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EP0182992B1 - Energiegünstiges Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas mit einem hohen Methangehalt - Google Patents

Energiegünstiges Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas mit einem hohen Methangehalt Download PDF

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EP0182992B1
EP0182992B1 EP85111795A EP85111795A EP0182992B1 EP 0182992 B1 EP0182992 B1 EP 0182992B1 EP 85111795 A EP85111795 A EP 85111795A EP 85111795 A EP85111795 A EP 85111795A EP 0182992 B1 EP0182992 B1 EP 0182992B1
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EP
European Patent Office
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gas
synthesis gas
reactor
heated
methane
Prior art date
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EP85111795A
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EP0182992A3 (en
Inventor
Peter Dr.-Ing. Heinrich
Klaus Dr.-Ing. Knop
Friedbert Dr.-rer. nat. Rübe
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MAN Gutehoffnungshutte GmbH
Original Assignee
MAN Gutehoffnungshutte GmbH
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Publication date
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Publication of EP0182992A3 publication Critical patent/EP0182992A3/de
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    • Y10S48/00—Gas: heating and illuminating
    • Y10S48/01—Recirculation of gases produced to lower part of fuel bed

Definitions

  • the invention relates to a process for the production of synthesis gas, in which the synthesis gas obtained in a reactor by gasification of C-containing fuel and containing methane as a by-product is cooled in a regenerator and subjected to a gas treatment, and part of the gas as recycle gas is returned to the reactor is supplied together with combustion gas and C-containing fuel, the gas being heated by the regenerator before re-entering the reactor.
  • EP-A-108 198 Also known from EP-A-108 198 is a method for operating a gasification reactor for generating synthesis gas, in which, however, no methane is formed. Some of the waste heat from the synthesis gas generated is returned to the circuit after gas conditioning. In order to increase the economy, the cycle gas is heated by the exhaust gas heat of the reactor before re-entry into the gasification reactor. The heat exchange between hot synthesis gas and cold cycle gas takes place via heat exchangers.
  • the invention has for its object to provide a method for generating synthesis gas with a relatively high methane content, which has a particularly low energy consumption and can therefore be carried out particularly economically.
  • the process is also said to do without a conversion step and to provide a synthesis gas which is particularly suitable for direct ore reduction.
  • This object is achieved in a method according to the invention in that the gas is further cooled in the gas preparation in a 4-pole heat exchanger and a condenser, is subjected to a gas scrub to remove the main part of methane and carbon dioxide and after re-passage through the 4-pole heat exchanger is heated and fed to a heater, and that at least part of the additional process steam formed in the heater is fed to the gasification reactor.
  • the raw gas is cooled to the extent that it passes below its dew point after passing through the regenerator in the 4-pole heat exchanger and the condenser.
  • the heat energy extracted from the gas is not dissipated, but is fed back into the circuit at the points where the heat energy is required.
  • a hydrogen-rich synthesis gas for ore direct reduction can be produced in a simple manner, methane also being obtained as a valuable by-product, which is partly used to operate the heater and also as synthesis gas for producing chemical products, for. B. in the production of methanol, or can be used as fuel gas in other processes.
  • the method further provides that oxygen is introduced as combustion gas into the gasification reactor.
  • oxygen is introduced as combustion gas into the gasification reactor.
  • the oxygen improves the gasification behavior of the coal. It is advantageous for the energy balance of the process if part of the excess process steam energy is used to generate oxygen for the reactor.
  • carbon is fed to a fluidized bed reactor 1 in the form of fine-grained, reactive coal dust.
  • Highly heated process steam, oxygen and cycle gas are passed into the reactor 1 as gasifying agents for the coal dust.
  • the composition of the cycle gas is shown in Table 1, column 3.0.
  • the coal is gasified at a temperature of 800 ° C. and a pressure of 10 bar.
  • the ash produced during coal gasification is withdrawn from the bottom of the reactor.
  • the synthesis gas leaves the reactor overhead with a composition according to column 4.0, table 1.
  • the synthesis gas After passing through a fly ash or dust separator 2, the synthesis gas then enters the cooling element of a regenerator 3, in which it is cooled from 800 ° C. to 578 ° C.
  • a regenerator 3 Suitable regenerators that extract heat from a hot gas stream via a cooling element, store it and transfer the storage heat to another gas stream via a heating element are known to the person skilled in the art, for. B. known from blast furnace technology and glass production and therefore do not need to be described in particular.
  • the gas is cooled further in a 4-pole heat exchanger 4 and a condenser 5, in which the gas is cooled down to 60 ° C.
  • the condensate water accumulating in the condenser 5 is drained off.
  • the gas is subjected to a so-called PSA gas scrubbing at 6, through which the methane and carbon dioxide content of the synthesis gas is selectively separated from the gas stream.
  • PSA gas scrubbing is a well-known absorption process, in which certain, from one Gas flow to be separated gases are absorbed on a solid and then by a purge gas, for. B. nitrogen, are removed after depressurization. The separated methane and carbon dioxide are removed from the gas cycle and are available for other use.
  • Gas scrubbing 6 significantly increases the hydrogen content of the synthesis gas, as can be seen in Table 1, column 6.0.
  • the synthesis gas now has the gas composition that is required for the later ore reduction.
  • the synthesis gas is fed to a compressor 7 and then passes through the 4-pole heat exchanger 4 again, in which it is heated to 466 ° C.
  • the gas stream passes through a heater 8, in which the process steam required in the process is additionally generated and in which the synthesis gas is heated to a high level by burning part of the methane separated off in the gas scrubber 6 after passing through the heater 8, the synthesis gas enters the reduction reactor 9 at a temperature of 900 ° C.
  • the synthesis gas is partially oxidized during the reduction and then leaves the reactor 9 with a lower-hydrogen composition according to Table 1, column 3.0.
  • This so-called blast furnace gas is fed to the heating element of the regenerator 3, by means of which it is heated to 750 ° C. and is then re-introduced into the reactor 1 as a circulating gas.
  • the superheated steam generated in the heater 8 drives a steam turbine 10, the output of which covers practically the entire electrical energy requirement of the method. Part of the turbine power is used to produce the oxygen required in coal gasification by air separation at 11. The oxygen is then compressed and fed to the reactor 1.
  • the steam emerging from the steam turbine 10 is fed to the reactor 1 as process steam, it having previously been heated to 750 ° C. in the regenerator 3.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas, bei dem das in einem Reaktor durch Vergasung von C-haltigem Brennmaterial gewonnene und Methan als Nebenprodukt enthaltende Synthesegas in einem Regenerator abgekühlt und einer Gasaufbereitung unterzogen wird, und ein Teil des Gases als Kreislaufgas dem Reaktor wieder zusammen mit Verbrennungsgas und C-haltigen Brennmaterial zugeführt wird, wobei das Gas vor dem Wiedereintrittt in den Reaktor von dem Regenerator aufgeheizt wird.
  • Gemäß DE-A-3 223 702 ist ein ähnliches Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas bekannt. Dieses Verfahren zeichnet sich durch einen niedrigen Energieverbrauch aus, da die Hochtemperaturenergie des aus dem Synthesegas austretenden Gases dafür verwendet wird, um das Kreislaufgas vor dem Wiedereintritt in den Reaktor aufzuheizen.
  • Unter den im Reaktor herrschenden vergasungsbedingungen wird bei diesem Verfahren ein Rohgas erhalten, bei dem der Wasserstoffgehalt relativ niedrig liegt und das so gut wie kein Methan enthält. Um den Wasserstoffgehalt des Gases aufzubessern, ist es weiterhin erforderlich, das Gas durch einen Hochtemperatur-Konverter zu schicken.
  • Ebenfalls durch die EP-A-108 198 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Vergasungsreaktors zur Erzeugung von Synthesegas bekannt, bei dem jedoch kein Methan gebildet wird. Ein Teil der Abwärme des erzeugten Synthesegases wird nach einer Gasaufbereitung dem Kreislauf wieder zugeführt. Zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit wird bei dem Verfahren das Kreislaufgas vor Wiedereintritt in den Vergasungsreaktor durch die Abgaswärme des Reaktors aufgeheizt. Der Wärmeaustausch zwischen heißem Synthesegas und kaltem Kreislaufgas erfolgt dabei über Wärmetauscher.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas mit einem relativ hohen Methangehalt anzugeben, das einen besonders niedrigen Energieverbrauch aufweist und daher besonders wirtschaftlich durchgeführt werden kann. Das Verfahren soll ferner ohne einen Konvertierungsschritt auskommen und ein Synthesegas liefern, das sich insbesondere für die Erzdirektreduktion gut eignet.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß bei der Gasaufbereitung das Synthesegas in einem 4-Pol-Wärmetauscher und einem Kondensator weiter abgekühlt wird, einer Gaswäsche zur Entfernung des Hauptanteils von Methan und Kohlendioxid unterzogen wird und nach erneutem Durchtritt durch den 4-Pol-Wärmeaustauscher aufgeheizt einem Erhitzer zugeführt wird, und daß zumindest ein Teil des im Erhitzer zusätzlich gebildeten Prozeßdampfes dem Vergasungsreaktor zugeführt wird.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Rohgas nach Durchlaufen des Regenerators in dem 4-Pol-Wärmetauscher und dem Kondensator soweit abgekühlt, daß es seinen Taupunkt unterschreitet. Die dem Gas entzogene Wärmeenergie wird aber nicht abgeführt, sondern an den Stellen in den Kreislauf wieder eingespeist, an denen die Wärmeenergie benötigt wird. Durch das Verfahren läßt sich auf einfache Weise ein wasserstoffreiches Synthesegas für die Erzdirektreduktion darstellen, wobei als wertvolles Nebenprodukt auch noch Methan anfällt, das zum Teil zum Betrieben des Erhitzers herangezogen wird und ferner als Synthesegas zur Erzeugung chemischer Produkte, z. B. bei der Methanolerzeugung, oder als Brenngas bei anderen Verfahren eingesetzt werden kann.
  • Bei dem Verfahren ist weiterhin vorgesehen, daß in den Vergasungsreaktor Sauerstoff als Verbrennungsgas eingeleitet wird. Zusammen mit dem Prozeßdampf, der die Reaktionsfähigkeit der im Reaktor eingesetzten Kohle steigert, wird durch den Sauerstoff das Vergasungsverhalten der Kohle verbessert. Vorteilhaft für die Energiebilanz des Verfahrens ist es, wenn ein Teil der im Überschuß anfallenden Prozeßdampfenergie zur Sauerstofferzeugung für den Reaktor eingesetzt wird.
  • Im folgenden wird anhand eines Schemas ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens näher beschrieben. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein Blockdiagramm einer Anlage zur Erzeugung von Synthesegas, mit dem ein Erzreduktionsreaktor beschickt wird.
  • Gemäß der Figur wird einem Wirbelbett-Reaktor 1 Kohlenstoff in Form von feinkörnigem, reaktivem Kohlenstaub zugeführt. Als Vergasungsmittel für den Kohlenstaub werden hocherhitzter Prozeßdampf, Sauerstoff und Kreislaufgas in den Reaktor 1 geleitet. Die Zusammensetzung des Kreislaufgases ist aus Tabelle 1, Spalte 3.0 ersichtlich.
  • In dem Reaktor 1 erfolgt die Vergasung der Kohle bei einer Temperatur von 800°C und einem Druck von 10 bar. Die bei der Kohlevergasung anfallende Asche wird unten aus dem Reaktor abgezogen. Das Synthesegas verläßt den Reaktor über Kopf mit einer Zusammensetzung gemäß Spalte 4.0, Tabelle 1.
  • Nach Passieren eines Flugasche- oder Staubabscheiders 2 tritt das Synthesegas dann in das Kühlelement eines Regenerators 3 ein, in dem es von 800°C auf 578° C abgekühlt wird. Geeignete Regeneratoren, die über ein Kühlelement einem heißen Gasstrom Wärme entziehen, speichern und über ein Heizelement die Speicherwärme auf einen anderen Gasstrom übertragen, sind dem Fachmann z. B. aus der Hochofentechnik und der Glasherstellung bekannt und brauchen daher nicht besonders beschrieben zu werden. Eine weitere Abkühlung erfährt das Gas in einem 4-Pol-Wärmeaustauscher 4 und einem Kondensator 5, in dem das Gas bis auf 60° C abgekühlt wird. Das im Kondensator 5 anfallende Kondensatwasser wird abgeleitet.
  • Im Anschluß an den Kondensator 5 wird das Gas einer sogenannten PSA-Gaswäsche bei 6 unterzogen, durch die der Methan- und Kohlendioxid-Anteil des Synthesegases selektiv aus dem Gasstrom abgetrennt wird. Bei dieser Gaswäsche handelt es sich um ein bekanntes Absorbtionsverfahren, bei dem bestimmte, aus einem Gasstrom abzutrennende Gase an einem Feststoff absorbiert und anschließend durch ein Spülgas, z. B. Stickstoff, nach Druckentspannung entfernt werden. Das abgetrennte Methan und das Kohlendioxid werden aus dem Gaskreislauf ausgeschleust und stehen zur anderweitigen Verwendung zur Verfügung.
  • Durch die Gaswäsche 6 wird der Wasserstoffgehalt des Synthesegases erheblich heraufgesetzt, wie aus Tabelle 1, Spalte 6.0 ersichtlich ist. Das Synthesegas hat jetzt die Gaszusammensetzung, die für die spätere Erzreduktion benötigt wird.
  • Im Anschluß an die Gaswäsche 6 wird das Synthesegas einem Kompressor 7 zugeführt und durchläuft danach erneut den 4-Pol-Wärmeaustauscher 4, in welchem es auf 466°C aufgeheizt wird. Bevor das Gas dann in einen Reduktionsreaktor 9 eingeleitet wird, durchläuft der Gasstrom einen Erhitzer 8, in dem zusätzlich der bei dem Verfahren benötigte Prozeßdampf erzeugt wird und in dem das Synthesegas durch Verbrennen eines Teils des bei der Gaswäsche 6 abgetrennten Methans hoch erhitzt wird, daß nach Durchlaufen des Erhitzers 8 das Synthesegas mit einer Temperatur von 900° C in den Reduktionsreaktor 9 eintritt
  • In dem Reduktionsreaktor 9, in dem Eisenerz direkt zu Eisenschwamm reduziert wird, wird das Synthesegas bei der Reduktion teilweise oxidiert und verläßt anschliessend den Reaktor 9 mit einer wasserstoffärmeren Zusammensetzung gemäß Tabelle 1, Spalte 3.0. Dieses sogenannte Gichtgas wird dem Heizelement des Regenerators 3 zugeführt, durch das es auf 750°C aufgeheizt wird und anschließend hocherhitzt als Kreislaufgas wieder in den Reaktor 1 eingeleitet wird.
  • Der im Erhitzer 8 erzeugte hocherhitzte Wasserdampf treibt eine Dampfturbine 10 an, deren Leistung praktisch den gesamten elektrischen Energiebedarf des Verfahrens deckt. Ein Teil der Turbinenleistung wird dazu verwendet, den bei der Kohle-Vergasung benötigten Sauerstoff durch Luftzerlegung bei 11 herzustellen. Der Sauerstoff wird anschließend komprimiert und dem Reaktor 1 zugeführt.
  • Der aus der Dampfturbine 10 austretende Dampf wird als Prozeßdampf dem Reaktor 1 zugeführt, wobei er zuvor im Regenerator 3 auf 750°C aufgeheizt wird. Dadurch, daß zusätzlich zum Gichtgas auch der Prozeßdampf im Regenerator 3 aufgeheizt wird, wird die Energiebilanz des Verfahrens weiterhin verbessert Selbstverständlich brauchen der Gichtgas- und Prozeßdampfstrom nicht in getrennten Leitungen geführt zu werden, sondern können vor dem Eintritt in den Regenerator 3 vereinigt und gemeinsam in dem Regenerator aufgeheizt werden.
    Figure imgb0001
    Figure imgb0002
    Figure imgb0003
    • Vorgegebene Verfahrensdaten
  • Figure imgb0004
    Figure imgb0005

Claims (5)

1. Verfahren zur Aufbereitung von Synthesegas, bei dem das in einem Vergasungsreaktor (1) durch Vergasung von C-haltigem Brennmaterial gewonnene und Methan als Nebenprodukt enthaltende Synthesegas in einem Regenerator (3) abgekühlt und einer Gasaufbereitung unterzogen wird, und ein Teil des Gases als Kreislaufgas dem Vergasungsreaktor (1) wieder zusammen mit Sauerstoff und C-haltigem Brennmaterial zugeführt wird, wobei das Gas vor dem Wiedereintritt in den Vergasungsreaktor (1) von dem Regenerator (3) aufgeheizt wird, und wobei zur Erhöhung des Wasserstoffanteils des Synthesegases ohne Konvertierung das Synthesegas bei der Gasaufbereitung in einem 4-Pol-Wärmeaustauscher (4) und einem Kondensator bis zur Unterschreitung seines Taupunkts (5) weiter abgekühlt wird, einer Gaswäsche (6) in an sich bekannter Weise durch Druckwechsel-Adsorption zur Entfernung des Hauptanteils von Methan und Kohlendioxyd unterzogen wird und beim erneuten Durchtritt durch den 4-Pol-Wärmeaustauscher (4) aufgeheizt wird und einem Erhitzer (8) aufgegeben wird, in dem durch Verbrennen eines Teils des bei der Gaswäsche (6) abgetrennten Methans das Synthesegas hoch erhitzt und zudem Prozeßdampf erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Synthesegas im Anschluß an die Gasaufbereitung in einem Erzreduktionsreaktor (9) partiell oxidiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Teil der Prozeßdampfenergie zur Sauerstofferzeugung für den Reaktor (1) eingesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Gaswäsche (6) der Methan-Anteil des in dem Vergasungsreaktor (1) erzeugten Synthesegases selektiv entfernt und aus dem Gaskreislauf zur anderweitigen Verwendung ausgeschleust wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der im Erhitzer (8) gebildete Prozeßdampf vor dem Eintritt in den Vergasungsreaktor (1) durch den Regenerator (3) aufgeheizt wird.
EP85111795A 1984-10-27 1985-09-18 Energiegünstiges Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas mit einem hohen Methangehalt Expired EP0182992B1 (de)

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DE3439487 1984-10-27

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EP0182992A3 EP0182992A3 (en) 1987-01-21
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