EP2389426A2 - Vorrichtung und verfahren zur erzeugung eines brennbaren synthesegases - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur erzeugung eines brennbaren synthesegases

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EP2389426A2
EP2389426A2 EP10705531A EP10705531A EP2389426A2 EP 2389426 A2 EP2389426 A2 EP 2389426A2 EP 10705531 A EP10705531 A EP 10705531A EP 10705531 A EP10705531 A EP 10705531A EP 2389426 A2 EP2389426 A2 EP 2389426A2
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EP
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waves
carbon
hem
reactor
temperature
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10705531A
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Alexander Zein
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Ettenberger GmbH&Co KG
Original Assignee
Ettenberger GmbH&Co KG
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates generally to a device and a
  • the invention relates to a device for producing a combustible synthesis gas from carbonaceous materials, preferably wood, with a reactor having a lock device for the carbonaceous materials, a suction device for the resulting gas and a grid for storing the carbonaceous material.
  • the wood pyrolysis could be operated economically, if it succeeds to develop gas purification processes, which remove especially the high Teerbelasteptept from the pyrolysis gas.
  • An effective way is to use part of the pyrolysis gas generated to partially burn the tars.
  • the wood pyrolysis again uneconomic, since due to the partial combustion, the calorific value of the remaining fuel gas decreases. Without going into the various carburetor types, it can be seen that the gas quality improves with increasing temperature. This refers to both the calorific value, as well as the gas purity.
  • Carbon dioxide consists in generating the required high temperatures. Briefly described, coal gasification is accomplished by reacting a portion of the charged carbon with atmospheric oxygen and passing the CO 2 thus produced through a coal bed which is heated to the required temperature by the oxidizing coal.
  • the disadvantage of this very large amounts of coal must be implemented to bring the coal bed to the required temperature. This is mainly due to the fact that coal is a poor conductor of heat, so that when oxidizing temperatures of 1200 0 C are not uncommon in the coal bed, in which the reduction of CO 2 to 2CO, still a temperature of 900 ° C. up to 1.000 0 C available. It can therefore be seen that the calorific value of the fuel gas produced during coal gasification is the higher, the higher the temperature in the reduction or gasification zone. Also, a high temperature means the reduction of unburned hydrocarbons and thus a cleaner gas quality.
  • the object of the invention is therefore to provide a novel device for producing a combustible synthesis gas from carbonaceous materials, with which not only more combustible synthesis gas per weight fraction of carbonaceous material can be produced, but at the same time the quality of the gas generated is significantly higher.
  • Claim 1 in particular the features of the characterizing part, according to which for the purpose of reaching a temperature of at least 1,400 0 C means for generating high-frequency electromagnetic waves, hereinafter HEM waves, is present.
  • HEM waves high-frequency electromagnetic waves
  • the essential advantage of the device according to the invention is that with the aid of the device in a relatively simple manner high temperatures can be achieved in the reaction area, so that almost complete conversion of the carbon into flammable gases takes place, the gas produced is on the one hand of high quality and on the other hand has low content of impurities.
  • the reactor produces a fuel gas and charcoal as a by-product of pyrolysis.
  • Part of the charcoal thus produced is oxidized with atmospheric oxygen to produce the required for the pyrolysis of the wood temperature of about 550 0 C, and continue to provide the required CO 2 as a gasifying agent for the remaining charcoal available.
  • From the oxidation of the charcoal with air temperatures of about 900 0 C are already produced in the charcoal.
  • this area which is called hot spot, there is a reduction of CO 2 to 2CO and a reduction of the CO 2 contained in the pyrolysis gas also to 2CO.
  • the synthesis gas thus produced thus consists essentially of combustible constituents, nitrogen, a small amount of CO 2 and non-oxidized constituents of the air.
  • a first embodiment of the device according to the invention is characterized by a waveguide which guides the waves generated by the device for generating HEM waves into the reactor. This is preferably done in such a way that the waveguide feeds the HEM waves to a reaction region / hot spot (first oxidation region) in which temperatures of at least 1,400 ° C. are reached.
  • the HEM waves are generated in a resonator of a magnetron and passed into the waveguide, where they are reflected on the inner walls and at the open end of the waveguide, the HEM waves propagate in the reaction area.
  • the electrons of the carbon are set into rapid oscillations by the HEM waves (dipole or multipole oscillations), whereby high temperatures are generated due to the resulting internal friction (dielectric loss).
  • the waveguide for protection against penetration of foreign bodies, in particular dust with a permeable for HEM waves plate, preferably made of mica, closed at the end.
  • the arranged below the waveguide grate for storage of the carbonaceous material and for the passage of air spaces between the webs, which are smaller than the wavelength of the HEM waves. This ensures that the HEM waves do not pass through the grate, but are reflected, which in turn in the upper part of the reactor Electrons of carbon are put into rapid oscillations.
  • the reactor has a second oxidation region below the grate
  • Addition of air additional carbon dioxide can be produced as a gasifying agent.
  • additional carbon dioxide is advantageously produced, so that the complete conversion of the carbon into combustible synthesis gas is made possible.
  • an embodiment of the invention comprises a reactor having below the lock means an agitator for uniform distribution of the carbonaceous material.
  • the invention relates to a method for use in a device according to one of claims 1 to 7, in which initially pyrolysis (smoldering) takes place with production of combustible synthesis gas and charcoal, wherein the charcoal produced is partially oxidized with atmospheric oxygen, so that the required for the pyrolysis temperature of at least 550 0 C is reached.
  • the method according to the invention has the fundamental advantages that on the one hand a large amount of synthesis gas and, on the other hand, a high gas quality and purity can be achieved with little use of carbonaceous material. to To avoid repetition, reference is made to the above statements in the general description.
  • the carbon in the process according to the invention, can be heated to at least 1,400 ° C. with the aid of HEM waves having a frequency between 1.8 gigahertz and 9.5 gigahertz and a wavelength of 16.66 cm to 3.15 cm.
  • HEM waves are colloquially referred to as microwaves (millimeter, decimeter, centimeter waves).
  • the carbon is heated by means of HEM waves, which have a frequency of 2.45 GHz and a wavelength of 12.2448 cm, the advantage being that in this frequency range already existing facilities for Generation of high-frequency electromagnetic waves can be used, which are known from the household and industrial sector (microwaves).
  • the carbon it is also possible for the carbon to be heated to at least 1400 ° C. with the aid of HEM waves at a frequency of 5.8 gigahertz.
  • the carbon is heated by HEM waves to the oxidation temperature, whereby upon reaching this temperature, an automatic ignition takes place merely by supplying oxygen.
  • a special ignition device is advantageously saved.
  • FIG. 2 shows an apparatus for producing a combustible synthesis gas from carbonaceous materials according to FIG. 1, in which only the essential components are shown
  • FIG. Fig. 3 shows a second embodiment of an apparatus for producing a combustible synthesis gas from carbonaceous materials, in which the essential components are designated and
  • FIG. 4 shows a device for producing a combustible synthesis gas from carbonaceous materials according to FIG. 3, in which the respective chemical products and temperatures in the respective regions are indicated.
  • FIGS. 1 and 2 A first device according to the invention is shown in FIGS. 1 and 2.
  • Wood chips are added to the reactor. By igniting and supplying outside air, the wood in the lower oxidation region B of the reactor is finally oxidized to charcoal when first filled. For this purpose, no ignition sources and / or ignition devices are more necessary because the carbonaceous material is heated by the HEM waves to a temperature above the ignition temperature and can only oxidize upon supply of atmospheric oxygen. The waste heat of this oxidation radiates into the upper region of the reactor, where from at least about 220 0 C pyrolysis begins. In this pyrolysis area C, a combustible pyrolysis gas and the exit of water contained in the wood. By suction through a located in the center of rotation of the reactor tube D is formed in the reactor, a continuous negative pressure, which conducts the pyrolysis gas through the coal below the lower end of this tube.
  • a resonator F for generating the HEM waves.
  • the HEM waves are passed through the pipe D and meet at the lower end of the charcoal. Since this tube has an outer sheath made of metal, and HEM shafts are reflected by metal, this tube serves as a waveguide for the HEM waves.
  • the charcoal is present there is heated to a temperature of more than 1400 0 C.
  • This hot spot mentioned reaction region E are hardly any oxygen atoms are present, so that there can only be reduction reactions according to the Boudouard equilibrium reactions.
  • Both the metallic tube D and the metallic outer casing of the reactor are lined inside with high temperature resistant ceramic material.
  • thermolysis of the water that has entered the reactor.
  • the wood which has been introduced into the reactor contains a certain residual amount of water. While the wood is brought to the temperature required for the pyrolysis, this water comes out and is sucked in the form of water vapor together with the pyrolysis gas through the hot spot E.
  • the water molecule decomposes above a temperature of 1,200 0 C into one oxygen and two hydrogen atoms.
  • Oxygen atom reacts with a carbon atom to form CO
  • Hydrogen atoms with carbon substantially to methane.
  • the hot spot is that at temperatures above 1100 0 tars and tears, as well as cyclic and polycyclic aromatic hydrocarbons are cracked and impurities, such as tar, can no longer occur.
  • the hot fuel gas leaves the tube D via the fuel gas outlet G, is cooled and fed via a dust collector of a ottomotorischen use.
  • the standard enthalpies of the gas-generating reactions are covered by the excess of energy from the oxidation region upon oxidation of the carbon.
  • FIGS. 3 and 4 show a second embodiment of a device for producing a combustible synthesis gas shown.
  • a device initially has a lock A * for introducing the primary fuel, preferably wood, via which the primary fuel is transported into the interior of the device. There, the introduced fuel is evenly distributed by means of a stirrer B *.
  • a device C * for generating high-frequency electromagnetic waves (hereinafter called H EM waves) is arranged.
  • the HEM waves are conducted via a separate waveguide D * to the first oxidation region M *.
  • the device only has to be supplemented by a separate waveguide D * for transporting the microwaves, if the central suction tube K * is larger in diameter than the wavelength generated by the device C *.
  • the waveguide D * is arranged in the center of the suction tube K *.
  • the device is delimited below the first oxidation region M * by a grate N *, wherein a second oxidation region O * is arranged below the grate N *. Not only the first oxidation region M * but also the second oxidation region O * each have a primary air supply F * or G *.
  • a suction tube for the combustible synthesis gas is arranged, in which the waveguide D * additionally runs at least partially in the center.
  • the waveguide D * is provided at the end for protection against the ingress of foreign bodies with a mica plate P *, which is permeable to HEM waves.
  • the device has a drying area with a temperature below the lock A * for introducing the primary fuel of at least 7O 0 C, which passes into a so-called pyrolysis with a temperature> 22O 0 C, in which the resulting charcoal gradually degassed.
  • the total temperature rises from 220 ° C to 550 0 C.
  • the largely outgassed wood is charred to charcoal. During this Verschwelungsvorganges the largest proportions of aromatic and polycyclic aromatic hydrocarbons.
  • the first oxidation region also called reaction area or hot spot.
  • the temperature is between 950 0 C and more than 1400 0 C. While above 1,100 0 C, a cleavage of aromatic, polycyclic aromatic and unburned hydrocarbons takes place mainly in carbon monoxide, takes place from temperatures of 1200 0 C, the thermolysis of water molecules Hydrogen and oxygen. Since the oxidation of charcoal alone only produces an average average temperature in the first oxidation range of about 850 0 C to 950 ° C, a temperature increase must be achieved by the use of high-frequency electromagnetic waves.
  • the device has the second oxidation region O *, which is located directly below the first oxidation region M * below the grate N *.
  • Glowing charcoal falls from the first oxidation region M * after falling below a minimum diameter of 1, 5 cm through the grate and forms the second oxidation region *.
  • the carbon dioxide generated in this case serves as a gasification agent in the first oxidation region and thus enables the extensive gasification of the carbon.
  • only mineral ash remains as a waste product.
  • FIG. 4 shows on the one hand the formation of the chemical compounds, the location of their formation as well as the temperature distribution within the device.
  • a fuel injection by an airtight e.g. Rotary valve (lock in Fig. 1 and Fig. 2 not shown)

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Abstract

Die Erfindung betrifft grundsätzlich eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Erzeugung eines brennbaren Synthesegases. Aufgabe der Erfindung ist es, eine neue Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Erzeugung eines brennbaren Synthesegases aus kohlenstoffhaltigen Materialien zu schaffen, mit der nicht nur mehr brennbares Synthesegas pro Gewichtsanteil kohlenstoffhaltigen Materials erzeugt werden kann, sondern gleichzeitig die Qualität des erzeugten Gases deutlich höher ist. Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich daraus, dass zum Zwecke des Erreichens einer Temperatur von mindestens 1.400 °C eine Einrichtung zur Erzeugung von hochfrequenten elektromagnetischen Wellen, nachfolgend HEM-Wellen, vorhanden ist und der Kohlenstoff mit Hilfe von HEM-Wellen in einem Reaktionsbereich / Hot Spot (ersten Oxidationsbereich) auf mindestens 1.400 °C erhitzt wird.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung eines brennbaren Synthesegases
Die Erfindung betrifft grundsätzlich eine Vorrichtung sowie ein
Verfahren zur Erzeugung eines brennbaren Synthesegases.
Zunächst betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung eines brennbaren Synthesegases aus kohlenstoffhaltigen Materialien, vorzugsweise Holz, mit einem Reaktor, der eine Schleuseneinrichtung für die kohlenstoffhaltigen Materialien, eine Absaugeinrichtung für das entstehende Gas sowie ein Rost zur Lagerung des kohlenstoffhaltigen Materials aufweist.
Verfahren zur Pyrolyse und Vergasung von kohlenstoffhaltigen
Rohstoffen zur Erzeugung eines brennbaren Gasgemisches zur ottomotorischen Verwendung in Gasmotoren sind schon seit ca. 150 Jahren bekannt. Bedeutung erlangte zu Beginn des 20ten Jahrhunderts die Vergasung von Kohle zur Bereitstellung eines hautsächlich kohlenstoffmonoxidhaltigen Brenngases, welches als Stadtgas bezeichnet wurde. Während und kurz nach dem zweiten Weltkrieg erlangte die Pyrolyse von Holz (Imbert-Verfahren) zum Betrieb von Fahrzeugen mit Pyrolysegas eine besondere Bedeutung. Beide Verfahren konnten sich nicht durchsetzen, da das durch Pyrolyse erzeugte Brenngas hoch mit Teer kontaminiert ist. Auch ist dieses Verfahren verglichen mit dem Einsatz von fossilen Energieträgern, z.B. Benzin, unwirtschaftlich.
Die Holzpyrolyse könnte wirtschaftlich betrieben werden, wenn es gelingt, Gasreinigungsverfahren zu entwickeln, welche vor allem die hohen Teerbelastungen aus dem Pyrolysegas entfernen. Eine wirksame Möglichkeit besteht darin, einen Teil des erzeugten Pyrolysegases dazu zu verwenden, die Teere partiell zu verbrennen. Hierdurch wird die Holzpyrolyse allerdings wieder unwirtschaftlich, da durch die partielle Verbrennung der Heizwert des übrig bleibenden Brenngases sinkt. Ohne auf die verschiedenen Vergasertypen einzugehen kann festgestellt werden, dass die Gasqualität sich mit zunehmender Temperatur verbessert. Dies bezieht sich sowohl auf den Heizwert, als auch auf die Gasreinheit.
Die Vergasung von Kohle erfolgt bei Temperaturen über 1.000 C°. Als Vergasungsmittel wird CO2 benötigt, welches bei hohen Temperaturen zusammen mit Kohlenstoff zu Kohlenstoffmonoxid reduziert wird. Entsprechend der Boudouardschen Reaktion in der Vergaserzone (Gleichgewichtsreaktionen) werden bereits bei 1.0000C 99% des CO2 zu CO reduziert. Entsprechend dieser Boudouardschen Reaktionen entstehen bei 4500C CO2 und CO in einem Verhältnis von 98% CO2 zu 2% CO. Bei 6000C 77% zu 23%, bei 800°C 6% zu 94% und bei 9000C 3% zu 97%. Das derart erzeugte Brenngas kann daraufhin beispielsweise ottomotorisch eingesetzt werden. Zum Beispiel zum Betrieb eines geeigneten Gasmotors welcher einen Generator antreibt und derart elektrische Energie zur Verfügung stellt.
Der Nachteil einer derartigen Vergasung von Kohlenstoff mit dem
Vergasungsmittel Kohlendioxid besteht in der Erzeugung der erforderlichen hohen Temperaturen. Kurz beschrieben erfolgt die Kohlevergasung dadurch, dass ein Teil der eingebrachten Kohle mit Luftsauerstoff reagiert, und das derart erzeugte CO2 durch ein Kohlebett geleitet wird, welches durch die oxidierende Kohle auf die erforderliche Temperatur erhitzt wird. Nachteilig müssen hierzu sehr große Mengen an Kohle umgesetzt werden um das Kohlebett auf die erforderliche Temperatur zu bringen. Dies liegt vor allen Dingen darin begründet, dass Kohle ein schlechter Wärmeleiter ist, so dass beim Oxidieren Temperaturen von 1.2000C keine Seltenheit sind, um im Kohlebett, in dem die Reduktion von CO2 zu 2CO erfolgt, noch eine Temperatur von 900°C bis 1.0000C zur Verfügung zu haben. Es ist also ersichtlich, dass der Heizwert des bei der Kohlevergasung entstehenden Brenngases umso höher ist, je höher die Temperatur in der Reduktions- bzw. Vergasungszone ist. Auch bedeutet eine hohe Temperatur die Reduzierung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und somit eine reinere Gasqualität.
Vorrichtungen zur Ausübung der bereits oben beschriebenen
Verfahren zur Pyrolyse und Vergasung von kohlenstoffhaltigen Rohstoffen sind aus dem druckschriftlich nicht belegbaren Stand der Technik allgemein bekannt, wobei die Qualität und die Menge der erzeugten Brenngase den hohen Anforderungen für die ottomotorische Verbrennung nicht genügt.
Hintergrund ist der Umstand, dass bei der thermochemischen Umwandlung je nach Reaktorart unterschiedliche, aber stets zu große Mengen an Störstoffen im brennbaren Synthesegas entstehen, bei denen es sich im Wesentlichen um Partikel und Teere handelt und die durch aufwändige Gasreinigungsverfahren vor der Weiterverwertung des Gases entfernt werden müssen. Darüber hinaus besteht auch bei allen bekannten Verfahren (s. Imbert-Vergasung, Holzvergasung, Kohlevergasung, Lurgi-Vergasung etc.) das grundsätzliche Problem, dass die erzeugte Synthesegasmenge pro Gewichtseinheit eingesetzten kohlenstoffhaltigen Materials zu gering ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine neue Vorrichtung zur Erzeugung eines brennbaren Synthesegases aus kohlenstoffhaltigen Materialien zu schaffen, mit der nicht nur mehr brennbares Synthesegas pro Gewichtsanteil kohlenstoffhaltigen Materials erzeugt werden kann, sondern gleichzeitig die Qualität des erzeugten Gases deutlich höher ist.
Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des
Anspruchs 1 , insbesondere den Merkmalen des Kennzeichenteils, wonach zum Zwecke des Erreichens einer Temperatur von mindestens 1.4000C eine Einrichtung zur Erzeugung von hochfrequenten elektromagnetischen Wellen, nachfolgend HEM-Wellen, vorhanden ist. - A -
Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass mit Hilfe der Vorrichtung auf relativ einfache Weise hohe Temperaturen im Reaktionsbereich erreicht werden können, damit eine nahezu vollständige Umsetzung des Kohlenstoffes in brennbare Gase erfolgt, wobei das erzeugte Gas einerseits von hoher Qualität ist und andererseits einen geringen Anteil an Störstoffen aufweist.
In vorbereitenden praktischen Experimenten wurde bereits 2008 gezeigt, dass es mit elektromagnetischen Feldern einer bestimmten hohen Frequenz möglich ist, kohlenstoffhaltige Materialien auf sehr hohe Temperaturen zu erhitzen. Diese Möglichkeit besteht, da
HEM-Wellen die Elektronen des Kohlenstoffes in schnelle
Schwingungen versetzen und durch Reibung hohe Temperaturen erzeugt werden (dielektrischer Verlust). Bei Einbringen von z.B.
Holzkohle in ein derartiges HEM-FeId wurden Temperaturen von mehr als 1.4000C erzeugt. Hieraus wurde ein auf dieses grundlegende
Funktionsprinzip konzipierter Reaktor konstruiert und als kleines
Labormuster erfolgreich getestet, welcher zunächst kurz beschrieben werden soll:
Der Reaktor produziert als Abfallprodukt einer Pyrolyse ein Brenngas und Holzkohle. Ein Teil der derart erzeugten Holzkohle wird mit Luftsauerstoff oxidiert, um die für die Pyrolyse des Holzes erforderliche Temperatur von ca. 5500C zu erzeugen, und weiterhin das erforderliche CO2 als Vergasungsmittel für die restliche Holzkohle zur Verfügung zu stellen. Aus der Oxidation der Holzkohle mit Luft werden bereits Temperaturen von ca. 9000C in der Holzkohle erzeugt. In dem Bereich, durch den das Pyrolysegas und das erzeugte CO2 geleitet wird, erfolgt mit Hilfe einer HEM-WeIIe eine Temperaturerhöhung auf etwa 1.4000C. In diesem Bereich, der Hot-Spot genannt wird, erfolgt eine Reduktion des CO2 zu 2CO sowie eine Reduktion des im Pyrolysegas enthaltenen CO2 ebenfalls zu 2CO. Durch die bei dieser hohen Temperatur erfolgenden Thermolyse von vormals im Holz und in der Luft enthaltenen Wassers entstehen weiterhin Wasserstoff, Methan sowie weiteres Kohlenmonoxid.
Das derart erzeugte Synthesegas besteht somit zum wesentlichen Teil aus brennbaren Bestandteilen, Stickstoff, einem geringen Rest CO2 sowie nicht oxidierten Bestandteilen der Luft.
Eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist gekennzeichnet durch einen Hohlleiter, der die von der Einrichtung zur Erzeugung von HEM-Wellen erzeugten Wellen in den Reaktor leitet. Vorzugsweise geschieht dies so, dass der Hohlleiter die HEM-Wellen einem Reaktionsbereich / Hot-Spot (erster Oxidationsbereich) zuführt, in dem Temperaturen von mindestens 1.400°C erreicht werden. Auf vorteilhafte Weise werden die HEM-Wellen in einem Resonator eines Magnetrons erzeugt und in den Hohlleiter geleitet, wo sie an den Innenwänden reflektiert werden und am offenen Ende des Hohlleiters sich die HEM-Wellen im Reaktionsbereich ausbreiten. Dort werden die Elektronen des Kohlenstoffs durch die HEM-Wellen in schnelle Schwingungen versetzt (Dipol- oder Multipol-Schwingungen), wodurch aufgrund der entstehenden inneren Reibung hohe Temperaturen erzeugt werden (dielektrischer Verlust).
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Hohlleiter zum Schutz gegen Eindringen von Fremdkörpern, insbesondere Staub, mit einer für HEM-Wellen durchlässigen Platte, vorzugsweise aus Glimmer, endseitig verschlossen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das unterhalb des Hohlleiters angeordnete Rost zur Lagerung des kohlenstoffhaltigen Materials sowie zum Durchtritt von Luft Zwischenräume zwischen den Stegen auf, die kleiner sind als die Wellenlänge der HEM-Wellen. Dadurch wird sichergestellt, dass die HEM-Wellen nicht durch das Rost hindurchtreten, sondern reflektiert werden, wodurch wiederum im oberen Bereich des Reaktors die Elektronen des Kohlenstoffs in schnelle Schwingungen versetzt werden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Reaktor unterhalb des Rostes einen zweiten Oxidationsbereich mit
Temperaturen von etwa 7500C auf, in dem bei unterstöchiometrischer
Zugabe von Luft zusätzliches Kohlendioxid als Vergasungsmittel erzeugbar ist. Bei dieser Vorrichtung entsteht auf vorteilhafte Weise zusätzliches Kohlendioxid, so dass die vollständige Umsetzung des Kohlenstoffes in brennbares Synthesegas ermöglicht wird.
Letztlich weist eine Ausführungsform der Erfindung einen Reaktor auf, der unterhalb der Schleuseneinrichtung ein Rührwerk zur gleichmäßigen Verteilung des kohlenstoffhaltigen Materials aufweist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Einsatz in einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem zunächst eine Pyrolyse (Verschwelung) unter Erzeugung von brennbarem Synthesegas und Holzkohle stattfindet, wobei die erzeugte Holzkohle zum Teil mit Luftsauerstoff oxidiert wird, damit die für die Pyrolyse erforderlichen Temperatur von mindestens 5500C erreicht wird.
Ausgehend von dem oben dargelegten Stand der Technik sowie der ebenfalls oben dargelegten Aufgabe besteht die Lösung der Erfindung in den Merkmalen des Anspruchs 8, insbesondere in den Merkmalen des Kennzeichenteils, wonach der Kohlenstoff mit Hilfe von H EM-Wellen in einem Reaktionsbereich / Hot Spot (ersten Oxidationsbereich) auf mindestens 1.4000C erhitzt wird.
Zusammenfassend weist das erfindungsgemäße Verfahren die grundsätzlichen Vorteile auf, dass bei geringem Einsatz von kohlenstoffhaltigem Material einerseits eine große Synthesegasmenge und andererseits eine hohe Gasqualität und -reinheit erzielbar ist. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die obigen Ausführungen in der allgemeinen Beschreibung hingewiesen.
Darüber hinaus wird festgestellt, dass diese Anmeldung die Priorität der deutschen Ursprungsanmeldung 10 2009 005 269.0 beansprucht, deren gesamter Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
Auf vorteilhafte Weise kann beim erfindungsgemäßen Verfahren der Kohlenstoff mit Hilfe von HEM-Wellen mit einer Frequenz zwischen 1 ,8 Gigahertz und 9,5 Gigahertz und einer Wellenlänge von 16,66 cm bis 3,15 cm auf mindestens 1.4000C erhitzt werden. Diese HEM-Wellen werden umgangssprachlich auch als Mikrowellen (Millimeter-, Dezimeter-, Zentimeterwellen) bezeichnet.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Kohlenstoff mit Hilfe von HEM-Wellen erhitzt, die eine Frequenz von 2,45 Gigahertz und eine Wellenlänge von 12,2448 cm aufweisen, wobei der Vorteil darin besteht, dass in diesem Frequenzbereich bereits vorhandene Einrichtungen zur Erzeugung von hochfrequenten elektromagnetischen Wellen Verwendung finden können, die aus dem Haushalts- und Industriebereich (Mikrowellen) bekannt sind.
Ebenso ist es jedoch auch möglich, dass der Kohlenstoff mit Hilfe von HEM-Wellen mit einer Frequenz von 5,8 Gigahertz auf mindestens 1.4000C erhitzt wird.
Bei einem bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren wird zum Ingangsetzen des Verfahrens der Kohlenstoff durch HEM-Wellen bis zur Oxidationstemperatur erhitzt, wobei beim Erreichen dieser Temperatur lediglich durch Sauerstoffzufuhr eine automatische Zündung erfolgt. Bei diesem Verfahren wird auf vorteilhafte Weise eine spezielle Zündvorrichtung eingespart. Letztlich wird bei einem besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren analog des Boudouardschen
Gleichgewichtes (Boudouardsche Gleichgewichtsreaktionen in der Vergaserzone) durch die hohen Temperaturen im Reaktor
Kohlenstoffdioxid mit Kohlenstoff zu Kohlenstoffmonoxid reduziert, wobei gleichzeitig durch die Thermolyse von Wassermolekülen bei
Temperaturen über 1.200°C diese zu Wasserstoff und Sauerstoff zerfallen und der Sauerstoff mit Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid sowie der Wasserstoff mit Kohlenstoff zu Methan reagiert.
Durch dieses Verfahren wird zusammenfassend eine nahezu vollständige Umsetzung des Kohlenstoffes in brennbares Synthesegas erreicht, wobei sich folgende, wesentliche gasbildende Reaktionen ergeben:
CO2 → CO
4
O + C → CO 2H2O→2H2 + C → CH4
4 2O + 2C → 2CO
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele. Es zeigen:
Fig. 1 Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Erzeugung eines brennbaren Synthesegases aus kohlenstoffhaltigen Materialien, in der die jeweiligen chemischen Produkte in den jeweiligen Bereichen eingezeichnet sind,
Fig. 2 Darstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung eines brennbaren Synthesegases aus kohlenstoffhaltigen Materialien gemäß Fig. 1, in der nur die wesentlichen Bauteile eingezeichnet sind, Fig. 3 Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Erzeugung eines brennbaren Synthesegases aus kohlenstoffhaltigen Materialien, in der die wesentlichen Bauteile bezeichnet sind und
Fig. 4 Darstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung eines brennbaren Synthesegases aus kohlenstoffhaltigen Materialien gemäß Fig. 3, in der die jeweiligen chemischen Produkte und Temperaturen in den jeweiligen Bereichen eingezeichnet sind.
Eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung ist in den Fig. 1 und 2 dargestellt.
Dort werden durch ein Schleusensystem A Holzpellets oder
Holzhackschnitzel in den Reaktor gegeben. Durch Zünden und Zufuhr von Außenluft wird bei erstmaliger Befüllung das Holz im unteren Oxidationsbereich B des Reaktors letztendlich zu Holzkohle oxidiert. Hierzu sind keinerlei Zündquellen und/oder Zündvorrichtungen mehr notwendig, da das kohlenstoffhaltige Material durch die HEM-Wellen auf eine Temperatur oberhalb der Zündtemperatur erhitzt wird und erst bei Zufuhr von Luftsauerstoff oxidieren kann. Die Abwärme dieser Oxidation strahlt in den oberen Bereich des Reaktors ab, wo ab mindestens ca. 2200C die Pyrolyse beginnt. In diesem Pyrolysebereich C entsteht ein brennbares Pyrolysegas sowie der Austritt von im Holz enthaltenen Wasser. Durch Absaugen durch ein sich im Rotationsmittelpunkt des Reaktors befindliches Rohr D entsteht im Reaktor ein stetiger Unterdruck, welcher das Pyrolysegas durch die Kohle unterhalb des unteren Endes dieses Rohres leitet.
Außerhalb des Reaktors befindet sich ein Resonator F zur Erzeugung der HEM-Wellen. Die HEM-Wellen werden durch das Rohr D geleitet und treffen an dessen unterem Ende auf die Holzkohle. Da dieses Rohr einen Außenmantel aus Metall besitzt, und HEM-Wellen von Metall reflektiert werden, dient dieses Rohr gleichzeitig als Hohlleiter für die HEM-Wellen. Entspricht der untere Bereich des Rohres D, aus dem die Wellen austreten, räumlich mindestens der Wellenlänge der HEM-Wellen, so erhitzt sich die sich dort befindliche Holzkohle auf eine Temperatur von mehr als 1.4000C. In diesem Hot- Spot genannten Reaktionsbereich E sind kaum mehr Sauerstoffatome vorhanden, so dass dort lediglich Reduktionsreaktionen entsprechend der Boudouardschen Gleichgewichtsreaktionen erfolgen können. Sowohl das metallische Rohr D als auch das metallische Außengehäuse des Reaktors sind innen mit hochtemperaturbeständigem keramischem Material ausgekleidet. Durch das Absaugen der Gase durch das Rohr D wird während des Betriebes Außenluft durch einen gusseisernen Ascherost I von unten her in den Oxidationsbereich B gesaugt. Die Menge der angesaugten Außenluft ist über ein Regelventil H einstellbar. Die somit dort oxidierende Holzkohle erzeugt wie bereits erwähnt nicht nur die erforderliche thermische Energie für die Pyrolyse, sondern ebenfalls das für die Reduktion erforderliche CO2. Die bei der Oxidation übrig bleibende Asche fällt durch das gusseiserne Rost, während durch den Unterdruck das CO2 durch den heißen Hot-Spot E des Reaktionsbereichs gesaugt wird. Hierbei wird das CO2 durch die hohe Temperatur zu brennbarem 2CO reduziert. Das CO2 Molekül zerfällt in ein CO Molekül und ein Sauerstoffatom. Dieses verbindet sich mit einem Kohlenstoffatom zu einem zusätzlichen CO Molekül. Das wesentliche Vergasungsmittel zur Vergasung von festem Kohlenstoff zu einem brennbaren Gas (CO) stellt somit das CO2 aus dem Oxidationsbereich sowie das während der Pyrolyse C entstandene CO2 dar.
Weitere wesentliche gasbildende Reaktionen ergeben sich aus der Thermolyse des in den Reaktor gelangten Wassers. Das Holz, welches in den Reaktor eingebracht wurde, enthält einen gewissen Restanteil an Wasser. Während das Holz auf die für die Pyrolyse erforderliche Temperatur gebracht wird, tritt dieses Wasser aus und wird in Form von Wasserdampf zusammen mit dem Pyrolysegas durch den Hot-Spot E gesaugt.
Das Wassermolekül zerfällt oberhalb einer Temperatur von 1.2000C in ein Sauerstoff- und zwei Wasserstoffatome. Das
Sauerstoffatom reagiert mit einem Kohlenstoffatom zu CO, die
Wasserstoffatome mit Kohlenstoff im Wesentlichen zu Methan.
Dasselbe betrifft in der angesaugten Außenluft enthaltenes Wasser.
Durch die hohe Temperatur des Hot-Spots ist somit der Einsatz der Vergasungsmittel CO2 und H2O in Form von Wasserdampf zu einem brennbaren Gas möglich.
Es ergeben sich folgende wesentliche gasbildende Reaktionen:
CO2 CO
4
O + C CO
2H2O→2H2 + C CH4
I 2O + 2C 2CO
Als weiterer Vorteil des Hot-Spots ergibt sich, dass bei Temperaturen oberhalb von 1.1000C Teere sowie zyklische und polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe gecrackt werden und Verunreinigungen, durch z.B. Teer, nicht mehr erfolgen können. Das heiße Brenngas verlässt das Rohr D über den Brenngasaustritt G, wird gekühlt und über einen Staubabscheider einer ottomotorischen Verwendung zugeführt. Die Standardenthalpien der gaserzeugenden Reaktionen werden durch den Energieüberschuss aus dem Oxidationsbereich bei Oxidation des Kohlenstoffes gedeckt.
In den Fig. 3 und 4 ist eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zur Erzeugung eines brennbaren Synthesegases dargestellt. Eine derartige Vorrichtung weist zunächst eine Schleuse A* zum Einbringen des Primärbrennstoffes, vorzugsweise Holz, auf, über die der Primärbrennstoff in den Innenraum der Vorrichtung transportiert wird. Dort wird mit Hilfe eines Rührwerks B* der eingebrachte Brennstoff gleichmäßig verteilt.
An der Vorrichtung ist eine Einrichtung C* zur Erzeugung von hochfrequenten elektromagnetischen Wellen (nachfolgend H EM-Wellen genannt) angeordnet. Die HEM-Wellen werden über einen separaten Hohlleiter D* zum ersten Oxidationsbereich M* geleitet. Die Vorrichtung muss nur durch einen separaten Hohlleiter D* zum Transport der Mikrowellen ergänzt werden, wenn das zentrale Absaugrohr K* im Durchmesser größer ist als die von der Einrichtung C* erzeugte Wellenlänge. Vorteilhafterweise wird der Hohlleiter D* im Zentrum des Absaugrohres K* angeordnet. Diese Anordnung im Zentrum des Absaugrohres K* ergibt sich aus der Tatsache, dass dies die einzige Stelle in der Vorrichtung ist, wo ein auf den ersten Oxidationsbereich M* ausgerichteter Hohlleiter D* angeordnet werden kann, ohne diesen durch das glühende Kohlebett oder den ebenfalls heißen Bereich des zweiten Oxidationsbereiches O* zu führen.
Die Vorrichtung ist unterhalb des ersten Oxidationsbereichs M* durch ein Rost N* begrenzt, wobei unterhalb des Rostes N* ein zweiter Oxidationsbereich O* angeordnet ist. Nicht nur der erste Oxidationsbereich M*, sondern auch der zweite Oxidationsbereich O* weisen jeweils eine Primärluftzufuhr F* bzw. G* auf. Oberhalb des ersten Oxidationsbereichs M* ist ein Absaugrohr für das brennbare Synthesegas angeordnet, in dem mittig zusätzlich der Hohlleiter D* zumindest teilweise verläuft. Der Hohlleiter D* ist endseitig zum Schutz gegen Eindringen von Fremdkörpern mit einer Glimmerplatte P * versehen, die für HEM-Wellen durchlässig ist.
Die Vorrichtung weist unterhalb der Schleuse A* zum Einbringen des Primärbrennstoffes einen Trocknungsbereich mit einer Temperatur von mindestens 7O0C auf, der in einen so genannten Pyrolysebereich mit einer Temperatur > 22O0C übergeht, in dem die entstehende Holzkohle nach und nach entgast. Im Pyrolysebereich steigt die Temperatur insgesamt von 220°C auf 5500C. Unterhalb des Pyrolysebereichs im Bereich einer Temperatur zwischen 5500C und 95O0C wird das weitgehend ausgegaste Holz zu Holzkohle verkohlt. Während dieses Verschwelungsvorganges entstehen die größten Anteile an aromatischen sowie polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen.
Zwischen dem Rost N* und dem Ausgang des Absaugrohres K* bzw. des Hohlleiters D* befindet sich der erste Oxidationsbereich, auch Reaktionsbereich bzw. Hot-Spot genannt. In diesem Bereich liegt die Temperatur zwischen 9500C und mehr als 1.4000C. Während oberhalb von 1.1000C eine Spaltung der aromatischen, polyzyklischen aromatischen sowie unverbrannten Kohlenwasserstoffe hauptsächlich in Kohlenmonoxid stattfindet, erfolgt ab Temperaturen von 1.2000C die Thermolyse von Wassermolekülen zu Wasserstoff und Sauerstoff. Da die Oxidation von Holzkohle allein lediglich eine mittlere Durchschnittstemperatur im ersten Oxidationsbereich von ca. 8500C bis 950°C erzeugt, muss eine Temperaturerhöhung durch den Einsatz von hochfrequenten elektromagnetischen Wellen erreicht werden. Durch die bei den Elektronen des Kohlenstoffs erzeugten Schwingungen und die sich daraus ergebende starke innere Reibung werden letztlich Temperaturen von mindestens 1.4000C erreicht (dielektrischer Verlust), weshalb durch die hohen Temperaturen analog des Boudouardschen Gleichgewichtes (Boudouardsche Gleichgewichtsreaktionen in der Vergaserzone) Kohlenstoffdioxid mit Kohlenstoff zu Kohlenstoffmonoxid reduziert wird und gleichzeitig durch die Thermolyse von Wassermolekülen bei Temperaturen über 1.200°C diese zu Wasserstoff und Sauerstoff zerfallen, der Sauerstoff mit Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid und der Wasserstoff mit Kohlenstoff zu Methan reagiert. Später kann das erzeugte Synthesegas einer thermodynamischen, z.B. ottomotorischen Verwendung zugeführt werden, um die im Gas gespeicherte chemische Energie in mechanische und/oder elektrische Energie umzuwandeln.
Letztlich weist die Vorrichtung den zweiten Oxidationsbereich O* auf, der sich direkt unterhalb des ersten Oxidationsbereichs M* unterhalb des Rostes N* befindet. Glühende Holzkohle fällt aus dem ersten Oxidationsbereich M* nach Unterschreiten eines Mindestdurchmessers von 1 ,5 cm durch den Rost und bildet den zweiten Oxidationsbereich*. In den zweiten Oxidationsbereich O* wird gerade so viel Sauerstoff eingebracht, dass die Holzkohle rot glüht, aber keine offene Flammenbildung durch Luftüberschuss entsteht. Das hierbei erzeugte Kohlendioxid dient als Vergasungsmittel im ersten Oxidationsbereich und ermöglicht damit die weitgehende Vergasung des Kohlenstoffs. Als Abfallprodukt bleibt letztlich nur mineralische Asche übrig.
In der Fig. 4 sind einerseits die Entstehung der chemischen Verbindungen, der Ort ihrer Entstehung wie auch die Temperaturverteilung innerhalb der Vorrichtung zu erkennen.
Index zu den Fig. 1 und 2:
A Brennstoffeinbringung durch eine luftdichte, z.B. Zellradschleuse (Schleuse in Fig. 1 und Fig. 2 nicht eingezeichnet)
B Oxidationsbereich
C Pyrolysebereich
D zentrales Rohr zur Brenngasabsaugung und gleichzeitig Hohlleiter für die vom Resonator erzeugtem HEM-Wellen
E Reduktions-bzw. Vergaserzone mit einem Hot Spot von 1.4000C
F Resonator zur Erzeugung von HEM-Wellen mit einer Frequenz von2,45 GHz oder 5,8 GHz
G Brenngasaustritt, abgesaugt durch einen z.B. Sauggasmotor
H Luftdrossel zur Regulierung der Luftzufuhr in den Oxidationsbereich
I gusseiserner Ascherost
lndex zu den Fig. 3 und 4:
A* Schleuse zum Einbringen des Primärbrennstoffes (Holz)
B* Rührwerk zum gleichmäßigen Verteilen des eingebrachten Brennstoffes
C* Magnetron
D* Hohlleiter für den Transport der Mikrowellen in den ersten Oxidationsbereich
E* Schwelen, Verkohlung des eingebrachten Brennstoffes
F* Primärluftzufuhr in den ersten Oxidationsbereich
G* Primärluftzufuhr in den zweiten Oxidationsbereich
H* Getriebemotor für das Rührwerk
I* Füllstandsüberwachung durch z.B. Pendel mit Initiator
K* Absaugrohr des Brenngases
L* Trocknen, Trockenbereich des eingebrachten Brennstoffes, Pyrolyse
M* erster Oxidationsbereich
N* Rost
O* zweiter Oxidationsbereich
P* Glimmerplatte

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur Erzeugung eines brennbaren Synthesegases aus kohlenstoffhaltigen Materialien, vorzugsweise Holz, mit einem
Reaktor, der eine Schleuseneinrichtung für die kohlenstoffhaltigen Materialien, eine Absaugeinrichtung für das entstehende Gas sowie einen Rost zur Lagerung des kohlenstoffhaltigen Materials aufweist dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke des Erreichens einer Temperatur von mindestens 1.400°C eine Einrichtung (C*, F) zur Erzeugung von hochfrequenten elektromagnetischen Wellen, nachfolgend HEM-Wellen, vorhanden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch einen Hohlleiter (D, D*), der die von der Einrichtung (C*, F) zur Erzeugung von HEM-Wellen erzeugten Wellen in den Reaktor leitet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlleiter (D, D*) die HEM-Wellen in einen Reaktionsbereich (B) / Hot-Spot (erster Oxidationsbereich M*) leitet.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlleiter (D*) zum Schutz gegen Eindringen von Fremdkörpern, insbesondere Staub, mit einer für HEM-Wellen durchlässigen Platte (P*), vorzugsweise aus Glimmer, endseitig verschlossen ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das unterhalb des Hohlleiters (D, D*) angeordnete Rost (I1 N*) zur Lagerung des kohlenstoffhaltigen Materials sowie zum Durchtritt von Luft Zwischenräume zwischen den Stegen aufweist, die kleiner sind als die Wellenlänge der HEM-Wellen.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor unterhalb des Rostes (N*) einen zweiten Oxidationsbereich (O*) mit Temperaturen von etwa 7500C aufweist, in der bei unterstöchiometrischer Zugabe von Luft zusätzlicher Kohlendioxid als Vergasungsmittel erzeugbar ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor unterhalb der Schleuseneinrichtung (A*) ein Rührwerk (B*) zur gleichmäßigen Verteilung des kohlenstoffhaltigen Materials aufweist.
8. Verfahren zum Einsatz in einer Vorrichtung gemäß einer der Ansprüche 1 bis 7, bei dem zunächst eine Pyrolyse (Verschwel ung) unter Erzeugung von brennbarem Synthesegas und Holzkohle stattfindet, wobei die erzeugte Holzkohle zum Teil mit Luftsauerstoff oxidiert wird, damit die für die Pyrolyse erforderlichen Temperatur von mindestens 550 0C erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoff mit Hilfe von HEM-Wellen in einem Reaktionsbereich / Hot Spot (erster Oxidationsbereich) auf mindestens 1.4000C erhitzt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoff mit Hilfe von HEM- Wellen mit einer Frequenz zwischen 1 ,8 GHz und 9,5 GHz und einer Wellenlänge von 16,66 cm bis 3,15 cm auf mindestens 1.4000C erhitzt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoff mit Hilfe von HEM-Wellen mit einer Frequenz von 2,45 GHz und einer Wellenlänge von 12,2448 cm auf mindestens 1.400°C erhitzt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoff mit Hilfe von HEM-Wellen mit einer Frequenz von 5,8 GHz auf mindestens 1.400°C erhitzt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ingangsetzen des Verfahrens der Kohlenstoff durch HEM-Wellen bis zur Oxidationstemperatur erhitzt wird, und das bei Erreichen dieser Temperatur durch Sauerstoffzufuhr eine automatische Zündung erfolgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass analog des Boudoarschen Gleichgewichtes (Boudouardsche Gleichgewichtsreaktionen in der Vergaserzone) durch die hohen Temperaturen im Reaktor Kohlenstoffdioxid mit Kohlenstoff zu Kohlenstoffmonoxid reduziert wird, gleichzeitig durch die Thermolyse von Wassermolekülen bei Temperaturen über 1.2000C diese zu Wasserstoff und Sauerstoff zerfallen und der Sauerstoff mit Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid sowie der Wasserstoff mit Kohlenstoff zu Methan reagiert.
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