennung 25 in Gegenwart von über Leitung 26 zugeführtem Brennstoff, wie Methan und Luft aus Leitung 27 unterworfen und enthält dann nur noch Schwefel in Form von SO2. Zur Entfernung dieses SO2 wird das Gas nach weiterer Abkühlung in einem Wärmetauscher 6 gegen gewaschenes Gas einer Waschsäule 7 im unteren Teil zugeführt. Der Sumpf der Waschsäule 7 ist mit einem Quenchwasserkreislauf 20 ausgestattet. Mittels dieses Quenchwassers kann das zu waschende Gas weiter abgekühlt und gegebenenfalls vorgereinigt werden. Das vorgereinigte Gas steigt sodann in der Waschsäule auf und wird im Gegenstrom zu regeneriertem physikalischen Lösungsmittel, wie beispielsweise Teträthylenglykoldimethyläther, das am Kopf der Säule über Leitung 8 aufgegeben wird, von SO2 befreit. Das praktisch völlig schwefelfrei Gas verläßt die Säule 7 am Kopf der Leitung 9 und wird nach Anwärmung im Wärmetauscher 6 zum Kamin abgegeben. Dieses Gas kann umweltunschädlich abgegeben werden, da es allenfalls noch geringe Spuren von SO2 enthält.
Das beladene Lösungsmittel verläßt die Säule 7 oberhalb eines Kaminbodens über Leitung 10 und wird einer üblichen, nicht dargestellten Regenerierung unter Erwärmung zugeführt.
Die Abkühlung in dem Kondensator 3 wird mittels Kesselspeisewasser durchgeführt und hierbei Niederdruckdampf von etwa 2 bar erzeugt. Dieser Dampf wird zumindest teilweise über Leitung 11 einer Absoprtionskälteanlage 12 zugeleitet, wo er zur Beheizung der Kälteanlage dient. Über Leitung 13 wird das hierbei kondensierte Wasser entfernt. Ein kleiner Teil des Niederdruckdampfes kann über Leitung 14 einer Kondensation in einem Luftkühler zugeführt werden.
In der Kälteanlage wird beispielsweise NH3 als Kühlmittel verwendet, das über Leitung 15 im warmem Zustand zugeführt und über Leitung 16 gekühlt abgegeben wird. Zumindest ein Teil des kalten NH3 wird dann über Leitung 17 einem Kühler 18 zugeleitet, in dem das warme, regenerierte Lösungsmittel auf Waschtemperatur (etwas unter Umgebungstemperatur) abgekühlt wird. Über Leitung 19 kann gegebenenfalls die Kälte zu anderen Verbrauchern geführt werden.
In dem Quenchwasserkreislauf 20 ist ein Kühler 21 vorgesehen, in dem das Wasser gegen Kühlwasser vorgekühlt wird. Außerdem ist ein weiterer Kühler 22 angeordnet, in dem das Wasser über Leitung 23 mit kaltem flüssigem NH3 aus Leitung 17 indirekt weitergekühlt wird. Das warme verdampfte NH3 aus Kühler 18 und Kühler 22 wird gemeinsam über Leitung 24 abgezogen und über Leitung 15 der Kälteanlage 12 wieder zugeführt.
Durch die Ausnutzung der in der Kälteanlage 12 mittels des Dampfes aus Leitung 11 erzeugten Kälte sowohl zur Abkühlung des regenerierten Lösungsmittels als auch des Quenchwassers, wird eine verbesserte So2-Abtrennung bzw. eine geringere Lösungsmittelmenge erreicht.
Beispiel:
Im Rahmen einer Aufarbeitung eines sauren Erdgases mit einer chemischen Wäsche fällt eine H2S-Fraktion mit folgender Zusammensetzung an:
N2     5,54 mol%
CO2  11,95 mol%
CH4   1,75 mol%
C2+    0,41 mol%
H2S  74,28 mol%
H2   6,07 mol%
Die Menge beträgt 373,4 mol/sec und steht bei 1,5 bar und 317 K zur Verfügung.
Dieses Gas wird in einer zweistufigen Claus-Anlage zu elementarem Schwefel verarbeitet. Nach der zweiten katalytischen Stufe hat das Gas (vor dem Kondensator) folgende Zusammensetzung:
N2    61,35 mol%
CO2   5,47 mol%
H2S   0,48 mol %
SO2   0,24 mol%
COS   0,1  mol%
CS2   0,01 mol%
S8     0,15 mol%
H2    32,29 %
Die Menge beträgt dabei 100 mol/sec und steht bei einem Druck von 1,22 bar und einer Temperatur von 504 K zur Verfügung.
Bei der Abkühlung des Gases und der Kondensation des Schwefels wird normalerweise Dampf erzeugt. Dabei sind zwei Alternativen üblich:
a) Erzeugung von 4 bar-Dampf, wobei das Gas nur auf ca. 423 K abgekühlt werden kann,
b) Abkühlung des Gases auf 398 K unter Gewinnung von 2 bar- Dampf. In der Praxis zeigt es sich, daß der 4 bar-Dampf bedingt in der Anlage verwertet werden kann, der 2 bar- Dampf jedoch nicht verwendet werden kann und deshalb in Luftkühlern kondensiert werden muß.
Der wesentliche Vorteil einer Gasabkühlung auf eine tiefere Temperatur liegt in der besseren Schwefelkondensation und damit geringem Aufwand bei der Schwefelrückgewinnung in der nachfolgenden Claus-Abgas-Reinigung.
Bezogen auf das obige Beispiel ergeben sich folgende Bedingungen: Bei der Abkühlung des Gases auf 423 K kann eine Dampfmenge entsprechend einer Wärmemenge von 260 kW gewonnen werden (ausgehend von einer Wassertemperatur von 100°C entspricht dies einer Dampfmenge von 4,04 t/h Dampf). Bei dieser Abkühlung können 1,278 mol/sec. S8 kondensiert werden, was einer S8-Ausbeute von 85,4% entspricht.
Bei Abkühlung auf 398 K wird eine Wärmemenge von 3433 kW in Form von 2 bar-Dampf gewonnen (entsprechend einer Dampfmenge von 5,4 t/h), was einer Anhebung der Wärmerückgewinnung von 31,7% entspricht. Gleichzeitig steigt die S8-Kondensatmenge an auf 1,439 mol/sec, was einer Verbesserung der Ausbeute von 13% entspricht.
Bezogen auf die Schwefelmenge, die in der nachfolgenden Claus-Abgas-Reinigungsanlage zurückgewonnen werden muß, sinkt durch diees Maßnahme die Schwefelmenge um 77,3% gegenüber dem Wert bei Abkühlung auf 423 K.
Normalerweise ist diese bessere Schwefelgewinnung in der Claus-Anlage und dementsprechend geringeren Verbrauchszahlen gekoppelt mit dem Verlust der Dampfverwertung. Nach dem Verfahren der Erfindung wird jedoch der anfallende Niederdruckdampf zur Beheizung einer Absorptionskälteanlage verwendet, die mit dem System NH3/Wasser arbeitet. Bei einer Kühlwassertemperatur von 303 K kann damit eine Kältemenge von 1855 kW (Kälteleistung) bei einer Temperatur von 273 K erzeugt werden. Diese Kältemenge kann im Rahmen des Gesamtprozesses wirtschaftlich verwertet werden, z. B. zur Abkühlung des gewaschenen Erdgases und Auskondensation von Wasserdampf nach der Sauergaswäsche vor dem Trockner oder als Kältemittel für die Kondensatoren im Rahmen einer rektifikatorischen Zerlegung von anfallenden Kondensaten. Besonders wirtschaftlich ist die Verwendung dieser Kälte zur Abkühlung von regeneriertem Waschmittel in einer Anlage zur Entfernung/ Gewinnung von SO2 aus Claus-Off-Gas nach dem Brenner, mit einer physikalischen Wäsche bei niedrigen Temperaturen.

Claims (7)

1. Verfahren zum Ausnützen der bei der Kondensation von Bestandteilen aus einem Fluidstrom hoher vor oder nach dessen Einsatz in einem Verfahrensschritt eines Gesamtverfahrens freiwerdenden Wärme, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme zur Beheizung einer Absorptionskälteanlage eingesetzt und die darin erzeugte Kälte zumindest teilweise in dem weiteren Verfahrensschritt genützt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Wärme Niederdruckdampf erzeugt und damit die Absorptionskälteanlage beheizt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kälte zur Abkühlung von Rohgas genützt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kälte zur Abkühlung von regeneriertem Waschmittel in einem Gaswaschprozeß genützt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kälte zur Abkühlung von gewaschenem Gas in einem Gaswaschprozeß genützt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kälte zur Vortrocknung eines Gases durch Wasserkondensation in einem Gasreinigungsprozeß genützt wird.
7. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 auf die Aufarbeitung von Claus-Gasen.
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