DE102004049076A1 - Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas für eine Ammoniakanlage - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas für eine Ammoniakanlage zeichnet sich dadurch aus, daß in einem Membranreaktor aus einem Luftstrom über eine Sauerstoff-Transportmembran der Sauerstoff entzogen wird, der gewonnene Sauerstoff direkt zur partiellen Oxidation von Kohlenwasserstoffen, z. B. Erdgas, in Gegenwart eines Steam-Reformung-Katalysators herangezogen und dem reformierten Synthesegas in einem Sekundärreformer nach der partiellen Oxidation ein weiterer Stickstoff enthaltender Strom zugegeben wird, um das für eine Ammoniaksynthesegas-Zusammensetzung erforderliche Verhältnis einzustellen.
Description
- Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas für eine Ammoniakanlage.
- Zur Herstellung von Synthesegas für unterschiedliche Verwendungszwecke gibt es eine Reihe von Lösungsmöglichkeiten, etwa für Methanol oder die Fischer-Tropsch-Synthese, wobei dabei auch bekannt ist, den benötigten Sauerstoff mittels einer Sauerstofftransportmembran in einem Membranreaktor einem Luftstrom zu entziehen, wobei es sich dabei um eine gemischte sauerstoffionen- und elektronenleitende Membraneinheit handelt.
- Hier setzt die Erfindung an, deren Aufgabe darin besteht, einen derartigen Membranreaktor für die Erzeugung von Synthesegas für eine Ammoniakanlage zu nutzen.
- Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt daher die Erfindung vor, daß in einem Membranreaktor aus einem Luftstrom über eine Sauerstoff-Transportmembran der Sauerstoff entzogen wird, der gewonnene Sauerstoff direkt zur partiellen Oxidation von Kohlenwasserstoffen, z.B. Erdgas, in Gegenwart eines Steam-Reformung-Katalysators herangezogen und dem reformierten Synthesegas in einem Sekundärreformer nach der par tiellen Oxidation ein weiterer Stickstoff enthaltender Strom zugegeben wird, um das für eine Ammoniaksynthesegas-Zusammensetzung erforderliche Verhältnis von Stickstoff und Wasserstoff einzustellen.
- Grundsätzlich ist für sich gesehen die Entnahme von Sauer-stoff in einer derartigen Membran z.B. in der EP-1 007 473 beschrieben, wobei dort der Sauerstoff von einem Sweep-Gas (= Trägergas für das übertragene O2) ausgetragen wird und die für die Funktion der Sauerstoff-Transportmembran erforderliche Aufheizung durch direkte Verbrennung von Heizmittel in Luft vorgenommen wird. Dabei ist dort eine anschließende Partialoxidation in einem autothermen Reformer (ATR) vorgesehen.
- Hier beschreitet die vorliegende Erfindung einen oben angegebenen, anderen Weg. In der EP-1 370 485 ist noch ein unterstöchiometrisches H2/N2-Synthesegasverfahren beschrieben, wobei die US-5,820,654 ein Verfahren zur Synthesegaserzeugung durch partielle Oxidation unter Erzeugung eines N2-reichen Stromes beschreibt.
- Grundsätzlich ist es nach der Erfindung möglich, über den Membranreaktor eine praktisch 100 %-ige Trennung von O2 und N2 vorzunehmen. Dies ist aber nicht zwingend notwendig. So sieht die Erfindung in Ausgestaltung vor, daß ein Stick stoff- und 1 bis 21 % O2-enthaltender Gasstrom zur Einstellung des für eine Ammoniaksynthesegas-Zusammensetzung erforderlichen Verhältnisses dem Sekundärreformer zugeführt wird.
- Je nach zu treibendem Aufwand und einzusetzenden Anlageelementen kann der Druck des Sauerstoff liefernden Gases (z.B. Luft) zwischen 1 bis 100 bar, bevorzugt zwischen 1 und 50 bar, liegen, wie dies in Ausgestaltung nach der Erfindung ebenfalls vorgesehen ist. Üblicherweise wird aus energetischen Gründen ein möglichst geringer Druck der Luft z.B. von ca. 2 bar eingesetzt.
- In einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens kann dabei der Druck des Sauerstoff liefernden Gases mindestens 2 bis 10 bar über dem Druck des Synthesegases liegen. Liefert die Anlage einen nicht für den Prozeß benötigten Luftstrom, so kann dieser zweckmäßig über eine Entspannungsturbine, die mit dem Verdichter gekoppelt ist, geleitet werden. Auch dies ist in Ausgestaltung nach der Erfindung vorgesehen.
- Vorteilhaft ist es auch, wenn zur Erzielung höherer Temperaturen im Synthesegas der in der Sauerstoff abgereicherten Abluft verbliebene Sauerstoff zur partiellen Oxidation und zur Spaltung der restlichen Kohlenwasserstoffe zu CO und H2 im Sekundärreformer herangezogen wird, wobei es zweckmäßig sein kann, wenn der Restluftsauerstoffanteil im Luftstrom hinter dem Membranreaktor mit der Transportmembran 1 bis 10% O2 beträgt .
- In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Restluftsauerstoffanteil zur Erzielung der Austrittstemperatur am Sekundärreformer von 1.000 bis 1.100°C so eingestellt wird, daß das Verhältnis (H2 + CO) : N2 im Gas am Austritt ca. 3 entspricht.
- In einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, daß im Membranreaktor die partielle Oxidation (POX-Reaktion) und die Steam-Reforming-Reaktion z.B. über die Katalysatormenge und/oder die Kalysatoraktivität auf der einen Seite und die Gasströme und Membranflächen auf der anderen Seite thermisch derart gekoppelt sind, daß der Sauerstofftransport bei sinkender Temperatur nicht verlöscht und bei steigender Temperatur den selbstverstärkenden Effekt des steigenden Sauerstoffstromes an der Sauerstoff-Transportmembran begrenzt, wobei die entsprechenden Oberflächen hierzu mit einer Katalysator- und/oder Schutzschicht bzw. einer extra Katalysatorschüttung davor ausgerüstet sind.
- Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aufgrund der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnung, die in
-
1 ein Prozeßschaubild nach der Erfindung zeigt sowie in den -
1a ,2 und2a leicht abgewandelte Ausführungsbeispiele. - Bezug nehmend auf
1 wird ein Luftstrom1 einem Luftverdichter2 zugeführt, von dort einem mit Heizgas3a befeuerten Heizbrenner3 direkt oder indirekt und schließlich auf ca. 600°C erhitzt und dann der mit4 bezeichneten Membranseparation innerhalb eines allgemein mit5 bezeichneten Membranreaktors, der auch die partielle Oxidation6 und das Steam-Reforming7 beinhaltet, was durch eine punktierte Umrandung angedeutet ist. - Der abgereicherte Luftstrom verläßt gemäß Pfeil
8 auf beispielsweise 850°C aufgeheizt den Membranreaktor5 , beaufschlagt eine Einrichtung9 zur Abhitzenutzung, verläßt diese beispielsweise auf 180°C abgekühlt gemäß Pfeil10 und wird einem Split11 zugeführt, wobei die nicht benötigte Abluft gemäß Pfeil12 das System verläßt. Der anfallende Stickstoff wird aus dem Split einem Restverdichter13 zugeführt, der beispielsweise das Gas auf Synthesegasdruck verdichtet, das in diesem Zustand über den Pfeil14 dem Sekundärreformer15 zugeführt wird. - Gemäß Pfeil
16 wird z.B. Erdgas mit 40 bar einem Heizbrenner17 zugeführt, wobei die aus dem Luftverdichter2 mit 2 bar kommende Luft einem weiteren Luftverdichter2a zugeführt wird, der diese Verbrennungsluft auf 40 bar verdichtet, die dann gemäß Pfeil18 den Heizbrenner beaufschlagt, wobei über eine Leitung19 noch Dampf für ein H2/C-Verhältnis zwischen 0,6 und 3 zugeführt wird. Über den Weg20 wird das Erdgas der partiellen Oxidation6 zugeführt, wobei dort und beim Steam-Reforming z.B. Drücke in der Größenordnung von 40 bar herrschen können. - Mit dem Pfeil
21 ist der Strom des über die Membranseparation4 gewonnenen Sauerstoffes bezeichnet zur partiellen Oxidation6 . Der Wärmestrom über die Membranflächen ist über einen Pfeil22 angedeutet. Das den Steam-Reformer verlassende Gas weist beispielsweise in der Strecke23 eine Temperatur von 955°C auf und beaufschlagt so den Sekundärreformer15 , wobei der Abfluß des Rohsynthesegases mit24 bezeichnet ist. - In einer Ausgestaltung dieser Variante wird der Verdichter
2a so ausgelegt, daß der für den Sekundärreformer erforder-liche Luftstrom14a diesem entnommen werden kann. In diesem Fall werden der Split11 und der Restverdichter13 nicht benötigt. - In
1a ist ein gerinfügig abgewandeltes Ausführungsbeispiel dargestellt. Hier erfolgt die Vorwärmung der Luft in einem Wärmetauscher3b . Der Wärmestrom3c kann durch internen Wärmetausch aus dem Prozeß oder durch extreme Beheizung bereitstellt werden. Die Vorwärmung von Prozeßgas16 und Dampf17 erfolgt hier ebenfalls in einem Wärmetauscher. Der Wärmestrom18a kann auch hier sowohl über internen Wärmetausch aus dem Prozeß als auch mittels externer Beheizung bereitgestellt werden. - In
2 ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel dargestellt, das aufgrund anderer Verfahrensparameter möglich ist. - Wird beispielsweise die Luft
1 über den Luftverdichter2 nicht wie bei der Alternative des ersten Beispieles zunächst auf 2 bar und nachfolgend über den Luftverdichter2a auf 40 bar verdichtet, sondern von vornherein im Luftverdichter2 auf 40 bis 50 bar, so ist es möglich, überschüssige Luft über eine gekoppelte Abluftturbine25 im oder hinter dem Split11 vorzusehen. - Wird über die Membranseparation
4 nur eine O2-Anreicherung von beispielsweise 60 % vorgenommen, so wird der partiellen Oxidation6 gemäß Pfeil 21a 60 % Sauerstoff und 40 % N2 zugeführt. Der den Steam-Reforming-Teil7 verlassende Strom23 kann hier beispielsweise eine Temperatur von 970°C aufweisen, wobei das Rohsynthesegas24 den Sekundärreformer15 mit einer Temperatur von 1.000 bis 1.100°C verläßt. - Strichpunktiert ist in
2 ein Luftteilstrom26 dargestellt, der hinter dem Membranreaktor5 abgenommen wird und je nach Ausführung einen Sauerstoffgehalt von 1 bis 10 % aufweisen kann. - Doppelt gestrichelt dargestellt ist ein Luftteilstrom
27 , der vor dem Membranreaktor5 abgenommen wird und damit ungefähr 17 bis 21 % O2 enthält. Diese Möglichkeiten können vorgesehen werden, um die Membranfläche im Membranreaktor möglichst klein zu halten. - Erkennbar wird es mit dieser Variante möglich, auch beispielsweise Fehlstellen in der Membran zu tolerieren, d.h. der im Strom
21a befindliche Stickstoff bildet einen Defektgasstrom. - Ein weiteres abgewandeltes Ausführungsbeispiel ist in
2a dargestellt. Wie in der Variante nach1a erfolgt die Vorwärmung der Prozeßluft in einem Wärmetauscher3b und die Vorwärmung von Prozeßgas und Dampf in einem Wärmetauscher17a . Die für den Sekundärreformer15 benötigte Prozeßluft18b wird hier dem Luftverdichter2 entnommen. Die abgereicherte Luft8 nach der Sauerstoff-Transportmembran wird in einer Entspannungsturbine9a entspannt. Anschließend wird die abgereicherte Luft in einer Kühlstrecke mit Abwärmenutzung9 weiter abgekühlt.
Claims (9)
- Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas für eine Ammoniakanlage, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Membranreaktor aus einem Luftstrom über eine Sauerstoff-Transportmembran der Sauerstoff entzogen wird, der gewonnene Sauerstoff direkt zur partiellen Oxidation von Kohlenwasserstoffen, z.B. Erdgas, in Gegenwart eines Steam-Reformung-Katalysators herangezogen und dem reformierten Synthesegas in einem Sekundärreformer nach der partiellen Oxidation ein weiterer Stickstoff enthaltender Strom zugegeben wird, um das für eine Ammoniaksynthesegas-Zusammensetzung erforderliche Verhältnis einzustellen.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stickstoff- und 1 bis 21 % O2-enthaltender Gasstrom zur Einstellung des für eine Ammoniaksynthesegas-Zusammensetzung erforderlichen Verhältnisses dem Sekundärreformer zugeführt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Sauerstoff liefernden Gases (z.B. Luft) zwischen 1 bis 100 bar, bevorzugt zwischen 1 und 50 bar, liegt.
- Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Sauerstoff liefernden Gases mindestens 2 bis 10 bar über dem Druck des Synthesegases liegt und ggf. der nicht für den Prozeß benötigte Luftstrom über eine Entspannungsturbine mit dem Verdichter gekoppelt ist, geleitet wird.
- Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung höherer Temperaturen im Synthesegas der in der Sauerstoff abgereicherten Abluft verbliebene Sauerstoff zur partiellen Oxidation und zur Spaltung der restlichen Kohlenwasserstoffe zu CO und H2 herangezogen wird.
- Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Restluftsauerstoffanteil im Luftstrom hinter dem Membranreaktor mit der Transportmembran 1 bis 10 % O2 beträgt.
- Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Restluftsauerstoffanteil zur Erzielung der Austrittstemperatur am Sekundärreformer von 1.000 bis 1.100°C so eingestellt wird, daß das (H2 + CO) : N2-Verhältnis im Gas am Austritt ca. 3 entspricht.
- Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung der Luft und/oder des Erdgases auf direktem oder indirektem Wege vorgenommen wird.
- Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Membranreaktor die partielle Oxidation (POX-Reaktion) und die Steam-Reforming-Reaktion z.B. über die Katalysatormenge und/oder die Kalysatoraktivität auf der einen Seite und die Gasströme und Membranflächen auf der anderen Seite thermisch derart gekoppelt sind, daß der Sauerstofftransport bei sinkender Temperatur nicht verlöscht und bei steigender Temperatur den selbstverstärkenden Effekt des steigenden Sauerstoffstromes an der Sauerstoff-Transportmembran begrenzt, wobei die entsprechenden Oberflächen hierzu mit einer Katalysator- und/oder Schutzschicht ausgerüstet sind.
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