AT524182A1

AT524182A1 - Erzeugung von Wasserstoff mit Hilfe von Metalloxidreaktoren und Synthesegas

Info

Publication number: AT524182A1
Application number: ATA193/2020A
Authority: AT
Inventors: Gruber-Schmidt Johann
Original assignee: Gs Gruber Schmidt
Priority date: 2020-08-25
Filing date: 2020-08-25
Publication date: 2022-03-15

Abstract

Das Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff 16,37 aus Biomasse 1. die in einem Vergasungsreaktor 2 zu Schwelgas 3 und Koks vergast wird. Das Schwelgas 3 wird gereinigt 5 verdichtet 6 und in einem Wasserdampferzeuger 7 und in einem Heißgaserzeuger 8 verbrannt Der Koks 4 wird in einem Wasserdampfvergasungsreaktor 12 mit Hilfe von Wasserdampf 40 zu einem Synthesegas 13 und zu inerten Anteilen 39 umgewandelt Das Synthesegas wird gereinigt 14, verdichtet 14 und mit Hilfe einer Druckwechseladsorption 15 in das Produkt Wasserstoff 16 und in das Gasgemisch aus Kohlenmonoxid und Kohlendioxid 17 getrennt, das über die Wärmetauscher 9.10 auf 8OO0C erhitzt den Metalloxidreaktoren 20.21,22 zur Reduktion der Metalloxide zugeführt wird Das Restgas 28,29,30 wird als verwertbares Gas 31 dem Vergasungsreaktor 2 zugeführt Der überhitzte Wasserdampf 25,26,27 wird den Metalloxidreaktoren 20,21,22 zugeführt, wo über die Oxidation des Wasserdampfes das Gemisch aus Wasserstoff und Wasserdampf 32.33,34 erzeugt wird Das Gasgemisch wird über den Wärmetauscher 24 abgekühlt einem Kondensator 36 zugeführt und in das Produkt Wasserstoff 37 und in Wasser 37 aufgetrennt.

Description

Das Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff 16,37 aus Biomasse 1, die In einem Vergasungsreaktor 2 zu Schwelgas 3 und Koks vergast wird. Das Schweigas 3 wird gereinigt 5 verdichtet 6 und in einem Wasserdampferzeuger 7 und in einem Heißgaserzeuger 8 verbrannt. Der Koks 4 wird in einem Wasserdampfvergasungsreakteor 12 mit Hilfe von Wasserdampf 40, der über den Wärmetauscher 41 überhitzt wird, zu einem Synthesegas 13 und zu inerten Anteilen 39 umgewandelt. Das Synthesegas

wird gereinigt 14, verdichtet 14 und mit Hilfe einer Druckwechseladsorption 15 in das Produkt Wasserstoff 16 und in das Gasgemisch aus Kohlenmonoxid und Kohlendi 0X 17 getrennt, das über die Wärmetauscher 9,10 auf 800°C erhitzt den Metalloxidreaktoren 20,21,22 zur Reduktion der Metalloxide zugeführt wird. Das Restgas 28,29,30 wird als verwertbares Gas 31 "dem Vergasungsreaktor 2 zugeführt, Der überhitzte Wasserdampf 25,26,27 wird den Metalloxidreaktoren 20,21,22 zugeführt, wo über die Oxidation des Wasserdampfes das Gemisch aus Wasserstoff und Wasserdampf 32,33,34 erzeugt wird. Das Gasgemisch wird über den Wärmetauscher 24 abgekühlt einem Kondensator 36 zugeführt und In das Produkt Wasserstoff 37 und In Wasser 37 aufgetrennt.

Die Verwendung von Metallen zur Oxidation und Reduktion Ist technisch seit 1911 bekannt. In dem Patent von Dr. Anton Messerschmitt (GB 191212117 A) werden Eisenoxide oxidiert und reduziert, um damit aus Vasserdamı of Wasserstoff zu 1 Szengen Als Eisen OxXi ide werden in dem Patent Wüstit ( FeO) und Maagnetit ( Me304) angefü ührt. Die Oxidation von Wüstit (FeO) mit Hilfe von Wasserdampf (H20) ergibt Wasserstoff (H2) und führt zu Magnetit t (Fe304). Der Magnetit (Fe304) wird dann mit Hife von Kohlenmonoxid zu Eisenoxid Wüstit (FeOQ) reduziert. Die Reaktoren arbeiten dabei in einem Temperaturmiveau von 500°C bis 800°C. Die Eisenoxide bleiben damit fest und sollen nicht in die Nähe des Schmelzpunktes kommen. In dem Patenten des Hr. Dr. Anton Messerschmitt wurden Eisenerze zur Oxidation und Reduktion verwendet.

3FeQ + H20 — Fe304 + H2 Fe304 + CO > CO2 + 3FeÖ

Doch das Verfahren und der zugehörige Apparat hatte einen Nachteil: die thermische Erzeugung von Energie erfolgte über die Verwendung von Steinkohle, Die Steinkohle wurde zu Koks verschweit und In der Folge das Gichtgas thermisch verbrannt. Der Koks wurde erneut mit Wasserdampf zu einem Synthesegas verschweit, das reich an Kohlenmeonoxid und Wasserstoff war, Dieses Gas weißt aber auch hohe Verschmutzungen in Form von Kohlenstoff, Methan, Ethan, Ethen auf. Zur Jahrhundertwende war die Gasaufbereitung noch in den ersten Entwicklungsschritten und man sparte sich die Reinigung des Synthesegases, indem man das Synthesegas zur Reduktion des Magnetit (Fe304) zu Wüstit (FeO) verwendet,

3Fe0 + HZ0 — Fe304 + H2 SFe304 + CO + HZ+ CHA — ZC0Z+3H20 + 18Fe0

Das Verfahren von Dr. Anton Messerschmitt verlor nach dem zweiten Weltkrieg an Bedeutung und wurde nicht mehr verwendet, da Steinkohle durch Erdgas und Erdöl abgelöst worden Ist, Kehren wir aber zu der Frage der thermischen Erzeugung von Wasserstoff zurück.

Wasserstoff kann vielfältig erzeugt werden, Es werden hier nur zwei Verfahren angeführt. Die Erzeugung von Wasserstoff mit Hilfe der Elektrolyse und die Erzeugung von Wasserstoff durch Vergasung. In der chemischen Industrie hat sich nach dem zweiten Weltkrieg, das Verfahren der Wasserdampfvergasung von Erdgas durchgesetzt.

CHA + HZ0—> CO + 3H2 CO + H2L0 — CO2+ HZ

Die chemische Industrie hatte dabei großes Interesse an billigem Wasserstoff, der für chemische Synthese von anderen Produkten eingesetzt worden ist.

Das Verfahren der Elektrolyse, vor allem der Nasselektrolyse, basierend auf den Ideen von Michael Faraday, die zu dem ersten und zweiten Faradayschen Gesetz geführt haben, hat sich nur in der Messtechnik ( Analysetechnik } durchgesetzt. Großtechnisch ist das Verfahren der Elektrolyse aus Kostengründen in der Grundstoffindustrie und chemischen Industrie kaum bis gar nicht zur Anwendung

gekommen.

1. Faradaysche Gesetz M=cQ=clt 2. Faradaysches Gesetz Q=nzF

Im 21. Jahrhundert ist die Frage nach Wasserstoff erneut aufgetaucht, da man sich dadurch einen Energieträger erwartet, der ein Nullemissionspotenzial besitzt und als Energieträger zum Stromerzeugen, Heizen und zur Speicherung von elektrischer Energie herangezogen werden kann. Dabei ist aber zu beachten, dass Wasserstoff als häufigstes Element im Universum Vorteile und Nachteile aufweist. Im Folgenden sind die Eigenschaften von Wasserstoff aufgelistet:

physikalisch

- ungiftig und nicht - umweltneutral, nic} - geruchlos

- geschmacksneuftral

- unsichtbar, fast unsichtbare Flamme - flüchtig, leichter als Luft

- entweicht durch kleinste Öffnungen - nicht korrosiv

- nicht radioaktiv

chemisch

- Siedetemperatur Ts = -252,77 °C = 20,3 K

- Schmelztemperatur Tsen = - 258,6 °C = 14,4 K

- Dichte bei 20,3 K und 1013 mbar = 70,79 g/l

- Gasdichte bei 20,3 K und 1013 mbar = 1,34 g/l

- Gasdichte bei 273,15 K und 1013 mbar = 0,089 g/l

- Wasserstoff ist 15mal leichter als Luft

- Molekular-Gewicht = 2,016 g/mol

- Verdampfungswärme = 445.4 kJIIkg

- unterer Heizwert: 119,97 MJ/kg = 33,33 kWh/kg = 10,78 MI/Nm = 3,0 KWI/Nm®

12,75 MAINM® = 3,5 kWINm?

- oberer Heizwert: 141,80 MJ/ka = 39.41 KWh/kg - Zündgrenzen in Luft: untere 4,0. - 4,1 Vol%; € - Selbstentzündungs-Temperaturn 585 °C

- Minimale Zündenergie in Luft: E = 0,02 mJ „bei 29 % ist Tmac = 2318 °C Verbrennungstemperatur in Luft

„bei 29 % ist Tmaxo2 > 3000 °C Verbrennungstemperatur mit reinem Sauerstoff

- max. Flammgeschwindigkeit: 346 cm/s

- Häufigstes Element im Weltall, stellt über 90 % aller Atome, rund % der gesamten Masse - Wasser enthält 11,2 Gew. -% Wasserstoff

Der Nachteil von Wasserstoff liegt auf der Hand: das Molekül besteht aus einem Proton und Elektron und ist sehr klein ( Moleküldurchmesser <= 3 A° ), leichter als Luft ( der Chemiker Antoine Laurent de Lavosier nannte es daher 1731 die „brennbare Luft oder auch Wasserbildner „ }, im flüssiger Phase hat Wasserstoff eine Dichte von = 70 kg/m* und unter einem Druck von 700 bar hat Wasserstoff eine Dichte von — 40km.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, dass ein Verfahren zur thermischen Erzeugung von Wasserstoff gefunden wird, das Synthesegas aus erneuerbarer Energie verwendet, sodass eine Keduktion mit Hilfe des Synthesegases erfolgen kann, eine Oxidation mit Hilfe von Wasserdampf erfolgen kann, der so erzeugte Wasserstoff erneuerbar ist, somit zudem nachhaltig ist und das Potenzial einer Nulilemission aufweist.

Wasserstoff rkokung von Verfahren basiert auf Steinkohle die zu Koks verkokt wird. Das so erzeugte Gichtgas wird zur Reduktion des Eisenoxidreaktors herangezogen. Der Wasserdampf oxidiert das Eisenerz. Als Pellets wird Eisenerz aus dem Abbau verwendet, Das so gewonnene Eisenerz wird dann der Verhüttung zugeführt,

Das In dem Patent GB 191212117 A dargestellte Verfahren beschreibt die Erzeugung von mit Hilfe der Oxidation und Reduktion von Eisenerzen und Gichtgas ( Schweigas aus der Ve Steinkohle ). Das

CR

Die Erfindung basiert auf der Kombination der Vergasung 2, der Wasserdampfvergasung 12 und der Oxidation und Reduktion in Metalloxidreaktoren 20,21,22, um so eine maximale Ausbeute an Wasserstoff 16,37 zu erreichen.

Die Vergasung 2 ist ein endothermer Prozess, bei dem Biomasse 1, mit Hilfe von Wärme in einem Reaktor 2 zu einem Schweigas 3 und Koks 4 umgewandelt wird. Die Wärme wird mit Hilfe von Luft und dem Restgas 31 aus den Metalloxidreaktoren 20,21,22 erzeugt. Das Schweigas besteht aus Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Methan, Kohlendioxid, Kohlenwasserstoffen und Stickstoff. Das Schweigas hat einen Heizwert von 2,0 kWh/m* bis 2,2 kWh/m* wird In der Gasreinigung von

taubpartikel gereinigt und mit Hilfe eines Verdichters 6 den Brennkammern des Wasserdampferzeuger s 7 und der Brennkammer des Heißgaserzeugers 8 zugeführt.

Der Wasserdampf wird in einem Großraumwasserkessel 7 mit Hilfe der Wärme aus dem verbrannten Schweigas 3 erzeugt und hat bei einem Druck von 2 bar eine Temperatur von 120°C bis 140°C, ist also leicht überhitzt.

Der Heißgaserzeuger 8 erzeugt ein Heißgas mit einer Temperatur von 1200°C, die dazu benutzt wird, um so das Kohlenmonoxid und Kohlendioxid 17 aus dem Synthesegas der Wasserdampfvergasung 12 zu überhitzen und dann den Metalloxidreaktoren 20,21,22 zuzuführen. Der Wasserdampf aus dem Dampferzeuger 7 wird mit Hilfe des Heikgases auf 400°C überhitzt.

4

Die Wasserdampivergasung 12 wandelt den aus der Vergasung gewonnen Koks mit Wasserdampf 40 in ein Synthesegas um, Das Synthesegas wird gereinigt, der Staubanteil auf 0,5 mg/Nm®* gesenkt, und mit einem Verdichter der Druckwechseladsorption 15 zugeführt. Die Druckwechseladsorption basiert auf der Verwendung eines Molekularsiebes, das aus Steinkohlepellets besteht, sodass die Gas Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, sowie Methan adsorbiert und den Wasserstoff als Produktgas 16 gewinnen lässt. Mit Hilfe eines Vakuumverdichters 18 wird das Gasgemisch aus dem Molekularsieb abgetrennt und den Wärmetauschern 9,10 zugeführt und über den Wärmetauscher 41 so auf 1000°C überhitzt.

Die Metalloxidreaktoren 20,21,22 sind mit Metalloxidpellets gefüllt. Diese Pellets bestehen aus einem thermisch beständigen Keramikkörper aus A203 auf dessen Oberfläche eine Schicht von 0, mm bis 0,5 mm Metalloxid aufgetragen wird. Die Pellets haben folgende Abmessungen, Durchmesser 3 mm bis Smm, Länge Smm bis 9mm. Die Pellets werden als Schüttung in dem Metalloxidreaktor eingebracht und von den Gas und Dämpfen durchströmt, Die Schichtdicke des Metalloxides steht im unmittelbaren Zusammenhang mit der Diffusionsgeschwindigkeit des oxidierenden und reduzierenden Gase.

Zur Oxidation der Metalloxide wird Wasserdampf verwendet, Als Metalloxide werden verwendet:

es Wüßstit (FeO) und Magnetit (Fe304) es Maganoxid ( MnO } und Maganoxid ( Mn304)

Die chemischen Reaktionsgleichungen ergeben sich zu:

Oxidation von Eisenoxid:

Oxidation FeO Fe304 FeO H20 <=> Fe304 H2 3 1 1 1 mol 71,667 18 231 2 g/mol 215,001 18 0 231 2g 107,5005 9 115,5 1 kg/h 10750,05 900 11550 100 kg/h Hf -264 -245 -1116,7 0 kJ/mol -792 -245 0 -1116,7 O0 kJ/mol T 750 750 750 750 °C 1023,15 1023,15 1023,15 1023,15 °K Sf 58,79 188,95 155,5 130,68 kJ/mol/K 180,4529655 193,3242 159,0998 133,7052 kJ/mol Sf -611,5470345 -51,6758 0 -957,6 133,7052 kJ/mol -160,672 kJ/mol

-80,336 kJ/g H2 -22,3156 kW/kg -2231,56 kWh

Oxidation von Manganoxid (MnO) zu Manganoxid (Mn304)}:

Oxidation MnO Mn304 MnO H20 <=> Mn304 H2 3 1 1 1 mol

70,9 18 228,7 2 g/mol 212,7 18 0 228,7 2g 106,35 9 114,35 1 kg/h 10635 900 11435 100 kg/h

Hf -385,1 -245 -1387,2 0 kJ/mol

-1155,3 -245 0 -1387,2 0 kJ/mol T 500 500 500 500 °C 773,15 773,15 773,15 2773,15 °K Sf 59,86 188,95 154 2130,68 kJ/mol/K 138,842277 146,0867 119,0651 101,0352 kJ/mol Gf -1016,457723 -98,9133 0 -1268,13 101,0352 kJ/mol -51,7286 kJ/mol

-25,8643 KJ/g H2 -7,18453 kWi/kg -718,453 kWh

Zur Reduktion der Metalloaxide werden Kohlenmonoxid und Kohlendioxid verwendet, Als Metalloxide werden verwendet:

es \Wüstit (FeO) und Magnetit (Fe303) » Maganoxia ( MnO ) und Maganoxid ( Mn304)

Die chemischen Reaktionsgleichungen ergeben sich zu:

Reduktion von Magnetit (Fe304) zu Wüstit (FeO)

Reduktion

Fe304 FeO Co

Fe304 CO <=> CO2 FeO 1 1 1 3 mol 231 28 44 271,667 g/mol 231 28 0 44 215,001 g 1,074414 0,130232 0,20465 1 kg 11550 1400 2200 10750,05 kg/h Hf -1116,7 -110,93 -393 -264 kJ/mol -1116,7 -110,93 0 -393 -792 kJ/mol T 750 750 750 750 °C 1023,15 1023,15 1023,15 1023,15 °K Sf 155,5 197,66 213,79 58,79 kJ/mol/K 159,0998 202,2358 218,7392 180,453 kJ/mol

Gf -957,6 91,30583 0 -174,261 -611,547 kJ/mol 380,48655 kJ/mol 0,374354 kJ/g FeO 0,103987 kW/kg 1117,869 kWh

Reduktion von Manganoxid (Mn304) zu MnO:

Reduktion Mn304 MnO Mn304 CO <=> CO2 MnO 1 1 1 3 mol 228,7 28 44 70,9 g/mol 228,7 28 0 44 212,7 g 1,075223 0,131641 0,206864 1 kg 11435 1400 2200 10635 kg/h Hf -1387,2 -110,93 -393 -385,1 kJ/mol -1387,22 -110,93 0 -393 -1155,3 kJ/mol

T 500 500 500 500 °C 773,15 773,15 773,15 2773,15 °K Sf 154 197,66 213,79 59,86 kJ/mol/K 119,0651 152,8208 165,2917 138,8423 kJ/mol

Gf -1268,13 41,89083 O0 -227,708 -1016,46 kJ/mol -17,9219 kJ/mol -0,08426 kJ/g FeO -0,02341 kW/kg -248,915_ kWh

Wie aus der Oxidation und Reduktion zu erkennen ist handelt es sich um exotherme Reaktionen, Sodas 5 als zusätzlicher Zwischenschrntt eine Abkühlung vorzusehen ist. Die Metalloxidreaktoren 20.21,2 werden nun abwechselnd wie folgt betrieben: Oxidation, Reduktion, Abkühlung. Das ist aus He nachfolgenden Tabelle ersichtlich:

Reaktor 20 Reaktor 21 Reaktor 22 Oxidation Reduktion Abkühlun Reduktion Abkühlun Oxidation Abkühlung Oxidation Reduktion

Das aus der Reduktion gewonnene Restgas 31 wird dem Vergasungsreaktor 2 zugeführt. Der aus der Oxidation gewonnene Wasserstoff ist m Wasserdampf gemischt wird über einen Wärmetauscher 24 abgekühlt und in dem Wärmetauscher 36 In Wasser 38 und Wasserstoff 37 aufgetrennt.

Das erfindungsgemäße Verfahren Ist eine Alternative zu der bekannten Wassergasreaktion (WGS) oder auch als Shift Reaktion bekannt, bei der Kohlenmoneoxid mit Was sserda mpf zu Kohlendioxid und Wasserstoff umgewandelt wird, Das Metalloxidverfahren hat den Vorteil einen sehr reinen Wasserstoff zu erzeugen. Eine Nachbehandlung und Abtrennung von ı Restgasen wie Methan oder Kohlendioxid ist nicht notwendig.

Die Anlagen sind ideal zur Erzeugung von grünem Wasserstoff aus Biomasse und lassen sich ja nach Aufkommen der Biomasse leicht und zuverlässig vergrößern.

Abbildungen

Abbildung 1 zeigt das Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff 16,37 auf der Basis von Biomasse 1. Biomasse 1 wi ird | in einem Vergasungsreaktor 2 zu Koks 4 und Schweigas 3 thermisch umgewandelt. Das Schweigas 3 wird gereinigt 5 und über einen Verdichter 6 dem Wasserdampferzeuger 7 und dem Heißgaserzeuger 8 zugeführt. Im Wasserdampferzeuger 7 wird die notwendige Wärme durch Verbrennung des Schweigases mit Luft erzeugt, die Wärme dient dazu einen Wasserdampf bei 2 bar und 120°C zu erzeugen. Im Heißgaserzeuger 8 wird die notwendige Wärme durch Verbrennung des Schweigases mit Luft erzeugt, die Wärme dient dazu Heißgas mit einer Temperatur von 15600°C zu erzeugen. Der Koks 4 aus der Vergasung 2 wird mit Hilfe der Wasserdampfvergasung 12 zu einem Synthesegas, reich an Kohlenmonoxid und Wasserstoff umgewandelt. Das Synthesegas wird in der Gasreinigung 13 aufgereinigt und mit dem Verdichter 14 einer Druckwechseladsorption 15 zugeführt. In der Druckwechseladsorption 15 wird das Syr dhesegas | in Wasserstoff 16 und in ein Gasgemisch aus Kohlenmonoxid und Kohlendioxid aufgetrennt, das mit Hilfe eines Verdichters den Wärmetauschern 9,10 zugeführt wird und über I Wärmetauscher auf eine Temperatur von 800°C aufgeheizt wird. Der Wasserstoff 16 ist ein Teil des gesuchten Produktes, Der Wasserdampf aus dem Wasserdampferzeuger wird über den Wartu cher 11 auf eine Temperatur von 500°C überhi izt und den Metalloxidreaktoren 20,21,22 zugeführt. Der In den Reaktoren 20,21,22 erzeugte Wasserstoff 32,33,34 wird dem Wärmetauscher 24 zugeführt, der einen Teil des erzeugten Wasserdampfes auf 800°C überhitzt und der Wasserdampfvergasung 12 zugeführt wird, Die Inertantelle 40 aus der Wasserdampfvergasung 12 werden entsorgt. Das über die Wärmetauscher 9, 10 überhitzte Kohlenmonoxid und Kohlendioxid G9500M isch wird den Metalloxidreaktoren 20,21,22 zugeführt und dient dazu die Metalloxide zu eduzieren. Das verbleibende Resigas 31 aus Kohlenmonoxid und Kohlendi Oxid 28,29,30 wird dem Vergasungsreaktor 2 zugeführt und in dem Reaktor 2 verbrannt, um die für die Vergasung notwendige Wärme zu erzeugen, Das in dem Wärmetauscher 24 abgekühlte Wassers stoff ı und Wasserdampfgemisch 35 wird über den Wärmetauscher 36 auf 25°C abgekühlt, und das Wasser als Kondensat 38 abgeschieden. Der verbleibende Wasserstoff 37 ist ein Teil des gewünschten Produktgases.

Zeichen und Symbole

1 Biomasse

2 Vergasungsreaktor

3 Schwaelgas aus dem Vergasungsreaktor 4 Koks

5 Gasreinigung

6 Verdichter

7 Wasserdampferzeuger

8 Heißgaserzeuger

9 Wärmetauscher

10 Wärmetauscher

11 Wärmetauscher

12 Wasserdampfvergasungsreaktor 13 Gasreinigung

14 Verdichter

15 Druckwechseladsorpfion

16 Produktgas Wasserstoff 17 Restgas Kohlenmonoxid und Kohlendioxid 18 Verdichter

19 Heißes Kohlenmonoxid und Kohlendioxid 20 Metalloxidreaktor

21 Metalloxidreaktor

22 Metalloxidreaktor

23 überhitzter Wasserdampf

24 Wärmetauscher

25 Wasserdampf

26 Wasserdampf

27 Wasserdampf

28 Wasserstoff / Wasserdampf

29 Wasserstoff / Wasserdampf

30 Wasserstoff / Wasserdampf

31 Restgas aus Kohlenmonoxid / Kohlendioxid 32 Kohlenmonoxid / Kohlendioxid 33 Kohlenmonoxid / Kohlendioxid 34 Kohlenmonoxid / Kohlendioxid 35 Wasserstoff / Wasserdampf

36 Wärmetauscher ( Kondensator } 37 Produktgas Wasserstoff

38 Wasser

39 Inerte Anteile

40 Überhitzter Wasserdampf

41 Wärmetauscher

Symbole

VGA Vergasungsreaktor SGA Wasserdampfvergasung PSA Druckwechseladsorption MOX Metalloxidreaktor

WD Wasserdampferzeuger HG — Heißgaserzeuger

GR Gasreinigung

H2 Wasserstoff

CO Kohlenmonoxid

FeQ Eisenoxid ( Wüstit ) Fe304 Eisenoxid ( Magnetit) MnO Manganoxid

Mn304 Manganoxid

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff, umfassend einen Vergasu ngsreaktor (2), eine Gasreinigung (5), einen Verdichter (6), einen Wasserdampferzeuger (7), einen Heikgaserzeuger (8) mit Wärmetauscher (41,9,10,11), Wasserdampfvergasungsreaktor (12), eine Gasreinigung (13) einen Verdichter (14), eine Druckwechseladsorption (15), einen Verdichter (18), einen Wärmetauscher(24), Metalloxidreaktoren (20,21,22), einen Wärmetauscher (26)

Gekennzeichnet dadurch, dass

- Biomasse (1) In den Vergasungsreaktor (2) minimal 10 kg/h, maximal 1500 kg/h eingebracht wird

- Die Biomasse (1) im Vergasungsreaktor (2) zu Koks (4) minimal 10% der eingebrachten Biomasse (1), maximal 20% der eingebrachten Biomasse (1) umgewandelt wird,

- Die Biomasse (1) im Vergasungsreaktor (2) zu einem Schwelgas (3) umgewandelt wird mit

einem Volumenstrom des Schweigases (3) von minimal 10 mh, maximal 2000 mh,

- Der Heizwert des Schweigases (3) minimal 1,0 kWh/m?*, maximal 2,5 kWh/m® ist, Das Schweigas (3) aus Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Kohlenwasserstoff und Stickstoff besteht, wobei die Konzentration von Kohlenmonoxid minimal 15%, maximal 40% hat, die Konzentration von Wasserstoff minimal 10%, maximal 40% hat, die Konzentration von Kohlenwasserstoffen minimal 1%, maximal 5% hat, der Rest Stickstoff ist,

- Im Vergasungsreaktor (2) das Restgas (31) aus den Metalloxidreaktoren (20,21,22) eingebracht wird,

- Das Restgas (31) aus Kohlenmonoxid und Kohlendioxid besteht, wobel die Konzentration von Kohlenmonoxid minimal 1%, maximal 20% hat, der Rest Kohlendioxid ist, Der Vergasungsreaktor (2) mit einer Temperatur von minimal 800°C, maximal 1200°C betrieben wird,

- Der Vergasungsreaktor (2) mit einem Druck minimal 0,1 bar, maximal 0,8 bar betrieben wird,

- Der Vergasungsreaktor (2) als Schachtofen die Biomasse mit Hilfe der Schwerkraft bewegt,

- Die Gasreinigung (5) Im Schweigas (3) den Staubgehalt minimal auf 0,1 mg/m*, maximal auf 0,5 ES Mma/m® senkt,

- Die Gasreinigung (5) im Schweigas (3) den Teergehalt minimal auf 0,1 mg/m*, maximal auf

0,5 mg/m* senkt,

- Der Verdichter (6) das Schweigas (3) aus dem Vergasungsreaktor (2) mit einem Unterdruck absaugt minimal 0,8 bar Unterdruck, MM 0,1 bar Unterdruck,

- Der Volumenstrom des Schweigases (3) m nimal 10 mh, maximal 2000 mh beträgt Die Temperatur des Schweigases (3) min nirmal 5°C, maximal SOC Strg

- Der Verdichtungsdruck des Schweigases (3) minimal 1,1 bar, maximal 1,5 bar beträgt

- Im Wasserdampferzeuger (7) Schweigas (3) mit Luft zu einem heißen Rauchgas verbrannt wird dessen Temperatur minimal 400°C, maximal 1600°C hat

- Der Wasserdampferzeuger Wasserdampf mit einem Massenstrom min 10 kg/h, maximal

5000 kg/h erzeugt - Der Druck des Wasserdampfes minimal 1,5 bar, maximal 2,0 bar beträgt - Die Temperatur des Wasserdampfes minimal 130°C, maximal 150°C beträgt

- Im Heißgaserzeuger (8) Schweigas (3) mit Luft zu einem heißen Rauchgas verbrannt wird dessen Temperatur minimal 400°C, maximal 1600°C hat - Der Heißgaserzeuger einen Volumenstrom an Rauchgas von minimal 10 mh, maximal 5000 mh erzeugt - Der Druck des Heißgases minimal 1,1 bar, maximal 2,0 bar beträgt "Die Temperatur des Heißgases min nimal 400°C, maximal 1600°C beträgt

- Koks (4) in den Vergasungsreaktor (12) minimal 100 ka/h, maximal 200 kg/h eingebracht wird

11718

11

Koks (4) im Vergasungsreaktor 02 Zusam mit überhitzen \Vasserdampf (40) zu einem Synthesegas (13) umgewandelt wird mit einem Volumenstrom des Synihesegases (13) von minimal 10 mh, maximal 2000 mh, Der Heizwert des Synthe segas aus der Wasserdampfvergasung (12) minimal 1,0 KAWh/m?, MX imal 2,5 KWh/m” ist,

8 5 KONZ iraON an Kohlenmonoxid im Synthesegas aus der Wasserdampfvergasung (12) Dr al 20%, maximal 50% beträgt, Die ‚Konzentr ation an Wasserstoff | im Synthesegas aus der Wasserdampfvergasung (12) minimal 50%, maximal 80% beträgt, Der Wasserdampf (40) eine Temperatur minimal von 400°C, maximal von 1200°C hat, Der Vergasungsreaktor (12) mit einer Temperatur minimal 400°C, maximal 1200°C betrieben wird, Der Vergasungsreaktor (12) mit einem Druck minimal 0,1 bar, maximal 0,8 bar betrieben wird,

Die Gasreinigung (13) im Synthesegas aus der Wasserdampfvergasung (12) den Staubgehalt minimal auf 0,1 mag/m®, maximal auf 0,5 ma/m®* senkt

Die Gasreinigung (13) im Synt hesegas aus der Wasserdampfvergasu ing (12) den Teergehalt minimal auf 0,1 mg/m®, maximal auf 0,5 mg/m* senkt

Der Verdichter (14) das Synthesegas aus der Wa SSerdam pfvergasung (12) aus dem Vergasungsreaktor (12) mit einem Unterdruck absaugt minimal 0,4 bar Unterdruck, maximal 0,1 bar Unterdruck,

Der Volumenstrom des Synthesegas aus der Wasserdampfvergasung (12) minimal 10 mh, maximal 2000 mh beträgt

Die Temperatur des Synthesegas aus der Wasserdampfvergasung (12) minimal 5°C, maximal 50°C beträgt,

Der Verdichtungsdruck des Synthesegas aus der Wasserdampfvergasung (12) minimal 5 bar,

maximal 15 bar beträgt,

Die Auftrennung des Synthesegas aus der Wa asserdampf (vergasung (12) In einer Druckwechseladsorption (15) erfolgt die mit einem Druck minimal 8bar, maximal 15 bar betrieben wird,

Das Kohlenmonoxid und Kohlendioxid aus dem Syniesegas aus der Wasserdampfvergasung (12) In Steinkohlepeflets als Molekularsieb gespeichert durch Unterdruck minimal 0,4 bar, maximal! 0,1 bar abgesaugt wird

Der Wasserstoff (16) aus dem Synthesegas aus der Wasserdampfvergasu ng (12) durch die Druckwechseladsorption (15) mit der Konzentration minimal 95%, maximal “99 99% gewonnen wird,

Im Wärmetauscher (11) das Gasgemisch aus Kohlenmonoxid und Kohlendioxid auf eine Temperatur von minimal 100°C, maximal 200°C erwärmt wird,

Im Wärmetauscher (9) das Gasgemisch aus Kohlenmonoxid und Kohlendioxid auf eine Tempera atur von minimal 400°C, maximal 800°C erwärmt wird,

Im Wärmetauscher (10) der Wasserdampf aus dem Dampferzeuger (7) auf eine Temperatur von minimal 200°C, maximal 400°C erwärmt wird,

Im Wärmetauscher (24) der Wasserdampf aus dem Wärmetauscher (10) auf eine Temperatur von minimal 500°C, maximal 600°C erwärmt wird,

Im Wärmetauscher (24) das Wasserstoff- und Wasserdampfgemisch (32,33,34) auf eine Temperatur von minim al 200°C, maximal 400°C abgekühlt wird

Im Wärmetauscher (36) das Wasserstoff- und Wasserdampfgemisch (32,33,34}) auf eine Temperatur von minimal 25°C, maximal 90°C abgekühlt wird

Im Wärmetauscher (36) das Wasser in flüssiger Phase (38) abgeschieden wird

Im Metalloxidreaktor (20,21,22) Eisenoxid (FeO) mit dem Wasserdampf aus dem

Dampferzeuger (7) zu Magnetit (Fe304) bei einer Temperatur minimal 500°C, maximal 800°C oxidiert wird,

- Im Metalloxidreaktor (20.21.22) durch die Oxidation von Eisenoxid (FeO) zu Magnetit (Fe304) ein Gemisch aus W. rstoff und Wasserdampf (32,33,34) erzeugt wird, mit einem Volumenantell an Wasserstoff minimal von 50%, maximal 85%

- Im Metalloxidreaktor (20,21,22) durch die Oxidation von Eisenoxid (FeO) zu Magnetit (Fe304) ein Gemisch aus Wasserstoff und Wasserdampf (32,33,34) erzeugt wird, mit einer Temperatur minimal von 500°C, maximal von 800°C

- Im Metalloxidreaktor (20,21,22) durch die Oxidation von Eisenoxid (FeO) zu Magnetit (Fe304) ein Gemi isch aus Wasserstoff und Wasserdampf (32,33,34) erzeugt wird, mit einem Druck von minimal 1,5 bar, maximal 15 bar,

- Im Metalloxidreaktor (20,21,22) Eisenoxid (Fe304) mit dem Kohlenmonoxid aus dem \Wasserdampfvergaser (12) zu Wüstit (FeO) bei einer Temperatur minimal 500°C, maximal 80070 (OE ert wi ind, ein Gemi sch € aus Kohl ndi oxid und Kohlenmonoxid 1 (28, 29 30) erzeugt” wi ird, mit einem Volumenanteil ar Kohlenmeonoxid mini nal von 10%, maximal 30%

- Im Metalloxidreaktor (20,21,22), durch die Reduktion von Eisenoxid (Fe304) zu Wüstit (FeO) ein Gemisch aus Kohlendioxid und Kohlenmonoxid (28,29 30) erzeugt wird mit einer Temperatur minimal von 500°C, maximal von 800°C Im Metalloxi (dreaktor (20,21 22) durch die Reduktion von Eisenoxid (Fe304) zu MM istit (FeQ) ein Gemisch aus Kohlendioxid und Kohlenmaonoxid (28,29,30) erzeugt wird, mit einem Druck von minımal 1,5 bar, ea al 15 bar,

Verfahren nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass

- Im Metalloxidreaktor (20,21,22) Maganoxid (MO) mit dem Wasserdampf aus dem Dampferzeuger (A) zZ zZ u Manganoxid (Mn304) bei einer Temperatur minimal 500°C, maximal 800°C oxidiert wird,

- Im Metalloxidreaktor (20,21,22) durch die Oxidation von Maganoxid (MnO) zu Manganoxid (Mn3 04) ein Gemisch aus Wasserstoff und Wasserdampf (32,33,34) erzeugt wird, mit einem Volumenanteil an Wasserstoff minimal von 50%, maximal 85%

Im Metalloxidreaktor (20,21,22) durch die Oxidation von Manganoxid (MnO) zu Manganoxid (Mn304) ein Gemisch aus Wasserstoff und Wasserdampf (32,33,34) erzeugt wird, mit einer Temperatur minimal von 500°C, maximal von 800°C

- Im Metalloxidreaktor (20,21,22) durch die Oxidation von Manganoxid (MnO) zu Manganoxid (Mn304) ein Gemisch aus Wasserstoff und Wasserdampf (32,33,34) erzeugt wird, mit einem Druck von minımal 1,5 bar, maximal 15 bar,

Im Metalloxiäreaktor (20,21,22) Manganoxid (Mn304) mit dem Kohlenmonoxid aus dem Wasserdampfvergaser (12) zu Manganoxid (MnO) bei einer Temperatur minimal 500°C, maximal 800°C reduziert wird,

- Im Metalloxidreaktor (20,21,22}) durch de Reduktion von Manganoxid (Mn304) zu Manganoxid (MnO) ein Gemisch aus Kohlendioxid und Kohlenmonoxid (28,29,30) erzeugt wird, mit einem Volumenantell an Kohlenmonoxid minimal von 10%, maximal 30%

- Im Metalloxidreaktor (20,21,22), durch die Reduktion von Manganoxid (Mn304) zu Manganoxid (MnO) ein Gemisch aus Kohlendioxid und Kohlenmonoxid (28,29,30} erzeugt wird mit einer Temperatur minimal von 500°C, maximal von 800°C

- Im Metalloxidreaktor (20,21,22) durch die Reduktion von Manganoxid (Mn304) zu Manganoxid (MnO) ein Gemisch aus Kohlendioxid und Kohlenmonoxid (28,29,30} erzeugt wird, mit einem Druck von minimal 1,5 bar, maximal 15 bar,