AT524186A1 - Erzeugung von Wasserstoff mit Hilfe von Metalloxidreaktoren und plasmaunterstützte Umwandlung von Kohlendioxid zu Synthesegas - Google Patents

Abstract

Die Erzeugung von Wasserstoff 31 aus Biomasse 1 und der Vergasung der Biomasse 1 in einem Vergasungsreaktor 2 und der Verwendung einer Plasmagestützten Umwandlung 17,18 von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid und Kohlendioxid. Biomasse 1 wird im Vergasungsreaktor 2 zu einem Schwelgas 3 und Koks 4 umgewandelt Das Schwelgas wird gereinigt 5 und verdichtet 6 und im Wasserdampferzeuger 7 zur Erzeugung von Wasserdampf verbrannt, sowie im Heißgaserzeuger 8 zur Erzeugung eines Heißgases verbrannt. In den Wärmetauschern 9,10,11 wird der Wasserdampf weiter überhitzt und das Kohlenmonoxid erhitzt und dann den Metalloxidreaktoren 22,23,24 zugefuhrt Flüssiges Kohlendioxid 13 wird mit einer Pumpe 14 einem Verdampfer 15 zugeführt und dann in einer Lavalldüse 17 entspannt und im Entspannungsteil wird ein Mikrowellenplasma verwendet um das Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid umzuwandeln Das Gasgemisch wird in der nachgeschalteten Druckwechseladsorption 20 in Sauerstoff und Kohlenmonoxid und Kohlendioxid getrennt. Das Kohlenmonoxid wird mit dem Verdichter 21 den Wärmetäuschern 9,11 zugeführt und überhitzt. Das Restgas 36 aus den Metalloxidreaktoren 22,23,24 wird in der Vergasungsanlage zu Wärme verbrannt. Das Wasserstoff Wasserdampfgemisch 28 wird im Wärmetauscher 12 abgekühlt und dann einem Kondensator 30 zugeführt wo die Trennung in Wasserstoff 31 und Wasser 32 erfolgt

Description

| Erzeugung von Wasserstoff mit Hilfe von Metalloxidreaktoren und Plasmaunterstützte Umwandlung von Kohlendioxid zu Synthesegas

Die Erzeugung von Wasserstoff 31 aus Biomasse 1 und der Vergasung der Biomasse 1 in einem Vergasungsreaktor 2 und der \ VOrWeNCENG einer Plasmagestütz zten Umwandlung 17,18 von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid und Kohlendioxid. Biomasse 1 wird im Vergasungsreaktor 2 zu einem Schweigas 3 und Koks 4 umgewandelt, Das Schwel gas wird gereinigt 5 und verdichtet 6 und im Wasserdampferzeu iger 7 zur Erzeugung von Wasserdampf verbrannt, Sowie | im Heikgaserzeuger 8 zur Erzeugung eines Heißgases verbrannt. In den Wärmetauschern 9,10,11 wird der Wasserdampf weiter überhitzt und das Kohlenmonoxid erhitzt und dann den Metalloxidreaktoren 22,23,24 zugeführt. Flüssiges Kohlendioxid 13 wird mit einer Pumpe 14 einem Verdampfer 15 zugeführt und dann in einer Lavalidüse 17 entspannt und im Entspannungstell wird ein Mikrowellenplasma 18 verwendet um das Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid umzuwandeln. Das Gasgemisch wird In der nachgeschalteten Druckwechseladsorption 20 In Sauerstoff und Kohlenmonoxid, Kohlendioxid getrennt. Das Kohlenmonoxid wird mit dem Verdichter 21 den Wärmetauscher 9,11 zugeführt und überhitzt. Das Restgas 36 aus den Metalloxidreaktoren 22,23,24 wird in der Vergasungsanlage zu Wärme verbrannt. Das Wasserstoff Wasserdampfgemisch 28 wird im Wärmetauscher 12 abgekühlt und dann einem Kondensator 30 zugeführt wo die Trennung In Wasserstoff 31 und Wasser 32 erfolgt.

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 oxidglert und ind reduziert, um damit aus Wasserdampf Wasserstoff zu erzeugen. Als Eisenoxide werden in dem Patent Wüstit (FeO) und Magnetit (Fe304) angeführt. Die Oxidation von Wüstit (FeO) mit Hilfe von Wasserdampf (H2O) ergibt Wasserstoff (H2) und führt zu Magnetit (Fe304). Der Magnetit (Fe304) wird dann mit Hilfe von Kohlenmonoxid zu Eisenoxid Wüstit (FeQ) reduziert. Die Reaktoren arbeiten dabei in eine Temperaturniveau 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.

3FeO + H20 —> Fe304 + H2 Fe304 + CO —> CO2 + 3Fe0Q

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 Kohlenmonoxid 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 + H20 — Fe304 + HZ 6Fe304 + CO + H2+ CH4 —> 2C02 + 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 + H20 —> 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. Faradaysche Gesetz QenzF

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:

- ungifig und nicht reizend

- umweltneutral, nicht wassergefährdend - geruchlos

- geschmacksneutral

- unsichtbar, fast unsichtbare Flamme

- Hüchtig, 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 gl

- Gasdichte bei 273,15 K und 1013 mbar = 0,089 g/l - Wasserstoff ist 15mal leichter als Luft

a

- Molekular-Gewicht = 2,016 g/mol - Verdampfungswärme = = 445,4 KJI/Kg - unterer Heizwert: 1 19, 97 Mika = 33,33 kWh/kg = 10,78 MINI = 3,0 KWh/Nm> - oberer Deizwert 147,80 MJ/kg = 39,41 KWlh/kg = 12,75 MJINMmM = 3 36 KA/NM® - Zündgrenzen in Luft: untere 4,0 - 4,1 Vol%:; obere 75,0 - 79,2 Vol.- Selbstentzündu INgS- ‚Temperatur 585 °C - Minimale Zündenergie in Luft: E£ = 0,02 m -bei 29 % ist Tmax = 2318 °C Verbrenn ungs sternperatur In Luft - bei 29 % Ist Tmaxo2 > 3000 °C Verbrennungstemperatur mit reinem Sauerstoff „max. F lammgeschwindigkeit 346 om/s - Häufigstes KM m Weltall, stellt über 90 % aller Atome, rund % der gesamten Masse - Wasser enthält 11,2 5 Gew. % Wasserstoff

Der Nachteil von Wasserstoff legt auf der Dand. das Molekül besteht aus einem Proton und Elektron und ist sehr klein ( Moleküldurchmesser < 3 A° ), leichter als Luft ( der Chemiker Antoine Laurent de Lavosier Mannte. es daher 1731 die „brennbare Lüf oder auch Wasser Idner, ), Im flüssiger Phase hat Wasserstoff eine Dichte von —- 70 kalı n* und unter einem Druck von 700 bar hat Wasserstoff eine Dichte von — 40kg/m.

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 Reduktion 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 Nullemission aufweist

Das in dem Patent GB 191212117 A dargestel Ute Verfahren beschreibt die Erzeugung von Wasserstoff mit Hilfe der Oxidation und Reduktion von Eisenerzen und Gichtgas ( Schwelgas aus der Verkokung von Steinkohle ). Das Verfahren basiert auf Steinkohle die zu Koks verkokt wird. Das so erzeugte Gichtgas wird zur Reduktion des Eisenoxidreaktors herangezogen. | Der rn Wasserdampf Oxidiert das Eisenerz, Als Pellets wird Eisenerz aus dem Abbau verwendet, Das so gewonnene Eisenerz wird dann der Verhüttung zugeführt.

Die Erfindung basiert auf der Kombination der Vergasung 2, der Wasserdampfvergasung 12 und der Oxidation und Reduktion in Metalloxidreaktoren 22,23,24, um so eine maximale Ausbeute an Wassersioff 31 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 Schwelgas 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 Staubpartikel gereinigt und mit Hilfe eines Verdichters 6 den Brennkammern des Wasserdampferzeuger Ss / 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.

Die Erzeugung von Kohlenmonoxid auf der Basis eines plasmagestützten Umwandlungsverfahrens 17,18 nutzt folgenden Eigenschaften aus. Die Entspannung von dampfförmigem Kohlendioxid in einer Lavalldüse 17 bringt bei einem üÜberkritischen Druckverhältnis einen Verdichtungsstoß im Entspannungsteil der Düse. Thermodynamisch spricht man von einem starken Ungleichgewichtszustand. In diesem Ungleichgewichtszustand reichen geringe Anregungen In einem Plasma aus um die Umwandlung zu Sauerstoff und Kohlenmonoxid zu gewährleisten. In der Erfindung wird daher ein Mikrowellen angeregtes Plasma 18 verwendet. Die Effizienz der Umwandlung liegt bei 90% bis 95%, das so erhaltene Gasgemisch aus Sauerstoff und Kohlenmonoxid wird von einem Verdichter 19 angesaugt. Der Vorteil des Verdichters ist die Möglichkeit den Ausgangsdruck am Ende des Entspannungsteiles der Düse einstellen zu können und so das Gebiet und den Verweilzustand des Ungleichgewichtszustandes zu verlängern und damit mittels der Plasmaanregung energetisch sehr effizient umzuwandeln. Die Trennung das Gas und Dampfgemisches erfolgt in der Druckwechseladsorption 20. Das Kohlenmonoxid wird mit einem Verdichter 21 angesaugt, verdichtet und den Wärmetauschern 9,11 zugeführt.

In der folgenden Tabelle wird der Umwandlungswirkungsgrad als Funktion der eingebrachten Energie dargestellt. SS bedeutet die reine supersonische Expansion in einer Lavalldüse: dabei wir die Schallgeschwindigkeit Mach 3 erreicht und es erfolgt der Verdichtungsstoß auf den Düsenaustrittsdruck. MW bedeutet die Kombination mit der Plasmaanregung durch Mikrowellen.

Supersonische Expansion , Mikrowellenplasma OO ka

80

60

40

20

0,01 0,1 1 10 -20

Die Abbildung zeigt auf der x Achse die Energie in eV/mol, auf der y Achse den Umwandlungsgrad in %. Supersonische Expansion zusammen mit der Mikrowellenanregung zeigt zwischen 0,3 eV/mol CO eine Umwandlung von 90% und bei 1eV/mol CO eine Umwandlung von 95%.

Die Metalloxidreaktoren 20,21,22 sind mit Metalloxidpellets gefüllt. Diese Pellets bestehen aus einem thermisch beständigen Keramikkörper aus Al203 auf dessen Oberfläche eine Schicht von 0,1mm bis 0,5 mm Metalloxid aufgetragen wird. Die Pellets haben folgende Abmessungen, Durchmesser 3 mm bis Smm, Länge 5mm 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:

oe Wüstit (FeO) und Magnetit (Fe303) e 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 O0 -1116,7 0 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 Gf -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 29 106,35 9 114,35 1 kg/h 10635 900 11435 100 kg/h Hf -385,1 -245 -1387,2 0 kJ/mol -1155,3 -245 O0 -1387,2 0 kJ/mol T 500 500 500 500 °C 773,15 773,15 773,15 773,15 °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 O0 -1268,13 101,0352 kJ/mol -51,7286 kJ/mol

-25,8643 kJ/g H2 -7,18453 kWikg -718,453 kWh

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

ee Wüstit (FeO) und Magnetit (Fe304) e Maganoxid ( 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 71,667 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 -1387,2 -110,93 0 -393 -1155,3 kJ/mol T 500 500 500 500 °C 773,15 773,15 773,15 773,15 °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 0 -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, sodass als zusätzlicher Zwischenschritt eine Abkühlung vorzusehen ist. Die Metalloxidreaktoren 22,23,24 werden nun abwechselnd wie folgt betrieben: Oxidation, Reduktion, Abkühlung. Das ist aus der nachfolgenden Tabelle ersichtlich:

Reaktor 22 Reaktor 23 Reaktor 24 Oxidation Reduktion Abkühlung Reduktion Abkühlung Oxidation Abkühlung Oxidation Reduktion

A

Das aus der Reduktion gewonnene Resigas 31 wird dem Vergasungsreaktor 2 zugeführt. Der aus der Oxidation gewonnene Wasserstoff Ist mit 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 Kohlenmonoxid mit Wasserdampf zu Kohlendioxid und Wasserstoff umgewandelt wird. Das Metalloxidverfahren hat den Vorteil einen sehr reinen Wasserstoff zu erzeugen. Eine Nachbehandlung und Abtrennung von 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. In Regionen mit geringem Aufkommen an Biomasse kann man durch den Einsatz von Kohlendioxid eine Vergrößerung der Leistung der Anlage erreichen. Die Verwendung von Kohlendioxid ermöglicht es die Anlage als Kohlendioxidsenke zu betreiben.

Abbildungen

Abbildung 1 zeigt das Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff 31 auf der Basis von Biomasse 1. Biomasse 1 wird im Vergasungsreaktor 2 zu einem Schwelgas 3 und Koks 4 umgewandelt. Die notwendige Wärme wird aus der Verbrennung des Restgases 36 aus den Metalloxidreaktoren 22,23,24 gewonnen und der Vergasung 2 zugeführt. Das Schweigas 3 wird gereinigt 5, verdichtet 5, und in der Brennkammer des Wasserdampferzeugers 7 verbrannt, um so die notwendige Wärme zur Erzeugung des Wasserdampfes zur Verfügung zu stellen. Der Wasserdampferzeuger erzeugt Wasserdampf mit einem Druck von 2 bar und einer leichten Überhitzung von 130°C. Der andere Teil des Schweigases 3 wird in der Brennkammer des Heißgaserzeugers 8 zu einem Heißgas mit 1200°C umgewandelt. Das Heißgas wird In den Wärmetauscher 9,10,11 abgekühlt und der Wasserdampf über den Wärmetauscher 10 auf 500°C überhitzt und das Kohlenmonoxidgas aus der Druckwechseladsorption 20 wird in den Wärmetauschern 11 und 9 auf 800°C erhitzt und dann als Gasströme 25,26,27 den Metalloxidreaktoren 22,23,24 zur Reduktion zugeführt. Das Restgas 36 besteht aus den Gasströmen 33,34,35, die aus unverbrauchtem Kohlendioxid bestehen. Die Erzeugung von Wasserstoff 31 erfolgt in den Metalloxidreaktoren 22,23,24, durch Wasserdampf. Das heiße Wasserstoff und Wasserdampfgemisch wird in dem Wärmetauscher 12 abgekühlt und in dem Wärmetauscher 30 In Wasserstoff 31 und Wasser 32 getrennt.

Flüssiges Kohlendioxid 13 wird aus einem Tank über die Pumpe 14 In einem Verdampfer 15 verdampf und mittels der Regelarmatur 16 auf den benötigten Druck und Volumenstrom geregelt. Das dampfförmige Kohlendioxid wird einer Lavalldüse 17 zugeführt, Im Entspannungsteil der Lavalidüse 17 wird ein Plasmagenerator 18 auf der Basis von Mikrowellen verwendet. Damit wird das angeregte Kohlendioxid mit einer Umsetzungsrate von 90% bis 95% in Kohlenmonoxid und Kohlendioxid umgewandelt. Das Gemisch aus Sauerstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid wird über einen Verdichter 19 einer Druckwechseladsorption 20 zugeführt und dort in die Stoffströme Sauerstoff und K nmonoxid und Kohlendioxid 21 getrennt. Das Kohlenmonoxid und Kohlendioxid wird über einen ichter 21 den Wärmetauschern 9,11 zur Überhitzung zugeführt.

Zeichen und Symbole

1 Biomasse

2 Vergasungsreaktor

3 Schweigas

4 Koks

5 Gasreinigung

6 Verdichter

7 Wasserdampferzeuger 8 Heikgaserzeuger

9 Wärmetauscher

10 Wärmetauscher

11 Wärmetauscher

12 Wärmetauscher

13 Tank für fHüssiges Kohlendioxid

14 Pumpe

15 Verdampfer

16 Regler

17 Lavalldüse mit Entspannung 18 Plasmagenerator

19 Verdichter

20 Druckwechseladsorption

21 Verdichter für Kohlenmoneoxid und Kohlendioxid 22 Metalloxidreaktor

23 Metalloxidreaktor

24 Metalioxidreaktor 25 überhitzter Wasserdampf

26 überhitzter Wasserdampf 27 überhitzter Wasserdampf

28 Wasserstoff / Wasserdampfgemisch 29 Wasserstoff / Wasserdampfgemisch

30 Wärmetauscher

31 Wasserstoff

32 Wasser

33 Kohlendioxid / Kohlenmonoxid 34 Kohlendioxid / Kohlenmonoxia

35 Kohlendioxid / Kohlenmonaoxid 36 Restgas

VGA Vergasungsreaktor PSA Druckwechseladsorption MOX Metalloxidreaktoren WD Wasserdampferzeuger HG Heißgaserzeuger

GR Gasreinigung

MW Mikrowelle

H2 Wasserstoff

CO Kohlenmonoxid

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

Mn304 Maganoxid

CO2 Kohlendioxid

Claims (1)

Ansprüche

1. Verfahren zur SS ZEUQUN9 von VVaSSorStolT umfassend einen Vergasungsreaktor (2), eine Gasreinigung (5), einen Verdichter (6), e nen Wasserdampferzeuger (7), einen Heißgaserzeuger (8) m f mit Wärmetauscher (9,10,11), einen Tank ( (12), eine Pur PS (14), einen Wärmetauscher (16),

eine Lavalldüse (17) mit Plasmagenerator (18), eine Gasreinigung (13) einen Verdichter (19), eine Druckwechsela adsorption (20), einen Verdichter "21) ) einen Wärmetauscher(12), Metalloxidreaktoren (22,23,24), einen Wärmetauscher (30)

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 Volun jenstrom des Schweigases (3) von minimal 10 m*h, maximal 2000 m3h,

- 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 (36) aus den "Metall loxidreaktoren (22,23,24)

eingebracht wird,

- Das Restgas (36) aus Kohlenmonoxid und Kohlendioxid besteht, das eine ‚SonzENtaN lorı an Kohlenmonoxid von minimal 1%, maximal 20% hat, der Rest Kohlendioxid is

- Der Vergasungsreaktor (2) mit einer Temperatur von minimal 800°C, naximal 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 mag/m® serikt

- 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 Schwelgas (3) aus dem Vergasungsreaktor (2) mit einem Unterdruck absaugt minimal 0,4 bar Unterdruck, maximal 0,1 bar Unterdruck,

- Der Volumenstrom des Schweigases (3) minimal 10 mh, maximal 2000 mh beträgt

- Die Temperatur des Schweigases (3) minimal 5°C, maximal 50°C beträgt,

- 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 minimal 10 kg&/h, maximal 5000 ka/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) Schwelgas (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 minimal 400°C, maximal 1600°C beträgt

11718

11

Der Tank (13) Jar TUSSI0SS Kohlendioxid ein Volumen Mini mal 1m*, maximal von Sm* a U Der Tank (13) für flüssiges Kohlendioxid e Shen Druck minimal SObar, Maxi imal 100 bar Der Tank (13) für flüssiges Kohlendioxid eine Temperatur minimal 5°C, maximal von 30°C 5 hat

Im Wärmetauscher (16) das flüssige Kohlendioxid auf eine Temperatur von minimal 35°C, maximal 50°C erwärmt WIrch,

In der Lavalldüse (17) das dampfförmige Kohlendioxid überkritisch entspannt wird und eine

Schallgeschwindigkeit minimal Mach 2, maximal Mach 7 hat,

“ der Lavalldüse (17) das dampfförmige Kohlendioxid sehr stark angeregt wird, sodass der 3ruck vom Ruhedruck minimal 50%, maximal 90% abweicht,

in der Lavalidüse (17) das dampfför rmige Kohlendioxid sehr stark angeregt wird, sodass die

Temperatur von der Ruhetemperatur minimal 50%, maximal 90% abweicht

In der Lavalldüse (17) das dampfförmi ge Kohlendi Oxid sehr stark angeregt wird, sodass die

Dichte von der Ruhedichte minimal 50%, maximal 90% abweicht,

In der Lavalldüse (17) mit Hife des Plasmagenerators (18) der Angeregte Schwingungszustand des Kohlendioxids mit Hilfe von Mikrowellenenergie minimal 100KW, maximal 1000 kW zu Kohlenmenoxid umgewandelt wird,

In der Lavalldüse (17) mit Hife des Plasmagenerators (18) der angeregte Schwingungszustand des Kohlendioxids mit Hilfe von Mikrowellenfreguenzen minimal 2,0 GHz, maximal 100 GHz erreicht wird,

Der Verdichter (19) das Synthesegas aus der Lavalldüse (17) mit einem Unterdruck absaugt minimal 0,5 bar Unterdruck, maximal 0,1 bar Unteraäruck,

Der Volumenstrom des Synthesegas aus der Lavalldüse (17) minimal 10 mh, maximal 2000 m*/h beträgt Die Temperatur des Synthesegas aus der Lavalldüse (17) minimal 5°C, maximal 50°C beträgt,

Der Verdichtungsdruck des Synthesegas aus der Lavalicdüse ( (17) minimal 5 bar, maximal 15 bar beträgt,

Das Synthesegas aus der Lavalldüse (17) und dem Plasmagenerator (18) bestehend aus Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Sauerstoff eine Konzentration an Kohlenmonecsdid minimal 50%, maximal 90% hat, eine Konzentration von Kohlendioxid minimal 1%, maximal 5% hat, der Rest Sauerstoff ist,

Die Auftrennung des Synthesegases aus der Lavalldüse (17) und dem Plasm agenerator ( (18) in einer Druckwechseladsorption (20) erfolgt die mit einem Dru ick minimal 8 bar, maximal 1 Dar betrieben wird,

Das Kohler nmonNoxid und Kohlendi 9x0 aus dem Synthesegas aus der Lavalldüse (17) und den Plasmagenel rator (18) in Steinkohlepelleits als Molekularsi ob gespeichert durch Unterdruck minimal 0,4 bar, maximal 0,1 bar abgesaugt wird,

Die Auftrennung des Synthesegases aus der LAyaldnse (17) und Plasmagenerator (18) In einer Druckwechseladsorption (20) erfolgt die mit einer Temperatur minimal 5 °C, maximal 35°C betrieben 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 Temperatur 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 (12) das Wasserstoff und Wasserdampfgemisch (28) auf eine Temperatur von minimal 200°C, maximal 400°C abgekühlt wird

Im Wärmetauscher (30) das Wasserstoff und Wasserdampfgemisch (29) auf eine Temperatur von minimal 25°C, maximal 90°C abgekühlt wird

12

- Im Wärmetauscher (30) das Wasser in flüssiger Phase (32) abgeschieden wird,

- Im Metalloxidreaktor (22,23,24) 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 (22,23,24) durch die Oxidation von Eisenoxid (FeO) zu Magnetit (F2e304) ein Gemisch aus Wasserstoff und Wasserdampf (28) erzeugt wird, mit einem Volumenantell an Wasserstoff minimal von 50%, maximal 85%

- Im Metalloxidreaktor (22,23,24) durch die Oxidation von Eisenoxid (FeO) zu Magnetit (Fe304) ein Gemisch aus Wasserstoff und Wasserdampf (28) erzeugt wird, mit einer Temperatur minimal von 500°C, maximal von 800°C

- Im Metalloxidreaktor (22,23,24) durch die Oxidation von Eisenoxid (FeO) zu Magnetit (Fe304) ein Gemisch aus Wasserstoff und Wasserdampf (28) erzeugt wird, mit einem Druck von minimal 1,5 bar, maximal! 15 bar,

- Im Metalloxidreaktor (22,23,24) Eisenoxid (Fe204) mit dem Kohlenmonoxid aus der Lavalldüse (17) mit Plasmagenerator (18) zu Wüstit (FeO) bei einer Temperatur minimal 00°C, maximal 800°C reduziert wird,

- Im Metalloxidreaktor (22,23,24) durch die Reduktion von Eisenoxid (Fe304) zu Wüstit (FeO) ein Gemisch aus Kohlendioxid und Kohlenmonoxid (33,34,35) erzeugt wird, mit einen Volumenanteil an Kohlenmonoxid minimal von 10%, maximal 30%

- Im Metalloxidreaktor (22,23,24), durch die Reduktion von Eisenoxid (F8304) zu Wüstit (FeO)} ein Gemisch aus Kohlendioxid und Kohlenmonoxid (33,34,35) erzeugt wird mit einer Temperatur minimal von 500°C, maximal von 800°C

- Im Metalloxidreaktor (22,23,24) durch die Reduktion von Eisenoxid (Fe304) zu Wüstit (FeO) ein Gemisch aus Kohlendioxid und Kohlenmonoxid (33,34,35) erzeugt wird, mit einem Druck

A

von minimal 1,5 bar, maximal 15 bar,

Verfahren nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass

- Im Metalloxidreaktor (22,23,24) Maganoxid (MnO) mit dem Wasserdampf aus dem Dampfterzeuger (7) zu Manganoxid (Mn304) bei einer Temperatur minimal 500°C, maximal 800°C oxidiert wird,

Im Metalloxidreaktor (22,23,24) durch die Oxidation von Maganoxid (Mn) zu Manganoxid (Mn304). ein Gemisch aus Wasserstoff und Wasserdampf (28) erzeugt wird, mit einem Volumenantell an Wasserstoff minimal von 50%, maximal 85%

- Im Metalloxidreaktor (22,23,24) durch die Oxidation von Manganoxid (MnO}) zu Manganoxid

(Mn304) ein Gemisch aus Wasserstoff und Wasserdampf (28) erzeugt wird, mit einer Temperatur minimal von 500°C, maximal von 800°C

- Im Metalloxidreaktor (22,23,24) durch die Oxidation von Manganoxid (MnO) zu Manganoxid

(Mn304) ein Gemisch aus Wasserstoff und Wasserdampf (28) erzeugt wird, mit einem Druck von minimal 1,5 bar, maximal 15 bar,

- Im Metalloxidreaktor (22,23,24) Manganoxid (Mn304) mit dem Kohlenmonoxid aus der

Lavalldüse (17) mit Plasmagenerator (18) zu Manganoxid (MnO) bei einer Temperatur minimal 500°C, maximal 800°C reduziert wird,

- Im Metalloxidreaktor (22,23,24) durch die Reduktion von Manganoxid (Mn304) zu

Manganoxid (MnO) ein Gemisch aus Kohlendioxid und Kohlenmonoxid (33,34,35) erzeugt wird, mit einem Volumenanteil an Kohlenmonoxid minimal von 10%, maximal 30%

- Im Metalloxidreaktor (22,23,24), durch die Reduktion von Manganoxid (Mn304) zu

Manganoxid (MnO) ein Gemisch aus Kohlendioxid und Kohlenmonoxid (33,34,35) erzeugt wird mit einer Temperatur minimal von 500°C, maximal von 800°C

- Im Metalloxidreaktor (22,23,24) durch die Reduktion von Manganoxid (Mn304) zu

Manganoxid (MnO) ein Gemisch aus Kohlendioxid und Kohlenmonoxid (33,34,35) erzeugt wird, mit einem Druck von minimal 1,5 bar, maximal 15 bar,