DE102014114343A1 - Verfahren zur kombinierten Herstellung von Roheisen und eines auf Synthesegas basierenden organischen Chemieprodukts - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kombinierten Herstellung von Roheisen und eines auf Synthesegas (21) basierenden organischen Chemieprodukts (23). Dazu wird einem Hochofen Luft zugeführt. Das den Hochofen verlassende stickstoffhaltige Gichtgas (1) wird mit Niederdruckdampf (3) einer Konvertierung zugeführt. In der Konvertierung (4) wird Kohlenmonoxid zu Wasserstoff und Kohlendioxid umgesetzt. Der Wasserstoff (10) wird in einer Gastrenneinrichtung (8) vom Stickstoff (9) getrennt. Der Wasserstoff (10) wird einer Syntheseanlage (12) zugeführt.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kombinierten Herstellung von Roheisen und eines auf Synthesegas basierenden organischen Chemieprodukts.
- Bei herkömmlichen Verfahren zur Eisenerzeugung werden überschüssig anfallende Gase verbrannt und somit thermisch genutzt, beispielsweise zur Stromproduktion. Aufgrund des Überangebots an regenerativ erzeugtem Strom, wird die Verstromung dieser Gase wirtschaftlich zunehmend unattraktiver.
- Der Erfindung liegt ein Verfahren zugrunde, bei dem die Prozessgase des Stahlwerks stofflich genutzt werden. Dabei wird zunächst ein Synthesegas erzeugt, das dann in einer Syntheseanlage zu einem organischen Chemieprodukt umgesetzt wird. Solche kombinierten Verfahren sind Verbundsysteme, bei denen die Nebenprodukte des einen Prozesses Einsatzstoffe eines anderen Prozesses bilden.
- Das organische Chemieprodukt enthält chemische Verbindungen, die auf Kohlenstoff basieren. Dieses Chemieprodukt wird auf Basis eines H2 und CO enthaltenden Synthesegases hergestellt. Das Synthesegas wird beispielsweise zur Herstellung von Methanol oder Kraftstoffen mittels Fischer-Tropsch-Synthese eingesetzt. Auch eine Oxosynthese kann zur Anwendung kommen.
- Die
US 4 013 454 beschreibt ein Verfahren zur kombinierten Herstellung von Eisen und Methanol. Dabei wird einem Hochofen reiner Sauerstoff zugeführt. Es entsteht ein Gichtgas, das etwa 80 % Kohlenmonoxid und 20 % Kohlendioxid enthält. - In der
DE 10 2009 022 510 A1 wird ein Verfahren zur gleichzeitigen Herstellung von Eisen und eines CO/H2 haltigen Rohsynthesegases beschrieben. Dabei wird ein Hochofen von oben schichtweise mit Erz und Koks beschickt. Im unteren Teil des Hochofens wird reiner Sauerstoff eingeblasen. Durch den Betrieb des Hochofenprozesses mit reinem Sauerstoff werden hohe Reaktionstemperaturen im Hochofen erreicht. - Bei den vorstehend genannten kombinierten Verfahren ist reiner Sauerstoff erforderlich, da der in der Luft enthaltene Stickstoff nicht zur Synthese der organischen Chemieprodukte benötigt wird. Zur Bereitstellung von reinem Sauerstoff sind aufwendige Luftzerlegungsanlagen erforderlich.
- Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur kombinierten Herstellung von Roheisen und eines auf Synthesegas basierenden organischen Chemieprodukts anzugeben, das eine optimale stoffliche Verwertung ermöglicht und mit möglichst geringen Investitionskosten verwirklicht werden kann. Die stoffliche Verwertung soll möglichst energieeffizient sein, so dass auch die Betriebskosten des Verfahrens gering sind.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass einem Hochofen Luft zugeführt wird und der den Hochofen verlassende stickstoffhaltige Gichtgasstrom einer Konvertierung zugeführt wird, bei der Kohlenmonoxid mit üblicherweise als Dampf bereitgestelltem H2O zu Wasserstoff und Kohlendioxid umgesetzt wird, wobei in einer Gastrenneinrichtung ein wasserstoffhaltiger Stoffstrom von einem stickstoffhaltigen Stoffstrom getrennt und der wasserstoffhaltige Stoffstrom einer Syntheseanlage zugeführt wird.
- Erfindungsgemäß wird dem Hochofen Luft zugeführt, so dass ein stickstoffhaltiges Gichtgas entsteht. Bisher wurde eine solche Variante nicht in Betracht gezogen, da man davon ausging, dass der Stickstoff nur auf aufwendige Weise wieder vom Kohlenmonoxid abgetrennt werden kann, beispielsweise durch eine äußerst kostspielige Tieftemperaturtrennung.
- Demgegenüber wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst das im Gichtgas enthaltene Kohlenmonoxid mit Wasserdampf zu Wasserstoff und Kohlendioxid umgesetzt. Vorzugsweise handelt es sich dabei um eine katalytische CO-Konvertierung.
- Nach der Konvertierung wird das Gasgemisch einer Gastrenneinrichtung zugeführt. Bei einer Variante der Erfindung handelt es sich dabei um eine Druckwechseladsorptionsanlage (PSA: Pressure Swing Adsorption). In dieser Druckwechseladsorptionsanlage wird ein Wasserstoffstrom von einem stickstoffhaltigen Gasstrom getrennt. Der Wasserstoffstrom dient als Grundlage zur Bereitstellung eines Synthesegases, das dann zu dem organischen Chemieprodukt umgesetzt wird.
- Alternativ kann die Gastrenneinrichtung auch als Membrantrennanlage ausgeführt sein.
- Auf diese Weise wird ein äußerst vorteilhaftes Verbundsystem zur kombinierten Herstellung von Roheisen und eines organischen Chemieprodukts geschaffen. Bei dem Verfahren kann Gichtgas eines mit Luft betriebenen Hochofens eingesetzt werden. Dies wird durch eine effiziente und kostengünstige Abtrennung des Stickstoffs ermöglicht. Durch die Konvertierung wird eine aufwendige Trennung von CO und Stickstoff vermieden. Zudem wird Wasserstoff erzeugt, der zur Bereitstellung des Synthesegases genutzt wird.
- Das Roheisen kann in bekannter Weise mit einem Stahlkonverter zu Stahl weiterverarbeitet werden. Dabei wird bevorzugt dem Stahlkonverter Sauerstoff zugeführt, wobei der den Stahlkonverter verlassende Konvertergasstrom dem wasserstoffhaltigen Stoffstrom zur Bildung eines Synthesegasstroms zugeführt wird. Es kann damit ein kombiniertes Verfahren bereitgestellt werden, dessen Endprodukt Stahl und zumindest ein auf Synthesegas basierendes organisches Produkt ist.
- Bei einer besonders günstigen Variante des Verfahrens wird die Konvertierung des Gichtgases mit Niederdruckdampf durchgeführt. Dabei erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Konvertierung bei einem Absolutdruck von kleiner als 10 bar, vorzugsweise bei einem Druck von 2 bis 8 bar durchgeführt wird. Auf diese Weise lässt sich der für die Synthese benötigte Wasserstoff kostengünstig zur Verfügung stellen, da das Einsatzgas nicht wie bei herkömmlichen Verfahren zunächst auf einen Druck von 20 bis 50 bar für die CO-Konvertierung verdichtet werden muss. Auf der Druckseite der Druckwechseladsorptionsanlage wird Wasserstoff, auf der Entspannungsseite Stickstoff und gegebenenfalls Kohlendioxid gewonnen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann somit eine weitere Verdichtung von ca. 50 % der Gesamteinsatzgasmenge gespart werden, da der im Gichtgas enthaltene Stickstoff bereits bei einem Druck von 2 bis 8 bar aus dem Einsatzgasstrom entfernt wird. Dadurch werden die Betriebs- und Investitionskosten verringert.
- Bei einer Variante der Erfindung wird der konvertierte Gichtgasstrom zunächst einer Anordnung zugeführt, in der Kohlendioxid von Wasserstoff und Stickstoff getrennt wird. Diese Anordnung ist der Gastrenneinrichtung zur Trennung von Wasserstoff und Stickstoff vorgeschaltet. Bei dieser Anordnung kann es sich um eine CO2-Druckwechseladsorptionsanlage handeln, die Kohlendioxid von Wasserstoff und Stickstoff trennt. Diese CO2-Druckwechseladsorptionsanlage ist der H2-Druckwechseladsorptionsanlage vorgeschaltet.
- Bei einer Variante der Erfindung wird Kohlendioxid von Stickstoff in einer Gaswäsche getrennt. Das die H2-Druckwechseladsorptionsanlage verlassende Gasgemisch aus Stickstoff und Kohlendioxid wird einer Gaswäsche zugeführt, bei der Kohlendioxid von Stickstoff getrennt wird. Vorzugsweise handelt es sich dabei um eine Aminwäsche.
- Das Kohlendioxid kann als Ausgangsstoff zur Bereitstellung des Kohlenstoffanteils für das gewünschte organische Chemieprodukt dienen. Dazu kann Kohlendioxid mit Wasserstoff zu Kohlenmonoxid und Wasser umgesetzt werden.
- Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird einem Konverter Sauerstoff zugeführt, wobei ein Konvertergas entsteht, das zum größten Teil aus Kohlenmonoxid und etwas Kohlendioxid besteht. Erfindungsgemäß dient das Konvertergas als Kohlenstoffquelle für das organische Chemieprodukt. Dabei erweist es sich als besonders günstig, wenn das Konvertergas auf ein Druckniveau verdichtet wird, bei dem der Wasserstoffstrom die Gastrenneinrichtung verlässt. Dabei kommt ein Verdichter zum Einsatz, der das Konvertergas auf das Druckniveau der Druckseite der Gastrenneinrichtung bringt. Der von der Gastrenneinrichtung abgegebene Wasserstoff wird gemeinsam mit dem Konvertergas mittels eines weiteren Verdichters auf das für die Synthese des organischen Chemieprodukts erforderliche Druckniveau gebracht. Vorzugsweise wird dabei ein Druckniveau von weniger als 60 bar und mehr als 40 bar eingestellt.
- Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, unbehandeltes Konvertergas einzusetzen, so dass kein weiterer Aufwand zur Aufbereitung erforderlich ist.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Koksofengas aus einer Koksofenbatterie gemeinsam mit Gichtgas benutzt, um das Synthesegas bereitzustellen. Dabei erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn das Koksofengas einer Druckwechseladsorptionsanlage zugeführt wird, bei der Wasserstoff von einem Restgas getrennt wird. Der im Koksofengas enthaltene Wasserstoff wird abgetrennt und vorzugsweise dem Konvertergas beigemischt.
- Das bei der Druckwechseladsorption anfallende Restgas besteht zu einem großen Anteil aus CO und CH4 und ist daher ein hochkalorisches Gas was im Energieverbund eines integrierten Stahlwerks äußerst vorteilhaft verwendet werden kann.
- Die Bereitstellung eines Synthesegases auf Basis von Gichtgas in Kombination mit einem Konvertergas und einem Koksofengas ermöglicht eine flexible Betriebsweise, bei der das Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenmonoxid gezielt einstellbar ist.
- Erfindungsgemäß wird ein Stoffstrom gebildet, der Wasserstoff des konvertierten Gichtgases und ein weiteres Mischgas enthält. Das Mischgas besteht aus Konvertergas, sowie ggf. Wasserstoff des Koksofengases. Dieser Stoffstrom kann mittels eines gemeinsamen Verdichters von einem Druckniveau von 2 bis 8 bar Ausgangsdruck auf den für die Synthese benötigten Druck von ca. 40 bis 50 bar verdichtet werden. Vorzugsweise wird der Stoffstrom vor der Syntheseanlage einer Entschwefelung unterzogen.
- Alternativ oder ergänzend kann das Koksofengas in dem erfindungsgemäßen Anlagenverbund auch dadurch genutzt werden, dass es gereinigt, einer Hydrierung untergezogen, entschwefelt und schließlich einem Reformer zugeführt wird. In dem Reformer wird das im Koksofengas enthaltene Methan zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff umgesetzt. Das Kohlenmonoxid und der Wasserstoff werden dann mit dem aus dem Gichtgas gewonnenen Wasserstoff zusammengeführt, so dass ein geeignetes Synthesegas für die Herstellung des organischen Chemieprodukts gebildet wird.
- Das aus dem konvertierten Gichtgas gewonnene Kohlendioxid wird vorzugsweise mit Konvertergas eines Stahlkonverters zusammengeführt und dann gemeinsam verdichtet.
- Der Anteil des dem Konvertergas zugeführten aus dem Gichtgas gewonnenen Kohlendioxids wird dabei vom Typ der vorgesehenen Syntheseanlage bestimmt.
- Bei einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung wird aus der Syntheseanlage ein stickstoffhaltiger Gasstrom ausgeschleust und zur Konvertierung geführt. In der H2-Druckwechseladsorption wird dann dieser Stickstoff aus dem Kreislauf entfernt. Dadurch wird eine Anreicherung von Stickstoff im Synthesekreislauf verhindert. Durch die Rückführung des Purge-Gasstroms vor die Gichtgas-Konvertierung werden die im Purge-Gas enthaltenen Wertstoffe genutzt. Gleichzeitig wird eine für den Syntheseprozess notwendige Ausschleusung von Stickstoffs gewährleistet, ohne dass ein zusätzlicher Verfahrensschritt erforderlich ist.
- Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren muss der im Purge-Gas erhaltene Wasserstoff nicht in aufwendiger Weise durch Membranprozesse abgetrennt werden. Dies reduziert die Investitionskosten. Mit der Rückführung des Purge-Gases vor die Gichtgas-Konvertierung wird eine deutlich höhere Rückgewinnung von Wertstoffen aus dem ausgeschleusten Gasstrom gewährleistet.
- Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand einer Zeichnung und aus der Zeichnung selbst. Die einzige Figur zeigt anhand eines Fließschemas das Grundprinzip eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur kombinierten Herstellung von Stahl und eines auf Synthesegas
21 basierenden organischen Chemieproduktes23 . - Im Rahmen der Eisenerzeugung wird ein Hochofen (nicht dargestellt) mit Eisenerz und Koks befüllt. Dem Hochofen wird Luft zugeführt. Das den Hochofen verlassende stickstoffhaltige Gichtgas
1 wird über einen Kompressor2 auf einen Druck zwischen zwei und acht bar verdichtet. Dem Gichtgas1 wird Niederdruckdampf3 zugeführt, der vorzugsweise ebenfalls einen Druck zwischen zwei und acht bar hat. In einer Konvertierung4 wird das im Gichtgas1 enthaltene Kohlenmonoxid zu Wasserstoff und Kohlendioxid umgesetzt. Vorzugsweise handelt es sich bei der Konvertierung4 um eine katalytische Konvertierungsstufe. - Der die Konvertierung
4 verlassende Stoffstrom5 wird im Ausführungsbeispiel zunächst einer Anordnung6 zugeführt, in der Kohlendioxid von Wasserstoff und Stickstoff getrennt wird. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Anordnung6 um eine CO2-Druckwechseladsorptionsanlage. - Der die Anordnung
6 verlassende Stoffstrom7 wird einer Gastrenneinrichtung8 zugeführt, die im Ausführungsbeispiels als H2-Druckwechseladsorptionsanlage aufgeführt ist. Bei einer alternativen Variante der Erfindung kann die Gastrenneinrichtung8 als Membrananlage zur Gastrennung ausgeführt sein. Auf der Entspannungsseite der Druckwechseladsorptionsanlage wird ein stickstoffreicher Stoffstrom9 gewonnen. - Bei einer alternativen Variante des Verfahrens (nicht dargestellt), bei der keine Anordnung
6 zur Abtrennung des Kohlendioxids vorgeschaltet ist, enthält dieser Stoffstrom9 auch größere Mengen an CO2 und Reste an CO. - Der Stoffstrom
9 kann auf unterschiedliche Weisen behandelt werden. Bei einer ersten Variante wird der Stoffstrom9 einer katalytischen Nachverbrennung (nicht dargestellt) zugeführt, bei der die Reste an Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid umgesetzt werden. Bei einer zweiten Variante wird der Stoffstrom9 ergänzend oder alternativ zu der Nachverbrennung einer Gaswäsche (nicht dargestellt) zugeführt, bei der Kohlendioxid abgetrennt wird. Vorzugsweise handelt es sich dabei um eine Aminwäsche. - Zur Herstellung des organischen Chemieprodukts
23 ist auch eine Kohlenstoffquelle erforderlich. Erfindungsgemäß kann dieses von dem Konvertergas13 bereitgestellt werden. Dazu wird einem Stahlkonverter (nicht dargestellt) reiner Sauerstoff zugeführt. Das den Stahlkonverter verlassende Konvertergas13 enthält einen hohen Anteil an Kohlenmonoxid. - Bei der in
1 dargestellten Variante wird zu dem Konvertergas13 zusätzlich ein kohlendioxidhaltiger Stoffstrom14 zugeführt, der in der Anordnung6 von dem konvertierten Gichtgasstrom5 abgetrennt wird. - Als weitere Rohstoffquelle zur Bereitstellung des Synthesegases wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, gemäß der dargestellten Variante, Koksofengas
15 eingesetzt. Von einer Koksofenbatterie (nicht dargestellt) wird das Koksofengas15 einer Druckwechseladsorptionsanlage16 zugeführt. In der Druckwechseladsorptionsanlage16 wird ein wasserstoffhaltiger Stoffstrom17 von einem Restgasstrom18 getrennt. Der wasserstoffhaltige Stoffstrom17 wird dem Konvertergasstrom13 zugeführt. Der Mischgasstrom19 bestehend aus dem Konvertergas13 , dem aus dem Koksofengas15 gewonnenen Wasserstoff17 und dem zugemischten Kohlendioxid14 wird mittels eines Kompressors20 auf die Druckstufe gebracht, bei der wasserstoffreiche Stoffstrom10 die Gastrenneinrichtung8 verlässt. - Mittels eines Verdichters
11 wird das Gemisch auf einen Druck von vierzig bis sechszig bar verdichtet und dann zunächst einer Entschwefelung22 zugeführt, bevor der CO/H2-Synthesegasstrom21 zur Syntheseanlage12 gelangt. - Das organische Chemieprodukt
23 verlässt die Syntheseanlage12 . Aus der Synthesegasanlage12 wird zudem ein stickstoffhaltiger Gasstrom24 ausgeschleust. Auf diese Weise kommt es nicht zu einer Anreicherung von Stickstoff im Synthesekreislauf. Der Purge Gasstrom24 wird vor die Gichtgas Konvertierung4 zurückgeführt. - Beim Ausführungsbeispiel werden der Konvertierung
4 der stickstoffhaltige Gichtgasstrom1 , der ausgeschleuste stickstoffhaltige Gasstrom24 und Niederdruckdampf3 zugeführt. Erfindungsgemäß wird der Stickstoff anschließend in einer Gastrenneinrichtung8 vom Wasserstoff10 getrennt. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- US 4013454 [0005]
- DE 102009022510 A1 [0006]
Claims (11)
- Verfahren zur kombinierten Herstellung von Roheisen und eines auf Synthesegas (
21 ) basierenden organischen Chemieprodukts (23 ), wobei – einem Hochofen Luft zugeführt wird und – der den Hochofen verlassende stickstoffhaltige Gichtgasstrom (1 ) einer Konvertierung (4 ) zugeführt wird, bei der Kohlenmonoxid mit H2O zu Wasserstoff und Kohlendioxid umgesetzt wird, wobei – in einer Gastrenneinrichtung (8 ) ein wasserstoffhaltiger Stoffstrom (10 ) von einem stickstoffhaltigen Stoffstrom (9 ) getrennt wird und – der wasserstoffhaltige Stoffstrom (10 ) einer Syntheseanlage (12 ) zugeführt wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konvertierung (
4 ) mit Niederdruckdampf (3 ) durchgeführt wird, wobei der Absolutdruck in der Konvertierung (4 ) weniger als 10 bar, insbesondere weniger als 6 bar beträgt. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stoffstrom (
5 ) nach der Konvertierung (4 ) einer Anordnung (6 ) zugeführt wird, in der Kohlendioxid von Wasserstoff und Stickstoff getrennt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Kohlendioxid von Stickstoff in einer Gaswäsche getrennt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass einem Stahlkonverter Sauerstoff zugeführt wird und der den Stahlkonverter verlassende Konvertergasstrom (
13 ) dem wasserstoffhaltigen Stoffstrom (10 ) zur Bildung eines Synthesegasstroms (21 ) zugeführt wird. - Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus konvertiertem Gichtgas abgetrennter kohlendioxidhaltiger Stoffstrom (
14 ) mit dem Konvertergasstrom (13 ) zur Bildung eines Mischgasstroms (19 ) zusammengeführt wird. - Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass von einer Koksofenbatterie ein Koksofengasstrom (
15 ) einer Druckwechseladsorptionsanlage (16 ) zugeführt wird, bei der ein wasserstoffhaltiger Stoffstrom (17 ) von einem Restgasstrom (18 ) getrennt wird und der wasserstoffhaltige Stoffstrom (17 ) dem Konvertergasstrom (13 ) zur Bildung eines Mischgasstroms (19 ) zugeführt wird. - Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischgasstrom (
19 ) auf ein Druckniveau verdichtet wird, bei dem der wasserstoffhaltige Stoffstrom (10 ) die Gastrenneinrichtung (8 ) verlässt. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass – Koksofengas (
15 ) gereinigt wird, – einer Hydrierung unterzogen wird, – entschwefelt wird, – einem Reformer zugeführt wird, in dem Methan zu Kohlendioxid und Wasserstoff umgesetzt wird und – der Syntheseanlage (12 ) zugeführt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gastrenneinrichtung (
8 ) als Druckwechseladsorptionsanlage ausgeführt ist. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gastrenneinrichtung (
8 ) als Membrantrennanlage ausgeführt ist.
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