DE102009017854B4

DE102009017854B4 - Vorrichtung zur Erzeugung von Produktgas aus kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen mit Wärmerohren

Info

Publication number: DE102009017854B4
Application number: DE200910017854
Authority: DE
Inventors: Pascal Ackermann; Felix Nelles; Martin Kröner; Josef Thurnes
Original assignee: Highterm Research GmbH
Current assignee: Highterm Research GmbH
Priority date: 2009-04-17
Filing date: 2009-04-17
Publication date: 2013-02-21
Anticipated expiration: 2029-04-18
Also published as: WO2010119139A2; DE102009017854A1; EP2419494A2; EA201171257A1; WO2010119139A3

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung von Produktgas aus kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen durch allotherme Wasserdampfvergasung, mit einer Wärmequelle mit einer Brennkammer, wenigstens einem Reformer-Reaktor mit einer Zuführeinrichtung für die zu vergasenden Einsatzstoffe und einer Produktgasableitung, einer Wärmerohranordnung mit einem Wärmeträgermedium zum Transport der für die allotherme Wasserdampfvergasung notwendigen Wärme aus der Wärmequelle in den wenigstens einen Reformer-Reaktor, wobei die Wärmerohranordnung eine Mehrzahl von langgestreckten Wärmerohren mit kreisringförmigem Querschnitt umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium der Wärmerohranordnung ein Stoffgemisch ist, das Natrium und Kalium enthält

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Produktgas aus kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.
Aus der EP 1 187 892 B1 ist ein sogenannter Heatpipe-Reformer zum Erzeugen von Brenngas aus kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen bekannt, bei dem mittels Wärmerohren bzw. Heatpipes in einer Brennkammer mit einer ersten Wirbelschicht erzeugte Wärme in einen über der Brennkammer angeordneten Reformer-Reaktor mit einer zweiten Wirbelschicht eingekoppelt wird. In dem Reformer-Reaktor wird durch allotherme Wasserdampfvergasung Produktgas aus den zu vergasenden Einsatzstoffen erzeugt wird.
Aufgrund der hohen Betriebstemperaturen diffundiert der entstandene Wasserstoff verstärkt in die Wärmerohre ein. Befindet sich der Kondensatorteil eines Wärmerohres oberhalb des Verdampfers, so wird Wasserstoff in dem Wärmerohr von dem aufsteigenden Dampf konvektiv (nach oben) transportiert. Während der Dampf des Wärmeträgermediums kondensiert und nach unten läuft, sammelt sich der Wasserstoff an. Das Wasserstoffpolster wird nun von dem Dampfdruck des Wärmeträgermediums komprimiert. Das Wasserstoffpolster hat demnach den gleichen Druck wie der Dampf des Wärmeträgermediums an dieser Stelle.
Es gibt verschiedene Ansätze dieses Wasserstoffpolster abzubauen. Eine Möglichkeit ist eine entsprechend große Ausdiffusionsfläche zu schaffen. Signifikanten Einfluss auf die Ausdiffusion haben die Temperatur, das Wasserstoff-Partialdruckgefälle und das Material der Wandung durch das der Wasserstoff diffundieren muss. Für die Wärmerohre im Heatpipe-Reformer kommen mehrere Arbeitsmedien in Frage. Wegen der guten Verfügbarkeit und der unkritischen Handhabung ist Natrium gut geeignet. Etwas reaktiver und damit nicht mehr so einfach handhabbar ist die Verwendung von Kalium.
Vorteile Natrium als Wärmeträgermedium:

– Einfache Handhabung wegen trägerer Reaktivität
– Gute Verfügbarkeit
– Einfache Lagerung
– Relativ unkritische Entsorgung

Nachteile Natrium als Wärmeträgermedium:

– Aggregatzustand bei Raumtemperatur fest und daher ist bei der Wärmerohr Befüllung ein zusätzlicher Schritt notwendig um es zu verflüssigen
– Der Dampfdruck von Natrium ist im Betriebszustand des Heatpipe-Reformers < 1 bar und damit kann eine Eindiffusion bei einem druckaufgeladenem Reformerbetrieb (H2-Druck > 1 bar) prinzipiell nicht verhindert werden.

Ein wichtiger Parameter ist demnach der Dampfdruck des Wärmeträgermediums im Reformerbetrieb. Durch die Verwendung von Kalium als Wärmeträgermedium erhält man im Reformerbetriebspunkt einen höheren Dampfdruck von Kalium als mit Natrium. Eine Ausdiffusion von Wasserstoff wird durch die höhere Partialdruckdifferenz beschleunigt. Im Vergleich mit Natrium ist Kalium wesentlich reaktiver und kann beispielsweise bei Kontakt mit sauerstoffhaltigen Verbindungen oder Feuchtigkeit zur Bildung explosiver Oxidverbindungen führen.
Vorteile Kalium als Wärmeträgermedium:

– Hoher Dampfdruck im Reformerbetriebspunkt und damit ist eine stetige Ausdiffusion gewährleistet.

Nachteile Kalium als Wärmeträgermedium:

– Schwierige Handhabung wegen hoher Reaktivität
– Bei nicht fachgerechter Lagerung können sich explosive Kalium-Oxide bilden
– Aufwendige Lagerung
– Aggregatzustand bei Raumtemperatur fest und daher ist bei der Wärmerohr Befüllung ein zusätzlicher Schritt notwendig, um es zu verflüssigen

Bei dem aus der EP 1 187 892 B1 bekannten Heatpipe-Reformer soll die in der Brennkammer erzeugte Wärme auf einem Temperaturniveau von bis etwa 850°C bereitgestellt werden. Da die allotherme Wasserdampfvergasung bei Temperaturen unter 800°C zu schlechteren Gasqualitäten führt und die Temperaturen in der Brennkammer bei idealerweise etwa 850°C liegen, müssen die Wärmerohre zwischen Wärme aufnehmender Seite und Wärme abgebender Seite eine möglichst geringe Temperaturspreizung von < 50 K aufweisen.
Aus der Publikation NaK Variable Conductance Heat Pipe for Radioisotope Stirling Systems, Calin Torau, William G. Anderson, and Kara Walker, 6th International Energy Conversion Engineering Conference (IECEC), 28–30 July 2008, Cleveland, Ohio und aus der Druckschrift CN 1182869 A ist ein Wärmerohr bekannt, bei dem als Wärmeträgermedium eine eutektische Mischung aus Natrium und Kalium verwendet wird, das in gewisser Weise die positiven Eigenschaften des Wärmeträgermediums Natrium mit denen von Kalium kombiniert. Insbesondere ist das NaK-Eutektikum bei Umgebungstemperaturen flüssig und nicht fest. Auch aus der DE 36 37 872 C2 ist ein Wärmerohr mit einem Gemisch aus Natrium und Kalium als Arbeitsmittel bekannt.
Ausgehend von der EP 1 187 892 ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung von Produktgas aus kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen anzugeben, bei der einerseits die Wärmeübertragung zwischen Brennkammer und Reformer-Reaktor mittels Wärmerohren mit minimaler Temperaturspreizung erfolgt und andererseits die Deaktivierung der Wärmerohre durch eindiffundierten Wasserstoff möglichst gering gehalten wird.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruch 1.
Dadurch, dass in den langgestreckten Wärmerohren mit kreisringförmigem Querschnitt eine Mischung bzw. eine Legierung mit den Bestandteilen Natrium und Kalium als Wärmeträgermedium eingesetzt wird, ergibt sich im inneren der Wärmerohre ein hoher Dampfdruck, der die Ausdiffusion von Wasserstoff im Kondensator der Wärmerohre, d. h. im Wärme abgebenden Teil des Wärmerohres, begünstigt. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass die bei dem Gemisch auftretende Temperaturspreizung zwischen Siedetemperatur und Kondensationstemperatur nicht so groß ist, wie dies in der Literatur angegeben ist.
Aus der vorstehend erwähnten Publikation NaK Variable Conductance Heat Pipe for Radioisotope Stirling Systems, Calin Tarau, William G. Anderson, and Kara Walker, 6th International Energy Conversion Engineering Conference (IECEC), 28–30 July 2008, Cleveland, Ohio und aus den vorstehend genannten Druckschrift CN 1182869 A und DE 36 37 872 C2 ist jeweils ein Wärmerohr bekannt, bei dem als Wärmeträgermedium eine Natrium-Kalium-Legierung verwendet wird, jedoch würde der Fachmann den Einsatz dieser bekannten Wärmerohre aus folgenden Gründen nicht in Betracht ziehen.
Diese Na-K-Legierung verhält sich entsprechend der flüssig-dampf-Gleichgewichte und entmischt sich, sofern es einem thermischen Trennverfahren unterzogen wird, sei es absichtlich in einer Rektifikationskolonne oder in einer rektifikationskolonneneähnlichem Apparat beispielsweise einem Wärmerohr. Diese Entmischung wird in der Publikation ”NaK Variable Conductance Heat Pipe for Radioisotope Stirling Systems”, Calin Tarau, William G. Anderson, and Kara Walker, 6th International Energy Conversion Engineering Conference (IECEC), 28–30 July 2008, Cleveland, Ohio beschrieben. Die tatsächliche Entmischung des Leicht- und Schwersieders hängt noch von einer Menge anderer Faktoren ab, prinzipiell spielen aber die Massenströme (flüssig und dampfförmig) sowie die Größe der Stoffaustauschfläche und damit Größe und Länge der Wärmerohre, der Temperatur und Druck sowie der Konzentrationen eine wichtige Rolle.
Eine Entmischung von NaK hat den großen Nachteil, dass sich eine signifikante Temperaturdifferenz zwischen Verdampfertemperatur und Kondensatortemperatur einstellen kann. Da aber für den Betrieb im Heatpipe-Reformer eine hohe Leistungsübertragung auf hohem Temperaturniveau bei gleichzeitiger geringer Temperaturspreizung zwischen der Brennkammer und dem Reformer notwendig ist, ging man davon aus, dass eine Entmischung zu einer Vergrößerung der Temperaturdifferenz führen würde und somit NaK nicht als Wärmeträgermedium in Frage kam. In der vorstehend genannten Publikation wird auf Seite 4 für ein nur 12 cm langes Wärmerohr von einer Temperaturdifferenz von 70 K berichtet. Dies würde aber bedeuten, dass bei einem Einsatz derartiger Wärmerohre in einem Heatpipe-Reformer (die Dimensionen von Wärmerohren im Heatpipe-Reformer sind bedeutend größer als die in der zitierten Publikation) gemäß der EP 1 187 892 die Temperatur im Reformer-Reaktor unter Umständen nur 780°C erreichen kann. Folglich würde die allotherme Wasserdampfvergasung zu ungenügenden Gasqualitäten führen. Der Fachmann würde daher den Einsatz dieser NaK-Heatpipes in Heatpipe-Reformern nicht in Betracht ziehen.
Entgegen dieser vorherrschenden Meinung hat sich jedoch herausgestellt, dass die Temperaturspreizung zwischen Wärme abgebenden und Wärme aufnehmenden Ende der NaK-Wärmerohre < 50 K ist und damit, übertragen auf die Bedingungen aus der Publikation ”NaK Variable Conductance Heat Pipe for Radioisotope Stirling Systems”, Calin Tarau, William G. Anderson, and Kara Walker, 6th International Energy Conversion Engineering Conference (IECEC), 28–30 July 2008, Cleveland, Ohio erheblich kleiner sein muss. Folglich kann bei Einsatz von NaK-Wärmerohren bei einer Temperatur des Wärmeaufnehmenden Endes des Wärmerohrs von 850°C am Wärmeabgebenden Ende des Wärmerohrs eine Temperatur von bis zu 800°C oder höher erreicht werden.
Handelsüblich sind zwei NaK-Zusammensetzungen NaK78 (78 Gew.% Kalium und 22 Gew.% Natrium) – Anspruch 3 und 4 – und NaK 56 (Kalium Gew.56% und Natrium 44 Gew.%) – Anspruch 2. Natrium und Kalium sind in jedem Verhältnis mischbar. Das eutektische NaK78 (262 K) hat den geringeren Schmelzpunkt und ist daher bei Raumtemperatur flüssig und damit leichter zu handhaben. Je höher der Kalium Anteil im NaK, desto höher ist auch der NaK-Dampfdruck bei vergleichbarer Temperatur.
Vorteile NaK als Wärmeträgermedium:

– Gute Verfügbarkeit
– Einfache Handhabung wegen flüssigem Aggregatzustand bei Raumtemperatur
– verhältnismäßig unkritische Entsorgung
– Hoher Dampfdruck im Reformerbetriebspunkt
– Dampfdruck im Betriebszustand des Heatpipe Reformers > 1 bar und damit kann eine Deaktivierung der Wärmerohre durch Eindiffusion von Wasserstoff bei einem druckaufgeladenem Reformerbetrieb (H2-Druck > 1 bar) prinzipiell verhindert werden.
– Schnelleres Anspringen der Heatpipe bei Betriebsstart
– Niedrigere Betriebstemperatur möglich

Nachteile NaK als Wärmeträgermedium:

– Je nach Geometrie/Austauschfläche des Wärmeüberträgers ist eine Entmischung möglich
– Reaktiver als Natrium
– Aufwendigerere Lagerung

Entgegen der vorherrschenden Meinung ist NaK besonders gut für den Betrieb in Heatpipes des Heatpipe-Reformers geeignet, da sich eine etwaige Entmischung auf die Performance des Heatpipe-Reformers kaum oder nicht negativ auswirkt. Dies ist insbesonderer dann der Fall, wenn die Wärmerohre senkrecht im Heatpipe-Reformer angeordnet sind – Anspruch 7. Der NaK-Kondensatstrom fließt dann lagebedingt auf der Rohrinnenwand gleichmäßig verteilt von der Kondensationszone zurück zur Verdampferzone. Verstärkt durch die niedrige Viskosität von NaK wird dabei eine ständige Vermischung von verdampfendem und kondensiertem NaK gewährleistet. Folglich wird die langsame Verarmung an Kalium durch längeres Verweilen des Na-K-Gemischs an einer Stelle im Verdampferbereich unterbunden. Es kann auch eine leichte Abweichung von der senkrechten Anordnung um einige Grad vorliegen, solange die vorstehend beschriebene Funktion der im Wesentlichen senkrechten Anordnung erhalten bleibt.
Ein weiterer großer Vorteil ist die Kombination der für den Betrieb im Heatpipe-Reformer geeigneten Vorteile aus Natrium und Kalium. Im speziellen bedeutet das, dass der Wasserstoffpartialdruck in dem Wärmerohr bei einem Arbeitsmedium NaK (binäres Gemisch) höher liegt als bei einem Arbeitsmedium Natrium (Reinstoff) und sich somit vorteilhaft auf die Entgasung durch Ausdiffusion des Wasserstoffs auswirkt.
Die übrigen Unteransprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung von Produktgas aus kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen durch allotherme Wasserdampfvergasung, mit einer Wärmequelle mit einer Brennkammer, wenigstens einem Reformer-Reaktor mit einer Zuführeinrichtung für die zu vergasenden Einsatzstoffe und einer Produktgasableitung, einer Wärmerohranordnung mit einem Wärmeträgermedium zum Transport der für die allotherme Wasserdampfvergasung notwendigen Wärme aus der Wärmequelle in den wenigstens einen Reformer-Reaktor, wobei die Wärmerohranordnung eine Mehrzahl von langgestreckten Wärmerohren mit kreisringförmigem Querschnitt umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium der Wärmerohranordnung ein Stoffgemisch ist, das Natrium und Kalium enthält
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium der Wärmerohre aus 56 Gew.% Kalium und 44 Gew.% Natrium besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium ein Eutektikum ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium der Wärmerohre aus 78 Gew.% Kalium und 22 Gew.% Natrium besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Wärmerohren jeweils ein Wärme aufnehmendes und ein Wärme abgebendes Ende aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärme abgebende Ende der Wärmerohre jeweils eine Einrichtung zum Abzug von Wasserstoff aus dem Inneren des Wärmerohrs aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohre im Wesentlichen senkrecht angeordnet sind.