Способ и устройство для производства синтез-газа из газообразных углеводородов

СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СИНТЕЗ-ГАЗА ИЗ ГАЗООБРАЗНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ Представлен и описан способ производства синтез-газа из газообразных углеводородов посредством аллотермического парового риформинга с катализаторами. Для возможности эффективного производства без отработанных газов синтез-газа в компактном устройстве предусмотрено, что энергию, по меньшей мере, частично подают посредством электрической энергии, энергию подают посредством электрически нагреваемых контактных поверхностей и энергию подают посредством контактных поверхностей внутри засыпки гранул катализатора и/или внутри состоящего, по меньшей мере, частично из частиц катализатора псевдоожиженного слоя. Изобретение относится к способу и устройству для производства синтез-газа из газообразных углеводородов с помощью аллотермического парового риформинга с катализаторами. Ввиду сокращающихся и дорожающих ресурсов и растущей во всм мире потребности в энергии все процессы в области преобразования энергии должны стать компактнее, эффективнее и более децентрализованными. Это применимо, прежде всего, для производства тока и тепла и для приводов автомобилей. Так, например, посредством преобразования первичной энергии в водород и децентрализованного преобразования энергии в совокупность выработки тепловой и электрической энергий посредством топливных элементов достигают очень высокого выхода полезной энергии. При этом примерно половина полезной энергии высвобождается в форме электрической энергии. Это значительно больше, чем используется сегодня. Ток и тепло в этой системе обладают почти одинаковой ценностью. Подробности описаны в книге Тецлаффа "Водород для всех" (ISBN 978-38370-6116-1). С помощью аллотермических способов газификации производят особенно высококачественный синтез-газ. Так как речь идт об эндотермической реакции, необходимая тепловая энергия должна вводиться в реакционную камеру посредством теплопередачи. Необходимое тепло вырабатывается посредством сжигания углеводородов с помощью воздуха или кислорода. Типичное устройство этого вида состоит из печи блочной конструкции, которая оснащена множеством труб, которые заполнены никельсодержащими гранулами. Наверху этой печи находится множество форсунок горелок, которые расположены между трубами. Для предотвращения локальных перегревов необходимо соблюдать большой зазор от пламени горелки до труб. Как дымовые газы, так и подлежащие газификации углеводороды в трубах текут в равномерно движущемся потоке сверху вниз. Известные из уровня техники устройства требуют большой занимаемой площади и постоянно вырабатывают отработанный газ, который необходимо освободить от содержащихся в воздухе вредных веществ, что связано с большими затратами. Такие установки в современных плотно населнных государствах являются разрешаемыми только с большими затратами. Так как реакция происходит при температуре между 820 и 920 С, через отработанный газ большая часть введнной энергии теряется. Поэтому в основу изобретения положена задача разработать и усовершенствовать способ и устройство вышеназванного типа таким образом, чтобы можно было предотвратить описанные недостатки и без отработанных газов эффективно вырабатывать синтез-газ в компактном устройстве. Задача согласно изобретению решена с помощью способа вышеназванного и ранее более подробно описанного типа согласно п.1 формулы изобретения, в котором энергию, по меньшей мере, частично подают посредством электрической энергии, в котором энергию подают посредством электрически нагреваемых контактных поверхностей и в котором энергию подают посредством контактных поверхностей внутри засыпки гранул катализатора и/или внутри состоящего, по меньшей мере, частично из частиц катализатора псевдоожиженного слоя. Также названная задача в устройстве вышеназванного и ранее более подробно описанного типа решена согласно п.6 формулы изобретения посредством того, что средства для подачи энергии, по меньшей мере, частично предусмотрены посредством электрической энергии, что средства для подачи энергии содержат электрически нагреваемые контактные поверхности и что контактные поверхности расположены внутри засыпки из гранул катализатора и/или внутри, по меньшей мере, частично состоящего из мелких частиц катализатора псевдоожиженного слоя. Если электрическая энергия включена в процесс, то она полностью переходит на синтез-газ. Т.е. энергия не теряется. Это также применимо, когда часть электрической энергии вводится в установку для первичного риформинга, если ощутимого тепла синтез-газа недостаточно для нагрева потоков поступающего вещества и покрытия потребности в энергии эндотермической реакции. Установки для первичного риформинга эксплуатируются при температуре от 400 до 500 С для разложения высших углеводородов на мелкие молекулы для того, чтобы в установке для основного риформинга не образовывалась сажа. Предпочтительно установка для основного риформинга эксплуатируется при температуре между 820 и 920 С. Для поддержания желаемой реакции установка для первичного риформинга и установка для основного риформинга эксплуатируются целесообразным образом с помощью катализаторов на никелевой основе. При этом направление течения подлежащего риформингу газа является несущественным. Установки для парового риформинга этого типа обычно эксплуатируются с помощью избыточного давления для того, чтобы облегчить последующие технологические операции и сепарацию различных газов. Под газообразными углеводородами можно также понимать испаряющиеся углеводороды. Если установка для парового риформинга является частью установки для производства водорода, то давление предпочтительно так высоко, что водород может быть подан в трубопроводы среднего давления от 16 до 25 бар без дополнительного сжатия. Поэтому рабочее давление при паровом риформинге составляет по меньшей мере 16 бар, предпочтительно между 16 и 30 бар, прежде всего между 16 и 25 бар. Если в распоряжении имеется недорогой кислород, например в качестве побочного продукта при электролизе воды с помощью получаемой от солнечных лучей электроэнергии, то кислород может время от времени или по частям использоваться для автотермического режима эксплуатации. За прямой ввод кислорода расплачиваются более высоким содержанием СО 2 в синтез-газе. Электрическую энергию можно вводить в процесс разнообразными способами, например посредством микроволн, плазменного конвертера и электрически нагреваемых контактных поверхностей. Самым простым является создание контактных поверхностей посредством электростатического резистивного нагрева. К аллотермическому паровому риформингу энергия податся посредством электрически нагреваемых контактных поверхностей. При этом тепловая энергия отдатся через контактные поверхности на подлежащий риформингу газ и катализатор. Для этой цели возможным является множество геометрических расположений контактных поверхностей. В одном варианте изобретения электрически нагреваемые контактные поверхности могут быть расположены в засыпке из гранул катализатора и при этом отдавать тепловую энергию на гранулы катализатора и на более или менее подлежащую риформингу газовую смесь. В другом варианте изобретения установка для парового риформинга может работать в виде реактора с псевдоожиженным слоем. Для этого газовая смесь из газа и пара направляется снизу в псевдоожиженный слой, который состоит из частиц с каталитически активным материалом и такого инертного материала, как песок. Размер зерна каталитически активных частиц может составлять в зависимости от плотности между 0,1 мм и 2 см. Однако большие частицы подходят для псевдоожиженного слоя, только если они применяются вместе с инертным, мелкозернистым материалом и обладают примерно его плотностью. Для песка размер зерна составляет предпочтительно между 0,15 и 0,8 мм. При исключительном использовании каталитически активных частиц размер зерна находится в этой области, если достигнута похожая плотность, как у кварцевого песка. Мелкие частицы являются особо предпочтительными, так как они позволяют осуществлять хороший теплоотвод на электрически нагреваемых контактных поверхностях. Для удержания износа в пределах псевдоожиженный слой должен быть выполнен в виде неподвижного псевдоожиженного слоя. Вследствие чрезвычайно высокой теплоотдачи между псевдоожиженным слоем и встроенным электрическим нагревом это расположение является чрезвычайно компактным. Это расположение на порядок меньше, чем известного из уровня техники устройства. При более высоких ценах на электроэнергию в сочетании с работой, при которой не выделяется отработанный газ, это могло бы привести к высокой экономичности и эффективности. При необходимости контактные поверхности сами электрически нагреваются посредством подачи электрического напряжения. Контактные поверхности тогда являются наружными поверхностями электрического сопротивления резистивного нагрева. При необходимости контактным поверхностям может быть также придан электрический нагреватель, находящийся с ними в термически проводящем контакте. В зависимости от формы контактных поверхностей может быть предпочтительной та или иная альтернатива. Очень эффективная и простая система может получаться посредством погружения пластин, прутков и/или труб в засыпку из гранул катализатора, которые образуют контактные поверхности для подвода энергии или же тепла. Пластины, прутки и/или трубы могут нагреваться посредством резистивного нагрева. Пластины, прутки и/или трубы могут сами быть выполнены в виде резистивного нагревателя и при необходимости сами образовывать электрическое сопротивление резистивного нагрева. Однако пластины, прутки и трубы могут также включать в себя резистивный нагреватель. При электрическом нагреве очень просто приспособить мощность к фактическим потребностям хода реакции. Это может происходить либо посредством предварительного вычисления, либо посредством динамических изменений в работе. Так, подача энергии в начале реакционной зоны может быть запланирована большей, чем в дальнейшем прохождении реакционной зоны. Также может быть предпочтительным включение и отключение дополнительных нагревательных элементов. При необходимости подача энергии может быть соотнесена с фактическими потребностями по высоте или же длине засыпки гранул катализатора или псевдоожиженного слоя. Это может быть очень просто осуществлено за счет того, что сопротивление резистивного нагрева изменяется по высоте или же длине засыпки гранул катализатора или псевдоожиженного слоя. Альтернативно или дополнительно, удельная относительно высоты или же длины катализаторной засыпки контактная поверхность вдоль высоты или же длины засыпки из гранул катализатора или псевдоожиженного слоя может быть выполнена изменяемой. Другими словами, в областях засыпки из гранул катализатора или же псевдоожиженного слоя с повышенной расходом тепла может быть предусмотрена большая удельная контактная поверхность, чем в областях с пониженным расходом тепла. Альтернативно или дополнительно, удельная контактная поверхность может быть увеличена также в областях засыпки из гранул катализатора или же псевдоожиженного слоя, в которых температурный градиент между контактными поверхностями и гранулами катализатора или же частицами катализатора является меньшим. Предпочтительно синтез-газ может быть получен из метансодержащего газа. Производство синтезгаза из метансодержащих газов представляет собой эффективную альтернативу сжиганию в виде моторного топлива метансодержащих газов, например, в так называемых теплоэнергоцентралях. Особенно высокая общая эффективность может быть достигнута при использовании биомассы, если метансодержащий газ является биогазом, газом из органических отходов и/или газом, выделяющимся в процессе очистки сточных вод. В этой связи под биогазом понимают газ, который производится посредством ферментации биомассы в установках по производству биогаза и наряду с водяным паром имеет в качестве основных компонентов метан и углекислый газ (СО 2). Газ из органических отходов и газ, выделяющийся при переработке сточных вод, получают схожим образом, как и биогаз при анаэробном разложении биомассы, обозначаемом как ферментация или гниение. При этом биомасса вводится либо в полигон для хранения отходов,либо получается при обработке сточных вод. Альтернативно или дополнительно, при соответствующих ценах на сырь может быть особенно экономически целесообразно, если синтез-газ производится из природного газа и/или нефти. Предпочтительно для эндотермического превращения углеводородов в синтез-газ используют никельсодержащие гранулы катализатора. Ввиду высокой активности этих гранул катализатора для производства синтез-газа требуются только незначительные объмы реактора. Однако принципиально допустимыми являются все известные из уровня техники, каталитически активные соединения при паровом риформинге. При необходимости, для лучшего осуществления процесса может быть целесообразно осуществлять риформинг частично в установке для первичного риформинга и частично в установке для основного риформинга. При этом установка для первичного риформинга и/или установка для основного риформинга может иметь засыпку из гранул катализатора. Альтернативно или дополнительно, установка для первичного риформинга и/или установка для основного риформинга может иметь псевдоожиженный слой из частиц катализатора. Таким образом, можно согласовать способ и устройство для производства синтез-газа с используемыми неочищенными газами. Конструктивно простым является, если установка для первичного риформинга и установка для основного риформинга имеют одинаковую засыпку из гранул катализатора или псевдоожиженных слоев из одинаковых частиц катализатора. Дополнительно, в установке для первичного риформинга и/или установке для основного риформинга могут быть предусмотрены контактные поверхности для прямой или косвенной подачи электрической энергии. Если контактные поверхности предусмотрены как в установке для первичного риформинга, так и установке для основного риформинга, можно очень хорошо управлять протекающими там процессами. Кроме того, общий процесс может быть организован очень эффективно. Контактные поверхности для подачи энергии для аллотермического парового риформинга могут быть расположены в установке для первичного риформинга или установке для основного риформинга в засыпке из гранул катализатора. Однако, альтернативно или дополнительно, контактные поверхности могут также быть расположены в установке для первичного риформинга и/или установке для основного риформинга в содержащем частицы катализатора псевдоожиженном слое. При этом следует принять во внимание то, что засыпку из гранул катализатора технологически и аппаратно регулярно можно эксплуатировать проще. Кроме того, псевдоожиженный слой делает возможным лучший теплообмен и массобмен. Производимый из синтез-газа водород из биометана (биогаза) может являться частью теплопроводящей, работающей на солнечной энергии установки для производства водорода. В качестве будущих ресурсов рассматривают также метан (биогаз) из процессов ферментации. Далее изобретение более подробно объясняется с помощью чертежа, представляющего примеры осуществления. На чертежах показано: фиг. 1 - первый пример осуществления устройства согласно изобретению для производства синтезгаза; фиг. 2 - второй пример осуществления устройства согласно изобретению для производства синтезгаза. На фиг. 1 изображн реактор 1 для осуществления эндотермического преобразования подлежащего риформингу газа. Подлежащий риформингу газ через отверстие 2 попадает в засыпку 4 из гранул катализатора. Эта засыпка 4 снизу опирается на сито 5. На практике такие сита закреплены на перфорированных днищах, которые воспринимают нагрузку. Так, перфорированное днище может одновременно быть отрицательным полюсом 9 (заземлением) электрического нагрева 7. Верхняя граница 6 засыпки 4 в изображнном примере осуществления расположена над электрическим нагревом 7. Часто самый верхний слой засыпки 4 сформирован в виде инертного пылеулавливающего слоя. Нагрев 7 реактора 1 состоит из множества прутков или труб, которые в данном случае имеют форму спирали. Эти спирали имеют в верхней области более узкие витки, чем внизу. Таким образом, требуемая подача энергии может быть соотнесена с заранее вычисленными потребностями. Токоподвод 8 в центре может быть выполнен в виде перфорированного диска или рештки. Токоподвод 8 должен быть изолирован по отношению к фланцам устройства. Синтез-газ покидает реактор через отверстие 3. На фиг. 2 изображн реактор, который выполнен в виде стационарного реактора с псевдоожиженным слоем. Внутри псевдоожиженного слоя 4, который простирается от соплового дна 19 до верхней границы 6, расположен резистивный 7 нагрев. Резистивный 7 нагрев состоит из множества прутков или труб, которые находятся в контакте со сборными шинами 21 и 22 и также удерживаются там механическим путм. Прутки или же трубы выполнены в виде перекрученных петлей. Это кручение отвечает за разрушение больших пузырей в псевдоожиженном слое и улучшает поперечное перемешивание и теплоотдачу на контактные поверхности. Для обеспечения механической стабильности эти прутки или же трубы могут быть закреплены на перфорированном днище 19. Закрепление должно происходить изолирующим образом, если прутки или же трубы сами образуют резистивный 7 нагрев. Подвод тока может происходить, например, посредством концентрически расположенных труб 24, которые должны быть изолированы друг от друга. Эти трубы 24 одновременно образуют механическое крепление в верхней области. От концентрических труб 24 ток затем распределяется на сборные шины 23, которые, в свою очередь,находятся в контакте с расположенными ниже сборными шинами 21 или 22. Для того чтобы обеспечить отсутствие возникновения перегрева у изображнного реактора, вся нагревательная система находится внутри псевдоожиженного слоя. Если выполненные в виде резистивного нагрева 7 перекрученные петли в нижней области состоят из материалов с высоким электрическим сопротивлением, а в верхней области - из материалов с незначительным электрическим сопротивлением, псевдоожиженным слом должна быть покрыта только область петель, которые вследствие их высокого сопротивления отдают высокую тепловую мощность. В этом случае сборные шины 21, 22, 23 должны также изготавливаться из материала с незначительным сопротивлением. Сборные шины вне псевдоожиженного слоя имеют меньший износ. Разумеется, нагрев может быть выполнен также классическим способом с нагреваемыми внутри трубами. Однако это требует затратной конструкции и постоянной промывки труб для того, чтобы нагревательные спирали не становились хрупкими вследствие проникающего водорода. Втекающая в отверстие 2 подлежащая риформингу газопаровая смесь образует сжижающий газ для псевдоожиженного слоя 4. Синтез-газ покидает реактор через отверстие 3. Изобретение делает возможным значительное уменьшение капитальных затрат и более высокую рентабельность. Ввиду постоянно растущего общего коэффициента полезного действия при выработке тока и тепла, использование электрической энергии для парового риформинга является не расточительством энергии, а вкладом в бережное использование энергии. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ производства синтез-газа из газообразных углеводородов посредством аллотермического парового риформинга с катализаторами с псевдоожиженным слоем, в котором энергию, по меньшей мере, частично подают посредством нагрева нагревательными элементами, расположенными внутри псевдоожиженного слоя катализатора. 2. Способ по п.1, в котором контактные элементы нагревают напрямую посредством подачи электрического напряжения. 3. Способ по п.1 или 2, в котором синтез-газ вырабатывают из метансодержащего газа, предпочтительно из биогаза, газа из органических отходов и/или газа, выделяющегося в процессе очистки сточных вод. 4. Способ по одному из пп.1-3, в котором синтез-газ вырабатывают из природного газа и/или нефти. 5. Устройство для выработки синтез-газа из газообразных углеводородов посредством аллотермического парового риформинга по одному из пп.1-4 с катализаторами, отличающееся тем, что предусмотрены средства для подачи энергии в зону псевдоожиженного слоя катализатора, представляющие собой электрически нагреваемые контактные элементы, при этом контактные элементы расположены внутри зоны псевдоожиженного слоя. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что контактные элементы представляют собой электрически нагреваемые пластины, или прутки, и/или трубы. 7. Устройство по одному из пп.5, 6, отличающееся тем, что гранулы катализатора и/или мелкие частицы катализатора содержат никель. 8. Устройство по одному из пп.5, 6, отличающееся тем, что предусмотрены устройство для первичного риформинга и подключнное после устройства для первичного риформинга устройство для основного риформинга. 9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что контактные элементы расположены в устройстве для первичного риформинга и/или в устройстве для основного риформинга. 10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что контактные элементы в устройстве для первичного риформинга и/или в устройстве для основного риформинга расположены в засыпке из гранул катализатора. 11. Устройство по п.9 или 10, отличающееся тем, что контактные элементы в устройстве для первичного риформинга и/или в устройстве для основного риформинга расположены, по меньшей мере, в частично состоящем из мелких частиц катализатора псевдоожиженном слое.