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DE102014007470A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Dampfreformierung sowie zur Dampfspaltung von Kohlenwasserstoffen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Dampfreformierung sowie zur Dampfspaltung von Kohlenwasserstoffen Download PDF

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DE102014007470A1
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Michael Nold
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Original Assignee
Linde GmbH
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ofen (1) sowie ein Verfahren zur Temperierung eines Stoffstroms (M), wobei der Ofen (1) eine erste Brennkammer (10), zumindest ein Reaktorrohr (2) zur Aufnahme eines zu erhitzenden Stoffstromes (M), das durch die erste Brennkammer (10) geführt ist, sowie zumindest eine zweite Brennkammer (20) aufweist, wobei das mindestens eine Reaktorrohr (2) auch durch die mindestens eine zweite Brennkammer (20) geführt ist, wobei der Ofen (1) dazu ausgebildet ist, eine in der ersten Brennkammer (10) erzeugbare erste Temperatur (T1) und eine in der mindestens einen zweiten Brennkammer (20) erzeugbare zweite Temperatur (T2) jeweils separat einzustellen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Ofen, insbesondere zum Spalten von Kohlenwasserstoffen zur Herstellung von Olefinen, sowie einen Reformer zur Wasserstofferzeugung durch das Dampfreformieren von Methan gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Temperieren eines in einem Ofen strömenden Stoffstromes nach Anspruch 9.
  • Dampfreformierung von Methan zur Wasserstofferzeugung ist ein bekanntes Verfahren. In einem solchen Verfahren wird ein angewärmter Stoffstrom durch ein Bündel von Reaktorrohren geleitet, welches sich in einem Feuerraum (auch Feuerungsraum genannt) eines Ofens befindet. Der Stoffstrom enthält dabei den methanhaltigen Einsatz sowie Wasserdampf. Das Einleiten des Stoffstroms in einen solchen Ofen geschieht bevorzugt, indem die Reaktorrohre durch die Decke eines sich vertikal erstreckenden Feuerraums in den Feuerraum geführt und am gegenüberliegenden Boden wieder aus dem Feuerraum herausgeleitet werden. Zum Erhitzen des Stoffstromes sind an der Decke des Feuerraums in der Regel Brenner vorgesehen, die in dem Ofen lokal sehr hohe Temperaturen (beispielsweise bis zu 1800°C in der Flamme) erzeugen. Die Reaktorrohre des Rohrbündels bestehen daher aus einem entsprechend hitzeresistenten Material, damit sie diesen extremen Strahlungsbedingungen widerstehen können. Die Gasbrenner werden für gewöhnlich im Flammenbetrieb betrieben, was dazu führt, dass sich eine inhomogene Temperaturverteilung im Feuerraum ausbildet, wobei die Temperatur von der Decke des Feuerraums ausgehend nach unten hin abnimmt.
  • Das Dampfspalten von Kohlenwasserstoffen ist ebenfalls ein bekanntes Verfahren. In einem solchen Verfahren wird ein angewärmter Stoffstrom durch ein Bündel von Reaktorrohren geleitet, welche sich in einem Feuerungsraum eines Ofens befinden. Der Stoffstrom enthält dabei den gasförmigen kohlenwasserstoffhaltigen Einsatz sowie Wasserdampf. Das Einleiten des Stoffstroms in einen solchen Ofen geschieht bevorzugt, indem die Reaktorrohre durch die Decke eines sich vertikal erstreckenden Feuerraums in den Feuerraum geführt werden und in einem Bogen dicht über dem gegenüberliegenden Boden wieder nach oben geführt und aus dem Feuerraum herausgleitet werden. Zum Erhitzen des Stoffstromes sind am Boden und/oder an der Seitenwand des Feuerraums in der Regel Brenner vorgesehen, die in dem Ofen lokal sehr hohe Temperaturen (beispielsweise bis zu 2000°C in der Flamme) erzeugen. Die Reaktorrohre des Rohrbündels bestehen daher aus einem entsprechend hitzeresistenten Material, damit sie diesen extremen Strahlungsbedingungen widerstehen können.
  • Bei Eintritt des Stoffstroms in den Feuerraum werden die Reaktorrohre zunächst durch den vergleichsweise kälteren Stoffstrom vor einer Überhitzung geschützt. Dabei erwärmt sich der Stoffstrom im weiteren Verlauf so stark, dass er die Rohre nicht mehr ausreichend kühlen kann, so dass die Temperatur der Feuerung beschränkt werden muss, um die Rohre nicht zu überhitzen. Der Temperaturverlauf im Stoffstrom ist unter anderem von der Fließgeschwindigkeit des Stoffstroms, dem Temperaturprofil im Feuerraum und anderen Faktoren, wie beispielsweise der Art und Menge von in den Rohren angeordnetem Katalysatormaterial, abhängig. Durch diese Faktoren sind Reaktionsbedingungen, insbesondere im Hinblick auf den Temperaturverlauf im Feuerraum, nur eingeschränkt variierbar, unter anderem auch, da die Reaktorrohre nicht überhitzt werden dürfen. Dies hat außerdem zur Folge, dass der Wirkungsgrad der Energieübertragung aufgrund der gegebenen Temperaturdifferenzen zwischen Feuerung und Stoffstrom an die Rohre limitiert ist. Für beide Verfahren ist ein hoher energetischer Wirkungsgrad aus wirtschaftlichen Gründen sehr wichtig, weshalb einiger Aufwand betrieben wird um die Abwärme des verbrannten Brennstoffes zu nutzen.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren anzugeben, die eine flexiblere Handhabung der Reaktionsdynamik im Stoffstrom bei gleichzeitig hohem energetischen Wirkungsgrad erlauben und gleichzeitig einen ausreichenden Schutz der Reaktorrohre vor einer Überhitzung sicherstellen.
  • Dieses Problem wird durch einen Ofen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend beschrieben.
  • Gemäß Anspruch 1 ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Ofen zumindest eine zweite Brennkammer aufweist, wobei das mindestens eine Reaktorrohr auch durch die mindestens eine zweite Brennkammer geführt ist, wobei der Ofen dazu ausgebildet ist, eine in der ersten Brennkammer erzeugbare erste Temperatur und eine in der mindestens einen zweiten Brennkammer erzeugbare zweite Temperatur jeweils separat einzustellen.
  • Durch dieses Mehrkammerprinzip lassen sich insbesondere die Temperaturverläufe in dem Stoffstrom besser einstellen, da die Umgebungstemperatur in der mindestens einen zweiten Brennkammer separat einstellbar ist und somit eine Temperaturdifferenz zwischen einem Reaktorrohr und der mindestens einen weiteren Brennkammer vorgebbar ist. Dadurch kann insbesondere der Schutz des Reaktorrohres vor Überhitzung sichergestellt werden. Gleichzeitig wird die Möglichkeit der Temperierung des Stoffstroms in einem Reaktorrohr erhalten. Der Ofen kann natürlich mehrere Reaktorrohre zum Führen/Erhitzen des Stoffstromes aufweisen, die ein Rohrbündel bilden können.
  • In einer bevorzugten Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass das mindestens eine Reaktorrohr so durch die Brennkammern geführt ist, dass ein darin strömender Stoffstrom zunächst durch die erste und dann durch die mindestens eine zweite Brennkammer und ggf. weitere Brennkammern geführt wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Ofen zumindest einen ersten Brenner auf, der dazu ausgebildet ist, zum Erhitzen eines in dem mindestens einen Reaktorrohr strömenden Stoffstromes einen Brennstoff unter Erzeugung einer Flamme in der ersten Brennkammer zu verbrennen. Der Ofen kann auch mehrere derartige erste Brenner in der ersten Brennkammer aufweisen.
  • In einer bevorzugten Variante der Erfindung weist der Ofen zumindest einen zweiten Brenner auf, der dazu ausgebildet ist, einen Brennstoff flammenlos in der mindestens einen zweiten Brennkammer zu oxidieren (so genannter FLX-Brenner). Auch hier können ggf. mehrere derartige zweite Brenner in der zweiten Brennkammer (oder ggf. weiteren Brennkammern) vorgesehen sein.
  • Eine solche flammenlose Oxidation (FLX) zeichnet sich beispielsweise durch die Verminderung der Entstehung von Stickoxiden aus. Mittels derartiger zweiter Brenner lässt sich durch einen hohen Eintrittsimpuls des Luftstroms eine gute Rauchgasvermischung erzeugen, die zu einer homogenen Temperaturverteilung in der entsprechenden Brennkammer führt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine erste Brenner insbesondere an einer Decke oder an einem Boden der ersten Brennkammer angeordnet ist, wobei insbesondere der Eintritt des mindestens einen Reaktorrohres in die erste Brennkammer auf derjenigen Seite der ersten Brennkammer erfolgt, auf der auch der mindestens eine erste Brenner angeordnet ist, und wobei insbesondere das mindestens eine Reaktorrohr auf derjenigen Seite aus der ersten Brennkammer austritt, die dem mindestens einen ersten Brenner gegenüberliegt.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Ofen einen Feuerraum auf, der durch zumindest eine Wand des Feuerraumes in die erste und die mindestens eine zweite Brennkammer unterteilt ist. Alternativ besteht natürlich auch die Möglichkeit, vollkommen separate Brennkammern in Form von separaten Feuerräumen bereitzustellen.
  • Vorzugsweise teilen sich die erste und die mindestens einen weitere Brennkammer insbesondere eine gemeinsame Wandung. Bei mehreren Brennkammern in Form von separaten Einheiten werden die Brennkammern durch die Reaktorrohre verbunden, die zwischen den Einheiten verlaufen.
  • In einer bevorzugten Variante der Erfindung ist der Ofen so ausgebildet, dass die in der ersten Brennkammer erzeugbare erste Temperatur höher ist als die in der mindestens einen zweiten Brennkammer erzeugbare zweite Temperatur. Da die Temperaturverteilung in der ersten Brennkammer aufgrund der Anordnung der ersten Brenner in der Regel heterogen ausfällt, bezieht sich die erste Temperatur insbesondere auf den Bereich der Flamme des mindestens ersten Brenners.
  • Bevorzugt ist der Ofen weiterhin so ausgebildet, dass in der mindestens einen zweiten Brennkammer eine homogene zweite Temperatur einstellbar ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die mindestens eine zweite Brennkammer durch das oben beschriebene FLX-Verfahren geheizt wird.
  • Wie bereits erwähnt, sind insbesondere zweite Brenner in Form von FLX-Brennern dazu geeignet, ein räumlich homogenes Temperaturprofil auszubilden, was bei einem im Flammenbetrieb gefahrenen Brenner nicht der Fall sein muss.
  • Weiterhin wird die gestellte Aufgabe durch ein Verfahren zum Temperieren eines in zumindest einem Reaktorrohr eines Ofens in einer Strömungsrichtung strömenden Stoffstromes gelöst, insbesondere unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Ofens, wobei der in dem mindestens einen Reaktorrohr strömende Stoffstrom in einer ersten Brennkammer einer separat einstellbaren ersten Temperatur ausgesetzt wird, und sodann in zumindest einer zweiten Brennkammer zum Schutz des mindestens einen Reaktorrohres vor einer Überhitzung einer separat einstellbaren zweiten Temperatur ausgesetzt wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird in der mindestens einen zweiten Brennkammer eine homogene zweite Temperatur eingestellt. Hierbei wird insbesondere in der ersten Brennkammer der in dem mindestens einen Reaktorrohr strömende Stoffstrom einer in Strömungsrichtung abnehmenden ersten Temperatur ausgesetzt, wobei das Maximum der ersten Temperatur insbesondere deutlich höher (mehrere 100 K) liegt als die zweite Temperatur.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich auf verschiedene Prozesse in Öfen anwenden.
  • So ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Stoffstrom Kohlenwasserstoffverbindungen und Wasserdampf gegebenenfalls unter Einsatz geeigneter Katalysatoren im Ofen zu Wasserstoff und Kohlenstoffoxiden umgesetzt werden. Allgemeinhin wird diese chemische Reaktion unter dem Begriff Dampfreformierung subsummiert. Als Katalysatoren werden vorzugsweise Nickel- oder Edelmetall-basierte Katalysatormaterialien verwendet.
  • In einer weiteren bevorzugten Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stoffstrom längerkettige Kohlenwasserstoffverbindungen, insbesondere Naphtha, Propan, Butan und oder Ethan, und Wasser enthält, wobei die Kohlenwasserstoffverbindungen mit dem Wasser im Ofen zu Olefinen wie Ethen und Propen umgesetzt werden. Gemeinhin wird diese chemische Reaktion unter dem Begriff Dampfspaltung oder Steamcracking subsummiert.
  • In einer weiteren bevorzugten Variante der Erfindung enthält der Stoffstrom Propan und insbesondere Wasserdampf, wobei das Propan gegebenenfalls mit entsprechenden Katalysatoren im Ofen zu Propen im Rahmen einer Propandehydrierungsreaktion umgesetzt wird.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in den nachfolgenden schematisch in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Abbildung eines erfindungsgemäßen Ofens; und
  • 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ofens.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ofens 1. Ein Stoffstrom M wird dabei in mindestens einem Reaktorrohr 2 oder einem Reaktorrohrbündel 2 durch die Decke 10a einer ersten Brennkammer 10 in die erste Brennkammer 10 eingeleitet. An der Decke 10a der ersten Brennkammer 10 ist zumindest ein erster Brenner 11 vorgesehen, der in diesem Beispiel einen Brennstoff unter Bildung einer Flamme oxidiert. In der ersten Brennkammer 10 heizt sich der Stoffstrom M auf. Das mindestens eine Reaktorrohr 2 verlässt die erste Brennkammer 10 durch den der Decke 10a entlang der Vertikalen gegenüberliegenden Boden 10b der ersten Brennkammer 10 und tritt durch den Boden 20b einer zweiten Brennkammer 20 in die besagte zweite Brennkammer 20 ein. In dieser zweiten Brennkammer 20 sind zwei einander insbesondere diagonal gegenüberliegende zweite Brenner in Form von FLX-Brennern 21 angeordnet, die vorzugsweise dazu ausgebildet sind, ein vergleichsweise homogenes räumliches Temperaturprofil in der zweiten Brennkammer 20 zu erzeugen. Der Stoffstrom M, der in diesem Abschnitt teilweise aus Edukt und Produkt bestehen mag (siehe auch die oben beschriebenen Anwendungen des Verfahrens), tritt durch die Decke 20b der zweiten Brennkammer 20 aus dem Ofen 1 aus und wird von dort aus weitergeleitet, um evtl. weiterverarbeitet zu werden. Es ist zu beachten, dass in diesem Beispiel die erste und die zweite Brennkammer 10, 20 durch einen Feuerraum 3 gebildet werden, der durch eine mittige, vertikal verlaufende Wand 4 des Feuerraum 3 in die beiden Brennkammern 10, 20 unterteilt ist, so dass die beiden Brennkammern 10, 20 lateral zueinander benachbart sind. Es können weitere Brennkammern in Form der zweiten Brennkammer 20 vorgesehen sein, die sich z. B. lateral an die eine zweite Brennkammer 20 anschließen können.
  • In 2 wird wie in 1 der Stoffstrom M zunächst durch eine erste Brennkammer 10 nach Art der 1, die ebenfalls im Flammenoxidationsbetrieb beheizt wird, geführt, bevor der Stoffstrom M in eine zweite Brennkammer 20 eintritt, die im FLX-Verfahren beheizt wird. In diesem Fall allerdings tritt der Stoffstrom M (und das mindestens eine Reaktorrohr 2) in die zweite Brennkammer 20 durch die Decke 20a der zweiten separaten Brennkammer 20 ein und tritt an deren Boden 20b wieder aus. Die gepunktete Darstellung des mindestens einen Reaktorrohres 2 markiert einen Bereich oder ein Modul 100 des Ofens 1, der bzw. das an dieser Stelle beliebig oft hintereinandergeschaltet werden kann. Dieses Modul 100 weist einen Abschnitt des mindestens einen Reaktorrohres 2 (der gepunktet dargestellt ist) und die besagte zweite Brennkammer 20 auf. In jedem weiteren Modul kann die Temperatur separat geregelt werden. Nach Durchlaufen einer letzten Brennkammer 50 tritt der Stoffstrom M aus dieser aus und kann entsprechend weiterverarbeitet werden. Dieses System stellt eine Optimierung von herkömmlichen Öfen dar. Eine Modifikation der Anordnung gemäß 2 kann vorsehen, dass die Brennkammern 10, 20, 50 wiederum aus einem einzigen Feuerraum durch Unterteilung des Feuerraumes mittels Wänden des Feuerraumes hervorgehen. Bezugszeichenliste
    1 Ofen
    2 Reaktorrohr/Rohrbündel
    3 Feuerraum
    4 Trennwand von zwei Brennkammern
    10 Erste Brennkammer
    10a Decke der ersten Brennkammer
    10b Boden der ersten Brennkammer
    11 Brenner der ersten Brennkammer
    20 Zweite Brennkammer
    20a Decke der zweiten Brennkammer
    20b Boden der zweiten Brennkammer
    21 FLX Brenner der zweiten Brennkammer
    50 Eine letzte Brennkammer
    100 Brennkammer-Modul
    M Stoffstrom
    T1 Erste Temperatur
    T2 Zweite Temperatur

Claims (13)

  1. Ofen (1) mit einer ersten Brennkammer (10) sowie zumindest einem durch die erste Brennkammer (10) geführten Reaktorrohr (2) zur Aufnahme eines zu erhitzenden Stoffstromes (M), dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen (1) zumindest eine zweite Brennkammer (20) aufweist, durch die das mindestens eine Reaktorrohr (2) gleichfalls geführt ist, wobei der Ofen (1) so ausgebildet ist, dass eine in der ersten Brennkammer (10) erzeugbare erste Temperatur (T1) und eine in der mindestens einen zweiten Brennkammer (20) erzeugbare zweite Temperatur (T2) jeweils separat einstellbar sind.
  2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Reaktorrohr (2) so durch die Brennkammern (10, 20) geführt ist, dass ein darin strömender Stoffstrom (M) zunächst durch die erste und dann durch die mindestens eine zweite Brennkammer (10, 20) geführt wird.
  3. Ofen nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen (1) zumindest einen ersten Brenner (11) aufweist, der dazu ausgebildet ist, zum Erhitzen eines in dem mindestens einen Reaktorrohr (2) strömenden Stoffstromes (M) einen Brennstoff unter Erzeugung einer Flamme in der ersten Brennkammer (10) zu verbrennen.
  4. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen (1) zumindest einen zweiten Brenner (11) aufweist, der dazu ausgebildet ist, einen Brennstoff flammenlos in der mindestens einen zweiten Brennkammer (20) zu oxidieren.
  5. Ofen nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine erste Brenner (11) insbesondere an einer Decke (10a) oder an einem Boden (10b) der ersten Brennkammer (10) angeordnet ist, wobei insbesondere der Eintritt des Reaktorrohres (2) in die erste Brennkammer (10) auf derjenigen Seite der ersten Brennkammer (10) erfolgt, auf der auch der mindestens eine erste Brenner (11) angeordnet ist, und wobei insbesondere das mindestens eine Reaktorrohr (2) auf derjenigen Seite aus der ersten Brennkammer (10) austritt, die dem mindestens einen ersten Brenner (11) gegenüberliegt.
  6. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen (1) einen Feuerraum (3) aufweist, der durch zumindest eine Wand (4) des Feuerraumes (3) in die erste und die mindestens eine zweite Brennkammer (10, 20) unterteilt ist, oder dass die Brennkammern (10, 20) durch separate Feuerräume gebildet sind.
  7. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen (1) so ausgebildet ist, dass die in der ersten Brennkammer (10) erzeugbare erste Temperatur (T1) höher ist als die in der mindestens einen zweiten Brennkammer (20) erzeugbare zweite Temperatur (T2), wobei die Differenz der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur insbesondere mehrere 100 K beträgt.
  8. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen (1) so ausgebildet ist, dass in der mindestens einen zweiten Brennkammer (20) eine homogene zweite Temperatur (T2) einstellbar ist.
  9. Verfahren zum Temperieren eines in zumindest einem Reaktorrohr (2) eines Ofens (1) in einer Strömungsrichtung strömenden Stoffstromes (M), insbesondere unter Verwendung eines Ofens (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der in dem mindestens einen Reaktorrohr (2) strömende Stoffstrom (M) in einer ersten Brennkammer (10) einer separat einstellbaren ersten Temperatur ausgesetzt wird und anschließend in zumindest einer zweiten Brennkammer (20) zum Schutz des mindestens einen Reaktorrohres (2) vor einer Überhitzung einer separat einstellbaren zweiten Temperatur ausgesetzt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der mindestens einen zweiten Brennkammer (20) eine homogene zweite Temperatur (T2) eingestellt wird.
  11. Verfahren nach den Ansprüchen 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoffstrom (M) Kohlenwasserstoffverbindungen und Wasserdampf enthält, wobei die Kohlenwasserstoffe mit dem Wasser gegebenenfalls mit einem Katalysator im Ofen (1) zu Wasserstoff und den entsprechenden oxidierten Kohlenstoffverbindungen umgesetzt werden.
  12. Verfahren nach den Ansprüchen 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoffstrom (M) Kohlenwasserstoffverbindungen, insbesondere Naphtha, Propan, Butan und/oder Ethan und Wasserdampf enthält, wobei die Kohlenwasserstoffverbindungen mit dem Wasser im Ofen (1) zu Olefinen, wie z. B. Ethen und/oder Propen, umgesetzt werden.
  13. Verfahren nach den Ansprüchen 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoffstrom (M) Propan und Wasserdampf enthält, wobei das Propan im Ofen (1) zu Propen umgesetzt wird, insbesondere in Gegenwart eines Katalysators.
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