DE102012010542A1 - Verfahren und anlage zur erzeugung von synthesegas - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren und eine Anlage zur Erzeugung von Synthesegas aus Kohlenwasserstoffen und Wasser werden beschrieben. In weiteren Ausführungen des Verfahrens und der Anlage werden Synthesegase in beliebigen Verhältnissen von CO zu Wasserstoff und/oder synthetische funktionalisierte und/oder nicht-funktionalisierte Kohlenwasserstoffe erzeugt. Durch dieses Verfahren kann ein Kohlenwasserstoff enthaltenden Fluid in ein Synthesegas mit einem variablen Wasserstoffgehalt umgewandelt werden ohne nennenswerte Mengen von CO2 zu erzeugen. Als Nebenprodukte können weiter Wasserstoff und Kohlenstoff in verschiedenen Formen gewonnen werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anlage zur Erzeugung von Synthesegas aus Kohlenwasserstoffen und Wasser.
  • Hintergrund
  • Wesentliche Teile der Weltwirtschaft basieren auf Erdöl als Rohstoff- oder Energiequelle. So werden z. B. Otto- und Dieselkraftstoffe für den Individual- und Güterverkehr, schweres Heizöl für den Schiffsverkehr und als Brennstoff für Stromkraftwerke sowie leichtes Heizöl für die Beheizung von Einfamilienhäusern aus Erdöl gewonnen. Aber auch viele Rohstoffe der chemischen Industrie stammen direkt oder indirekt aus dem Erdöl. Es werden derzeit erhebliche Anstrengungen unternommen, Erdölprodukte durch andere Rohstoffe oder alternative Verfahren zu ersetzen. Auf dem Energiesektor werden beispielsweise Erdgas und erneuerbare Energien anstelle von Erdöl zum Betrieb von Stromkraftwerken eingesetzt. Im Straßenverkehr werden vor allem Elektroantrieb, Erdgasmotoren und Wasserstoffantrieb erprobt, die sich jedoch seit Jahren nicht am Markt durchzusetzen vermögen.
  • Es gab Versuche, Erdölprodukte in großtechnischen Verfahren aus Erdgas oder Kohle herzustellen. Beispielsweise sind Verfahren zur Umwandlung von Erdgas zu Flüssigtreibstoffen bekannt (sogenannte Gas-to-Liquid-Verfahren bzw. GtL-Verfahren), diese sind aber im Allgemeinen mit signifikanten CO2-Emissionen oder hohen Kosten verbunden. Zudem vermögen sie es meist nicht Wasserstoff unabhängig von CO oder CO2 bereitzustellen. Diese Versuche bleiben daher aus ökonomischen und Umweltgründen auf wenige Einzelanwendungen begrenzt.
  • Synthesegas, oder abgekürzt Syngas, ist eine Gasmischung, aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, die außerdem Kohlendioxid aufweisen kann. Das Synthesegas wird beispielsweise durch Vergasung von Kohlenstoff enthaltendem Brennstoff zu einem gasförmigen Produkt, dem Synthesegas, erzeugt, welches einen gewissen Heizwert hat. Das Synthesegas hat etwa 50% der Energiedichte von natürlichem Erdgas. Das Synthesegas kann verbrannt und somit als Brennstoffquelle verwendet werden. Das Synthesegas kann weiterhin als Zwischenprodukt zur Erzeugung von anderen chemischen Erzeugnissen verwendet werden. Synthesegas kann beispielsweise durch Vergasung von Kohle oder Abfällen erzeugt werden. Bei der Erzeugung von Synthesegas wird beispielsweise Kohlenstoff mit Wasser oder ein Kohlenwasserstoff mit Sauerstoff zur Reaktion gebracht. Es gibt kommerziell verfügbare Technologien, um Synthesegas weiterzuverarbeiten, um schließlich Industriegase, Dünger, Chemikalien und andere chemische Produkte zu erzeugen. Bei den meisten bekannten Technologien (z. B. Water-Shift-Reaktion) zur Erzeugung und Umwandlung von Synthesegas besteht jedoch das Problem, dass bei der Synthese der benötigten Menge an Wasserstoff eine größere Menge überschüssiges CO2 erzeugt wird, welches wiederum als klimaschädliches Gas in die Umwelt gelangt. Bei einer anderen bekannten Technik zur Herstellung von Synthesegas, der partiellen Oxidation von Methan nach der Gleichung 2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2, kann ein maximales Verhältnis von H2:C0 von 2,0 erreicht werden. Der Nachteil ist jedoch die Verwendung von reinem Sauerstoff, der energieaufwändig hergestellt werden muss.
  • Es ist daher eine erste Aufgabe der Erfindung, ein Kohlenwasserstoff enthaltenden Fluid in Synthesegas mit einem variablen Wasserstoffgehalt umzuwandeln ohne nennenswerte Mengen von CO2 zu erzeugen.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 14 sowie durch die Anlagen nach den Ansprüchen 19 und 29.
  • Insbesondere wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas, welches folgende Schritte aufweist: a) Aufspalten eines Kohlenwasserstoff enthaltenden Fluids zu Kohlenstoff und Wasserstoff in einem Plasma; b) Mischen von Wasser mit wenigstens einem Teil des Kohlenstoffes, der aus der Aufspaltung im Schritt a) gewonnen wurde, bei einer Temperatur von 800 bis 1700°C, wobei der durch die Aufspaltung im Schritt a) gewonnene Kohlenstoff durch die Aufspaltung eine Temperatur vor dem Mischen von wenigstens 200°C hat; und c) Ausleiten von Synthesegas, das sich im Schritt b) bildet. Durch dieses Verfahren kann ein Kohlenwasserstoff enthaltenden Fluid in ein Synthesegas mit einem variablen Wasserstoffgehalt umgewandelt werden ohne nennenswerte Mengen von CO2 zu erzeugen. Als Nebenprodukte können auch Wasserstoff und Kohlenstoff in verschiedenen Formen gewonnen werden.
  • Vorzugsweise erfolgt bei dem Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas das Mischen von Wasser mit wenigstens einem Teil des Kohlenstoffes im Schritt b) bei einer Temperatur von 1000 bis 1200°C, um das temperaturabhängige Gleichgewicht möglichst weit auf die Seite des Synthesegases zu verschieben. Hierbei wird ein erwünschtes Verhältnis von Kohlenmonoxid und Wasserstoff von 1:1 bis 1:1,1 im Synthesegas erreicht.
  • Bei einer Ausführung des Verfahrens zur Erzeugung von Synthesegas besteht das Synthesegas zu gleichen Teilen aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Ein so zusammengesetztes. Synthesegas wird als Wassergas bezeichnet und kann leicht weiterverarbeitet werden.
  • Vorzugsweise wird bei dem Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas im Schritt a) Wasserstoff mit einer Temperatur von 200 bis 1700°C erzeugt, der Wärmeenergie enthält. Wenigstens ein Teil der Wärmeenergie des Wasserstoffes aus Schritt a) wird zur Wärmezufuhr im Schritt b) verwendet, insbesondere zum Erwärmen des im Schritt b) zugeführten Wassers und/oder zum Erwärmen des im Schritt b) zugeführten Kohlenstoffes und/oder zum Erwärmen des C-Konverters. So kann der Wirkungsgrad des Verfahrens verbessert werden.
  • Vorteilhafterweise weist das im Schritt c) des Verfahrens ausgeleitete Synthesegas eine Temperatur von 800 bis 1200°C auf und enthält somit Wärmeenergie, wobei wenigstens ein Teil der Wärmeenergie des Synthesegases zum Vorwärmen des im Schritt b) zugeführten Wassers verwendet wird. So kann ebenfalls der Wirkungsgrad des Verfahrens zur Erzeugung von Synthesegas verbessert werden.
  • Im Schritt a) des Verfahrens zur Erzeugung von Synthesegas wird vorteilhafterweise Wasserstoff mit einer Temperatur von 200 bis 1700°C erzeugt, der somit Wärmeenergie enthält, und ein Teil der Wärmeenergie des Wasserstoffes aus Schritt a) wird zur Erzeugung von elektrischem Strom verwendet, welcher im Schritt a) beim Aufspalten in Plasma des Kohlenwasserstoff enthaltenden Fluids verwendet wird. Das Aufspalten von Kohlenwasserstoffen mittels Plasma erfordert einen hohen Einsatz an elektrischer Energie. Durch den bei der Aufspaltung anfallenden Wasserstoff mit einer Temperatur von 200 bis 1700°C kann beispielsweise Wasser in Wärmetauschern verdampft werden, um heißen Dampf unter Druck zu erzeugen. Aus dem Dampf kann mittels einer Dampfturbine oder eines anderen geeigneten Motors Strom erzeugt werden, der wiederum teilweise zum Erzeugen des Plasmas eingesetzt werden kann. So geht die bei der Aufspaltung eingesetzte elektrische Energie nicht vollständig als Wärmeenergie verloren, und der Wirkungsgrad des Verfahrens kann verbessert werden.
  • Das im Schritt c) ausgeleitete Synthesegas weist bei dem Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas eine Temperatur von 800 bis 1200°C und vorzugsweise von 1000 bis 1200°C auf und enthält Wärmeenergie. Vorzugsweise wird wenigstens ein Teil der Wärmeenergie des Synthesegas aus Schritt b) zur Erzeugung von elektrischem Strom verwendet, welcher im Schritt a) beim Aufspalten in Plasma des Kohlenwasserstoff enthaltenden Fluids verwendet wird. Durch das Synthesegas mit einer Temperatur von 800 bis 1200°C kann beispielsweise Wasser in Wärmetauschern verdampft werden, um heißen Dampf unter Druck zu erzeugen, aus dem mittels einer Dampfturbine oder eines anderen geeigneten Motors Strom erzeugt werden kann. So kann der Wirkungsgrad des Verfahrens weiter verbessert werden.
  • Vorzugsweise wird der Schritt a) des Verfahrens in einem Kvaerner-Reaktor oder in einem modifizierten Kvaerner-Reaktor ausgeführt, da der Kvaerner-Reaktor einen hohen Wirkungsgrad der Umwandlung von nahezu 100% erreicht.
  • Bei einer Ausführungsform des Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas wird der Schritt a) in einem Hochtemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter in Plasma ausgeführt, vorzugsweise bei Temperaturen über 1000°C. Ein Hochtemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter ist einfacher in der Prozessführung und einfacher herzustellen. Weiterhin wird durch die hohen Temperaturen des aus dem Hochtemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter austretenden Kohlenstoffes ermöglicht, dass nachfolgend eine Reaktion des Kohlenstoffes mit Wasser ohne größere Energiezufuhr in einem vorteilhaften Temperaturbereich von 800 bis 1200°C mit hoher Reaktionsrate erfolgen kann.
  • Bei einer Ausführung des Verfahrens zur Erzeugung von Synthesegas wird der Schritt a) gleichzeitig in einer Vielzahl von Kohlenwasserstoffkonvertern in Plasma ausgeführt. Dabei ist ein erster Teil der Vielzahl von Kohlenwasserstoffkonvertern als Hochtemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter ausgeführt, der vorzugsweise bei Temperaturen über 1000°C arbeitet, und ein zweiter Teil der Vielzahl von Kohlenwasserstoffkonvertern ist als Niedertemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter ausgeführt, der vorzugsweise bei Temperaturen unter 1000°C arbeitet. Dadurch können in verschiedenen Kohlenwasserstoffkonvertern verschiedene Arten von Kohlenstoff erzeugt werden, die teilweise in dem Verfahren selbst zur Umwandlung von C in CO und Wasserstoff eingesetzt werden können und teilweise als Rohstoff verkauft werden können. Weiter kann durch die Verwendung von Niedertemperatur-Kohlenwasserstoffkonvertern Energie eingespart werden, was den Wirkungsgrad der gesamten Anlage verbessert.
  • Die Kohlenwasserstoffe im Schritt a) des Verfahrens zur Erzeugung von Synthesegas bestehen vorzugsweise aus einem Strom von Erdgas, Methan, Flüssiggasen oder Schweröl und insbesondere vorzugsweise aus einem Strom von konventionellem oder nicht-konventionellem Erdgas sowie Flüssiggasen (”wet gases”), da diese Stoffe in großen Mengen kostengünstig verfügbar sind.
  • Bei einer Ausführung des Verfahrens zur Erzeugung von Synthesegas wird der Teil des im Schritt a) erzeugten Kohlenstoffes, der nicht im Schritt b) mit Wasser vermischt wird, wenigstens teilweise als Aktivkohle, Graphit, Carbon Black oder andere Modifikation, wie Carbon Cones oder Carbon Discs aus dem Verfahren entnommen. Dies sind wertvolle Produkte für die Industrie, die verkauft werden können.
  • In einer alternativen Ausführung weist das Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas folgenden weiteren Schritt auf: d) Mischen von wenigstens einem Teil des Synthesegases, das im Schritt c) des oben beschriebenen Verfahrens zur Erzeugung von Synthesegas ausgeleitet wurde, mit einem variablen Teil des Wasserstoffes, der im Schritt a) des Verfahrens zur Erzeugung von Synthesegas erzeugt wurde. Durch dieses Verfahren wird aus einem Kohlenwasserstoff enthaltenden Fluid ein qualitativ hochwertiges Synthesegas in beliebigen Verhältnissen von Kohlenmonoxid zu Wasserstoff als Industriegas erzeugt ohne nennenswerte Mengen von CO2 zu erzeugen. Als Nebenprodukte können weiter Wasserstoff und Kohlenstoff in verschiedenen Formen gewonnen werden.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird weiter durch ein Verfahren zur Erzeugung von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen gelöst, welches folgenden Schritt aufweist: e) Erzeugen von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen aus wenigstens einem Teil des Synthesegases, das im Schritt c) des Verfahrens zur Erzeugung von Synthesegas erzeugt wurde. Durch dieses Verfahren werden aus einem Kohlenwasserstoff enthaltenden Fluid qualitativ hochwertige synthetische funktionalisierte und/oder nicht-funktionalisierte Kohlenwasserstoffe erzeugt ohne nennenswerte Mengen von CO2 zu erzeugen. Als Nebenprodukte können weiter Wasserstoff, Kohlenstoff, Kohlenmonoxid und Synthesegas in verschiedenen Zusammensetzungen gewonnen werden.
  • In einer Ausführung des Verfahrens zur Erzeugung von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen erfolgt die Erzeugung von Kohlenwasserstoffen im Schritt e) weiter unter Verwendung von wenigstens einem Teil des Wasserstoffes, der im Schritt a) des Verfahrens zur Erzeugung von Synthesegas erzeugt wurde. Bei dieser Ausführung kann eine größere Auswahl von funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen erzeugt werden, beispielsweise Alkane, Alkene, Aldehyde und Alkohole. Es sind auch Verfahren bedienbar, die wie die Hydroformylierung in einem ersten Reaktionsschritt Wassergas und in einem zweiten Reaktionsschritt zusätzlichen Wasserstoff verwenden.
  • Vorzugsweise wird bei dem Verfahren zur Erzeugung von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen ein Teil der im Schritt e) erzeugten synthetischen Kohlenwasserstoffe als zugeführter Kohlenwasserstoff im Schritt a) verwendet. So können schwer zu vermarktende Kohlenwasserstoffe weiter im Verfahren verwendet werden, was die Wirtschaftlichkeit verbessert.
  • Bei einer Ausführung des Verfahrens zur Erzeugung von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen erfolgt der Schritt e) des Erzeugens von Kohlenwasserstoffen mittels eines Fischer-Tropsch-Verfahrens, insbesondere mittels eines SMDS-Verfahrens. Dadurch können hauptsächlich folgende Produkte erzeugt werden: Paraffine, Diesel-Kraftstoffe, Heizöl, Otto-Kraftstoffe und Kerosin.
  • Bei einer weiteren Ausführung des Verfahrens zur Erzeugung von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen erfolgt der Schritt e) des Erzeugens von Kohlenwasserstoffen mittels eines Bergius-Pier-Verfahrens, eines Pier-Verfahrens oder einer Kombination aus einem Pier-Verfahren mit einem MtL-Verfahren. Dadurch können hauptsächlich folgende Produkte erzeugt werden: Schwer- und Mittelöle, Otto-Kraftstoffe und Methanol.
  • Vorzugsweise weisen die im Schritt e) erzeugten funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffe folgende Stoffe auf: Paraffin, Diesel-Kraftstoffe, Otto-Kraftstoffe, Kerosin, Methanol, Methan, Flüssiggase. So werden gesuchte und gut zu vermarktende Produkte erzeugt. Wenn die Kohlenwasserstoffe als Paraffine anfallen, sind die Kohlenwasserstoffe einfach und ungefährlich zu transportieren. Wenn die Kohlenwasserstoffe als Benzin- oder Dieselbrennstoffe anfallen, liegen diese in hoher Qualität mit wenig Verunreinigungen vor.
  • Die Aufgaben der Erfindung werden weiter durch eine Anlage zur Erzeugung von Synthesegas gelöst, welche folgendes aufweist: einen mit Plasma betriebenen Kohlenwasserstoffkonverter mit wenigstens einem Eingang für ein Kohlenwasserstoff enthaltendes Fluid sowie wenigstens einem Ausgang für Kohlenstoff und wenigstens einem Ausgang für Wasserstoff und einen C-Konverter mit wenigstens einem Eingang für Wasser und wenigstens einem Eingang für Kohlenstoff sowie mit wenigstens einem Ausgang für Synthesegas. Wenigstens ein Eingang für Kohlenstoff des C-Konverters ist mit einem Ausgang für Kohlenstoff des Kohlenwasserstoffkonverters durch eine C-Verbindung verbunden. In dieser Anlage kann qualitativ hochwertiges Synthesegas als Industriegas erzeugt werden. Als Nebenprodukte können auch Wasserstoff und Kohlenstoff in verschiedenen Formen gewonnen werden.
  • Im Betrieb der Anlage zur Erzeugung von Synthesegas tritt vorzugsweise Kohlenstoff mit einer Temperatur von wenigstens 200°C, welcher Wärmeenergie enthält, aus dem Ausgang für Kohlenstoff des Kohlenwasserstoffkonverters aus, und die C-Verbindung zwischen dem Ausgang für Kohlenstoff des Kohlenwasserstoffkonverters und dem Eingang für Kohlenstoff des C-Konverters ist derart ausgeführt, dass ein Teil der Wärmeenergie des Kohlenstoffes in den C-Konverter geleitet werden kann. So kann der Wirkungsgrad der Anlage verbessert werden. Abhängig von der Temperatur des Kohlenstoffes ist in der nachfolgenden Reaktion von Kohlenstoff und Wasser im C-Konverter keine oder nur geringfügige Wärmezufuhr nötig.
  • Im Betrieb der Anlage zur Erzeugung von Synthesegas tritt vorzugsweise der Wasserstoff mit einer Temperatur von 200 bis 1700°C aus dem Ausgang für Wasserstoff des Kohlenwasserstoffkonverters aus. Die Anlage weist wenigstens eine Wärmetauscheranordnung auf, die eine Übertragung von Wärmeenergie des austretenden Wasserstoffes zu a) dem C-Konverter gestattet, um diesen zu beheizen und/oder b) der C-Verbindung zwischen dem Ausgang für Kohlenstoff des Kohlenwasserstoffkonverters und dem Eingang für Kohlenstoff des C-Konverters gestattet, um diese zu beheizen und/oder c) dem Eingang für Wasser des C-Konverters gestattet, um das eingeleitete Wasser vorzuwärmen. So kann der Wirkungsgrad der gesamten Anlage verbessert werden.
  • Bei einer Ausführung der Anlage zur Erzeugung von Synthesegas tritt im Betrieb Wasserstoff mit einer Temperatur von 200 bis 1700°C, der Wärmeenergie enthält, aus dem Ausgang für Wasserstoff des Kohlenwasserstoffkonverters aus, wobei die Anlage wenigstens eine Wärmetauscheranordnung in Verbindung mit einer Motor/Generator-Anordnung aufweist, die aus der Wärmeenergie des heißen Wasserstoffes elektrischen Strom erzeugen kann, wobei der elektrische Strom zur Energieversorgung des Kohlenwasserstoffkonverters beiträgt. Das Aufspalten von Kohlenwasserstoffen mittels Plasma erfordert einen hohen Einsatz an elektrischer Energie. Durch den bei der Aufspaltung anfallenden Wasserstoff mit einer Temperatur von 200 bis 1700°C kann beispielsweise Wasser in Wärmetauschern verdampft werden, um heißen Dampf unter Druck zu erzeugen. Aus dem Dampf kann mittels einer Dampfturbine oder eines anderen geeigneten Motors und eines Generators elektrischer Strom erzeugt werden, der wiederum teilweise zum Erzeugen des Plasmas eingesetzt werden kann. So geht die bei der Aufspaltung eingesetzte elektrische Energie nicht vollständig als Wärmeenergie verloren, und der Wirkungsgrad des Verfahrens kann verbessert werden.
  • Bei einer weiteren Ausführung der Anlage zur Erzeugung von Synthesegas tritt im Betrieb Synthesegas mit einer Temperatur von 800 bis 1200°C, aus dem Ausgang für Synthesegas des C-Konverters aus, wobei die Anlage wenigstens eine Wärmetauscheranordnung in Verbindung mit einer Motor/Generator-Anordnung aufweist, die aus der Wärmeenergie des heißen Synthesegases elektrischen Strom erzeugen kann, wobei der elektrische Strom zur Energieversorgung des Kohlenwasserstoffkonverters beiträgt. So kann diese Wärmeenergie ebenfalls in elektrischen Strom umgewandelt werden.
  • Vorzugsweise weist der Kohlenwasserstoffkonverter der Anlage zur Erzeugung von Synthesegas einen mit Plasmabrenner betriebenen Konverter auf, insbesondere einen Kvaerner-Reaktor oder einen modifizierten Kvaerner-Reaktor, da der Kvaerner-Reaktor einen hohen Wirkungsgrad der Umwandlung von nahezu 100% erreicht.
  • Bei einer Ausführung der Anlage zur Erzeugung von Synthesegas weist der Kohlenwasserstoffkonverter einen Hochtemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter auf, vorzugsweise einen Hochtemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter, der bei Temperaturen über 1000°C arbeitet. Ein Hochtemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter ist einfacher in der Prozessführung und einfacher herzustellen. Weiterhin wird durch die hohen Temperaturen des aus dem Hochtemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter austretenden Kohlenstoffes ermöglicht, dass nachfolgend eine Reaktion des Kohlenstoffes mit Wasser ohne größere Energiezufuhr in einem vorteilhaften Temperaturbereich von 800 bis 1200°C mit hoher Reaktionsrate erfolgen kann.
  • Eine weitere Ausführung der Anlage zur Erzeugung von Synthesegas weist eine Vielzahl von Kohlenwasserstoffkonvertern auf, die gleichzeitig betrieben werden können, wobei ein erster Teil der Vielzahl von Kohlenwasserstoffkonvertern als Hochtemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter ausgeführt ist, der vorzugsweise bei Temperaturen über 1000°C arbeitet, und wobei ein zweiter Teil der Vielzahl von Kohlenwasserstoffkonvertern als Niedertemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter ausgeführt ist, der vorzugsweise bei Temperaturen unter 1000°C arbeitet. Dadurch können in verschiedenen Kohlenwasserstoffkonvertern verschiedene Arten von Kohlenstoff erzeugt werden, die teilweise in dem Verfahren selbst zur Umwandlung von Wasser in Synthesegas eingesetzt werden können und teilweise als Rohstoff verkauft werden können. Weiter kann durch die Verwendung von Niedertemperatur-Kohlenwasserstoffkonvertern Energie eingespart werden, was den Wirkungsgrad der gesamten Anlage verbessert.
  • Bei der Anlage zur Erzeugung von Synthesegas ist vorzugsweise wenigstens ein Ausgang für Kohlenstoff des Kohlenwasserstoffkonverters zur Entnahme eines Teils des erzeugten Kohlenstoffes, der nicht im CO2-Konverter zur Erzeugung von Synthesegas verwendet wird, als Aktivkohle, Graphit, Carbon Black oder andere Modifikation, wie Carbon Cones oder Carbon Discs geeignet. Dies sind wertvolle Produkte für die Industrie, die verkauft werden können.
  • Die Anlage zur Erzeugung von Synthesegas weist in einer weiteren Ausführungsform einen Mischer mit wenigstens einem Eingang für Synthesegas und mit wenigstens einem Eingang für Wasserstoff sowie mit wenigstens einem Ausgang für ein Gasgemisch auf, wobei wenigstens ein Eingang für Synthesegas des Mischers mit einem Ausgang für Synthesegas des C-Konverters verbunden ist, und wobei wenigstens ein Eingang für Wasserstoff des Mischers mit einem Ausgang für Wasserstoff des Kohlenwasserstoffkonverters verbunden ist. Diese Anlage erzeugt qualitativ hochwertiges Synthesegas in beliebigen Verhältnissen von Kohlenmonoxid zu Wasserstoff als Industriegas. Als Nebenprodukte können weiter Wasserstoff und Kohlenstoff in verschiedenen Formen gewonnen werden.
  • Die Aufgaben der Erfindung werden weiter durch eine Anlage zur Erzeugung von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen gelöst, die folgendes aufweist: eine der oben beschriebenen Ausführungsformen der Anlage zur Erzeugung von Synthesegas und einen CO-Konverter mit wenigstens einem Eingang für Synthesegas sowie mit wenigstens einem Ausgang für synthetische funktionalisierte und/oder nicht-funktionalisierte Kohlenwasserstoffe, wobei wenigstens ein Eingang für Synthesegas des CO-Konverters mit einem Ausgang für Synthesegas des C-Konverters verbunden ist. Diese Anlage erzeugt qualitativ hochwertige synthetische funktionalisierte und/oder nicht-funktionalisierte Kohlenwasserstoffe. Als Nebenprodukte können weiter Wasserstoff, Kohlenstoff, Kohlenmonoxid und Synthesegas in verschiedenen Zusammensetzungen gewonnen werden.
  • Bei der Anlage zur Erzeugung von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen weist der CO-Konverter vorteilhafterweise wenigstens einen Eingang für Wasserstoff auf, der mit einem Ausgang für Wasserstoff des Kohlenwasserstoffkonverters verbunden ist. Bei dieser Ausführung kann eine größere Auswahl von funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen erzeugt werden, beispielsweise Alkane, Alkene, Aldehyde und Alkohole.
  • In einer Ausführungsform der Anlage zur Erzeugung von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen weist der CO-Konverter einen Fischer-Tropsch-Konverter auf, insbesondere einen SMDS-Konverter. Dadurch können hauptsächlich folgende Produkte erzeugt werden: Paraffine, Diesel-Kraftstoffe, Heizöl, Otto-Kraftstoffe und Kerosin.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Anlage zur Erzeugung von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen weist der CO-Konverter einen Bergius-Pier-Konverter, einen Pier-Konverter oder eine Kombination eines Pier-Konverters mit einen MtL-Konverter auf. Dadurch können hauptsächlich folgende Produkte erzeugt werden: Schwer- und Mittelöle, Otto-Kraftstoffe und Methanol.
  • Noch eine weiteren Ausführungsform der Anlage zur Erzeugung von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen weist eine Vielzahl von CO-Konvertern auf. Die einzelnen CO-Konverter weisen einen Fischer-Tropsch-Konverter, insbesondere einen SMDS-Konverter, oder einen Bergius-Pier-Konverter, einen Pier-Konverter oder eine Kombination eines Pier-Konverters mit einen MtL-Konverter auf. Das erzeugte Synthesegas kann an die einzelnen CO-Konverter verteilt werden. Es wird so ein Betrieb mit mehreren gleichen parallel betriebenen CO-Konvertern möglich, (beispielsweise nur Fischer-Tropsch-Konverter), wodurch der Ausstoß an Kohlenwasserstoffen leicht skaliert werden kann. Weiter ist es möglich, mehrere unterschiedliche CO-Konverter vorzusehen (beispielsweise wenigstens einen Fischer-Tropsch-Konverter und wenigstens eine Kombination eines Pier-Konverters mit einen MtL-Konverter), wodurch unterschiedliche Arten bzw. unterschiedliche Zusammenstellungen von Kohlenwasserstoffen erzeugt werden können.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Anlage zur Erzeugung von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen ist wenigstens ein Ausgang für synthetische funktionalisierte und/oder nicht-funktionalisierte Kohlenwasserstoffe des CO-Konverters mit einem Eingang für Kohlenwasserstoffe des Kohlenwasserstoffkonverters verbunden. So können schwer zu vermarktende Kohlenwasserstoffe weiter im Verfahren verwendet werden, was die Wirtschaftlichkeit verbessert.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Darstellung einer Anlage zur Erzeugung von Synthesegas;
  • 2 ist eine schematische Darstellung einer alternativen Anlage zur Erzeugung von Synthesegas;
  • 3 ist eine schematische Darstellung einer Anlage zur Erzeugung von funktionalisiertem und/oder nicht-funktionalisiertem Kohlenwasserstoff;
  • 4 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Anlage zur Erzeugung von funktionalisiertem und/oder nicht-funktionalisiertem Kohlenwasserstoff gemäß einer weiteren Ausführungsform;
  • 5 ist eine schematische Darstellung einer Anlage zur Erzeugung von funktionalisiertem und/oder nicht-funktionalisiertem Kohlenwasserstoff gemäß einer weiteren Ausführungsform;
  • 6 ist eine schematische Darstellung einer Anlage zur Erzeugung von funktionalisiertem und/oder nicht-funktionalisiertem Kohlenwasserstoff gemäß einer weiteren Ausführungsform;
  • 7 ist eine schematische Darstellung einer Anlage zur Erzeugung von Synthesegas gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
  • 8 ist eine schematische Darstellung einer Anlage zur Erzeugung von funktionalisiertem und/oder nicht-funktionalisiertem Kohlenwasserstoff gemäß einer weiteren Ausführungsform.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Es sei bemerkt, dass sich in der folgenden Beschreibung die Ausdrücke oben, unten, rechts und links sowie ähnliche Angaben auf die in den Figuren dargestellten Ausrichtungen bzw. Anordnungen beziehen und nur zur Beschreibung der Ausführungsbeispiele dienen. Diese Ausdrücke können bevorzugte Anordnungen zeigen, sind jedoch nicht im einschränkenden Sinne zu verstehen.
  • In der folgenden Beschreibung werden Prozesse und Vorrichtungen beschrieben, die ”heiße” Stoffe oder ”heiße” Prozesse ausführen. Im Zusammenhang mit dieser Beschreibung soll der Ausdruck ”heiß” einen Temperaturbereich von mehr als 200°C und vorzugsweise größer 300°C beschreiben.
  • Synthesegas ist jedes Gas, das im wesentlichen aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht. Als Wassergas wird ein (Synthese-)Gas bezeichnet, das zu nahezu gleichen Teilen aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht (1:1). Wenn hier von Synthesegas gesprochen wird, umfasst dieser Ausdruck also auch Wassergas als spezielle Mischung eines Synthesegases.
  • 1 stellt schematisch eine Anlage 1 zur Erzeugung von Synthesegas dar. Aus der 1 wird auch der grundlegende Verfahrensablauf zur Erzeugung von Synthesegas gemäß dieser Beschreibung deutlich. Die Anlage 1 zur Erzeugung von Synthesegas weist einen Kohlenwasserstoffkonverter 3 auf, welcher einen Kohlenwasserstoffeingang 4 sowie einen ersten Kohlenstoffausgang 5, einen Wasserstoffausgang 6 sowie einen optionalen zweiten Kohlenstoffausgang 7 aufweist. Die Anlage 1 zur Erzeugung von Synthesegas weist weiter einen C-Konverter 9 mit einem Wasser-Eingang 10 einem Kohlenstoffeingang 11 (C-Eingang) und einen Synthesegasausgang 12 (Synthesegas-Ausgang) auf. Der Kohlenwasserstoffkonverter 3 und der C-Konverter 9 sind derart angeordnet, dass der Kohlenstoffausgang 5 des Kohlenwasserstoffkonverters 3 über eine C-Verbindung 8 mit dem Kohlenstoffeingang 11 des C-Konverters 9 verbunden ist. So kann Kohlenstoff aus dem Kohlenwasserstoffkonverter 3 in den C-Konverter 9 transportiert werden.
  • Der Kohlenwasserstoffkonverter 3 ist irgendein Kohlenwasserstoffkonverter, der eingespeiste Kohlenwasserstoffe in Kohlenstoff und Wasserstoff umwandeln bzw. aufspalten kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Kohlenwasserstoffkonverter 3 ein mit Plasma betriebener Reaktor, insbesondere ein Kvaerner-Reaktor, der Wasserstoff und Kohlenstoff aus Kohlenwasserstoffen (CnHm) herstellen kann. Die Kohlenwasserstoffe werden dabei in Form von Kohlenwasserstoff enthaltenden Fluiden in einem Plasmabrenner bei hoher Temperatur in reinen Kohlenstoff (beispielsweise in Form von Aktivkohle, Carbon Black, Graphit oder Industrieruß) und Wasserstoff getrennt. Die Kohlenwasserstoffe enthaltenden Fluide als Eingangsstoffe für den Kohlenwasserstoffkonverter 3 sind beispielsweise Methan, Erdgas, Biogase, Flüssiggase oder Schweröl. Es können aber auch synthetische, funktionalisierte und/oder nicht-funktionalisierte Kohlenwasserstoffe als Eingangsstoffe für den Kohlenwasserstoffkonverter 3 verwendet werden.
  • Der Kohlenwasserstoffkonverter 3 kann ein Hochtemperatur-Reaktor sein, welcher bei einer Temperatur von mehr als 1000°C arbeitet (z. B. ein Hochtemperatur-Kvaerner-Reaktor), oder ein Niedertemperatur-Reaktor, der bei einer Temperatur zwischen 200°C und 1000°C arbeitet (z. B. ein Niedertemperatur-Kvaerner-Reaktor).
  • In einer weiteren Ausgestaltung kann der Kohlenwasserstoffkonverter 3 eine Kombination aus einem oder mehreren Hochtemperatur-Reaktoren mit einem oder mehreren Niedertemperatur-Reaktoren aufweisen. Eine solche Anordnung wird später in Verbindung mit den Ausführungen der 5, 6 und 8 näher beschrieben.
  • Der C-Konverter 9 kann irgendein geeigneter C-Konverter sein, der Synthesegas (Syngas) aus Kohlenstoff (C) und Wasser (H2O) erzeugen kann. In der Ausführungsform der 1 wird im C-Konverter 9 H2O über heißen Kohlenstoff geleitet, um gemäß der chemischen Gleichung C + H2O → CO + H2 umgewandelt zu werden. Im C-Konverter 9 laufen folgende Reaktionen ab:
    C + H2O → CO + H2 +131,38 kJ/mol endotherm
    CO + H2O → CO2 + H2 –41,19 kJ/mol exotherm
  • Im Boudouard-Gleichgewicht erfolgt die Reaktion:
    2 C + O2 → 2 CO + 172,58 kJ/mol endotherm
  • Da alle drei Reaktionen im Gleichgewicht miteinander stehen, findet der Prozess im C-Konverter 9 vorzugsweise bei hohen Temperaturen von 800 bis 1700°C, vorzugsweise 1000 bis 1200°C statt, da bei niedriger Temperatur die zweite Reaktion bevorzugt werden würde. Das Wasser (H2O) im C-Konverter 9 ist bei diesen Bedingungen dampfförmig. Die Zugabe von Wasser wird im Betrieb der Anlage 1 so gesteuert, dass ein Überschuss an Wasser vermieden wird, um ein starkes Abkühlen zu vermeiden. Bei einer übermäßigen Abkühlung im C-Konverter 9 würde ebenfalls die zweite Reaktion bevorzugt ablaufen.
  • Der C-Konverter 9 arbeitet am besten bei hohen Temperaturen von 1000 bis 1200°C, um die exotherme Water-Shift-Reaktion CO + H2O → CO2 + H2 zurückzudrängen und so den Anteil an Kohlenmonoxid im Synthesegas zu optimieren. Die Reaktionen im C-Konverter 9 sind dem Fachmann bekannt und werden daher hier nicht genauer beschrieben.
  • Der Betrieb der Anlage 1 zur Erzeugung von Kohlenmonoxid läuft folgendermaßen ab Kohlenwasserstoffe enthaltende Fluide werden über den Kohlenwasserstoffeingang 4 in den Kohlenwasserstoffkonverter 3 eingeleitet. Wenn der Kohlenwasserstoff beispielsweise Methan (CH4) ist, so entstehen 1 mol Kohlenstoff und 2 mol Wasserstoff aus 1 mol Methan. Die Kohlenwasserstoffe werden in dem Plasma-Brenner des Kohlenwasserstoffkonverters 3 bei etwa 1600°C gemäß der folgenden Reaktionsgleichung umgewandelt, wobei die zugeführte Energie elektrische Energie ist: CnHm + Energie → n C + m/2 H2
  • Durch den hohen Energiegehalt der chemischen Produkte und die hohe Temperatur ergibt sich ein Wirkungsgrad der Umwandlung von nahezu 100%.
  • Der entstehende Kohlenstoff wird zumindest teilweise über den Kohlenstoffeingang 11 in den C-Konverter 9 eingeleitet. Da der aus dem Kohlenwasserstoffkonverter 3 austretende Kohlenstoff eine hohe Temperatur hat, kann wenigstens ein Teil der Wärmeenergie des Kohlenstoffes zum Beheizen des Umwandlungsprozesses im C-Konverter 9 verwendet werden, der beispielsweise bei einer Temperatur von ca. 1000°C arbeitet.
  • Die C-Verbindung 8 zwischen dem Kohlenwasserstoffkonverter 3 und dem C-Konverter 9 ist so ausgestaltet, dass sich der Kohlenstoff auf dem Weg vom Kohlenwasserstoffkonverter 3 zum C-Konverter 9 nicht stark abkühlt. Beispielsweise kann die C-Verbindung 8 isoliert und/oder beheizt sein. Der im Kohlenwasserstoffkonverter 3 erzeugte Wasserstoff enthält aufgrund der Betriebstemperatur im Kohlenwasserstoffkonverter 3 ebenfalls Wärmeenergie. Daher besteht eine Möglichkeit des Beheizens der C-Verbindung 8 darin, die Wärmeenergie des aus dem Wasserstoffausgang 6 herausgeleiteten Wasserstoffes, direkt oder indirekt über eine Wärmetauscheranordnung zum Beheizen der C-Verbindung 8 zwischen Kohlenwasserstoffkonverter 3 und C-Konverter 9 zu verwenden.
  • Im C-Konverter 9 wird Wasser, das über den Wasser-Eingang 10 des C-Konverters 9 eingeleitet wird, über den heißen Kohlenstoff geleitet. Der C-Konverter 9 arbeitet am besten bei hohen Temperaturen, da es sich um eine endotherme Reaktion handelt und die Water-Shift-Reaktion, die zu ihr in Konkurrenz steht eine exotherme Reaktion ist. Die Reaktion, welche dem Fachmann bekannt ist, ist abhängig von Druck und Temperatur und wird hier nicht im Einzelnen beschrieben. C + H2O → CO + H2; ΔH = +131,38 kJ/mol
  • Allerdings ist auch hier das Boudouard-Gleichgewicht der begrenzende Faktor, weswegen bei Temperaturen oberhalb von 1000°C und in Abwesenheit eines Wasserüberschusses fast ausschließlich ein Gemisch von Kohlenmonoxid und Wasserstoff vorliegt. Es ist vorteilhaft, das in den Wasser-Eingang 10 des C-Konverters 9 eingeleitete Wasser vorzuwärmen, da der C-Konverter 9 bevorzugt bei einer Temperatur > 1000°C arbeitet. Eine Vorwärmung des Wassers kann beispielsweise erreicht werden, indem die in dem heißen Wasserstoff enthaltene Wärmeenergie direkt oder indirekt über eine Wärmetauscheranordnung zum Vorwärmen des Wassers verwendet wird.
  • Aus dem C-Konverter 9 tritt heißes Synthesegas (CO + H2) bei einer Temperatur von > 1000°C aus (abhängig von der Betriebstemperatur des C-Konverters 9). Das aus dem C-Konverter 9 austretende Synthesegas enthält also ebenfalls Wärmeenergie, die direkt oder indirekt über einen in 1 nicht gezeigten Wärmetauscher beispielsweise zum Vorwärmen des in den Wasser-Eingang 10 eingeleiteten Wassers verwendet werden kann. Bei entsprechender Gestaltung der Betriebsparameter im C-Konverter 9, d. h. einer Temperatur zwischen 1000 und 1200°C, wird ein Synthesegas erzeugt, bei dem CO und H2 in einem Verhältnis von 1:1 vorliegen, welches als Wassergas bezeichnet wird.
  • Wie oben erwähnt, weist der Kohlenwasserstoffkonverter 3 einen zweiten C-Ausgang 7 zum Ausleiten von Kohlenstoff auf. Der im Kohlenwasserstoffkonverter 3 erzeugte Kohlenstoff kann in unterschiedlichen Anteilen aus dem ersten C-Ausgang 5 und dem zweiten C-Ausgang 7 herausgeleitet werden. Der zweite C-Ausgang 7 wird verwendet, um den Anteil des erzeugten Kohlenstoffes zu entnehmen, der nicht im C-Konverter 9 zur Erzeugung von Synthesegas verwendet wird. Die Größe eines solchen nicht verwendeten Anteils des Kohlenstoffes hängt von der gewünschten Zusammensetzung des Synthesegases ab, welches aus dem C-Konverter 9 ausgeleitet werden soll. Der aus dem zweiten C-Ausgang 7 entnommene Kohlenstoff kann als Aktivkohle, Graphit, Carbon Black oder andere Modifikation, wie Carbon Cones oder Carbon Discs, entnommen werden. Je nach Form und Qualität des entnommenen Kohlenstoffes kann der entnommene Kohlenstoff als Rohstoff in der chemischen Industrie oder für die Elektronikindustrie verwendet werden. Mögliche Anwendungen sind beispielsweise die Halbleiterherstellung, Reifenherstellung, Tinten, Toner oder ähnliche Produkte. Der vom Kohlenwasserstoffkonverter 3 erzeugte Kohlenstoff ist ein hochreiner Rohstoff, der gut weiterverarbeitet werden kann.
  • Mit Hilfe des oben dargestellten Verfahrens zur Synthesegas-Erzeugung ist es möglich, den heißen Kohlenstoff aus dem Kohlenwasserstoffkonverter 3 mit warmem bis heißem Wasser im C-Konverter 9 ohne nennenswerte externe Energiezufuhr zu Synthesegas umzusetzen.
  • In 2 ist eine Anlage 20 zur Erzeugung von Synthesegas gezeigt, welche die oben beschriebenen Elemente der Anlage 1 zur Erzeugung von Synthesegas sowie einen Mischer 21 aufweist, der einen Synthesegaseingang 22 zum Einleiten von Synthesegas und einen H2-Eingang 23 zum Einleiten von Wasserstoff sowie einen Synthesegasausgang 24 zum Ausleiten von Synthesegas aufweist. Der Synthesegaseingang 22 ist mit dem Synthesegasausgang 12 des C-Konverters 9 verbunden. Der H2-Eingang 23 des Mischers 21 ist mit dem H2-Ausgang 6 des Kohlenwasserstoffkonverters 3 verbunden.
  • Der Mischer 21 kann irgendeine geeignete Vorrichtung zum Vermischen von Gasen sein. Mit Hilfe des Mischers 21 kann die Mischung des Synthesegases am Synthesegasausgang 24 so beeinflusst werden, dass eine für nachfolgende Prozesse erforderliche Zusammensetzung. erreicht wird. Für viele Prozesse, beispielsweise die Fischer-Tropsch-Synthese, soll das Verhältnis von Wasserstoff zu CO möglichst hoch sein. Mit Hilfe des Mischers 21 kann ein beliebiges Verhältnis von Wasserstoff zu CO am Synthesegasausgang 24 eingestellt werden, beispielsweise ein Verhältnis von 1:1, was Wassergas entspricht. Es wird in Betracht gezogen, dass nur ein Teil des Synthesegases und/oder nur ein Teil des Wasserstoffes in den Mischer 21 eingeleitet wird, während die nicht in den Mischer eingeleiteten Teile von Synthesegas und Wasserstoff jeweils als reines Gas aus dem Prozess entnommen werden können. Daher ist es beispielsweise möglich, a) nur Synthesegas zu entnehmen, b) nur Wasserstoff zu entnehmen, c) eine Synthesegasmischung aus CO und Wasserstoff zu entnehmen oder d) einen Strom von Wassergas, einen Strom von Wasserstoff und einen Strom einer Synthesegasmischung (beliebiges Verhältnis von CO zu Wasserstoff) bzw. mehrere Synthesegase mit unterschiedlichem Verhältnis von Kohlenmonoxid zu Wasserstoff zu entnehmen.
  • Weiterhin weist die Anlage 20 zur Erzeugung von Synthesegas der 2 einen C-Wärmetauscher 25, einen Synthesegas-Wärmetauscher 26 und einen H2-Wärmetauscher 27 auf. Der C-Wärmetauscher 25 ist an der C-Verbindung 8 zwischen Kohlenwasserstoffkonverter 3 und C-Konverter 9 angebracht und geeignet, um einen Wärmeaustausch mit dem heißen Kohlenstoff auszuführen. Der Synthesegas-Wärmetauscher 26 ist mit der Verbindung zwischen dem C-Konverter 9 und dem Mischer 21 verbunden und geeignet, um eine Wärmeabfuhr aus dem heißen Synthesegas auszuführen, welches aus dem Synthesegasausgang 12 des C-Konverters 9 austritt. Der H2-Wärmetauscher 27 ist an der Verbindung zwischen dem Kohlenwasserstoffkonverter 3 und dem Mischer 21 angeordnet und geeignet, eine Wärmeabfuhr aus dem heißen Wasserstoff auszuführen, welcher aus dem H2-Ausgang 6 des Kohlenwasserstoffkonverters 3 ausströmt. Die mit dem Synthesegas-Wärmetauscher 26 und/oder dem H2-Wärmetauscher 27 abgeführte Wärme kann zum Beheizen oder Warmhalten des Kohlenstoffes auf dem Weg von dem Kohlenwasserstoffkonverter 3 zum C-Konverter 9 verwendet werden, zum Warmhalten des C-Konverters oder zum Vorwärmen des in den C-Konverter eingeleiteten Wassers. Mit Hilfe des C-Wärmetauschers 25 kann die Verbindung zwischen dem Kohlenwasserstoffkonverter 3 und dem C-Konverter 9 beheizt werden. Ein Teil der beim C-Wärmetauscher 25 bereitstehenden Wärmeenergie kann auch zur Vorwärmung des Wassers verwendet werden, welches in den Wasser-Eingang 10 des C-Konverters 9 eingeleitet wird.
  • Der Betrieb der Anlage 20 zur Erzeugung von Synthesegas läuft, was den Betrieb des Kohlenwasserstoffkonverters 3 und des C-Konverters 9 betrifft, ebenso ab, wie oben für die Anlage 1 in 1 beschrieben wurde. Bei der Anlage 20 zur Erzeugung von Synthesegas wird abhängig von der erwünschten Zusammensetzung des Synthesegases im Mischer 21 ein erwünschtes Mischungsverhältnis von Wasserstoff zu CO eingestellt und am Synthesegasausgang 24 des Mischers 21 ausgeleitet. Falls nicht der gesamte zur Verfügung stehende Strom an Synthesegas und der gesamte zur Verfügung stehende Strom an H2 verwendet werden, können das oder die nicht im Mischer zusammengeführten Anteile der austretenden Gase, z. B. Wassergas und/oder H2 jeweils einzeln weiterverarbeitet werden.
  • 3 zeigt eine Anlage 30 zur Erzeugung von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen, welche eine Anlage 10 zur Erzeugung von Wassergas (wie in 1 gezeigt) und einen CO-Konverter 31 aufweist. Der CO-Konverter 31 weist einen Synthesegaseingang 32 zum Einleiten von Synthesegas, einen H2-Eingang 33 zum Einleiten von Wasserstoff und einen Kohlenwasserstoffausgang 34 zum Ausleiten von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffe auf. Der Synthesegaseingang 32 des CO-Konverters 31 ist mit dem Synthesegasausgang 12 des C-Konverters 9 durch eine Synthesegas-Verbindung 35 verbunden. Der H2-Eingang 33 des CO-Konverters 31 ist durch eine H2-Verbindung 36 mit dem H2-Ausgang 6 des Kohlenwasserstoffkonverters 3 verbunden.
  • Es sei bemerkt, dass der H2-Eingang 33 des CO-Konverters 31 und die H2-Verbindung 36 optionale Elemente sind. Abhängig von der Zusammensetzung des Synthesegases, welches aus dem C-Konverter 9 austritt, und abhängig von den synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen, die im CO-Konverter 31 erzeugt werden sollen, hat das Synthesegas schon beim Austritt aus dem Synthesegasaungang 12 des C-Konverters 9 die richtige Zusammensetzung zur Weiterverarbeitung durch den CO-Konverter 31. In diesem Fall ist das Zuleiten von Wasserstoff über die H2-Verbindung 36 nicht nötig. Optional kann die H2-Verbindung 36 aber auch für die Zuleitung eines anderen Stoffes, wie z. B. eines Alkens zur Synthese eines Aldehyds (Hydroformylierung), ausgelegt sein.
  • Die Anlage 30 zur Erzeugung von Kohlenwasserstoffen weist auch die in Verbindung mit der Anlage 20 (2) beschriebenen Wärmetauscher 25, 26, 27 auf, nämlich den C-Wärmetauscher 25, den Synthesegas-Wärmetauscher 26 und den H2-Wärmetauscher 27, die in der oben beschriebenen Weise arbeiten (siehe Beschreibung der 1 und 2).
  • Der CO-Konverter 31 kann ein beliebiger CO-Konverter zur Herstellung von synthetischen, funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen sein. In der gezeigten Ausführungsform der 3, 4, 5 und 7 ist der CO-Konverter entweder ein Fischer-Tropsch-Konverter, ein Bergius-Pier-Konverter oder ein Pier-Konverter.
  • In einer Ausführungsform weist der CO-Konverter 31 einen Fischer-Tropsch-Konverter auf. Ein Fischer-Tropsch-Konverter wandelt katalytisch ein Synthesegas zu Kohlenwasserstoffen und Wasser um. Dem Fachmann sind verschiedene Ausführungen von Fischer-Tropsch-Reaktoren und Fischer-Tropsch-Verfahren bekannt, die hier nicht im Detail dargestellt werden sollen. Die Hauptreaktionsgleichungen lauten wie folgt: n CO + (2n + 1) H2 → CnH2n+2 + n H2O für Alkane n CO + (2n) H2 → CnH2n + n H2O für Alkene n CO + (2n) H2 → CnH2n+1OH + (n – 1) H2O für Alkohole
  • Die Fischer-Tropsch-Verfahren können als Hochtemperatur-Verfahren oder als Niedrigtemperatur-Verfahren durchgeführt werden, wobei die Prozesstemperaturen im Allgemeinen zwischen 200 und 400°C liegen. Bekannte Varianten des Fischer-Tropsch-Verfahrens sind die Hochlast-Synthese, die Synthol-Synthese und das SMDS-Verfahren der Firma Shell (SMDS = Shell Middle Distillate Synthesis). Durch einen Fischer-Tropsch-Konverter wird typischerweise eine Mischung aus Flüssiggasen (Propan, Butan), Benzin, Kerosin (Dieselöl), Weichparaffin, Hartparaffin, Methan- und Dieselkraftstoff erzeugt. Die Fischer-Tropsch-Synthese ist exotherm, wie aus den obigen Reaktionsgleichungen deutlich wird. Die Reaktionswärme aus dem Fischer-Tropsch-Verfahren kann daher mittels eines (in den Figuren nicht gezeigten) Wärmetauschers, beispielsweise zum Vorwärmen von Wasser verwendet werden. Es wird beispielsweise eine zweistufige Vorwärmung des in den C-Konverter 9 eingeleiteten Wassers in Betracht gezogen, wobei zuerst eine Vorwärmung mittels der Abwärme des CO-Konverters 31 (in der Ausführung als Fischer-Tropsch-Konverter) erfolgt und danach eine weitere Erwärmung des Wassers mittels Wärme von einem oder mehreren der Wärmetauscher 25, 26, 27.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist der CO-Konverter 31 einen Bergius-Pier-Konverter oder eine Kombination eines Pier-Konverters mit einem MtL-Konverter (MtL = Methanol-to-Liquid) auf.
  • In einem Bergius-Pier-Konverter läuft das dem Fachmann wohl bekannte Bergius-Pier-Verfahren ab, bei dem Kohlenwasserstoffe durch Hydrierung von Kohlenstoff mit Wasserstoff in einer exothermen chemischen Reaktion erzeugt werden. Das Spektrum der Ausgangsprodukte aus dem Bergius-Pier-Verfahren hängt von den Reaktionsbedingungen und der Reaktionsführung ab. Es werden hauptsächlich flüssige Endprodukte erhalten, die als Kraftstoffe verwendet werden können, beispielsweise Schwer- und Mittelöle. Bekannte Entwicklungen des Bergius-Pier-Verfahrens sind beispielsweise das Konsol-Verfahren und das H-Coal-Verfahren.
  • In der oben erwähnten Kombination eines Pier-Konverters mit einem MtLKonverter wird zunächst Synthesegas nach dem bekannten Pier-Verfahren in Methanol umgewandelt. Der MtL-Konverter ist ein Konverter, in dem Methanol zu Benzin umgewandelt wird. Ein verbreitetes Verfahren ist das MtL-Verfahren der Fa. ExxonMobil bzw. Esso. Eingangsprodukt des MtL-Konverters ist typischerweise Methanol, beispielsweise aus dem Pier-Konverter. Das Ausgangsprodukt, das vom MtL-Konverter erzeugt wird, ist typischerweise Benzin, das zum Betreiben eines Ottomotors geeignet ist.
  • Zusammenfassend kann gesagt werden, dass aus dem CO-Konverter 31, egal nach welchem der oben dargestellten Prinzipien dieser arbeitet, als Endprodukte funktionalisierte und/oder nicht-funktionalisierte Kohlenwasserstoffe resultieren, die synthetisch hergestellt wurden. Die Prozesswärme, die bei der exothermen Umsetzung im CO-Konverter 31 auftritt, kann entweder zum Beheizen oder zum Erzeugen von Strom verwendet werden, um den Wirkungsgrad der hier beschriebenen Anlagen zu verbessern.
  • Sofern als Ausgangsprodukt des CO-Konverters 31 eine Mischung von Kohlenwasserstoffen vorliegt, die nach ihrer Auftrennung und Verfeinerung nicht direkt weiterverarbeitet oder als Fertigprodukt profitabel verkauft werden kann, können diese Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Methan oder kurzkettige Alkane in den hier beschriebenen Prozess zurückgeführt werden. Zu diesem Zweck weist die Anlage 30 eine Rückleitungsverbindung 39 auf, mit deren Hilfe ein Teil der synthetisch erzeugten Kohlenwasserstoffe zurück zum Kohlenwasserstoffeingang 4 des Kohlenwasserstoffkonverters 3 geleitet werden können. Je nach Zusammenstellung der zurückgeleiteten, synthetisch erzeugten Kohlenwasserstoffe erfolgt vor der Einleitung in den Kohlenwasserstoffeingang 4 noch eine Aufbereitung bzw. Abtrennung von nicht geeigneten Kohlenwasserstoffen.
  • 4 zeigt eine weitere Anlage 40 zur Erzeugung von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen. Die Anlage 40 weist die oben beschriebene Anlage 20 zur Erzeugung eines Synthesegases sowie einen CO-Konverter 31 auf, wie er oben mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel der 3 beschrieben wurde. Der Synthesegasausgang 24 des Mischers 21 ist mit dem Synthesegaseingang 32 des CO-Konverters 31 verbunden. Der Mischer 21 ist dabei so eingestellt, dass er an seinem Synthesegasausgang 24 ein Synthesegas liefert, welches für die Bedürfnisse des verwendeten CO-Konverters 31 angepasst ist. Die restlichen Elemente der Anlage 40 sind die gleichen Elemente wie oben beschrieben und auch der Betrieb der einzelnen Elemente erfolgt in der oben beschriebenen Art und Weise.
  • Es wird in Betracht gezogen, dass, je nach Größe der Anlage, eine Vielzahl von Kohlenwasserstoffkonvertern nebeneinander betrieben werden kann, um die erwünschte Umwandlungskapazität bereitzustellen. Wie oben erwähnt, können die Kohlenwasserstoffkonverter als Hochtemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter und/oder als Niedertemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter ausgeführt sein. Ein Hochtemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter arbeitet bei Temperaturen von größer 1000°C und ein Niedertemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter arbeitet bei Temperaturen zwischen 200 und 1000°C.
  • Als Beispiel einer Anlage mit einer Vielzahl von nebeneinander betriebenen Kohlenwasserstoffkonvertern zeigt 5 eine weitere Ausführung der Anlage 30 zur Erzeugung von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen. Bei der in 5 gezeigten Ausführung besteht der Kohlenwasserstoffkonverter 3 aus einer Anordnung von einem Hochtemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter 3a und einem Niedertemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter 3b.
  • Der Hochtemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter 3a weist einen Kohlenwasserstoffeingang 4a, einen C-Ausgang 5a zum Ausleiten von Kohlenstoff und einen Wasserstoffausgang 6a zum Ausleiten von Wasserstoff auf. Der C-Ausgang 5a ist über die C-Verbindung 8 mit dem C-Eingang 11 des C-Konverters 9 verbunden. Der Wasserstoffausgang 6a des Hochtemperatur-Kohlenwasserstoffkonverters 3a ist mit dem H2-Eingang 33 des CO-Konverters 31 verbunden. Der Hochtemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter 3a kann optional einen in der 5 nicht gezeigten weiteren C-Ausgang aufweisen.
  • Der Niedertemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter 3b weist einen Kohlenwasserstoffeingang 4b, einen Wasserstoffausgang 6b zum Ausleiten von Wasserstoff, einen C-Ausgang 5b zum Ausleiten von Kohlenstoff und einen weiteren C-Ausgang 7b auf. Der C-Ausgang 5b ist ebenfalls über die C-Verbindung 8 mit dem C-Eingang 11 des C-Konverters 9 verbunden. Der Wasserstoffausgang 6b des Niedertemperatur-Kohlenwasserstoffkonverters 3b ist mit dem H2-Eingang 33 des CO-Konverters 31 verbunden.
  • Wie bereits oben bemerkt, sind der H2-Eingang 33 des CO-Konverters 31 und die H2-Verbindungen 36a, 36b optionale Elemente, falls das Zuleiten von Wasserstoff über die H2-Verbindungen 36a, 36b nicht nötig ist.
  • Der Kohlenwasserstoff, der in den Kohlenwasserstoffeingang 4a und in den Kohlenwasserstoffeingang 4b eingeleitet wird, kann der gleiche Kohlenwasserstoff sein oder es können unterschiedliche Kohlenwasserstoffe sein. In den Kohlenwasserstoffeingang 4a kann Kohlenwasserstoff aus einer ersten Kohlenwasserstoffquelle eingeleitet werden, beispielsweise Erdgas aus einem Erdgasvorrat. In den Kohlenwasserstoffeingang 4b des Niedertemperatur-Kohlenwasserstoffkonverters 3b kann hingegen funktionalisierter und/oder nicht-funktionalisierter, synthetisch hergestellter Kohlenwasserstoff eingeleitet werden, beispielsweise über die zuvor erwähnte optionale Rückleitungsverbindung 39. Durch die Verwendung von mehreren, parallel betriebenen Kohlenwasserstoffkonvertern 3, 3a, 3b ist die Anlage 30 leichter skalierbar, leichter steuerbar und es können unterschiedliche Arten von Kohlenstoff hergestellt werden.
  • Im Betrieb der Anlage 30 kann ein Teil des in den Kohlenwasserstoffkonvertern 3, 3a, 3b erzeugten Kohlenstoffes in den C-Konverter 9 eingeleitet werden, während ein anderer Teil als Grundstoff für die Erzeugung von weiteren Produkten aus dem Verfahren ausgeleitet werden kann. Solche Produkte sind beispielsweise Carbon Black bzw. Industrieruß, Aktivkohle, spezielle Modifikationen des Kohlenstoffs wie Carbon Discs und Carbon Cones usw., was als schwarzer, pulverförmiger Feststoff vorliegt. Dieser Kohlenstoff ist ein wichtiges technisches Produkt, welches beispielsweise als Füllstoff in der Gummiindustrie, als Pigmentruß für Druckfarben, Tuschen und Lacke oder als Ausgangsstoff zur Herstellung von elektrischen Bauteilen verwendet wird, beispielsweise für Zink-Kohle-Batterien und zur Herstellung von Kathoden oder Anoden.
  • 6 zeigt eine Ausführung der oben beschriebenen Anlage 40 zur Erzeugung von Kohlenwasserstoffen, bei der ebenfalls der Kohlenwasserstoffkonverter 3 aus einer Vielzahl von parallel betriebenen Hochtemperatur- und/oder Niedertemperatur-Kohlenwasserstoffkonvertern besteht. Die in 6 gezeigte Anlage 40 zur Erzeugung von Kohlenwasserstoffen unterscheidet sich von der in 5 gezeigten Anlage 30 dadurch, dass vor dem CO-Konverter 31 ein Mischer 21 vorgeschaltet ist, der ein speziell für den CO-Konverter 31 zugeschnittenes Synthesegas zusammenmischt und an den CO-Konverter 31 liefert. Die in 6 dargestellten Elemente wurden oben bereits zuvor beschrieben und arbeiten auch nach den oben beschriebenen Prinzipien. Daher wird hier auf eine erneute detaillierte Beschreibung verzichtet, um Wiederholungen zu vermeiden.
  • Die 7 und 8 zeigen Ausführungsformen der Anlagen 20 und 30, die einen C-Wärmetauscher 25, einen Synthesegas-Wärmetauscher 26 und H2-Wärmetauscher 27 aufweisen, welche jeweils mit einer Motor/Generator-Anordnung 45 verbunden sind. Die Motor/Generator-Anordnung 45 ist geeignet, um aus der im Synthesegas und im Wasserstoff enthaltenen Wärmeenergie zumindest teilweise elektrischen Strom zu erzeugen, welcher entweder in ein allgemeines Stromnetz eingespeist werden kann oder zum Betrieb der Anlage 20, 30 verwendet werden kann. Weiter kann die Motor/Generator-Anordnung 45 mit einem in 8 nicht gezeigten Wärmetauscher am CO-Konverter 31 verbunden sein, der die Wärme ableitet, die bei dem exothermen Umwandlungsprozess entsteht, der im CO-Konverter 31 abläuft. So wird einerseits der CO-Konverter 31 gekühlt, was für die Prozessführung vorteilhaft ist, und andererseits elektrischer Strom erzeugt. Die Motor/Generator-Anordnung 45 kann irgendeine Vorrichtung sein, welche zur Verstromung von Wärmeenergie geeignet ist, beispielsweise eine Kombination aus einer Dampfturbine und einem Generator oder einem Kolbenmotor und einem Generator.
  • Die Motor/Generator-Anordnung 45 verstromt im Betrieb den Anteil der Wärme, die im CO und/oder im Wasserstoff enthalten ist, der nicht zum Erwärmen oder Warmhalten von Stoffströmen oder den Konvertern der Anlage 10, 20, 30 oder 40 verwendet wird.
  • Die Motor/Generator-Anordnung 45 und die Wärmetauscher 25, 26 und 27 sind optionale Elemente, die bei allen oben genannten Anlagen 1, 20 zur Erzeugung von Synthesegas und bei den Anlagen 30, 40 zur Erzeugung von Kohlenwasserstoffen eingesetzt werden können. Auch der aus dem zweiten C-Ausgang 7, 7a, 7b ausgeleitete Kohlenstoff enthält aufgrund der Betriebstemperatur im Kohlenwasserstoffkonverter 3 eine beträchtliche Wärmeenergie. Abhängig von der erwünschten Temperatur des ausgeleiteten Kohlenstoffs kann ein Großteil dieser Wärmeenergie mittels in den Fig. nicht gezeigten Wärmetauschern abgeleitet werden und in den hier beschriebenen Verfahren weiterverwendet werden und/oder über die Motor/Generator-Anordnung 45 in Strom umgewandelt werden.
  • Bei den Anlagen 30 und 40 zur Erzeugung von synthetischen funktionalen und/oder nicht-funktionalen Kohlenwasserstoffen erfolgt die Abkühlung des Wasserstoffes aus dem Kohlenwasserstoffkonverter 3, 3a, 3b und des Synthesegases aus dem C-Konverter 9 nur soweit, dass die Betriebstemperatur des CO-Konverters 31 nicht unterschritten wird. Die Betriebstemperatur des CO-Konverters 31 liegt bei ca. 200 bis 400°C, abhängig vom eingesetzten Verfahren.
  • Der Kohlenwasserstoffkonverter 3 kann bei allen oben beschriebenen Anlagen ein Hochtemperatur-Reaktor sein, welcher bei einer Temperatur von mehr als 1000°C arbeitet (z. B. ein Hochtemperatur-Kvaerner-Reaktor), oder ein Niedertemperatur-Reaktor, der bei einer Temperatur zwischen 200°C und 1000°C arbeitet (z. B. ein Niedertemperatur-Kvaerner-Reaktor). Ein derzeit erprobter Niedertemperatur-Reaktor arbeitet bei Temperaturen von 400 bis 900°C. Im Fall eines Niedertemperatur-Reaktor, der bei Temperaturen von 200 bis 900°C arbeitet, wird in Betracht gezogen, dass der eingeleiteten Kohlenstoff in der C-Verbindung 8 zwischen Kohlenwasserstoffkonverter 3 und C-Konverter 9 vorgeheizt wird, da der C-Konverter 9 bei Temperaturen von 800 bis 1700°C und vorzugsweise 1000 bis 1200°C arbeitet. Aus den 7 und 8 wird weiter deutlich, dass eine Kombination von Hochtemperatur- und/oder Niedertemperatur-Kohlenwasserstoffkonvertern bei allen oben beschriebenen Anlagen 1, 20, 30 und 40 verwendet werden kann.
  • Ebenso kann bei allen oben beschriebenen Anlagen 1, 20, 30 und 40 ein Teil des im Kohlenwasserstoffkonverter 3, 3a, 3b erzeugten Kohlenstoffes als Carbon Black, Aktivkohle oder sonstiger Rohstoff entnommen werden, sofern dieser Kohlenstoff nicht im C-Konverter 9 der Anlage 1, 20, 30, 40 umgesetzt wird. Weiterhin sei bemerkt, dass bei allen oben beschriebenen Anlagen eine Vielzahl von C-Konvertern 9 vorgesehen sein kann, die jeweils einen Teil des erzeugten Kohlenstoffes unter Zuleitung von Wasser zu Synthesegas umwandeln. Weiter kann optional bei allen oben beschriebenen Anlagen 30 und 40 eine Rückleitung von nicht erwünschten Anteilen der im CO-Konverter 31 synthetisch erzeugten funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffe zum Kohlenwasserstoffeingang 4, 4a, 4b des Kohlenwasserstoffkonverters 3 erfolgen.
  • In den Anlagen 1, 20, 30, 40 und bei den Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas und/oder synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen kann überschüssiger Wasserstoff anfallen. Beispielsweise bleibt bei einem Synthesegas mit niedrigem H2-Anteil noch Wasserstoff übrig, und abhängig von den synthetischen Kohlenwasserstoffen, die im CO-Konverter 31 erzeugt werden sollen, ist das Zuleiten von Wasserstoff in den Mischer 21 oder den CO-Konverter 31 nicht nötig. In diesen Fällen kann der überschüssige Wasserstoff auch direkt mittels Verbrennung oder Brennstoffzelle in Strom umgewandelt werden. Dadurch kommt das Verfahren weitgehend ohne externe Stromzufuhr aus. Dies ist besonders vorteilhaft bei Anlagen, die an entlegenen Orten betrieben werden, an denen keine leistungsfähige allgemeine Stromversorgung zur Verfügung steht. Weiterhin sei bemerkt, dass ebenfalls ein Teil des im Kohlenwasserstoffkonverter 3 erzeugten Wasserstoffes direkt als Rohstoff aus dem Verfahren ausgeleitet und als Rohstoff vermarktet werden kann.
  • In allen Anlagen können die Ströme von Kohlenstoff, Synthesegas und Wasserstoff zwischen den Konvertern 3, 9, 31 und dem Mischer durch Ventilelemente, Klappen, Schieber o. ä. gesteuert werden. Insbesondere wird in Betracht gezogen, dass der Zufluss von Synthesegas und Wasserstoff in den CO-Konverter 31 durch Ventile gesteuert werden kann. Eine Vermischung von Synthesegas und Wasserstoff in einem erwünschten Verhältnis läuft dann direkt im CO-Konverter 31 ab.
  • In allen oben dargestellten Anlagen kann der CO-Konverter 31 aus einer Vielzahl von CO-Konvertern 31a, 31b, ..., 31n bestehen (in den Zeichnungen nicht gezeigt), wobei die Gesamtmenge des in Schritt a) abgetrennten Wasserstoffs und des im Schritt b) erzeugten Synthesegases beliebig auf die Vielzahl von CO-Konvertern aufgeteilt werden kann. Die einzelnen CO-Konverter 31a, 31b, ..., 31n haben eine der oben beschriebenen Bauarten und Betriebsweisen. Die CO-Konverter 31a, 31b, ..., 31n können die gleiche Bauart und Betriebsweise aufweisen, oder verschiedene Bauarten und Betriebsweise. In einer Ausführung mit unterschiedlichen CO-Konvertern können die einzelnen CO-Konverter jeweils mit unterschiedlich zusammengesetztem Synthesegas betrieben werden und unterschiedliche Produkte liefern.
  • Es folgen zur weiteren Veranschaulichung einige Anwendungsbeispiele:
  • Beispiel 1:
  • Nimmt man 1 Teil Methan und spaltet es mithilfe des Kohlenwasserstoffkonverters, so erhält man einen Teil Kohlenstoff und zwei Teile Wasserstoff. Der Kohlenstoff wird im C-Konverter mit einem Teil Wasser zu einem Teil Kohlenmonoxid und einem Teil Wasserstoff umgesetzt. Nach Zufügung von 1,1 Teilen Wasserstoff kann das Synthesegas im CO-Konverter zu Paraffin umgesetzt werden. Es steht dann noch genügend Wasserstoff zur Verfügung, um das Paraffin in einem weiteren Schritt zu Diesel, Ottokraftstoff oder Kerosin zu spalten.
  • Beispiel 2:
  • Nimmt man ein Teil Propan (Butan) und spaltet es mithilfe des Kohlenwasserstoffkonverters, so erhält man 3 (4) Teile Kohlenstoff und 4 (5) Teile Wasserstoff. Der Kohlenstoff wird im C-Konverter mit 3 (4) Teilen Wasser zu einem Gemisch aus 3 (4) Teilen Kohlenmonoxid und 3 (4) Teilen Wasserstoff umgesetzt. Fügt man dem Synthesegas weitere 3,3 (4,4) Teile Wasserstoff zu, so kann es im CO-Konverter zu Paraffin umgesetzt werden. Die Menge des verbliebenen Wasserstoffs ist in beiden Fällen gerade ausreichend, um das Paraffin in einem weiteren Schritt zu Diesel, Ottokraftstoff oder Kerosin zu spalten.
  • Beispiel 3:
  • Nimmt man ein Teil Schweröl (z. B. C20H42) und spaltet es mithilfe des Kohlenwasserstoffkonverters, so erhält man 20 Teile Kohlenstoff und 21 Teile Wasserstoff. Der Kohlenstoff wird im C-Konverter mit 20 Teilen Wasser zu 20 Teilen Kohlenmonoxid und 20 Teilen Wasserstoff umgesetzt. Nach Hinzufügen der 21 Teile Wasserstoff kann das Synthesegas in einem anderen CO-Konverter zu 20 Teilen Methanol umgesetzt werden.
  • Da bei den hier beschriebenen Verfahren der Wasserstoff, der bei der Spaltung von Kohlenwasserstoffen im Kohlenwasserstoffkonverter 3 erzeugt wird, von dem ebenfalls dort erzeugten Kohlenstoff getrennt wird, lässt sich der abgetrennte Wasserstoff nach erfolgter Erzeugung eines wasserstoffarmen Synthesegases eben diesem wasserstoffarmen Synthesegas in jedem beliebigen Verhältnis wieder zuführen. Eine Bandbreite des Verhältnisses von Wasserstoff zu CO von 1,0 bis 3,0 ist so möglich. Durch partielle Oxidation von überschüssigem Kohlenstoff ist ein Verhältnis von < 1,0 erreichbar, und durch Nichtverwenden von überschüssigem Kohlenstoff ist ein Verhältnis von > 3,0 erreichbar.
  • Die Erfindung wurde anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben, wobei die einzelnen Merkmale der beschriebenen Ausführungsbeispiele frei miteinander kombiniert werden können und/oder ausgetauscht werden können, sofern sie kompatibel sind. Ebenso können einzelne Merkmale der beschriebenen Ausführungsbeispiele weggelassen werden, sofern sie nicht zwingend notwendig sind. Dem Fachmann sind zahlreiche Abwandlungen und Ausgestaltungen möglich und offensichtlich, ohne dass dadurch der Erfindungsgedanke verlassen wird.

Claims (35)

  1. Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas, welches folgende Schritte aufweist: a) Aufspalten eines Kohlenwasserstoff enthaltenden Fluids zu Kohlenstoff und Wasserstoff mit Hilfe eines Plasmas; b) Mischen von Wasser mit wenigstens einem Teil des Kohlenstoffes, der aus der Aufspaltung im Schritt a) gewonnen wurde, bei einer Temperatur von 800 bis 1700°C, wobei der durch die Aufspaltung im Schritt a) gewonnene Kohlenstoff durch die Aufspaltung eine Temperatur vor dem Mischen von wenigstens 200°C hat; c) Ausleiten von Synthesegas, das sich im Schritt b) bildet.
  2. Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas nach Anspruch 1, wobei im Schritt b) das Mischen von Wasser mit wenigstens einem Teil des Kohlenstoffes bei einer Temperatur von 1000 bis 1200°C erfolgt.
  3. Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Synthesegas zu gleichen Teilen aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht.
  4. Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Schritt a) Wasserstoff mit einer Temperatur von 200 bis 1700°C erzeugt wird, der Wärmeenergie enthält, und wobei wenigstens ein Teil der Wärmeenergie des Wasserstoffes aus Schritt a) als Wärmezufuhr im Schritt b) verwendet wird, insbesondere zum Erwärmen des im Schritt b) zugeführten Wassers und/oder zum Erwärmen des im Schritt b) zugeführten Kohlenstoffes und/oder zum Erwärmen des C-Konverters.
  5. Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das im Schritt c) ausgeleitete Synthesegas eine Temperatur von 800 bis 1200°C aufweist und Wärmeenergie enthält, und wobei wenigstens ein Teil der Wärmeenergie des Synthesegases zum Vorwärmen des im Schritt b) zugeführten Wassers verwendet wird.
  6. Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Schritt a) Wasserstoff mit einer Temperatur von 200 bis 1700°C erzeugt wird, der Wärmeenergie enthält, und wobei ein Teil der Wärmeenergie des Wasserstoffes aus Schritt a) zur Erzeugung von elektrischem Strom verwendet wird, welcher im Schritt a) beim Aufspalten durch Plasma des Kohlenwasserstoff enthaltenden Fluids verwendet wird.
  7. Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das im Schritt c) ausgeleitete Synthesegas eine Temperatur von 800 bis 1700°C aufweist und Wärmeenergie enthält, und wobei wenigstens ein Teil der Wärmeenergie des Synthesegases aus Schritt b) zur Erzeugung von elektrischem Strom verwendet wird, welcher im Schritt a) beim Aufspalten durch Plasma des Kohlenwasserstoff enthaltenden Fluids verwendet wird.
  8. Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt a) in einem Kvaerner-Reaktor oder einem modifizierten Kvaerner-Reaktor, ausgeführt wird.
  9. Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt a) in einem Hochtemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter durch Plasma ausgeführt wird, vorzugsweise bei Temperaturen über 1000°C.
  10. Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt a) gleichzeitig in einer Vielzahl von Kohlenwasserstoffkonvertern durch Plasma ausgeführt wird, wobei ein erster Teil der Vielzahl von Kohlenwasserstoffkonvertern als Hochtemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter ausgeführt ist, der vorzugsweise bei Temperaturen über 1000°C arbeitet, und wobei ein zweiter Teil der Vielzahl von Kohlenwasserstoffkonvertern als Niedertemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter ausgeführt ist, der vorzugsweise bei Temperaturen unter 1000°C arbeitet.
  11. Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kohlenwasserstoffe im Schritt a) aus einem Strom von Erdgas, Methan, Flüssiggasen oder Schweröl und insbesondere aus einem Strom von konventionellem oder nicht-konventionellem Erdgas besteht.
  12. Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Teil des im Schritt a) erzeugten Kohlenstoffes, der nicht im Schritt b) mit Wasser vermischt wird, wenigstens teilweise als Aktivkohle, Graphit, Carbon Black oder andere Modifikation, wie Carbon Cones oder Carbon Discs aus dem Verfahren entnommen wird.
  13. Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches weiter folgenden Schritt aufweist: d) Mischen von wenigstens einem Teil des Synthesegases, das im Schritt c) des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgeleitet wurde, mit einem variablen Teil des Wasserstoffes, der im Schritt a) des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 erzeugt wurde.
  14. Verfahren zur Erzeugung von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen, welches folgenden Schritt aufweist: e) Erzeugen von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen aus wenigstens einem Teil des Synthesegases, das im Schritt c) des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 erzeugt wurde.
  15. Verfahren zur Erzeugung von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen nach Anspruch 14, wobei die Erzeugung von Kohlenwasserstoffen im Schritt e) weiter unter Verwendung von wenigstens einem Teil des Wasserstoffes erfolgt, der im Schritt a) des Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 erzeugt wurde.
  16. Verfahren zur Erzeugung von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen nach Anspruch 14 oder 15, wobei ein Teil der im Schritt e) erzeugten synthetischen Kohlenwasserstoffe als zugeführter Kohlenwasserstoff im Schritt a) verwendet wird.
  17. Verfahren zur Erzeugung von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei der Schritt e) des Erzeugens von Kohlenwasserstoffen mittels eines Fischer-Tropsch-Verfahrens, insbesondere mittels eines SMDS-Verfahrens erfolgt.
  18. Verfahren zur Erzeugung von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei der Schritt e) des Erzeugens von funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen mittels eines Bergius-Pier-Verfahrens, eines Pier-Verfahrens oder einer Kombination aus einem Pier-Verfahren mit einem MtL-Verfahren erfolgt.
  19. Verfahren zur Erzeugung von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei die im Schritt e) erzeugten funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffe folgende Stoffe aufweisen: Paraffin, Diesel-Kraftstoffe, Otto-Kraftstoffe, Kerosin, Methanol, Methan, Flüssiggase.
  20. Anlage zur Erzeugung von Synthesegas, welche folgendes aufweist: einen mit Plasma betriebenen Kohlenwasserstoffkonverter mit wenigstens einem Eingang für ein Kohlenwasserstoff enthaltendes Fluid sowie wenigstens einem Ausgang für Kohlenstoff und wenigstens einem Ausgang für Wasserstoff; einen C-Konverter mit wenigstens einem Eingang für Wasser und wenigstens einem Eingang für Kohlenstoff sowie mit wenigstens einem Ausgang für Synthesegas, wobei wenigstens ein Eingang für Kohlenstoff des C-Konverters mit einem Ausgang für Kohlenstoff des Kohlenwasserstoffkonverters durch eine C-Verbindung verbunden ist.
  21. Anlage zur Erzeugung von Synthesegas nach Anspruch 20, bei der im Betrieb Kohlenstoff mit einer Temperatur von wenigstens 200°C, welcher Wärmeenergie enthält, aus dem Ausgang für Kohlenstoff des Kohlenwasserstoffkonverters austritt, und wobei die C-Verbindung zwischen dem Ausgang für Kohlenstoff des Kohlenwasserstoffkonverters und dem Eingang für Kohlenstoff des C-Konverters derart ausgeführt ist, dass ein Teil der Wärmeenergie des Kohlenstoffes in den C-Konverter geleitet werden kann.
  22. Anlage zur Erzeugung von Synthesegas nach einem der Ansprüche 20 bis 21, bei der im Betrieb Wasserstoff mit einer Temperatur von 200 bis 1700°C, welcher Wärmeenergie enthält, aus dem Ausgang für Wasserstoff des Kohlenwasserstoffkonverters austritt, und wobei die Anlage wenigstens eine Wärmetauscheranordnung aufweist, die eine Übertragung von Wärmeenergie des austretenden Wasserstoffes zu a) dem C-Konverter gestattet, um diesen zu beheizen und/oder b) der C-Verbindung zwischen dem Ausgang für Kohlenstoff des Kohlenwasserstoffkonverters und dem Eingang für Kohlenstoff des C-Konverters gestattet, um diese zu beheizen und/oder c) dem Eingang für Wasser des C-Konverters gestattet, um das eingeleitete Wasser vorzuwärmen.
  23. Anlage zur Erzeugung von Synthesegas nach einem der Ansprüche 20 bis 22, bei der im Betrieb Wasserstoff mit einer Temperatur von 200 bis 1700°C, der Wärmeenergie enthält, aus dem Ausgang für Wasserstoff des Kohlenwasserstoffkonverters austritt, und wobei die Anlage wenigstens eine Wärmetauscheranordnung in Verbindung mit einer Motor/Generator-Anordnung aufweist, die aus der Wärmeenergie des heißen Wasserstoffes elektrischen Strom erzeugen kann, wobei der elektrische Strom zur Energieversorgung des Kohlenwasserstoffkonverters beiträgt.
  24. Anlage zur Erzeugung von Synthesegas nach einem der Ansprüche 20 bis 23, bei der im Betrieb Synthesegas mit einer Temperatur von 800 bis 1200°C, das Wärmeenergie enthält, aus dem Ausgang für Synthesegas des C-Konverters austritt, und wobei die Anlage wenigstens eine Wärmetauscheranordnung in Verbindung mit einer Motor/Generator-Anordnung aufweist, die aus der Wärmeenergie des heißen Synthesegases elektrischen Strom erzeugen kann, wobei der elektrische Strom zur Energieversorgung des Kohlenwasserstoffkonverters beiträgt.
  25. Anlage zur Erzeugung von Synthesegas nach einem der Ansprüche 20 bis 24, wobei der Kohlenwasserstoffkonverter einen mit Plasmabrenner betriebenen Konverter aufweist, insbesondere einen Kvaerner-Reaktor oder einen modifizierten Kvaerner-Reaktor.
  26. Anlage zur Erzeugung von Synthesegas nach einem der Ansprüche 20 bis 25, wobei der Kohlenwasserstoffkonverter einen Hochtemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter aufweist, vorzugsweise einen Hochtemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter, der bei Temperaturen über 1000°C arbeitet.
  27. Anlage zur Erzeugung von Synthesegas nach einem der Ansprüche 20 bis 26, welche eine Vielzahl von Kohlenwasserstoffkonvertern aufweist, die gleichzeitig betrieben werden können, wobei ein erster Teil der Vielzahl von Kohlenwasserstoffkonvertern als Hochtemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter ausgeführt ist, der vorzugsweise bei Temperaturen über 1000°C arbeitet, und wobei ein zweiter Teil der Vielzahl von Kohlenwasserstoffkonvertern als Niedertemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter ausgeführt ist, der vorzugsweise bei Temperaturen unter 1000°C arbeitet.
  28. Anlage zur Erzeugung von Synthesegas nach einem der Ansprüche 20 bis 27, wobei wenigstens ein Ausgang für Kohlenstoff des Kohlenwasserstoffkonverters zur Entnahme eines Teils des erzeugten Kohlenstoffes, der nicht im C-Konverter zur Erzeugung von Synthesegas verwendet wird, als Aktivkohle, Graphit, Carbon Black oder andere Modifikation, wie Carbon Cones oder Carbon Discs geeignet ist.
  29. Anlage zur Erzeugung von Synthesegas nach einem der Ansprüche 20 bis 28, die weiter einen Mischer mit wenigstens einem Eingang für Synthesegas und mit wenigstens einem Eingang für Wasserstoff sowie mit wenigstens einem Ausgang für ein Gasgemisch aufweist, wobei wenigstens ein Eingang für Synthesegas des Mischers mit einem Ausgang für Synthesegas des C-Konverters verbunden ist, und wobei wenigstens ein Eingang für Wasserstoff des Mischers mit einem Ausgang für Wasserstoff des Kohlenwasserstoffkonverters verbunden ist.
  30. Anlage zur Erzeugung von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen, die folgendes aufweist: eine Anlage nach einem der Ansprüche 20 bis 29; und einen CO-Konverter mit wenigstens einem Eingang für Synthesegas sowie mit wenigstens einem Ausgang für synthetische funktionalisierte und/oder nicht-funktionalisierte Kohlenwasserstoffe, wobei wenigstens ein Eingang für Synthesegas des CO-Konverters mit einem Ausgang für Synthesegas des C-Konverters verbunden ist.
  31. Anlage zur Erzeugung von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen nach Anspruch 30, wobei der CO-Konverter wenigstens einen Eingang für Wasserstoff aufweist, der mit einem Ausgang für Wasserstoff des Kohlenwasserstoffkonverters verbunden ist.
  32. Anlage zur Erzeugung von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen nach Anspruch 30 oder 31, wobei der CO-Konverter einen Fischer-Tropsch-Konverter aufweist, insbesondere einen SMDS-Konverter.
  33. Anlage zur Erzeugung von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen nach Anspruch 30 oder 31, wobei der CO-Konverter einen Bergius-Pier-Konverter, einen Pier-Konverter oder eine Kombination eines Pier-Konverters mit einen MtL-Konverter aufweist.
  34. Anlage zur Erzeugung von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen nach Anspruch 30 oder 31, die eine Vielzahl von CO-Konvertern aufweist, wobei die einzelnen CO-Konverter einen Fischer-Tropsch-Konverter, insbesondere einen SMDS-Konverter, oder einen Bergius-Pier-Konverter, einen Pier-Konverter oder eine Kombination eines Pier-Konverters mit einen MtL-Konverter aufweisen.
  35. Anlage zur Erzeugung von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen nach einem der Ansprüche 30 bis 34, wobei wenigstens ein Ausgang für synthetische funktionalisierte und/oder nicht-funktionalisierte Kohlenwasserstoffe des CO-Konverters mit einem Eingang für Kohlenwasserstoffe des Kohlenwasserstoffkonverters verbunden ist.
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