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Dryref-Verfahren zur Dampfreformierung von Methan

Kostengünstig wirtschaften, Energie sparen und CO2 recyceln
Dryref-Verfahren zur Dampfreformierung von Methan

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In Kombination mit dem BASF-Katalysator Synspire G1-110 ermöglicht das Syngasverfahren Dryref von Linde eine Dampfreformierung von Methan bei reduziertem Einsatz von Wasserdampf und unter Verwendung von Kohlenstoffdioxid als Ausgangsmaterial. Dies sorgt sowohl für einen niedrigeren Energieverbrauch als auch für geringere CO2-Emissionen.

Für die Chemieindustrie ist Synthesegas ein essenzieller Rohstoff. Mit den darin enthaltenen Gasen Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid lassen sich wichtige Grundchemikalien wie Methanol, Essigsäure oder Ethylenglykol (MEG) sowie Diesel, Benzin und andere Treibstoffe synthetisch herstellen. Synthesegas wird vor allem über die sogenannte Dampfreformierung (Steam Reforming) produziert. Der konventionelle Prozess benötigt allerdings große Mengen Wasserdampf. Ein Teil des Wasserdampfs wird zwar gemeinsam mit dem eingesetzten Erdgas und mithilfe eines Katalysators in H2 und CO umgewandelt, der überschüssige Rest schlägt sich jedoch in der Energiebilanz der Steam-Reforming-Anlage deutlich nieder. Der erste Schritt für die Ingenieure von Linde war es daher, Ansatzpunkte zu finden, um das Verhältnis von Wasserdampf zu Kohlenstoff verringern zu können. Ziel war es, weniger Dampf einsetzen zu müssen, um ein CO-haltiges Synthesegas zu gewinnen. Denn für die Produktion von zum Beispiel Essigsäure ist ein höherer CO-Anteil nötig.

Katalysator-Know-how gefragt

Den Wasserdampf zu reduzieren war das zentrale Problem. Auf der Oberfläche konventioneller Katalysatoren bilden sich bei zu wenig Dampf Kohlenstoffablagerungen, die schließlich die Schlüsselreaktion blockieren, sprich die Umsetzung von Erdgas und Wasserdampf zu Synthesegas. Um dieses Problem zu lösen und die Dampfreformierung auch insgesamt effizienter zu machen, schlossen sich die Anlagenbau-Spezialisten von Linde Engineering mit den Katalysator-Experten des Chemiekonzerns BASF zusammen. Darüber hinaus beteiligten sich akademische Partner wie das Karlsruher Institut für Technologie, die Technische Universität München, die Universität Leipzig und das Dechema Forschungsinstitut.

Mit ihrem Know-how in der Katalyse-Forschung und den Screening-Kompetenzen der Tochtergesellschaft hte gelang es den BASF-Ingenieuren, einen Katalysator genau für diesen Zweck zu entwickeln. Dieser basiert zwar wie die bisherigen konventionellen Katalysatoren auf Nickel, die Kristallstruktur und die genaue Zusammensetzung wurden jedoch so optimiert, dass die Rußbildung an den Oberflächen bei trockeneren Bedingungen durch eine Art Selbstheilungsprozess unterdrückt wird. Damit bleibt der Katalysator auch bei niedrigen Verhältnissen von Wasserdampf zu Kohlenstoff aktiv.

Weniger investieren – und gewinnen

Mit dem verbesserten Synspire-G1-110-Katalysator als Herzstück des Dampfreformierungprozesses optimierte Linde die Prozessauslegung, erhöhte damit die Energieeffizienz und reduzierte die Betriebskosten. Das Ergebnis ist die Dryref-Technologie. Der Synspire-G1-110-Katalysator wurde ausführlich getestet, erst im Labor- und Miniplant-Maßstab, später im Pilot Reformer von Linde, einer große Pilotanlage, mit der die Anlagenspezialisten in Pullach neue Prozesstechnologien unter realen Bedingungen testen können, und schließlich in einer kommerziellen Anlage. Im Labor ließ sich das molare Verhältnis von Dampf zu Kohlenstoff bis auf einen Wert von 0,9 senken – und die Oberfläche des Katalysators blieb kohlenstofffrei. Im Vergleich dazu liegt das Minimum bei der konventionellen Dampfreformierung typischerweise im Bereich von
2,0 bis 2,5.

Die Synthesegasanlage Dryref benötigt nicht nur weniger Dampf, sondern kann noch mit weiteren wirtschaftlichen Vorteilen punkten: Anlagenkomponenten wie die enthaltene CO2-Wäsche oder der CO2-Recycelverdichter lassen sich deutlich verkleinern. Das verringert die Investitionskosten bei Neuanlagen. Bei bereits bestehenden Anlagen kann der Betreiber Prozessdampf teilweise einsparen und mehr Dampf exportieren. Das schlägt sich dann in geringeren Betriebskosten nieder. Beispielsweise hat Linde Engineering berechnet, dass sich für eine neu gebaute Synthesegas-Anlage, die stündlich 50 000 Nm3 produziert, in den ersten fünf Betriebsjahren eine Ersparnis von bis zu
12 Mio. Dollar ergibt. Dazu verglichen die Ingenieure eine konventionelle Anlage mit einer Dryref-Anlage.

CO2 recyceln, Kosten sparen

Gleichzeitig kann aufgrund des geringeren Anteils an Wasserdampf auch anteilig mehr CO im Synthesegas erzeugt und so ein günstigeres Gaseverhältnis eingestellt werden. Bei diesem Verfahrensschritt kommt
ein weiterer Vorteil der Dryref-Technologie zum Tragen: Die CO2-Emissionen lassen sich dank der höheren Energieeffizienz des Prozesses senken. Weiterhin lässt sich Kohlenstoffdioxid wiederverwerten. Dies eröffnet eine sekundäre Option, die Kohlenstoffbilanz zu verringern. Laut den Experten ist es sogar möglich, CO2 aus anderen Prozessen für Dryref-Anlagen zu nutzen. Berücksichtigt man diesen sogenannten CO2-Import, so sind die Kostenvorteile der Dyref-Technologie gegenüber konventionellen Verfahren sogar noch ausgeprägter. Für das oben erwähnte Beispiel einer Anlage mit
einer Leistung von 50 000 Nm3/h Synthesegas bedeutet dies: In den ersten fünf Betriebsjahren sparen Dryref-Anlagen sogar bis zu 20 Mio. Dollar an Betriebskosten – verglichen mit einer konventionellen Anlage.

Der Dryref-Prozess ist auf den ersten Blick aufgrund seiner geringeren Investitions- und Betriebskosten vor allem für Neuanlagen attraktiv. Die Ingenieure entwickeln aber auch gemeinsam mit dem Anwender maßgeschneiderte Lösungen – beispielsweise für Revamps.

Linde Engineering, Pullach


Jury-Mitglied Detlef Kratz gratuliert Nicole Schödel von Linde Engineering und Virginie Lanver von BASF
Bild: Linde Engineering

Auszeichnung: Icis Award für BASF und Linde

Für die Entwicklung des Synspire-Katalysators und des Dryref-Verfahrens erhielten BASF und Linde Engineering Ende letzten Jahres den ICIS Award 2019 in der Kategorie „Best Process Innovation“. ICIS (Independent Commodity Intelligent Services) gilt als weltweit größter Anbieter von Marktwissen zu petrochemischen Produkten und vergibt einmal jährlich die renommierten Innovations Awards.

Das Katalysatorkonzept und den Prozessablauf der Dryref-Anlage erarbeiteten Linde und BASF im Rahmen eines staatlich geförderten Projekts in Zusammenarbeit mit dem Karlsruher Institut für Technologie, der Technischen Universität München, der Universität Leipzig und dem Dechema Forschungsinstitut. Das umfangreiche Katalysator-Screening übernahm die BASF-Tochtergesellschaft hte.


Autor: Thomas Bartesch

Prozessingenieur für Wasserstoff und Synthesegasanlagen,

Linde Engineering

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