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DE102005021500A1 - Verfahren zur Aufheizung eines Dampf-/Erdgasgemisches im Bereich eines Gassammelrohres nach einem Primärreformer - Google Patents

Verfahren zur Aufheizung eines Dampf-/Erdgasgemisches im Bereich eines Gassammelrohres nach einem Primärreformer Download PDF

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DE102005021500A1
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Joachim Dr. Johanning
Evgeni Dr. Gorval
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Abstract

Mit einem Verfahren sowie einer Anlage zur Aufheizung und partiellen Oxidation eines nicht vorgeheizten vorreformierten Dampf-/Erdgasgemisches bei NH3-Verfahren soll eine Lösung geschaffen werden, mit der die Rußbildung soweit wie möglich vermieden wird, wobei auch die Möglichkeit einer variablen Zugabe von beispielsweise N2 und O2 oder deren Mischungen möglich sein soll.
Dies wird verfahrensmäßig dadurch erreicht, daß dem Gasstrom (Rohsynthesegas) in Strömungsrichtung hinter einem Primärreformer über wenigstens einem im Strömungsweg positionierten Porenbrenner Energie zugeführt wird.

Description

  • Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Aufheizung und partiellen Oxidation eines nicht vorgeheizten vorreformierten Dampf-/Erdgasgemisches im Bereich eines Gassammelrohres nach einem Primärreformer.
  • Bei NH3-Verfahren mit nicht vorgeheizter Luft + Erdgas erfolgt die notwendige Gasaufheizung in der Regel mit Wärmetauschern. Dabei darf der Temperaturanstieg, etwa durch Brenner, bei Methangehalten von 10 bis 12 mol.-%, wie sie nach dem Primärreformer üblich sind, nicht zu stark sein, da sonst mit einer Rußbildung zu rechnen ist.
  • Hier setzt die Erfindung an, deren Ziel u.a. darin besteht, die Rußbildung soweit wie möglich zu vermeiden, wobei auch die Möglichkeit einer variablen Zugabe von beispielsweise N2 und O2 oder deren Mischungen möglich sein soll.
  • Mit einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß dem Gasstrom (Rohsynthesegas) in Strömungsrichtung hinter einem Primärreformer über wenigstens einem im Strömungsweg positionierten Porenbrenner Energie zugeführt wird.
  • Durch den Einsatz von Porenbrennern im Strömungsweg des zu behandelnden Gases hinter dem Primärreformer wird eine Fülle von Vorteilen erreicht, so beispielsweise
    • – weite Regelbarkeit
    • – Brennerflammenstabilität unabhängig von Rohsynthesgasanströmungsgeschwindigkeit (wegen eigener Brenngaszufuhrmöglichkeit)
    • – Anfahren der Brenner auch wenn N2/Dampf im Kreislauf vorhanden ist
    • – variable Zugabemöglichkeit von Stickstoff und Sauerstoff und deren Mischungen
    • – Möglichkeit von Kurzzeitreaktionen, dadurch geringere Rußbildungsgefahr,
    • – Katalysator auf den statischen Mischern: sorgt für Gleichgewicht im Gas, reduziert Rußbildungsgefahr
    • – Austauschbarkeit der statischen Mischer im isolierten, ausgemauerten Rohr durch Modulbauweise (Material aus Metall-Dusting-beständigem Material, ggf. aluminiumbeschichtet)
    • – variabler Katalystoreinsatz: direkt am Brenner ein Partialoxidationskatalysator, danach ein Steam-Reform-Katalysator
    • – der bisherige Sekundärreformer kann entfallen, die benötigte Sauerstoffmenge kann kleiner sein, der Verbrauch (das Verbrennen) an bereits erzeugtem Rohysnthesegas (H2, CO sowie CH4) ist reduziert, da getrennt Brenngas (z.B. CH4) zugegeben wird.
  • An dieser Stelle sei auf einige Literaturstellen verwiesen, die, wenigstens am Rand, Problematiken der vorliegenden Erfindung ansprechen. So die US-6 730 285-A, die die Herstellung eines Synthesegases zum Inhalt hat. Die von der gleichen Anmelderin stammende US-6 746 624-A zeigt beschichtete Katalysatorrohre, wobei die DE-198 39 782-A u.a. auch statische Mischer in Strömungswegen zeigt. Ohne vorhergehendes Steam-Reforming wird in der DE-102 32 970-A eine Kurzzeit-Spezialoxidation beschrieben.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. So ist beispielsweise vorgesehen, daß neben der Energiezufuhr durch Brenngas und dem Oxidationsmittel Sauerstoff auch Stickstoff zur Anpassung des Synthesegases an einer Ammoniakanlage vorgenommen wird und/oder kleine Mengen von CO2 und/oder Dampf.
  • Mittels eines erfindungsgemäßen Porenbrenners ist es möglich, die Brenngasmenge in weiten Bereichen zu regulieren, bevorzugt überstöchiometrisch.
  • Durch den Einsatz der Porenbrenner ist es auch möglich, im Gasstrom katalystorbeschichtete, statische Mischer vorzuse hen, derart, daß diese Gasströme durch diese Mischer verwirbelt werden, wie dies die Erfindung ebenfalls vorsieht. Dabei ist es zweckmäßig, den Gasstrom über statische Mischer hinter dem jeweiligen Brenner zu verwirbeln, wobei die Mischer erfindungsgemäß eine Partialoxidationskatalysator-Beschichtung aufweisen.
  • Die Erfindung sieht auch vor, daß dem Porenbrenner ein nicht oder geringfügig vorgeheiztes Brenngas-Luft-Gemisch (insbesondere CH4 + Luft) zum stöchiometrischen oder überstöchiometrischen Betrieb zugeführt wird.
  • Vorteilhaft wird das Gasgemisch mittels des oder der Porenbrenner auf eine Temperatur von etwa 1000°C bis 1100°C aufgeheizt, so daß eine Rußbildung mit Sicherheit verhindert wird.
  • Die Aufheizung kann mittels mehrerer, hintereinander geschalteter Porenbrenner vorgenommen werden, wobei erfindungsgemäß katalytische Misch-Stufen zwischengeschaltet sind.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der Gasstrom nach oder zwischen den statischen Mischelementen über weitere, insbesondere wabenförmige, katalysatorhaltige Elemente geleitet.
  • Die eingangs genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß insbesondere durch eine Anlage gelöst, die sich dadurch auszeichnet, daß in jeder Sammelleitung der Reformerrohre zwischen dem letzten Rohreintritt und dem Anschluß an die Transferleitungen strömungsmäßig hinter dem Primärreformer wenigstens ein Porenbrenner vorgesehen ist.
  • Dabei kann in Ausgestaltung vorgesehen sein, daß jedem Porenbrenner ein statischer Mischer zugeordnet, insbesondere nachgeschaltet ist.
    •
  • Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aufgrund der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in
  • 1 ein Prinzipschaltbild eines Primärreformers mit nachgeschalteten Aggregaten und den erfindungsgemäßen Porenbrennern,
  • 2 eine vereinfachte räumliche Darstellung eines Primärreformers mit Sammelrohren und erfindungsgemäß positionierten Porenbrennern,
  • 3 bis 5 vergrößerte Darstellungen von Rohrausschnitten mit unterschiedlich gestalteten Porenbrennern sowie in
  • 6 die Positionierung von Porenbrennern im Übergangsbereich einer Sammelleitung zu einer Transferleitung.
  • Die wesentlichen Anlagenteile der in 1 allgemein mit 1 bezeichneten Teilanlage werden von dem mit 2 bezeichneten Primärreformer mit einer CH4 + Dampfzuleitung 3 und Deckenbrennern 4 sowie Sammelleitungen 5 und wenigstens einer Transferleitung 6 gebildet, wobei letztere in einem Abhitzekessel 7 mit Dampftrommel 8 führt und über Wärmetauscher 9 schließlich zu einem CO/Shift 10, worauf es aber hier weiter nicht ankommt.
  • Gestrichelt dargestellt ist die Möglichkeit eines ggf. externen (adiabaten) Katalysatorbettes 11. Die in der Transferleitung 6 positionierten Porenbrenner sind in 1 allgemein mit 12 bezeichnet, deren Zuführorgane mit 13, durch die beispielsweise Luft und CH4 zugeführt wird, wobei, wie in 1 angedeutet, in Strömungsrichtung hinter jedem Porenbrenner 12 katalytische, statische Mischer 14 vorgesehen sind. Schließlich ist in 1 noch eine Zuführleitung 15 angedeutet, durch die evtl. Dampf dem System zuführbar ist.
  • In 2 ist der Primärreformer 2 vereinfacht dreidimensional wiedergegeben mit den über die CH4-Dampfzuführleitung 3a gespeisten Reformerrohren 3, den Deckenbrennern 4 und Abgassammlern 16 zur Abführung des Abgases aus dem Brennraum und den Sammelleitungen 5 sowie einer Transferleitung 6, in der Porenbrenner 12 vorgesehen sind.
  • Lediglich ausschnittsweise ist in den 3 bis 5 z.B. das mit 6' bezeichnete Rohr einer Transferleitung 6 dargestellt, in die die allgemein mit 12 bezeichneten Porenbrenner eingebaut sind. Im in 3 dargestellten Beispiel ist der Kopf des Porenbrenners, mit 16 bezeichnet, kegelstumpfförmig ausgebildet mit der porösen Brennerwand 17 und einem gegen die Strömungsrichtung gerichteten Verdrängerkörper 18 mit stromabwärtsgerichteter Abdeckplatte.
  • Die den Brennerkopf 16 tragende Zuführleitung 13 weist eine äußere Isolierung 19 auf, eine Kaltluftzuführleitung mit z.B. O2-haltigem Gas 20 und ein zentrisches inneres Rohr 21 für das Zünd- bzw. Brenngas.
  • Den Porenbrennern ist gemein, daß in der Brennerwand 17 die Verbrennung erfolgt. Einzelheiten derartiger Brenner können z.B. aus der DE-43 22 109-A oder der entsprechenden EP-0 657 011-B entnommen werden.
  • In 3 ist auch dargestellt, wie die mit einer Katalysatorbeschichtung 22 versehenen statischen Mischer 14 im Rohr 6 positioniert sind. Sie sind als Prall- oder Leitbleche nur symbolhaft wiedergegeben, sie können schaufelförmig gestaltet sein u. dgl. mehr, worauf es hier nicht näher ankommt. Die statischen Mischer können beispielsweise über Haltestäbe 23 zu mehreren zu einer Baueinheit zusammengefaßt sein, derart, daß sie aus dem Rohr 6 mit seiner Isolierungsbeschichtung 6'' herausziehbar ist, was nicht näher dargestellt ist. Dies gilt auch für die Ausbaubarkeit des Brenners.
  • Die Strömungsrichtung des Rohsynthesegases ist durch kleine Pfeile 24 in den Figuren angedeutet. Das heiße Synthesegas nach den Brennern ist durch die Pfeile 25 gekennzeichnet. Dieses Synthesegas ist N2-, CO-, CO2-, H2-, H2O-haltig.
  • In 4 ist in ähnlicher Darstellungsweise wie in 3 eine abgewandelte Ausführung eines Brennerkopfes 16a dargestellt. Hier ist die poröse Brennerwand 17a etwas anders positioniert, sie bildet die Abdeckplatte des Brenners ebenso wie der innen liegende Verdrängerkörper 18. Ansonsten entsprechen die Verhältnisse denjenigen der 3.
  • In 4 sind die katalytisch beschichteten statischen Mischer ein wenig anders angedeutet als Teilschaufelblätter 22a und ebenfalls zu einem Einbaukäfig über entsprechende Verbindungselemente 23 zusammengefaßt.
  • In 5 ist wiederum ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel dargestellt, insbesondere was die Gestaltung des Porenbrenners 16b angeht. Dieser ist hier als zylindrischer Brennerkörper gestaltet, wobei über die Länge der die Flammenfront aufnehmenden wand 10b eine Reihe von statischen Mischern 22b zugeordnet ist.
  • Schließlich zeigt 6 einen Porenbrenner mit Zuführleitung, dessen Brennerkopf 16 im dargestellten Beispiel in eine Sammelleitung 5 ragt, die die Reformerrohre trägt, wobei an deren Kopfende eine Transferleitung 6 vorgesehen ist, die aus Darstellungsgründen um 90° in der Zeichenebene gedreht ist. In dünnerer Strichführung ist in 6 die Positonierung eines Porenbrennerkopfes 16 in dieser Transferleitung 6, wobei diese durch einen Abschlußdeckel einfach ein- und ausbaubar ist. Der Abschlußdeckel ist mit 26 bezeichnet.
  • Natürlich sind die beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung noch in vielfacher Hinsicht abzuändern, ohne den Grundgedanken zu verlassen. Dies gilt insbesondere für alle Gestaltungen des Porenbrenners und seine spezielle Positionierung in dem Strömungsweg des zu erhitzenden Gases.

Claims (12)

  1. Verfahren zur Aufheizung und partiellen Oxidation eines nicht vorgeheizten vorreformierten Dampf-/Erdgasgemisches bei NH3-Verfahren, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gasstrom (Rohsynthesegas) in Strömungsrichtung hinter einem Primärreformer über wenigstens einem im Strömungsweg positionierten Porenbrenner Energie zugeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben der Energiezufuhr durch Brenngas und einem Oxidationsmittel (z.B. Sauerstoff) dem Gasstrom auch Stickstoff zur Anpassung des Synthesegases für eine Ammoniakanlage zugeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gasstrom zusätzlich CO2 und/oder Dampf zugeführt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Porenbrenner überstöchiometrisch betrieben wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom über katalystorbeschichtete, statische Mischer verwirbelt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom über statische Mischer hinter dem jeweiligen Brenner verwirbelt wird, wobei die Mischer eine Partialoxidationskatalysator-Beschichtung aufweisen.
  7. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß dem Porenbrenner ein nicht oder geringfügig vorgeheiztes Brenngas-Luft-Gemisch (insbesondere CH4 + Luft) zum stöchiometrischen oder überstöchiometrischen Betrieb zugeführt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß über die Porenbrenner das Gasgemisch auf eine Temperatur von etwa 1000°C bis 1100°C aufgeheizt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizung mittels mehrerer, hintereinander ge schalteter Porenbrenner mit zwischengeschalteten katalytischen Misch-Stufen vorgenommen wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom über nach oder zwischen den statischen Mischelementen vorgesehene weitere, insbesondere wabenförmige, katalysatorhaltige Elemente geleitet wird.
  11. Anlage, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Sammelleitung (5) der Reformerrohre (3) zwischen dem letzten Rohreintritt und dem Anschluß an die Transferleitung (6) und/oder in der Transferleitung (6) wenigstens ein Porenbrenner (12) vorgesehen ist.
  12. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Porenbrenner (12) ein statischer Mischer (14) zugeordnet, insbesondere nachgeschaltet ist.
DE102005021500A 2005-05-10 2005-05-10 Verfahren zur Aufheizung eines Dampf-/Erdgasgemisches im Bereich eines Gassammelrohres nach einem Primärreformer Withdrawn DE102005021500A1 (de)

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