DE10141192A1 - Vorrichtung zur Reinigung von Gasströmen - Google Patents

Vorrichtung zur Reinigung von Gasströmen

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Abstract

Es wird vorgeschlagen, eine Vorrichtung (1) zur Reinigung von Gasströmen, die mindestens einen exotherm umsetzbaren Gasbestandteil umfassen, mit Mitteln zum exothermen Umsetzen des exotherm umsetzbaren Gasbestandteils auszustatten und diese im Bereich des mindestens einen Reaktorbehälters (2) der Vorrichtung (1) anzuordnen, durch den der zu reinigende Gasstrom geleitet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reinigung von Gasströmen mit mindestens einem exotherm umsetzbaren Gasbestandteil. Die Vorrichtung umfasst mindestens einen Reaktorbehälter, durch den der zu reinigende Gasstrom geleitet wird.
  • Vorrichtungen dieser Art werden beispielsweise im Rahmen von Systemen eingesetzt, mit denen aus flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen ein wasserstoffreiches Gas erzeugt wird. Die katalytische Umsetzung von flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen in ein wasserstoffreiches Gas, das sogenannte Reformatgas, erfolgt in der Regel in mehreren hintereinandergeschalteten Schritten, der eigentlichen Reformierung und ggf. einer nachgeschalteten Shiftreaktion. Bei der Reformierung werden die Kohlenwasserstoffe in H2, CO, CO2, CH4 und eventuell Restkohlenwasserstoffe aufgespalten. Mit einer nachgeschalteten Shiftreaktion kann CO mit H2O katalytisch in CO2 und H2 umgewandelt werden.
  • Reformatgas wird beispielsweise zur Stromerzeugung mit Hilfe von Brennstoffzellensystemen eingesetzt. Zum Schutz dieser Systeme, insbesondere zum Schutz von in diesen Systemen verwendeten Katalysatoren, wird das Reformatgas entschwefelt, was einer Reinigung im Sinne der vorliegenden Erfindung entspricht. Die Entschwefelung erfolgt vorzugsweise in Adsorptionsverfahren, bei denen der zu entschwefelnde Gasstrom über ein Metalloxid, wie z. B. ein Erdalkalimetalloxid oder ein Übergangsmetalloxid, geleitet wird. Dabei werden die niedermolekularen Schwefelverbindungen, wie z. B. H2S oder COS, unter Umwandlung des Oxides in ein Metallsulfid aus dem Gasstrom entfernt.
  • Eine weitere Reinigung im Sinne der vorliegenden Erfindung stellt die Entziehung von Kohlendioxid dar. Kohlendioxid kann beispielsweise mit Erdalkalioxiden, wie CaO und MgO, mit Oxiden der schweren Elemente der vierten Hauptgruppe, wie PbO, und mit Alkalizirkonaten und -hafnaten, wie Li2ZrO3, adsorptiv aus Gasströmen entfernt werden.
  • In der Regel ist die Reinigungsleistung von Adsorbentien, die zur Reinigung von Gasströmen eingesetzt werden, erst bei höheren Betriebstemperaturen akzeptabel. Daher sollte beispielsweise die Entschwefelungsstufe, die einem System zur Erzeugung von Reformatgas für ein Brennstoffzellensystem nachgeschaltet ist, möglichst schnell aufheizbar sein, um möglichst bereits unmittelbar nach dem Start des Gaserzeugungssystems eine ausreichende Entschwefelungsleistung zu liefern.
  • Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird dies dadurch erreicht, dass im Bereich des Reaktorbehälters Mittel zum exothermen Umsetzen des exotherm umsetzbaren Gasbestandteils des zu reinigenden Gasstroms vorgesehen sind. Erfindungsgemäß ist nämlich erkannt worden, dass sich eine Reinigungsstufe für Gasströme mit mindestens einem exotherm umsetzbaren Gasbestandteil einfach aber äußerst effizient durch die exotherme Umsetzung dieses Gasbestandteils beheizen lässt.
  • Bei einer Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt die Beheizung des Reaktorbehälters von Innen heraus. Dazu sind die Mittel zum exothermen Umsetzen des exotherm umsetzbaren Gasbestandteils im Innern des Reaktorbehälters angeordnet. Da der zu reinigende Gasstrom mit dem exotherm umsetzbaren Gasbestandteil ohnehin durch den Reaktorbehälter geleitet wird, ist der konstruktive Zusatzaufwand bei dieser Variante gegenüber herkömmlichen Reinigungsstufen relativ gering. In der Regel ist zur exothermen Umsetzung des Gasbestandteils mindestens ein Reaktionspartner erforderlich, so dass Mittel zum Einleiten des Reaktionspartners in den Reaktorbehälter vorgesehen sein müssen. Die Zuführung des Reaktionspartners kann sowohl zentral als auch über den Reaktorbehälter verteilt erfolgen. Außerdem wird die exotherme Umsetzung des Gasbestandteils häufig durch einen Katalysator beschleunigt. Ein solcher Katalysator sollte bei der hier in Rede stehenden Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Innern des Reaktorbehälter angeordnet werden. Falls im Reaktorbehälter Adsorbentien angeordnet sind, kann der Katalysator beispielsweise in Pelletform unter die Adsorbentien gemischt werden.
  • Alternativ oder ergänzend zu den voranstehend beschriebenen Maßnahmen können auch auf der Außenseite des Reaktorbehälters Mittel zum exothermen Umsetzen des exotherm umsetzbaren Gasbestandteils angeordnet sein. In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Reaktorbehälter von einem Leitungssystem umgeben ist, in das zumindest ein Teil des zu reinigenden Gasstroms mit dem exotherm umsetzbaren Gasbestandteil eingeleitet wird. Das Leitungssystem sollte so an den Reaktorbehälter angeschlossen sein, dass der abgezweigte Gasstrom nach Durchströmen des Leitungssystems in den Reaktorbehälter geleitet wird, so dass auch dieser Teil des ursprünglichen Gasstroms gereinigt werden kann. Wenn für die exotherme Umsetzung des Gasbestandteils ein Reaktionspartner erforderlich ist, so muss das Leitungssystem auch mindestens eine Zuleitung für den Reaktionspartner aufweisen. Auch ein Katalysator, der die exotherme Umsetzung des Gasbestandteils beschleunigt, kann in dem Leitungssystem angeordnet werden.
  • Da die voranstehend beschriebenen Maßnahmen zum gezielten Beheizen der Reinigungsstufe bzw. des Reaktorbehälters dienen, ist in einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Temperaturregelung für den Reaktorbehälter vorgesehen. Wenn ein Reaktionspartner für die exotherme Umsetzung des Gasbestandteils zugeführt werden muss, so lässt sich eine Temperaturregelung sehr einfach aber zuverlässig durch Regelung der Zufuhr des Reaktionspartners realisieren.
  • Wie bereits voranstehend ausführlich erörtert, gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung von drei Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren verwiesen.
  • Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der Mittel zur exothermen Umsetzung eines Gasbestandteils im Innern des Reaktorbehälters angeordnet sind,
  • Fig. 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der Mittel zur exothermen Umsetzung eines Gasbestandteils auf der Außenseite des Reaktorbehälters angeordnet sind, und
  • Fig. 3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit zwei hintereinander geschalteten Reaktorbehältern, wobei der in Strömungsrichtung erste Reaktorbehälter als Heizvorstufe dient.
  • Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Vorrichtung 1 dient zur Entschwefelung von Reformatgas, das bei der Reformierung von flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen entstanden ist. Hierbei bilden Wasserstoff und ggf. Kohlenmonoxid, Methan und falls vorhanden Restkohlenwasserstoffe exotherm umsetzbare Gasbestandteile. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Reaktorbehälter 2, in dem Adsorbentien 3 für die im Reformatgas enthaltenen Schwefelverbindungen angeordnet sind. Das zu entschwefelnde Reformatgas wird über eine Zuleitung 4 in den Reaktorbehälter 2 geleitet und verlässt diesen über eine Auslassleitung 5, nachdem es die Adsorbentien 3 im Reaktorbehälter 2 durchströmt hat. Die Zuleitung 4 und die Auslassleitung 5 sind deshalb auf gegenüberliegenden Seiten des Reaktorbehälters 2 angeordnet.
  • Erfindungsgemäß sind im Bereich des Reaktorbehälters 2 Mittel zum exothermen Umsetzen des Wasserstoffs und ggf. auch des Kohlenmonoxids sowie der anderen umsetzbaren Bestandteile vorgesehen. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die exotherme Umsetzung im Innern des Reaktorbehälters 2. Dazu wurden Katalysatoren 6, die die exotherme Umsetzung beschleunigen, wie z. B. Katalysatoren in Pelletform, unter die Adsorbentien 3 gemischt. Die für die exotherme Umsetzung erforderliche Luft wird hier entweder zentral über die Zuleitung 4 in den Reaktorbehälter 2 eingeleitet oder, wie durch die Pfeile 7 angedeutet, über mehrere verteilt angeordnete Luftzuleitungen. Die Erwärmung des Reaktorbehälters 2 erfolgt dementsprechend entweder in Form eines Hotspots im Bereich der Mündung der Zuleitung 4 mit sehr schnellem Temperaturanstieg oder über den Reaktorbehälter 2 verteilt etwas langsamer.
  • Die Temperatur des Reaktorbehälters 2 und der darin angeordneten Adsorbentien 3 lässt sich durch gezielte Zugabe einer genau dosierten Luftmenge regeln. Auf diese Weise kann das Temperaturniveau im Reaktorbehälter 2 sehr schnell in den Bereich der optimalen Betriebstemperatur der Adsorbentien 3 verschoben werden. Von dieser Möglichkeit kann beispielsweise beim Start des Gaserzeugungssystems in Brennstoffzellensystemen gebrauch gemacht werden, um möglichst sofort eine hinreichende Reinigungsleistung der Entschwefelungsstufe zu erzielen. Nach Erreichen einer günstigen Betriebstemperatur kann die Luftzufuhr dann gestoppt werden.
  • Die in Fig. 2 schematisch dargestellte Vorrichtung 10 dient ebenfalls zur Entschwefelung von Reformatgas, das bei der Reformierung von flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen entstanden ist, so dass auch hier Wasserstoff und ggf. auch Kohlenmonoxid oder Methan und Restkohlenwasserstoffe exotherm umsetzbare Gasbestandteile bilden. Wie die Vorrichtung 1 umfasst auch die Vorrichtung 10 einen Reaktorbehälter 11, in dem Adsorbentien 3 für die im Reformatgas enthaltenen Schwefelverbindungen angeordnet sind. Die erfindungsgemäß vorgesehenen Mittel zum exothermen Umsetzen der exotherm umsetzbaren Gasbestandteile wie z. B. Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid sind hier allerdings auf der Außenseite des Reaktorbehälters 11 angeordnet.
  • Im Gegensatz zu der in Fig. 1 dargestellten Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird bei der in Fig. 2 dargestellten Variante das zu entschwefelnde Reformatgas zunächst nicht vollständig in den Reaktorbehälter 11 eingeleitet. Ein Teil des Gasstroms wird von der Zuleitung 12 in ein den Reaktorbehälter 11 umgebendes Leitungssystem 13 geleitet, das erst bei 14 in den Reaktorbehälter 11 mündet. In dem Leitungssystem 13 ist mindestens ein Katalysator angeordnet, der die exotherme Umsetzung des Wasserstoffs bzw. des Kohlenmonoxids oder des Methans oder der Restkohlenwasserstoffe beschleunigt. Wird das Leitungssystem 13 durch die Außenwandung des Reaktorbehälters 11 begrenzt, so kann der Katalysator beispielsweise in Form einer Beschichtung des Reaktorbehälters 16 im Leitungssystem 13 angeordnet sein. Die für die exotherme Umsetzung erforderliche Luft kann auch hier entweder zentral, beispielsweise über die Zuleitung 12, in das Leitungssystem 13 eingeleitet werden oder über mehrere verteilt angeordnete Luftzuleitungen, was durch die Pfeile 15 angedeutet wird. Wie im Fall der in Fig. 1 dargestellten Variante lässt sich auch hier das Temperaturprofil und die Temperaturverteilung des Reaktorbehälters 11 und der darin angeordneten Adsorbentien durch gezielte Zugabe einer genau dosierten Luftmenge regeln.
  • Wesentlich ist, dass bei der in Fig. 2 dargestellten Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 der Reaktorbehälter 11 von außen aufgeheizt wird. Dazu wird ein Teil des zu entschwefelnden Gasstroms abgezweigt und erst nach der exothermen Umsetzung des in diesem Teil enthaltenen Wasserstoffs und/oder Kohlenmonoxids in den Reaktorbehälter eingeleitet, so dass dann auch dieser Teil des Gasstroms entschwefelt wird.
  • An dieser Stelle sei angemerkt, dass sich die in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 beschriebenen Maßnahmen zur Aufheizung eines Reaktorbehälters durch exotherme Umsetzung von exotherm umsetzbaren Gasbestandteilen eines zu entschwefelnden Gasstroms auch kombinieren lassen, so dass ein entsprechender Reaktorbehälter sowohl von innen als auch von außen aufgeheizt werden kann.
  • In Fig. 3 ist eine Entschwefelungsstufe 20 mit zwei hintereinander geschalteten Reaktorbehältern 21 und 22 dargestellt, in denen Adsorbentien 23 angeordnet sind. Die beiden Reaktorbehälter 21 und 22 werden nacheinander von dem zu entschwefelnden Gasstrom, auch hier wieder einem aus flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen gewonnenen Reformatgas, durchströmt. Der Reaktorbehälter 21 mit den darin angeordneten Adsorbentien 3 dient als Heizvorstufe und ist wesentlich kleiner dimensioniert als der nachgeschaltete Reaktorbehälter 22, der schon aufgrund seiner Dimensionierung zusammen mit den darin angeordneten Adsorbentien 23 den eigentlichen Entschwefelungsreaktor bildet. Aufgrund ihrer geringeren thermischen Masse kann die Heizvorstufe wesentlich schneller aufgeheizt werden als der eigentliche Entschwefelungsreaktor. Dazu ist die Heizvorstufe genauso konzipiert, wie die in Fig. 1 dargestellte Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Möglich wäre aber auch eine Realisierung der Heizvorstufe in Form der in Fig. 2 dargestellten Variante oder in Form einer Kombination dieser beiden Varianten. Das Aufheizen des eigentlichen Entschwefelungsreaktors erfolgt hier ausschließlich durch die heißen Prozessgase, die durch ihn hindurchströmen. Denkbar wäre aber auch, dass auch der eigentliche Entschwefelungsreaktor mit Mitteln zur exothermen Umsetzung von Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid und/oder Methan und/oder Restkohlenwasserstoffen ausgestattet ist.
  • Die Schwefelaufnahmekapazität und Reinigungsleistung der Heizvorstufe müssen so ausgelegt sein, dass sie für mindestens einen Startvorgang des Gaserzeugungssystems ausreichen. Außerdem müssen immer wieder Regenerationszyklen zur Verlängerung der Standzeiten der Heizvorstufe durchgeführt werden oder die Heizvorstufe muss für eine größere Anzahl von Startvorgängen ausgelegt sein. Bezugszeichen 1 Vorrichtung (Fig. 1)
    2 Reaktorbehälter
    3 Adsorbentien
    4 Zuleitung
    5 Auslassleitung
    6 Katalysatoren
    7 Pfeile für mögliche Luftzuleitungen
    10 Vorrichtung (Fig. 2)
    11 Reaktorbehälter
    12 Zuleitung
    13 Leitungssystem
    14 Mündungsstelle
    15 Pfeile für mögliche Luftzuleitungen
    16 Beschichtung des Reaktorbehälters mit Katalysator
    20 Entschwefelungsstufe (Fig. 3)
    21 Reaktorbehälter - Heizvorstufe
    22 Reaktorbehälter - eigentlicher Entschwefelungsreaktor
    23 Adsorbentien

Claims (14)

1. Vorrichtung zur Reinigung von Gasströmen, die mindestens einen exotherm umsetzbaren Gasbestandteil umfassen, mit mindestens einem Reaktorbehälter (2; 11), durch den der zu reinigende Gasstrom geleitet wird,
dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Reaktorbehälters (2; 11) Mittel zum exothermen Umsetzen des exotherm umsetzbaren Gasbestandteils vorgesehen sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum exothermen Umsetzen des exotherm umsetzbaren Gasbestandteils im Innern des Reaktorbehälters (2) angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei zur exothermen Umsetzung des Gasbestandteils mindestens ein Reaktionspartner erforderlich ist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Einleiten des Reaktionspartners in den Reaktorbehälter (2) vorgesehen sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die exotherme Umsetzung des Gasbestandteils durch mindestens einen Katalysator (6) beschleunigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (6) im Innern des Reaktorbehälter (2) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum exothermen Umsetzen des exotherm umsetzbaren Gasbestandteils auf der Außenseite des Reaktorbehälters (11)angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktorbehälter (11) von einem Leitungssystem (13) umgeben ist, durch das zumindest ein Teil des zu reinigenden Gasstroms geleitet wird, und dass das Leitungssystem (13) so an den Reaktorbehälter (11) angeschlossen ist, dass der abgezweigte Teil des Gasstroms nach Durchströmen des Leitungssystems (13) in den Reaktorbehälter (11) geleitet wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei zur exothermen Umsetzung des Gasbestandteils mindestens ein Reaktionspartner erforderlich ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungssystem (13) mindestens eine Zuleitung für den Reaktionspartner aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die exotherme Umsetzung des Gasbestandteils durch mindestens einen Katalysator beschleunigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator in dem Leitungssystem (13) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturregelung für den Reaktorbehälter (2; 11) vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9 und einem der Ansprüche 3 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturregelung Mittel zur Regelung der Zufuhr des Reaktionspartners umfasst.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei mindestens zwei hintereinander geschaltete Reaktorbehälter (21, 22) vorgesehen sind, die nacheinander von dem zu reinigenden Gastrom durchströmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der in Strömungsrichtung erste Reaktorbehälter (21) als Heizvorstufe dient, indem für den ersten Reaktorbehälter (21) Mittel zum Aufheizen durch exotherme Umsetzung des exotherm umsetzbaren Gasbestandteils vorgesehen sind.
12. Vorrichtung zur Entschwefelung von Gasströmen nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
13. Vorrichtung nach einem dem Ansprüche 1 bis 12 zur Entschwefelung von Reformatgas, das bei der Reformierung von flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen entstanden ist, wobei die Gasbestandteile Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid und/oder Methan und/oder Restkohlenwasserstoffe mit Hilfe von Luft exotherm umgesetzt werden, um mindestens ein im Reaktorbehälter angeordnetes Adsorbenz für schwefelhaltige Verbindungen aufzuheizen.
14. Vorrichtung zur Entziehung von Kohlendioxid aus Gasströmen nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
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