DE2436297C2 - Process for producing methane - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Methan einer Qualität, die für den Austausch mit Erdgas geeignet ist, aus Wasserstoff und Kohlenoxide enthaltenden Rohgasen aus der Vergasung von Kohle, Teeren oder schweren Rückstandsölen unter erhöhtem Druck, welche gekühlt und von Kataiysatorgiften, besonders von Schwefelverbindungen, gereinigt und einer mindestens zweistufigen Methanisierung an Nickelkatalysatoren mit Wasserdampf bei Drücken von 5 bis 100 bar und Temperaturen im Bereich von 200 bis 500°C unterworfen werden, wobei das Produktgas der vorausgegangenen Methanisierungsstufe in der letzten Methanisierungsstufe an einem indirekt gekühlten, fest angeordneten Katalysator ohne Kreislaufführung von Produktgas umgesetzt wird.The invention relates to a method for producing methane of a quality that is suitable for exchange with Natural gas is suitable from raw gases containing hydrogen and carbon oxides from the gasification of coal, Tars or heavy residual oils under increased pressure, which are cooled and removed from catalyst poisons, especially of sulfur compounds, purified and at least two-stage methanation Nickel catalysts with steam at pressures from 5 to 100 bar and temperatures in the range from 200 to 500 ° C are subjected, with the product gas of the previous methanation in the last Methanation stage on an indirectly cooled, fixed catalyst without recirculation of Product gas is implemented.
Es ist bekannt, daß sich Kohlen, Teere und schwere Rückstandsöle durch Vergasen mit Wasserdampf und Sauerstoff unter erhöhtem Druck und bei höheren Temperaturen in ein Rohgas überführen lassen, dessen Gehalt an Kohlenoxiden größer ist als der Wasserstoffgehalt des Gases. Die durch die Druckvergasung von Kohle etwa bei 20 bis 80 bar mit Wasserdampf und Sauerstoff erzeugten Rohgase enthalten im allgemeinen viel CO2 (28 bis 32 Vol.-%) und CO (15 bis 20 Vol.-%) bei einem relativ geringen H2-Gehalt (35 bis 44 Vol.-%). Bei der Vergasung von Teeren und Rückstandsölen bei Temperaturen von etwa 1100 bis 1500° C erhält man ein Rohgas, das 3 bis 6 Vol.-% CO2,46 bis 50 Vol.-% CO und 40 bis 48 VoI.-% H2 enthält. Schwere Rückstandsöle sind Kohlenwasserstoffe, die oberhalb von 250° C sieden.It is known that coals, tars and heavy residual oils can be converted into a raw gas by gasification with steam and oxygen under increased pressure and at higher temperatures, the content of carbon oxides of which is greater than the hydrogen content of the gas. The raw gases generated by the pressure gasification of coal at around 20 to 80 bar with steam and oxygen generally contain a lot of CO 2 (28 to 32% by volume) and CO (15 to 20% by volume) with a relatively low H 2 Content (35 to 44% by volume). The gasification of tars and residual oils at temperatures of about 1100 to 1500 ° C. results in a raw gas containing 3 to 6% by volume of CO 2 , 46 to 50% by volume of CO and 40 to 48% by volume of H 2 contains. Heavy residual oils are hydrocarbons that boil above 250 ° C.
Die gereinigten und dabei insbesondere von Schwefelverbindungen befreiten Rohgase können durch bekannte, ein- oder mehrstufige Methanisierungsver-The purified raw gases, in particular freed from sulfur compounds, can pass through known, single or multi-stage methanation
fahren mit Hilfe von Nickelkatalysatoren zu Gasen — COj-frei gerechnet - mit mindestens 90 VoL-0Zo Methan umgewandelt werden, die mit Erdgas austauschbar oder mischbar sind. Der Wasserstoffgehalt dieser Gase soll 2 Vol.-% nicht übersteigen, vielfach wenden auch Wasserstoffgehalte von weniger als 1 Vol.-% gefordert Das Gas enthält meist noch inerte Bestandteile in Form von Stickstoff und Argon sowie restliches Kohlendioxid.drive with the help of nickel catalysts to gases - calculated COj-free - with at least 90 vol- 0 zo methane, which are exchangeable or miscible with natural gas. The hydrogen content of these gases should not exceed 2% by volume; hydrogen contents of less than 1% by volume are also required in many cases. The gas usually still contains inert components in the form of nitrogen and argon as well as residual carbon dioxide.
Bei der Methanisierung werden die Oxide des Kohlenstoffs mit Wasserstoff katalytisch zu Methan und Wasserdampf durch folgende Reaktionen umgesetzt, die exotherm verlaufen:During methanation, the oxides of carbon are catalytically converted to methane and hydrogen Water vapor converted by the following reactions, which are exothermic:
CO + 3 H2 = CH4 + H2O
CO2 + 4 H2 = CH4 + 2 H2OCO + 3 H 2 = CH 4 + H 2 O
CO 2 + 4 H 2 = CH 4 + 2 H 2 O
Auf Grund thermodynamischer Zusammenhänge ist bekannt, daß möglichst niedrige Umsetzungstemperaturen erforderlich sind, um hohe Methangehalte bzw. niedrige RestgehaJte an Kohlenoxid und Wasserstoff zu erzielen. Vielfach ist es dabei zusätzlich erforderlich, vor dem Passieren der letzten Katalysatorschicht einen Großteil des in den vorausgegangenen Umsetzungsstufen gebildeten Wasserdampfs zu entfernen, um die weitere Methanbildung bei gleicher Temperaturlage zu begünstigen.Due to thermodynamic relationships, it is known that the reaction temperatures are as low as possible are necessary in order to achieve high methane contents or low residual contents of carbon oxide and hydrogen achieve. In many cases it is also necessary to have one before passing through the last catalyst layer To remove the majority of the water vapor formed in the previous reaction steps to the to encourage further methane formation at the same temperature.
Bei einem bekannten Verfahren wird das gewaschene Rohgas zunächst in einer sogenannten Kreislaufmethanisierungsstufe bei höheren Austrittstemperaturen umgesetzt, wobei der oberhalb von etwa 280°C liegende aktive Temperaturbereich des Nickelkatalysators ausgenutzt wird. In dieser Methanisierungsstufe wird zur Verdünnung des Einsatzgases ein Teil des gebildeten Produktgases nach Abkühlung in einem Abhitzekessel zum Eingang dieser Stufe zurückgeführt. Diese Kreislaufmethanisierungsstufe kann mehrstufig ausgeführt werden, indem das Rohgas in mehrere Teilströme aufgeteilt und durch hintereinandergeschaltete Reaktoren geleitet wird. Dabei stellt das Austrittsgas des ersten Reaktors das Verdünnungsgas für den zweiten Reaktor dar, und das Produktgas des letzten Reaktors der Reihe wird teihveise als Verdünnungsgas zum ersten Reaktor zurückgeführt.In a known method, the scrubbed raw gas is first in a so-called cycle methanation stage implemented at higher outlet temperatures, the one above about 280 ° C active temperature range of the nickel catalyst is used. In this methanation stage, the Dilution of the feed gas a part of the product gas formed after cooling in a waste heat boiler returned to the entrance of this stage. This cycle methanation stage can be carried out in several stages by dividing the raw gas into several substreams and through reactors connected in series is directed. The outlet gas of the first reactor provides the diluent gas for the second reactor and the product gas of the last reactor in the series is partly used as a diluent gas for the first reactor returned.
Das in der Kreislaufmethanisierungsstufe gebildete Produktgas enthält auf Grund der Gleichgewichtseinstellung bei vergleichsweise hoher Temperatur noch einen beträchtlichen Anteil an Wasserstoff, der nur bei niedrigeren Temperaturen mit weiteren Kohlenoxiden zu Methan umgesetzt werden kann. Es ist deshalb auch eine bekannte Verfahrensweise, das Produktgas der Kreislaufmethanisierungsstufe zu kühlen und einer ersten Nachmethanisierung zu unterwerfen, die ohne vorherigen Entzug von Wasserdampf als sogenannte nasse Nachmethanisierungsstufe betrieben wird. Da durch die nasse Methanisierung der gewünschte Methangehalt im Produktgas noch nicht erreicht wird, ist es weiterhin üblich, das erhaltene Gas abzukühlen, einen Großteil des darin enthaltenen Wasserdampfs auszukondensieren, dieses Gas wieder aufzuheizen und nochmals über Nickeikatalysatoren zu leiten. Diese sogenannte trockene Nachmethanisierungsstufe ergibt das gewünschte, mit Erdgas austauschbare Gas, aus dem nur noch überschüssiges CO2 ausgewaschen zu werden braucht.That formed in the cycle methanation stage Due to the establishment of equilibrium, product gas still contains at a comparatively high temperature a considerable proportion of hydrogen, which is only available at lower temperatures with other carbon oxides can be converted to methane. It is therefore also a known procedure to use the product gas To cool cycle methanation and to subject a first Nachmethanisierung without prior removal of water vapor is operated as a so-called wet post-methanation stage. There the desired methane content in the product gas is not yet achieved due to the wet methanation, it is also customary to cool the gas obtained, a large part of the water vapor contained therein condense out, reheat this gas and again pass it over nickel catalysts. These so-called dry post-methanation results in the desired gas that can be exchanged with natural gas only needs to be washed out excess CO2.
Gelegentlich wird auch unter Umgehung der nassen Nachmethanisierungsstufe das aus der Kreislaufstufe abgezogene Produktgas unmittelbar gekühlt und nachOccasionally, by bypassing the wet post-methanation stage, the cycle stage is also used withdrawn product gas immediately cooled and after
Auskondensieren von Wasserdampf in die trockene Nachmethanisierung geschickt. Der Methangehalt dieses Produktgases ist jedoch geringer, und auch die Rückgewinnung von freigesetzter Reaktionswärme wird verschlechtert, so daß der thermische Wirkungsgrad der Gesamtanlage gegenüber der zuerst geschilderten Verfahrensweise sinkt. Außerdem wird durch den geringen Wasserdampfanteil und die vergleichsweise hohe Austrittstemperatur des Gases aus der Nachmethanisierung die Gefahr der Rußbildung durch die Boudouard-Reaktion gegenüber dem Verfahren mit aufeinanderfolgender nasser und trockener Nachmethanisierung wesentlich erhöht.Condensation of water vapor sent to the dry post-methanization. The methane content of this However, product gas is less, and so is the recovery of released heat of reaction is worsened, so that the thermal efficiency of the entire system compared to the first described Procedure decreases. In addition, due to the low proportion of water vapor and the comparatively high outlet temperature of the gas from the post-methanation, the risk of soot formation the Boudouard reaction versus the process with successive wet and dry post-methanation significantly increased.
In Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie, 3. Auflage (1957), Band 9, Seite 745, wird ein zweistufiges Methanisierungsverfahren mit fest angeordneten Nickelkatalysatoren ohne Kreislaufführung von Produktgas erläutert, bei dem die Abfuhr der Reaktionswärme durch Druckwasser erfolgt Die einstufige Methanisierung ohne Produktgas-Kreisla-f gemäß DE-OS 19 22 181 weist ebenfalls eine Wasserkühlung auf. Aus der GB-PS 1152 008 ist die einstufige Methanisierung an einem indirekt mit Gas gekühlten, im Wirbelzustand gehaltenen Katalysator beschrieben. In der US-PS 31 28 163 wird es als bekannt be lehnet, einen Methanisierungskatalysator in Schich en oder Zonen aufzuteilen und dazwischen gekühltes Gas einzuleiten, wobei dieses Gas an der Umsetzung teilnehmen kann. In Eucken-Jakob »Der Chemie-Ingenieur« (1940) Seiten 83-88, werden Röhrenreaktoren für exotherme katalytische Reaktionen beschrieben, bei denen das Frischgas den Katalysator zunächst indirekt kühlt, bevor es im Gegenstrom zum Kühlgas durch den K.ftalysatorbereich geleitet wird. Diese Reaktoren werden insbesondere für die katalytische Oxidation von SO2 zu SO3 vorgesehen.In Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 3rd Edition (1957), Volume 9, Page 745, a two-stage Methanation process with fixed nickel catalysts without recirculation of product gas explained, in which the heat of reaction is dissipated by pressurized water. The one-stage Methanation without product gas circuit according to DE-OS 19 22 181 also has water cooling on. From GB-PS 1152 008, the single-stage methanation on an indirectly gas-cooled, im The catalyst maintained in a fluidized state is described. In US-PS 31 28 163 it is known to be rejected, to divide a methanation catalyst into layers or zones with cooled gas in between initiate, whereby this gas can participate in the implementation. In Eucken-Jakob »The Chemical Engineer« (1940) pages 83-88, tubular reactors for exothermic catalytic reactions are described in where the fresh gas first indirectly cools the catalyst before it passes through the countercurrent to the cooling gas K.ftalysatorbereich is directed. These reactors are used in particular for the catalytic oxidation of SO2 to SO3 provided.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art Reaktionswärme nicht nur abzuführen, sondern auch zu nutzen und dabei die Kühlung in der letzten Methanisierungsstufe mit Gas durchzuführen. Gleichzeitig soll in dieser Methanisierungsstufe ein intensiver Reaktionsverlauf bei hoher Katalysatoraktivität erreicht werden und das vorherige Auskondensieren von Wasserdampf im umzusetzenden Gas entfallen. Erfindungsgemäß wird dies durch die Verfahrensmaßnahmen erreicht, die im Kennzeichen des Patentanspruchs genannt sind. Da auch die letzte Stufe unter den Bedingungen der nassen Methanisierung arbeitet, kann das Restgas geringfügig mehr Wasserstoff aufweisen, als dies bei der Anwendung einer trockenen Methanisierung der Fall ist, wobei der Wasserstoffgehalt jedoch immer noch unter der geforderten Höchstgrenze bleibt.The invention is based on the object of providing heat of reaction in a method of the type mentioned at the outset Not only to dissipate, but also to use and thereby the cooling in the last methanation stage to be carried out with gas. At the same time, an intensive course of the reaction should take place in this methanation stage can be achieved at high catalyst activity and the previous condensation of water vapor in the no gas to be converted is required. According to the invention, this is achieved by the procedural measures that are in Characteristics of the claim are mentioned. Since also the last stage in the conditions of the wet Methanation works, the residual gas can contain slightly more hydrogen than when it is used dry methanation is the case, but the hydrogen content is still below the required maximum limit remains.
Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Wiedererwärmung des Gases vor der trockenen Methanisierung nach der Auskondensation von Wassei dampf entfällt, werden teure Wärmeaustauscheinrichtungen eingespart. Auf Grund des geringeren Druckverlustes in der erfindungsgemäßen Verfahrensführung steigt der Abgabedruck des Endgases, wodurch Energie bei der im Regelfall erforderlichen Verdichtung für die Abgabe in das Verteilernetz gespart wird. Ist zur Einstellung des Inertgasgehaltes des Endgases zuzsätzlich die Auswaschung überschüssigen Kohlendioxids erforderlich, so fördert der erhöhte Gasdruck die CO2-Absorption insbesondere beim Verwenden physikalisch wirkender Waschmittel. Wird die erfindungsgemäße Methanisierung bei so hohem Druck betrieben, daß das Endgas direkt in das Gasnetz abgegeben werden kann, so kann gleichzeitig auch der Druck in der vorausgehenden Vergasung zur Erzeugung des Rohgases niedriger gewählt werden. In diesem Fall kommt die Energieersparnis der Vergasungsanlage zugute, wo die Vergasungsmittel Sauerstoff und Wasserdampf nur mit geringerem Druck zur Verfugung gestellt werden brauchen.Since in the method according to the invention, the reheating of the gas before the dry There is no methanation after the condensation of water vapor, so expensive heat exchange devices are used saved. Due to the lower pressure drop in the process according to the invention the discharge pressure of the end gas increases, creating energy in the compression that is usually required for the Tax is saved in the distribution network. It is also used to set the inert gas content of the end gas the leaching of excess carbon dioxide is required, the increased gas pressure promotes the CO2 absorption especially when using physically acting detergents. If the invention Methanation operated at such a high pressure that the end gas is released directly into the gas network can be, then at the same time the pressure in the preceding gasification for generating the raw gas be chosen lower. In this case, the energy saving benefits the gasification plant where the Gasification agents oxygen and water vapor are only made available at lower pressure to need.
Vorteilhaft ist weiterhin, daß das erfiudungsgemäße Verfahren mit einem geringeren Katalysatorvolumen auskommt, als bei Anwendung einer nassen und einer trockenen Nachmethanisierungsstufe erforderlich wäre. Für die Methanisierung empfiehlt sich ein Katalysator, der 40 bis 65 Gew.-% Nickel auf einem wasserdampffesten Trägermaterial enthält. Wird die Methanisierung in zwei Stufen durchgeführt, sind Umseizungstemperaturen von 250 bis 5000C in der ersten und von 250 bis 4000C in der zweiten Stufe zweckmäßig.It is also advantageous that the process according to the invention manages with a smaller volume of catalyst than would be required when using a wet and a dry post-methanation stage. A catalyst which contains 40 to 65% by weight of nickel on a support material which is resistant to steam is recommended for methanation. If the methanation carried out in two stages, Umseizungstemperaturen are from 250 to 500 0 C in the first and from 250 to 400 0 C in the second stage expedient.
Ein Schaltungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren wird mit Hilfe der Zeichnung erläutert Es zeigtAn example circuit for the method according to the invention is explained with the aid of the drawing shows
Fig. 1 die zweistufige Methanisierung des gereinigten Rohgases undFig. 1 shows the two-stage methanation of the purified Raw gas and
F i g. 2 den Temperaturverlauf in der letzten Methanisierungsstufe im Verfahren gemäß Fig. 1.F i g. 2 the temperature profile in the last methanation stage in the method according to FIG. 1.
Im Verfahren der F i g. 1 wird das von Katalysatorgiften gereinigte Rohgas, welches übverwiegend Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff enthält, in der Leitung 4a dem rückgeführten Produktgas in der Leitung 7 zugemischt. Das Rohgas kommt von der nicht dargestellten Gaswäsche mit einer Temperatur unter 200°C und üblicherweise von höchstens 1000C. Wurde das Rectisol-Verfahren zur Gaswäsche verwendet, so beträgt die Austrittstemperatur des Gases etwa 20° C.In the procedure of FIG. 1, the raw gas purified of catalyst poisons, which contains predominantly carbon monoxide, carbon dioxide and hydrogen, is mixed in line 4a with the recycled product gas in line 7. The raw gas coming from the gas scrubbing is not shown with a temperature below 200 ° C and usually at most 100 0 C. Has the Rectisol process used for gas washing, so the exit temperature of the gas is about 20 ° C.
Das Gemisch wird in der Leitung 7a dem Methan>sierungsreaktor 6 aufgegeben. Der Reaktor 6 kann, wie in der Zeichnung schematisch dargestellt, als Schachtreaktor mit einer schraffiert gezeichneten Katalysatorfüllung 6a ausgebildet sein. Der Methanisierungskatalysator enthält Nickel als aktive Komponente, vorzugsweise mit einem Anteil von 40 bis 65 Gew.-%, auf einem wasserdampffesten Trägermaterial. Als Trägermaterial kommt z. B. Aluminiumoxid, Aluminiumsilikat, Magnesiumsilikat, Magnesiumspinell oder Gemische dieser Verbindung in Frage. Abweichend von F i g. 1 kann das Katalysatormaterial 6a auch in mehrere Schichten unterteilt oder auf mehrere hintereinandergeschaltete Reaktoren verteilt sein.The mixture is fed to the methanation reactor in line 7a 6 abandoned. The reactor 6 can, as shown schematically in the drawing, as a shaft reactor be formed with a hatched catalyst filling 6a. The methanation catalyst contains nickel as an active component, preferably in a proportion of 40 to 65% by weight, in one water vapor resistant carrier material. As a carrier material comes z. B. aluminum oxide, aluminum silicate, magnesium silicate, Magnesium spinel or mixtures of this compound in question. Notwithstanding FIG. 1 can do that Catalyst material 6a also subdivided into several layers or onto several one behind the other Reactors distributed.
Ein Teil des Produktgases des Reaktors 6 wird im Abhitzekessel 8 gekühlt; ungekühltes Produktgas wird in der Leitung 9 abgezweigt und ein Teil des gekühlten Produktgases in der Leitung 7 mit Hilfe des Verdichters 10 im Kreislauf zurückgeführt. Hinter dem Abhitzekessei 8 wird ein Produktgas-Teilstrom auch in der Leitung ί 1 abgezogen und mit dem Gas der Leitung 9 gemischt, um die gewünschte Temperatur des Gases einzustellen, das in der Leitung 12 in die letzte Methanisierungsstufe (Reaktor 30) gegeben wird.Part of the product gas from the reactor 6 is cooled in the waste heat boiler 8; uncooled product gas is branched off in line 9 and part of the cooled product gas in line 7 with the aid of the compressor 10 returned in the cycle. Behind the waste heat boiler 8, a product gas partial flow is also withdrawn in line ί 1 and mixed with the gas in line 9, to set the desired temperature of the gas in line 12 in the last methanation stage (Reactor 30) is given.
Die im Abhitzekessel 8 dem Produktgas entzogene Wärme dient zur Erzeugung von Wasserdampf, der in der Leitung 13 einer Dampftrommel 14 zugeführt wird, welche Speisewasser in der Leitung 15 zugeführt erhält, das im Wärmeaustauscher 31 vorgewärmt wurde und aus dei Leitung 32 kommt. Das Wasser in der Trommel 14 wird in der Leitung 16 zum Abhitzekessel 8 geführt. Überschüssiger Dampf wird der Dampftrommel 14 durch die Leitung 17 entnommen. Dieser Dampf stehtThe heat withdrawn from the product gas in the waste heat boiler 8 is used to generate water vapor, which in the line 13 is fed to a steam drum 14, which receives feed water supplied in the line 15, which has been preheated in the heat exchanger 31 and comes from the line 32. The water in the drum 14 is led in line 16 to waste heat boiler 8. Excess steam is the steam drum 14 taken through line 17. This steam is standing
ζ. B. als Vergasungsmittel für die Druckvergasung zur Erzeugung des Rohgases zur Verfügung.ζ. B. as a gasification agent for pressurized gasification Generation of the raw gas available.
Nicht zwingend notwendig, aber für die Praxis vorteilhaft ist es, einen einstellbaren Teilstrom des Produktgases der Leitung 12 ungekühlt in der Leitung 33 am Wärmeaustauscher 31 vorbeizuführen und diesen Teilstrom dem gekühlen Produktgas-Teilstrom zuzumischen, um damit die Eintrittstemperatur des Gases für den Reaktor 30 einzustellen. Das vorgekühlte Produktgas in der Leitung 34 tritt in den Reaktor 30 ein und verzweigt sich dort auf Kanäle 35, die zwischen Katalysatorbehältern 36 ausgebildet sind. Die Katalysatorbehälter 36 sind am oberen Ende offen, so daß dort das umzusetzende Gas ungehindert in das Katalysatormaterial 5 eindringen kann, wie das durch die abgebogenen Strömungspfciic Al angedeutet ist. Das dafür nötige Druckgefälle im Vergleich der Gase in den Leitungen 34 und 39 ist in der Anlage vorhanden.It is not absolutely necessary, but advantageous in practice, to pass an adjustable partial flow of the product gas in line 12 uncooled in line 33 past the heat exchanger 31 and to mix this partial flow with the cooled product gas partial flow in order to set the inlet temperature of the gas for the reactor 30 . The precooled product gas in the line 34 enters the reactor 30 and branches there to channels 35 which are formed between the catalyst containers 36. The catalyst containers 36 are open at the upper end, so that there the gas to be converted can penetrate unhindered into the catalyst material 5, as is indicated by the bent flow path A1. The pressure gradient required for this in the comparison of the gases in lines 34 and 39 is present in the system.
Das Katalysatormaterial 5 in den Behältern 36 sitzt auf Rosten 37, unter denen jeweils noch ein Gassammelraum 38 frei bleibt. Die Gassammeiräume 38 der verschiedenen Behälter sind, was in der Zeichnung nicht dargestellt ist, untereinander verbunden, so daß das in den verschiedenen Behältern gebildete Produktgas gemeinsam in der Leitung 39 abgezogen werden kann.The catalyst material 5 in the containers 36 sits on grids 37, under each of which there is a gas collecting space 38 remains free. The gas collection spaces 38 of the various containers are what is not in the drawing is shown, interconnected so that the product gas formed in the various containers can be withdrawn together in the line 39.
Das Produktgas der Leitung 39 wird in der ebenfalls nur schematisch dargestellten Kühlstufe 20 abgekühlt, wobei sich üblicherweise Luftkühlung und Wasserkühlung ergänzen. Über die Leitung 21 wird das bei dieser Kühlung anfallende Kondensat abgezogen. Das Produktgas in der Leitung 22 wird, falls erforderlich, einer nicht dargestellten Nachbehandlung zur Entfernung überschüssigen Kohlendioxids und zur Trocknung zugeführtThe product gas in line 39 is cooled in the cooling stage 20, which is also only shown schematically, where air cooling and water cooling usually complement each other. This is done via line 21 Cooling condensate drawn off. The product gas in line 22 becomes a if necessary Post-treatment, not shown, to remove excess carbon dioxide and for drying fed
Die Katalysatorbehälter 36 enthalten in ihrem oberen Bereich jeweils Abschirmungen 40, die den Wärmeübergang weitgehend behindern. Dadurch wird das Katalysatormaterial in diesem Bereich durch das in den Kanälen 35 nach oben strömende Gas kaum gekühlt, und die Temperataur des umzusetzenden Gases steigt mit wachsender Eindringtiefe in das Katalysatormaterial zunächst an. Die Kühlung wird jedoch für den Katalysatorbereich zwischen den Rosten 38 und der unteren Begrenzung der Abschirmungen 40 wirksam, so daß dort die Temperaturen zu den Rosten 38 hin wieder abnehmen. Die ungekühlte Katalysatorstrecke beträgt etwa das 0,2- bis 0,4fache der Höhe der Katalysatorschüttung. The catalyst containers 36 each contain shields 40 in their upper region, which the heat transfer largely hinder. As a result, the catalyst material in this area is replaced by the in the Channels 35 upwardly flowing gas is hardly cooled, and the temperature of the gas to be converted rises with increasing depth of penetration into the catalyst material. However, the cooling is for the Catalyst area between the grids 38 and the lower limit of the shields 40 effective, so that there the temperatures towards the grids 38 decrease again. The uncooled catalyst section is about 0.2 to 0.4 times the height of the catalyst bed.
Im Verfahren gemäß F i g. 1 tritt das Produktgas der Kreislaufmethanisierung in der Leitung 34 mit der leicht einstellbaren Temperatur C, vergleiche F i g. 2, in den Reaktor 30 ein und erwärmt sich bei Aufwärtsströmen durch die Kanäle 35, bis die Temperatur H am unteren Rand der Abschirmungen 40 erreicht ist Die Strömungsstrecke entlang dieser Abschirmungen bringt keine weitere Temperaturerhöhung, was im Kurvenstück bis zum Punkt K berücksichtigt ist Mit der Temperatur K von etwa 3000C tritt das Produktgas dann von oben in die Katalysatorbehälter 36 ein und strömt dort durch das Katalysatormaterial zu den Rosten 38, währendem die Methanisierungsreaktionen ablaufen. Im umzusetzenden Gasgemisch steigt die Temperatur zunächst bis zum Punkt L an, weil auf Grund der Abschirmungen 40 keine Wärme der exothermen Methanbildung abgeführt wird Danach fällt die Temperatur durch die indirekte Kühlung wiede allmählich zum Punkt Mhin ab, welcher die Temperatur des in der Leitung 39 abgezogenen Produktgases angibt Das Verfahren der Fig. 1 ist sehr flexibel, weil sich auf einfache Weise die Eintrittstemperatur des umzusetzenden Gases in der Leitung 34 einstellen läßt, was z. B. mit Hilfe der Umgehungsleitung 33 erfolgen kann. Mit der Eintrittstemperatur des Gases in den Reaktor 30 läßt sich auch die Kühlwirkung des Gases in den Kanälen 35 einstellen. Damit hat diese Eintrittstemperatur auch einen Einfluß auf die Endtemperatur des umgesetzten Gases (Punkt M) da M von derIn the method according to FIG. 1, the product gas of the cycle methanation enters the line 34 with the easily adjustable temperature C, compare FIG. 2, and heats up during upward flow through the channels 35 until the temperature H at the bottom of the shields achieved in the reactor 30 40 The flow path along this shielding does not bring further increase in temperature, which is taken into account in the curve section to the point K with the At a temperature K of about 300 ° C., the product gas then enters the catalyst container 36 from above and flows there through the catalyst material to the grates 38, while the methanation reactions are taking place. The converted gas mixture, the temperature initially rises to the point L, as 40 does not heat of the exothermic formation of methane is discharged on the basis of the shields Thereafter, the temperature falls through the indirect cooling re gradually to the point M back from which the temperature of the line 39 The method of FIG. 1 is very flexible because the inlet temperature of the gas to be converted in the line 34 can be adjusted in a simple manner, which z. B. can be done with the help of the bypass line 33. The cooling effect of the gas in the channels 35 can also be adjusted with the temperature at which the gas enters the reactor 30. This inlet temperature thus also has an influence on the final temperature of the converted gas (point M) da M of the
ίο Eintrittstemperatur des eingeleiteten Produktgases abhängt. Durch die flexible Kühlung kann der jeweiligen Aktivität des Katalysators in Abhängigkeit von dessen Alter optimal Rechnung getragen werden.ίο Inlet temperature of the product gas introduced depends. Due to the flexible cooling, the respective activity of the catalyst can be dependent on it Age should be optimally taken into account.
In dem folgenden Zahlenbeispiel werden drei verschiedene gereinigte Rohgase bei der Umwandlung in mit Erdgas austauschbares Gas gemä.3 dem erfindungsgemäßen Verfahren betrachtet. Die Gase I und II stammen von einer Kohledruckvergasung mit Sauerstoff und Wasserdampf, wobei im Gas 1 das als Stöchiometriezahl bezeichnete Volumenverhältnis H2: (3 CO + 4 CO2) = 0,6 und im Gas 11 die Stöchiometriezahl 1 beträgt. Das Gas III stammt aus der thermischen Vergasung von schwerem Rückstandsöl (Bunker-C-Öl) bei Temperaturen zwischen 1200 und 14000C mit Sauerstoff und Wasserdampf.In the following numerical example, three different purified raw gases are considered during the conversion into gas that can be exchanged with natural gas according to the method according to the invention. Gases I and II originate from compressed coal gasification with oxygen and water vapor, with the volume ratio H2: (3 CO + 4 CO 2 ) = 0.6 in gas 1, referred to as the stoichiometric number, and 1 in gas 11. Gas III comes from the thermal gasification of heavy residual oil (bunker C oil) at temperatures between 1200 and 1400 ° C. with oxygen and water vapor.
Die Gase I, II und III durchlaufen die Verfahrensschaltung der Fi g. 1. In Leitung 4a stehen je 1000 kmol dieser Gase mit einer Temperatur von 30° C und einem Druck von 25 bar zur Verfügung, ihre Zusammensetzung ist die der Tabelle 1The gases I, II and III go through the process circuit of Fi g. 1. There are 1000 kmol each in line 4a These gases are available at a temperature of 30 ° C and a pressure of 25 bar, their composition is that of Table 1
4300/4650/6000 kmol feuchten Gases in Leitung 7 mit einer Temperatur von 345/340/330°C werden dem Gas der Leitung 4a zugemischt4300/4650/6000 kmol of moist gas in line 7 with a temperature of 345/340/330 ° C are the Gas mixed in with line 4a
Durch die Leitung 7a strömen zum Reaktor 5300/5650/700 kmol feuchten Gases mit jeweils 3000C,Through conduit 7a to flow to the reactor 5300/5650/700 kmol moist gas with 300 0 C,
trockenes Gas) 03354 03585 0,5129dry gas) 03354 03585 0.5129
Der Katalysator im Reaktor 6 weist 58 Gew.-°/o Nickel auf einem Aluminiumoxid-Träger auf, die Schütthöhe beträgt 2,65 m. Das Produktgas des Reaktors 6 hat jeweils eine Temperatur von 4600C und die in Tabelle 3 angegebene Zusammensetzung:. The catalyst in the reactor 6 comprises 58 wt ° / o nickel on an alumina carrier, the bed height is 2.65 m, the product gas of the reactor 6 each has a temperature of 460 0 C and the indicated in Table 3:
,1,1
PP.
Gas IGas I.
Gas 11Gas 11
Gas IGas I.
CO2 (Molprozent) 13,44CO 2 (mole percent) 13.44
CO (Molprozent) 0,41CO (mole percent) 0.41
H2 (Molprozent) 7,92H 2 (mole percent) 7.92
CH4 (Molprozent) 77,33CH 4 (mole percent) 77.33
Inerte (Molprozent) 0,90Inerts (mole percent) 0.90
H2O (mol/molH 2 O (mol / mol
trocknes Gas) 0,4475dry gas) 0.4475
3,54 23,893.54 23.89
0,14 0,470.14 0.47
11,78 8,5811.78 8.58
83,60 66,4783.60 66.47
0,94 0,590.94 0.59
0,4721 0,65420.4721 0.6542
Im Abhitzekessel 8 wird der größte Teil des Gases aus dem Reaktor 6 auf 335/330/3200C gekühlt. Das in der Leitung 12 abgezogene Gas in einer Menge (feucht) von 643,0/627,4/557,3 kmo! und einer Temperatur von jeweils 3500C wird im Speisewasservorwärmer 31 weiter auf 195/175/195°C abgekühlt, wobei das in der Leitung 32 mit 1050C zufließende Speisewasser auf 175/175/150°C aufgeheizt und in der Leitung 15 der Dampftrommel 14 zugeführt wird. Durch die im Abhitzekessel 8 und Speisewasservorwärmer 31 abgegebenen Wärmemengen werden 14 500/15 600/ 19 200 kg Wasser verdampft, die als Sattdampf von 70 bar Druck in der Leitung 17 verfügbar sind.In the waste heat boiler 8, the major part of the cooled gas from the reactor 6 on 335/330/320 0 C. The gas withdrawn in line 12 in an amount (moist) of 643.0 / 627.4 / 557.3 kmo! and a temperature of 350 0 C is cooled in the feedwater heater 31 is further to 195/175/195 ° C, wherein the influent in the line 32 at 105 0 C feedwater to 175/175 heated / 150 ° C and in the conduit 15 Steam drum 14 is supplied. 14,500 / 15,600 / 19,200 kg of water are evaporated by the heat quantities given off in the waste heat boiler 8 and feedwater preheater 31 and are available in line 17 as saturated steam at a pressure of 70 bar.
Da im Beispiel die Umgehungsleitung 33 nicht benutzt wird, betragen in der Leitung 34 die Temperaturen der Gase 195/175/195°C (Punkt C der F i g. 2). In den Kanälen 35 des Reaktors 30 wird das Gas bis auf eine Temperatur von jeweils 3000C (Punkt Hder F i g. 2) am Beginn der Abschirmungen 40 aufgeheizt. In der wärmeisolierten Strömungsstrecke des Kühlgases kann praktisch keine Wärme ausgetauscht werden, so daß das Gas auch mit der vorerwähnten Temperatur von 3000C in den Katalysator 5 (Punkt K der Fig.2) gelangt. Die Schütthöhe des Katalysators 5 und damit die in Betracht zu ziehende Strömungsstrecke beträgt wiederum in allen Fällen 4 m, es wird der gleiche Katalysator wie im Reaktor 6 verwendet. In der ungekühlten Strömungsstrecke im Katalysator, die 1 m lang ist, steigt die Temperatur bis auf den Maximalwert (Punkt L in Fig.2) von 345/350/3450C an. Das umzusetzende Gas enthält dabei noch einen restlichen Wasserstoffanteil von 2,1/4,5/2,6 Molprozent Die bis hierher erreichte Zusammenarbeit des Gases etwaSince the bypass line 33 is not used in the example, the temperatures of the gases in the line 34 are 195/175/195 ° C. (point C in FIG. 2). In the channels 35 of the reactor 30, the gas is heated up to a temperature of 300 ° C. in each case (point H in FIG. 2) at the beginning of the shields 40. In the heat-insulated flow path of the cooling gas does not heat can be exchanged practically, so that the gas passes and with the above-mentioned temperature of 300 0 C in the catalyst 5 (point K of Fig.2). The bed height of the catalyst 5 and thus the flow path to be taken into account is again 4 m in all cases; the same catalyst as in the reactor 6 is used. In the uncooled flow path in the catalyst, which is 1 m long, the temperature rises to the maximum value (point L in Figure 2) to 345/350/345 of 0 C. The gas to be converted still contains a remaining hydrogen content of 2.1 / 4.5 / 2.6 mol percent
derjenigen entsprechen, die bei einem herkömmlichen Verfahren mit einer einstufigen nassen Nachmethanisierung zu erzielen wäre.correspond to those that are used in a conventional process with a single-stage wet post-methanation could be achieved.
Im gekühlten Teil des Katalysators 5 vermindert sich die Temperatur der Gase beim weiteren Durchströmen zu den Rosten 37 hin stetig, bis schließlich mit 2500C für die umgesetzten Gase I, II, III die Endtemperatur (Punkt M in Fig. 2) erreicht ist. Das Gas mit dieser Endtemperatur steht in Leitung 39 zur Verfügung. In der Schlußkühlung 20 wird Wasser kondensiert, und das die Methanisierung durch die Leitung 22 verlassende Produktgas mit jeweiligs einem Druck von 20,5 bar und einer Temperatur von 300C besitzt die Zusammensetzung der Tabelle 4:In the cooled part of the catalyst 5, the temperature of the gases decreases steadily as they continue to flow through to the grates 37 until the end temperature (point M in FIG. 2) is finally reached at 250 ° C. for the converted gases I, II, III. The gas with this final temperature is available in line 39. In the final cooling 20, water is condensed, and the product gas leaving the methanation through line 22, each with a pressure of 20.5 bar and a temperature of 30 ° C., has the composition of Table 4:
Für die Gase I und III ist üblicherweise dieFor gases I and III is usually the
Auswaschung überschüssigen Kohlendioxids in der nicht dargestellten Schlußwäsche erforderlich, wodurch Endgase folgender Qualitäten erzielt werden, die in Tabelle 5 angegeben sind:Washing out of excess carbon dioxide required in the final wash, not shown, whereby End gases of the following qualities can be achieved, which are specified in Table 5:
Gas I
(Molprozent)Gas I.
(Mole percent)
Gas 111Gas 111
CO2
COCO 2
CO
CH4
InerteCH 4
Inert
0,50
0,01
0,95
97,43
1,110.50
0.01
0.95
97.43
1.11
0,50
0,01
1,17
97,47
0,850.50
0.01
1.17
97.47
0.85
Das Gas II kann ohne CO2-Wäsche verwendet werden.The gas II can be used without CO 2 scrubbing.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
Claims (1)
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