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Die Erfindung betrifft ein Reaktormodul für endotherme Reaktionen zur Erzeugung von einem oder mehreren Produkten nach Anspruch 1 sowie einen Reaktor mit einer Mehrzahl von solchen Reaktormodulen nach Anspruch 14.
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Aus der
US 2006/0122446 A1 ist ein zylindrisches Reaktormodul bekannt, das einen Reaktionskanal mit einem ersten und einem zweiten Ende sowie einer Außenseite und einer Innenseite umfasst. Über ein erstes Einlasselement am ersten Ende und ein zweites Einlasselement am zweiten Ende können zwei Reaktionsedukte in den Reaktionskanal eingebracht werden. Über ein erstes Auslasselement am zweiten Ende und ein zweites Auslasselement am ersten Ende werden Reaktionsprodukte aus dem Rektionskanal abgezogen. Über einen Wärmetauscher wird die für eine endotherme chemische Reaktion notwendige Reaktionswärme in den Reaktionskanal eingekoppelt. Die für die allotherme Wasserdampfvergasung notwendigen hohen Wärmeströme lassen sich mit diesem bekannten Reaktormodul nicht erreichen.
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Aus der
EP 1 187 892 B1 ist ein sogenannter Heat-Pipe-Reformer bekannt, der eine Wirbelschichtfeuerung und eine Wirbelschichtvergasungskammer umfasst. In der Wirbelschichtvergasungskammer wird durch allotherme Wasserdampfvergasung Brenngas aus kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen hergestellt. Die hierfür notwendige Wärme wird in der Wirbelschichtfeuerung mittels Verbrennung erzeugt und über Heat-Pipes bzw. Wärmerohre in die Wirbelschichtvergasungskammer eingekoppelt. Nachteilig bei einem Reaktor gemäß der
EP 1 187 892 B1 ist, dass die Reaktionsenergie der Wirbelschichtvergasungskammer über Wärmeleitrohre zugeführt wird. Dies führt zu komplizierten Aufbauten und zu einer Vielzahl an Teilen im Inneren der Wirbelschichtvergasungskammer, die von der Wirbelschicht umströmt werden, und folglich zu einem hohen Verschleiß. Daher muss ein solcher Reaktor in regelmäßigen Abständen gewartet werden. Darüber hinaus ist die über die Wärmeleitrohre geführte Wärmemenge begrenzt und somit auch die Reaktionsenergie für die allotherme Wasserdampfvergasung.
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Sogenannte Porenbrenner bestehen aus einem temperaturbeständigen porösen Material, das mit einem Einlass und einem Auslass verbunden ist. In den Einlass wird ein vorgemischtes Brennstoff-Luft-Gemisch eingeleitet, das in einer flammenlosen, volumetrischen Verbrennung exotherm reagiert, die sich in vielen kleinen Reaktoren, den Poren, stabilisiert. Durch die entstehende Verbrennungswärme beginnt der Porenkörper zu glühen. Ein solcher Porenbrenner ist beispielesweise aus „Gaswärme International (54), 8/2005” bekannt.
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Ausgehend von der
US 2006/0122446 A1 ist daher Aufgabe der Erfindung ein Reaktormodul für endotherme Reaktionen anzugeben, das einen einfachen Aufbau aufweist und insbesondere zur Erzeugung von Brenngas aus kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen mittels allothermer Wasserdampfvergasung geeignet ist. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung einen Reaktor anzugeben, der aus einer Mehrzahl von solchen Reaktormodulen besteht.
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Diese Aufgabe wird mit einem Reaktormodul nach Anspruch 1 und mit einem Reaktor nach Anspruch 14 gelöst.
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Dadurch, dass eine Porenbrenneranordnung an der Außenseite des Reaktionskanals angeordnet ist, gelangt die für die endotherme Reaktion notwendige Wärme von dem Ort ihrer Erzeugung im Porenkörper direkt mittels Wärmeleitung und Wärmestrahlung durch die Außenhülle des Reaktorkanals hindurch in den Reaktionskanal. Dadurch, dass die Porenbrenneranordnung um den Reaktionskanal herum angeordnet ist, kann die Wärme aus dem Reaktionskanal nicht mehr entweichen. Die Dimensionierung des Reaktionskanals und der Porenbrenneranordnung in axialer und radialer Richtung wird dabei so gewählt, dass in der Porenbrenneranordnung ausreichend Wärmeenergie erzeugte und in den Reaktionskanal übertragen wird, um eine endotherme chemische Reaktion im Inneren des Reaktionskanal durchzuführen. Der Querschnitt bzw. der Durchmesser des Reaktionskanals wird dabei so dimensioniert, dass über den Querschnitt eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung erreicht wird. In Abhängigkeit von der Wärmeleistung der Porenbrenneranordnung ergibt sich damit ein Durchmesserbereich, der diese gleichmäßige Temperaturverteilung über den Querschnitt des Reaktionskanals noch ermöglicht.
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Der Querschnitt des Reaktionskanals kann kreisförmig oder auch als regelmäßiges Vieleck ausgebildet sein. Bei jeder möglichen Ausführungsform steht die Porenbrenneranordnung in direktem Kontakt mit einem möglichst großen Anteil der Außenseite des Reaktionskanals, so dass eine möglichst große Wärmeübertragungsfläche zwischen Porenbrenneranordnung Reaktionskanals gegeben ist.
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Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 2 und 3 wird die thermische Abschirmung und Isolierung des Reaktionskanals zusätzlich verbessert.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Anspruch 4 ist ermöglicht, während des Betriebs des Reaktormoduls mindestens ein Reaktionsedukt und/oder mindesten ein Reaktionsprodukt über eine Einlass- und/oder Auslassschleuse in den Reaktionskanal einzuschleusen bzw. aus dem Reaktionskanal auszuschleusen. Hierdurch wird ein kontinuierlicher Betrieb des Reaktormoduls ermöglicht.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Anspruch 5 ist der Reaktionskanal senkrecht angeordnet. Dies ermöglicht, die Schwerkraft oder thermodynamische Effekte – wie z. B. warmes Gas dehnt sich aus und steigt nach oben – auszunutzen, um mindestens ein Reaktionsedukt und/oder mindestens ein Reaktionsprodukt durch den Reaktionskanal zu fördern. Hierdurch kann beispielsweise die Trennung von Reaktionsprodukten, z. B. Gasen und Flüssigkeiten bzw. Feststoffen, vereinfacht werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 6 wird über eine Einlassschleuse ein erstes Reaktionsedukt in den Reaktionskanal eingeschleust und über eine Auslassschleuse ein erstes Reaktionsprodukt aus dem Reaktionskanal ausgeschleust. Über ein zweites Einlasselement wird ein zweites Reaktionsedukt in den Reaktionskanal eingebracht und ein zweites Reaktionsprodukt wird über ein zweites Auslasselement aus dem Reaktionskanal ausgebracht. Dabei ist das zweite Einlasselement zwischen der Einlassschleuse und der Porenbrenneranordnung oder zwischen der Auslassschleuse und der Porenbrenneranordnung angeordnet. Ebenso kann das zweite Auslasselement zwischen der Einlassschleuse und der Porenbrenneranordnung oder zwischen der Auslassschleuse und der Porenbrenneranordnung angeordnet sein. Darüber hinaus können diese beiden Ein- und Auslasselemente auch im Bereich der Porenbrenneranordnung aus dem Reaktionskanal heraus bzw. in den Reaktionskanal hinein führen. Die Variabilität eines solchen Reaktormoduls ermöglicht die Durchführung einer Vielzahl an endothermen chemischen Reaktionen.
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Außerdem ermöglicht die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 6 auch unterschiedliche Reaktionsedukte im Gegenstrom durch den Reaktionskanal zu führen Die eingeleiteten Mengen der Reaktionsedukte können dabei in vorteilhafter Weise so gesteuert werden, dass eine optimale Umsetzung der Reaktionsedukte in Reaktionsprodukte erzielt wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 7 werden in dem Reaktormodul Brenngase aus kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen und überhitztem Wasserdampf durch allotherme Wasserdampfvergasung erzeugt. Als kohlenstoffhaltige Einsatzstoffe können z. B. Kohle, Teer, Teersand, Kunststoffabfälle, Reste aus Papier- und Zellstoffherstellung, Reste aus der petrochemischen Industrie, Elektronikschrott und Schredderleichtfraktion, und insbesondere biogene Einsatzstoffen, wie z. B. Ernteabfälle, Energiepflanzen (Miskantus) oder Holzhackschnitzel oder ein Gemisch davon verwendet werden. Der Aufbau des Reaktormoduls ermöglicht in vorteilhafter Weise, dass die kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe von oben durch die Einlassschleuse und der überhitzte Wasserdampf von unten durch den Einlass so in den Reaktionskanal eingebracht werden, dass die kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe und der überhitzte Wasserdampf in entgegengesetzten Richtungen durch den Reaktionskanal strömen. Die für die Erzeugung von Brenngasen notwendige Reaktionsenergie wird dem Reaktionskanal durch die Porenbrenneranordnung zugeführt, wobei die kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe und der überhitzte Wasserdampf in Brenngas und kohlenstoffarme Einsatzstoffe, im Weiteren Asche genannt, umgesetzt werden. Die eingebrachten Mengen können dabei in vorteilhafter Weise so dosiert werden, dass eine optimale Umsetzung der kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe und des überhitzten Wasserdampfes in Brenngas und Asche im Reaktionskanal erzielt wird. Nach der chemischen Reaktion sammelt sich das Brenngas im oberen Teil des Reaktionskanals und kann über den Auslass aus dem Reaktionskanal ausgebracht werden. Die Asche sammelt sich im unteren Teil des Reaktionskanals und kann über die Auslassschleuse aus dem Reaktionskanal ausgebracht werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 8 wird ein Kondensator dem zweiten Auslasselement nachgeschaltet. Durch diesen Kondensator wird in dem austretenden Brenngas enthaltener Wasserdampf kondensiert und damit aus dem Brenngas entfernt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Anspruch 9 wird das in dem Reaktormodul erzeugte Brenngas als Brennstoff für die Porenbrenneranordnung genutzt. Daher muss lediglich in der Anfahrphase zusätzlicher Brennstoff für die Porenbrennanordnung zugeführt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Anspruch 10 umfasst die Porenbrenneranordnung eine Mehrzahl von Porenbrennerelementen. Ein Porenbrennerelement besteht dabei aus einem Brennstoffeinlass zum Einbringen von Sauerstoff und Brennstoff, einem Porenkörper und einem Brennstoffauslass zum Auslassen des verbrannten Sauerstoff-Brennstoff-Gemisches. Der Brennstoff kann dabei in flüssiger oder gasförmiger Form oder in einem Gemisch davon in den Porenkörper eingebracht werden. Ein einzelnes Porenbrennerelement ist dabei so konstruiert und dimensioniert, dass sich die volumetrische Verbrennung über einen Großteil des Porenkörpers erstreckt. Bei der Porenbrenneranordnung um den Reaktionskanal kann jedes einzelne Porenbrennerelement den Reaktionskanal in einer ersten Bauform ringförmig umschließen. Die Porenbrenneranordnung kann auch entlang des Umfangs in eine Mehrzahl an Porenbrennerelemente unterteilt sein, wobei alle Porenbrennerelemente gemeinsam den Reaktionskanal in einer zweiten Bauform ringförmig umschließen. Darüber hinaus kann die Porenbrenneranordnung auch aus einer Kombination dieser beiden Bauformen ausgebildet sein. Eine Unterteilung der Porenbrenneranordnung in eine Mehrzahl von Porenbrennerelementen ermöglicht, beispielsweise einen Temperaturgradienten innerhalb des Reaktionskanals auszubilden. Darüber hinaus werden Wartungs- und Reparaturarbeiten vereinfacht, da einzelne Porenbrennerelemente leicht austauschbar sind.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Anspruch 11 sind bei einem Reaktormodul die Porenbrennerelemente entlang des Reaktionskanals mit Abstand zueinander angeordnet. Durch eine solche Anordnung wird in vorteilhafter Weise die Variabilität eines Reaktormoduls erhöht. Da zwischen zwei benachbarten Porenbrennerelementen Abstände entlang des Reaktionskanals vorhanden sind, kann in diesen Abständen an dem Reaktionskanal mindestens ein Einlasselement und/oder Auslasselement angeordnet sein, wodurch mindestens ein Reaktionsedukt und/oder Reaktionsprodukt in den Reaktionskanal eingebracht bzw. aus dem Reaktionskanal ausgebracht werden kann. Dadurch wird die Umsetzung einer mehrstufigen chemischen Reaktion in diesem Reaktormodul ermöglicht. Außerdem wird dadurch Platz zur Verfügung gestellt, um Versorgungsleitungen für die einzelnen Porenbrennerelemente leichter zugänglich bereitzustellen, wodurch auch Wartungs- und Reparaturarbeiten vereinfacht werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Anspruch 12 ist der Reaktionskanal schlauchringförmig ausgebildet. Indem wenigstens ein erstes Porenbrennerelement die äußere Außenseite des schlauchringförmigen Reaktionskanals umschließt und wenigstens ein zweites Porenbrennerelement an der inneren Außenseite des schlauchringförmigen Reaktionskanals angeordnet ist, wird der Reaktionskanal von zwei Seiten von einer Wärmequelle eingefasst und es strömt daher Wärme von zwei Seiten in den Reaktionskanal ein. Durch diese Ausgestaltung kann die Querschnittsfläche des Reaktionskanals vergrößert werden, ohne dass hierzu die die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung beeinflussende „Dicke” des Reaktionskanals vergrößert werden muss. Auch ermöglicht diese Ausgestaltung auf Grund der größeren Wärmeübertragungsfläche zwischen Porenbrenneranordnung und Reaktionskanal bei gegebenen Abmessungen größere Wärmestromdichten.
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Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 13 ist die Gleichmäßigkeit des Wärmeeintrags und der Wärmeverteilung in den Reaktionskanal verbessert.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Anspruch 14 bildet eine Mehrzahl von Reaktormodulen einen Reaktor aus. Hierdurch und insbesondere durch die Parallelschaltung der einzelnen Reaktormodule nach Anspruch 15 wird eine Anlage bereitgestellt, die eine großtechnische Erzeugung mindestens eines Reaktionsproduktes ermöglicht.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen.
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1 zeigt einen Längsschnitt einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
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2 zeigt einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform der Erfindung entlang der Linie A-A in 1.
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3 zeigt einen Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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4 zeigt einen Längsschnitt einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
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5 zeigt einen Querschnitt senkrecht zum Reaktionskanal durch die Porenbrenneranordnung einer vierten Ausführungsform der Erfindung entlang der Linie B-B in 6.
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6 zeigt einen Längsschnitt einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
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[erste Ausführungsform]
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1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsform der Erfindung. Ein Reaktormodul 1 umfasst einen Reaktionskanal 2, der durch eine rohrförmige Begrenzungswand 2a umschlossen wird, und ein erstes Ende 3, ein zweites Ende 4 und einen mittleren Abschnitt 5 zwischen dem ersten Ende 3 und dem zweiten Ende 4 aufweist. An dem ersten Ende 3 wird mindestens ein Reaktionsedukt in den Reaktionskanal 2 eingebracht und an dem zweiten Ende 4 wird mindestens ein Reaktionsprodukt aus dem Reaktionskanal 2 ausgebracht. An dem mittleren Abschnitt 5 umschließt eine Porenbrenneranordnung 10 den Reaktionskanal 2 ringförmig. Wie aus der Schnittdarstellung in 2 entlang A-A in 1 zu ersehen ist besteht die Porenbrenneranordnung 10 aus einem ersten Porenbrennerelement 11 und einem zweiten Porenbrennerelement 21, wobei die beiden Porenbrennerelemente 11, 21 jeweils die Hälfte eines entlang der Längsachse geteilten zylindrischen Hohlkörpers ausbilden. Jedes Porenbrennerelement 11, 21 besteht aus einem Porenkörper 12, 22, der eine innere Mantelfläche 13, 23, eine äußere Mantelfläche 14, 24, eine erste Grundfläche 15, 25 und eine zweite Grundfläche 16, 26 aufweist, sowie einen Brennstoffeinlass 17, 27 und einen Brennstoffauslass 18, 28. In der ersten Ausführungsform ist die erste Grundfläche 15, 25 jedes Porenkörpers 12, 22 mit dem Brennstoffeinlass 17, 27 zum Einbringen von Sauerstoff und eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffes versehen, und die zweite Grundfläche 16, 26 jedes Porenkörpers 12, 22 ist mit einem Brennstoffauslass 18, 28 zum Auslass des verbrannten Brennstoff-Sauerstoff-Gemisches versehen. Jedoch können in einem oder beiden Porenbrennerelementen 11, 21 die Brennstoffeinlässe 17, 27 eines oder beider Porenkörper 12, 22 auch an der zweiten Grundfläche 16, 26 des Porenkörpers 12, 22 bzw. der Brennstoffauslass 18, 28 an der ersten Grundfläche 15, 25 des Porenkörpers 12, 22 angeordnet sein.
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Der Innendurchmesser jedes Porenbrennerelementes 11, 21 ist dabei so gewählt, dass die innere Mantelfläche 13, 23 jedes Porenkörpers 12, 22 die Begrenzungswand 2a des Reaktionskanals 2 fest umschließen. Indem jeder Porenkörper 12, 22 direkt an der Begrenzungswand 2a des Reaktionskanals 2 anliegen, wird die in den Porenkörpern 12, 22 erzeugte Wärmeenergie direkt an den Reaktionskanal 2 abgegeben. Somit wird eine direkte Wärmeübertragung von den Porenbrennerelementen 11, 21 auf den Reaktionskanal 2 erreicht. Durch die übertragene Wärmeenergie wird in dem Reaktionskanal 2 in einer endothermen chemischen Reaktion mindestens ein Reaktionsprodukt erzeugt.
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[zweite Ausführungsform]
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3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung. In einem Reaktormodul 30 werden kohlenstoffhaltige Einsatzstoffe und überhitzter Wasserdampf in einer endothermen chemischen Reaktion zu Brenngas und Asche umgesetzt – durch allotherme Wasserdampfvergasung. Das Reaktormodul 30 umfasst dabei einen Reaktionskanal 31, der durch eine rohrförmige Begrenzungswand 31a umschlossen wird und senkrecht angeordnet ist. Der Reaktionskanal 31 weist ein oberes Ende 32, ein unteres Ende 33 und einen mittleren Abschnitt 34 zwischen dem oberen Ende 32 und dem unteren Ende 33 auf. Am oberen Ende 32 ist eine Einlassschleuse 35 angeordnet, von der in 3 nur ein Schleusenventil 36 gezeigt ist. Zwischen der Einlassschleuse 35 und dem mittleren Abschnitt 34 ist eine Rohrleitung 37 zum Ausbringen des Brenngases angeordnet, die von dem Reaktionskanal 31 abzweigt. Am unteren Ende 33 ist eine Auslassschleuse 38 angeordnet, von der in 3 nur ein Schleusenventil 39 gezeigt ist. Zwischen dem mittleren Abschnitt 34 und der Auslassschleuse 38 ist eine Rohrleitung 40 zum Einbringen des für die allotherme Wasserdampfvergasung notwendigen überhitzten Wasserdampfes angeordnet. Dabei ist die Rohrleitung 40 so ausgebildet, das deren Endstück 41 in radialer Richtung in die Mitte des Reaktionskanals 31 hineinragt und so gebogen ist, dass die Querschnittsfläche des Auslasses 42 der Rohrleitung 40 senkrecht zur Achslinie des Reaktionskanals 41 ausgerichtet ist und sich der Auslass 42 nach oben hin öffnet.
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An dem mittleren Abschnitt 34 umschließt eine Porenbrenneranordnung 50 den Reaktionskanal 31 ringförmig, die aus vier Porenbrennerelementen 51 besteht. Jedes einzelne Porenbrennerelement 51 besteht aus einem Porenkörper 52, der in Form eines zylindrischen Hohlkörpers mit einer inneren Mantelfläche 53, einer äußeren Mantelfläche 54, einer ersten Grundfläche 55 und einer zweiten Grundfläche 56 ausgebildet ist, sowie einen Brennstoffeinlass 57 und einen Brennstoffauslass 58 ausweist. In der vorliegenden Ausführungsform ist in jedem Porenbrennerelement 51 der Brennstoffeinlass 57 an der ersten Grundfläche 55 des Porenkörpers 52 und der Brennstoffauslass 58 an der zweiten Grundfläche 56 des Porenkörpers 52 angeordnet, wobei der Brennstoff in jedem Porenbrennerelement 51 von oben nach unten strömt, wie durch die Pfeile angedeutet. Jedoch kann in einem Porenbrennerelement 51 der Brennstoffeinlass 57 auch an der zweiten Grundfläche 56 des Porenkörpers 52 und der Brennstoffauslass 58 an der ersten Grundfläche 55 des Porenkörpers 52 angeordnet sein, wobei der Brennstoff in dem Porenbrennerelement 51 von unten nach oben strömt (nicht gezeigt). Darüber hinaus können in einer Porenbrenneranordnung 50 auch Porenbrennerelemente 51, in denen der Brennstoff in unterschiedlichen Richtungen strömt, angeordnet sein.
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Der Innendurchmesser jedes Porenbrennerelementes 51 ist dabei so ausgebildet dass die innere Mantelfläche 53 des Porenkörpers 52 die rohrförmige Begrenzungswand 31a des Reaktionskanals 31 fest umschließt. Indem jeder Porenkörper 52 direkt an dem Reaktionskanal 31 anliegt, wird die in jedem Porenkörper 52 erzeugte Wärmeenergie direkt an den Reaktionskanal 31 abgegeben. Somit wird eine direkte Wärmeübertragung von jedem Porenbrennerelement 51 an den Reaktionskanal 31 erreicht.
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In der vorliegenden Ausführungsform haben, wie in 3 gezeigt, alle Porenbrennerelemente 51 gleiche Höhe und gleichen Durchmesser. Jedoch können sich die Porenbrennerelemente 51 auch in Höhe und Durchmesser voneinander unterscheiden, wobei der Durchmesser des Reaktionskanals 31 jeweils dem Durchmesser des jeweiligen Porenbrennerelementes 51 angepasst ist.
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Zur Erzeugung des Brenngases werden die kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe über die Einlassschleuse 35 in den Reaktionskanal 31 eingeführt und der überhitzte Wasserdampf durch die Rohrleitung 40 in den Reaktionskanal 31 eingeleitet. Der Reaktionskanal 31 kann dabei bis in Höhe der ersten Grundfläche 55 des obersten Porenbrennerelementes 51 angefüllt werden. Dabei wird die von allen Porenbrennerelementen 51 erzeugte Wärmeenergie dem Reaktionskanal 31 zugeführt.
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Ebenso kann der Reaktionskanal 31 nur bis zur ersten Grundfläche 55 eines beliebigen Porenbrennerelementes 51 mit den kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen angefüllt werden, wobei in vorteilhafter Weise nur diejenigen Porenbrennerelemente 51 zur Zuführung von Wärmeenergie an den Reaktionskanal 31 verwendet werden, bis zu deren ersten Grundfläche 55 der Reaktionskanal 31 mit den kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen angefüllt ist.
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Darüber hinaus können zur Erzeugung des Brenngases die kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe durch die Einlassschleuse 35 und der überhitzte Wasserdampf durch die Rohrleitung 40 in den Reaktionskanal 31 so eingeleitet werden, dass die kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe und der überhitzte Wasserdampf im Gegenstrom durch den Reaktionskanal 31 strömen. Die eingeleiteten Mengen können dabei so gesteuert werden, dass eine optimale Umsetzung der kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe und des überhitzten Wasserdampfes in Brenngas und Asche im Reaktionskanal 31 erzielt wird. Über die Auslassschleuse 38 kann die sich am unteren Ende 33 des Reaktionskanals 31 befindliche Asche nach der chemischen Reaktion ausgeschleust werden.
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[dritte Ausführungsform]
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Im Folgenden wird anhand von 4 eine dritte Ausführungsformder Erfindung beschrieben. Hierbei sind die gleichen Teile wie in der vorhergehenden zweiten Ausführungsform mit den gleichen Bezugszeichen versehen, wobei auf eine erneute Beschreibung dieser Teile mit Verweis auf die zweite Ausführungsform verzichtet wird.
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Wie aus 4 zu ersehen ist, besteht das Reaktormodul 30 aus einem Reaktionskanal 31, dessen mittlerer Abschnitt 34 von einer Porenbrenneranordnung 60 ringförmig umschlossen wird. Die Porenbrenneranordnung 60 besteht aus einer Mehrzahl, in der vorliegenden Ausführungsform vier, von Porenbrennerelementen 61. Die Porenbrennerelemente 61 sind dabei, wie in der zweiten Ausführungsform beschrieben, um die rohrförmige Begrenzungswand 31a des Reaktionskanals 31 angeordnet.
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Jedes einzelne Porenbrennerelement 61 besteht aus einem Porenkörper 62, der in Form eines zylindrischen Hohlkörpers mit einer inneren Mantelfläche 63, einer äußeren Mantelfläche 64, einer ersten Grundfläche 65, einer zweiten Grundfläche 66 und einem zylindrischen Mittelabschnitt 67 ausgebildet ist, sowie einen Brennstoffeinlass 68 und einen Brennstoffauslass 69 aufweist. In der vorliegenden Ausführungsform ist in jedem Porenbrennerelement 61 der Brennstoffeinlass 68 an dem zylindrischen Mittelabschnitt 67 des Porenkörpers 62 und der Brennstoffauslass 69 an der ersten Grundfläche 65 sowie der zweiten Grundfläche 66 des Porenkörpers 62 angeordnet, wobei der Brennstoff wie durch die Pfeile angegeben durch jedes Porenbrennerelement 61 strömt. Jedoch kann in einem Porenbrennerelement 61 der Brennstoffeinlass 68 auch mit der ersten Grundfläche 65 und der zweiten Grundfläche 66 des Porenkörper 62 und der Brennstoffauslass 69 mit dem zylindrischen Mittelabschnitt 67 des Porenkörpers 62 verbunden sein. Darüber hinaus können in einer Porenbrenneranordnung 60 auch Porenbrennerelemente 61, in denen der Brennstoff in unterschiedlichen Richtungen strömt, angeordnet sein.
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[vierte Ausführungsform]
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5 und 6 zeigen eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 6 zeigt einen Längsschnitt eines Reaktormoduls 70 und 5 zeigt einen Querschnitt entlang B-B in 6.
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Das Reaktormodul 70 besteht dabei aus einem Reaktionskanal 71, der ein oberes Ende 72, ein unteres Ende 73 und einen mittleren Abschnitt 74 zwischen dem oberen Ende 72 und dem unteren Ende 73 aufweist. Am oberen Ende 72 und am unteren Ende 73 ist der Reaktionskanal 71 in Form eines kreiszylindrischen Rohres und im mittleren Abschnitt 74 schlauchringförmig ausgebildet. Im mittleren Abschnitt 74 wird der schlauchringförmige Reaktionskanal 71 durch eine äußere und eine innere rohrförmige Begrenzungswand 75 und 76 mit kreisförmigem Querschnitt begrenzt. Die beiden rohrförmigen Begrenzungswände 75 und 76 weisen einen kreisförmigen Querschnitt auf und sind konzentrisch zueinander angeordnet. In den Übergangsbereichen 77 und 78 zwischen dem oberen Ende 72 und dem mittleren Abschnitt 74 und dem unteren Ende 73 und dem mittleren Abschnitt 74 ist der Reaktionskanal 71 kegelförmig ausgebildet.
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Im mittleren Abschnitt ist in direktem Kontakt zu der äußeren und inneren Begrenzungswand 75 und 76 eine Porenbrenneranordnung 80 angeordnet, die ein erstes und ein zweites äußeres Porenbrennerelement 82 und 83 und ein erstes und ein zweites inneres Porenbrennerelement 84 und 85 umfasst. Jeweils das erste äußere und das erste innere Porenbrennerelement 82 und 84 und das zweite äußere und das zweite innere Porenbrennerelement 83 und 85 sind einander zugeordnet und schließen den schlauchringförmigen mittleren Abschnitt 74 des Reaktionskanal 71 sandwichartig ein. Die beiden äußeren Porenbrennerelemente 82 und 83 weisen die Form eines oben und unten offenen Hohlzylinders mit einer bestimmten Wandstärke und kreisförmigem Querschnitt auf. Die beiden inneren Porenbrennerelemente 84 und 85 sind als Vollzylinder mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet. Alternativ können auch die beiden inneren Porenbrennerelemente 84 und 85 als zylindrischer Höhlkörper ausgebildet sein (nicht gezeigt). Die beiden inneren und äußeren Porenbrennerelemente 84, 85 und 82, 83 sind mit Abstand zueinander an dem mittleren Abschnitt 74 des Reaktionskanals 71 angeordnet.
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Die beiden äußeren Porenbrennerelemente 82 und 83 sind wie in der zweiten oder dritten Ausführungsform beschrieben mit einem Brennstoffeinlass und einem Brennstoffauslass verbunden (nicht gezeigt). Wie in 6 gezeigt, sind das erste und das zweite innere Porenbrennerelement 84 und 85 mit einem Brennstoffeinlass 90 verbunden, der im Bereich zwischen den ersten und zweiten Porenbrennerelementen den mittleren Abschnitt 74 des Reaktionskanals 71 durchsetzt. Ebenfalls aus diesem Bereich führt ein Brennstoffauslass 92 nach außen.
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Bei der vierten Ausführungsform wird durch die inneren und äußeren Porenbrennerelement mit dem schlauchringförmige Reaktionskanal dazwischen eine gleichmäßige Temperatur- und Wärmeenergieverteilung im Inneren des Reaktionskanals 71 erreicht und gleichzeitig kann dabei auf Grund der größeren Kontaktfläche zwischen den vier Porenbrennerelementen 82, 83, 84, 85 und dem mittleren Abschnitt 74 des Reaktionskanals 71 mehr Wärmeenergie von den vier Porenbrennerelementen 82, 83, 84, 85 an den Reaktionskanal 71 übertragen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Reaktormodul
- 2
- Reaktionskanal
- 2a
- Begrenzungswand
- 3
- erstes Ende von 2
- 4
- zweites Ende von 2
- 5
- mittlerer Abschnitt von 2
- 10
- Porenbrenneranordnung
- 11
- erstes Porenbrennerelement
- 12
- Porenkörper von 11
- 13
- innere Mantelfläche von 11
- 14
- äußere Mantelfläche von 11
- 15
- erste Grundfläche von 11
- 16
- zweite Grundfläche von 11
- 17
- Brennstoffeinlass von 11
- 18
- Brennstoffauslass von 11
- 21
- zweites Porenbrennerelement
- 22
- Porenkörper von 21
- 23
- innere Mantelfläche von 21
- 24
- äußere Mantelfläche von 21
- 25
- erste Grundfläche von 21
- 26
- zweite Grundfläche von 21
- 27
- Brennstoffeinlass von 21
- 28
- Brennstoffauslass von 21
- 30
- Reaktormodul
- 31
- Reaktionskanal
- 31a
- Begrenzungswand von 31
- 32
- oberes Ende von 31
- 33
- unteres Ende von 31
- 34
- mittleren Abschnitt von 31
- 35
- Einlassschleuse
- 36
- Schleusenventil
- 37
- Rohrleitung
-
-
- 38
- Auslassschleus
- 39
- Schleusenventil
- 40
- Rohrleitung
- 41
- Endstück von 40
- 42
- Auslass von 40
- 50
- Porenbrenneranordnung
- 51
- Porenbrennerelementen
- 52
- Porenkörper von 51
- 53
- innere Mantelfläche von 51
- 54
- äußere Mantelfläche von 51
- 55
- erste Grundfläche von 51
- 56
- zweite Grundfläche von 51
- 57
- Brennstoffeinlass von 51
- 58
- Brennstoffauslass von 51
- 60
- Porenbrenneranordnung
- 61
- Porenbrennerelementen
- 62
- Porenkörper
- 63
- innere Mantelfläche von 61
- 64
- äußere Mantelfläche von 61
- 65
- erste Grundfläche von 61
- 66
- zweite Grundfläche von 61
- 67
- zylindrischer Mittelabschnitt von 61
- 68
- Brennstoffeinlass von 61
- 69
- Brennstoffauslass von 61
- 70
- Reaktormodul
- 71
- Reaktionskanal
- 72
- oberes Ende von 71
- 73
- unteres Ende von 71
- 74
- mittlerer Abschnitt von 71
- 75
- äußere rohrförmige Begrenzungswand von 71
- 76
- innere rohrförmige Begrenzungswand von 71
- 77
- oberer Übergangsbereich
- 78
- unterer Übergangsbereich
- 80
- Porenbrenneranordnung
- 82
- erstes äußeres Porenbrennerelement
- 83
- zweites äußeres Porenbrennerelement
- 84
- erstes inneres Porenbrennerelement
- 85
- zweites inneres Porenbrennerelement
- 90
- Brennstoffeinlass von 84 und 85
- 92
- Brennstoffauslass von 84 und 84
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2006/0122446 A1 [0002, 0007]
- US 5487876 B1 [0003]
- EP 1187892 B1 [0004, 0004]
- DE 102005056629 B4 [0006]
- DE 10344979 A1 [0006]
- DE 102004041815 A1 [0006]
- DE 102006012168 A1 [0006]
- DE 202005003843 U1 [0006]
- WO 00/46548 [0006]
- DE 10114902 A1 [0006]
- DE 10114903 A1 [0006]
- DE 102006013445 A1 [0006]
- EP 0995014 B1 [0006]
