DE102013020375A1 - Plasma-reaktor zum aufspalten eines kohlenwasserstoff-fluids - Google Patents

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Abstract

Bei einem Plasma-Reaktor zum Aufspalten eines Kohlenwasserstoff-Fluids sollen Ablagerungen von C-Partikeln verringert oder ganz verhindert werden. Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Plasma-Reaktor zum Aufspalten eines Kohlenwasserstoff-Fluids beschreiben, der eine Reaktorkammer aufweist, die von einer Reaktorwand umschlossen ist und wenigstens einen Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlass und wenigstens einen Auslass aufweist, weiter einen Plasma-Brenner mit wenigstens zwei langgestreckten Elektroden, die jeweils einen Basisteil, der an der Reaktorwand befestigt ist, und einen Brennerteil aufweisen, der in die Reaktorkammer ragt und ein freies Ende aufweist. Der Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlass mündet derart in die Reaktorkammer, dass daraus ausströmendes Kohlenwasserstoff-Fluid in einem Raum zwischen der Reaktorwand und den Elektroden entlang wenigstens einer Elektrode zu deren freiem Ende strömt. So wird eine hohe Strömungsgeschwindigkeit des Fluids erreicht und die Strömungsrichtung des eintretenden Fluids weist vom Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlass weg.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Plasma-Reaktor zum Aufspalten eines Kohlenwasserstoff-Fluids und auf ein Verfahren zum Betrieb eines Plasma-Reaktors.
  • In 5 ist ein bekannter Plasma-Reaktor 1' gezeigt, der in den 1990er Jahren als Versuchsreaktor zur Herstellung von Kohlenstoffpartikeln bzw. C-Partikeln eingesetzt wurde. Der bekannte Plasma-Reaktor 1' weist eine Reaktorkammer 2' auf, die von einer Reaktorwand 3' umschlossen ist, welche einen Unterteil 3a' und einen Deckel 3b' aufweist. Die Reaktorkammer 2' ist im wesentlichen zylinderförmig und hat eine Mittelachse 4'. An der zylindrischen Außenwand sind mehrere Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlässe 5' vorgesehen, welche dazu geeignet sind, in radialer Richtung ein Kohlenwasserstoff-Fluid einzuleiten. Am Deckel 3b' der Reaktorwand 3' ist ein Plasma-Brenner 7' befestigt, der (nicht näher gezeigte) langgestreckte Elektroden aufweist. Der Plasma-Brenner 7' weist einen Basisteil 9' auf, der an dem Deckel 3b' der Reaktorwand 3' befestigt ist. Der Plasma-Brenner 7' weist an seinem anderen Ende gegenüberliegend zum Basisteil 9' einen Brennerteil 11' auf, der in die Reaktorkammer 2' ragt. Am anderen Ende der Reaktorkammer 2' gegenüberliegend zum Plasma-Brenner 7' weist der Plasma-Reaktor 1' einen Auslass 15' auf, durch den die Stoffe austreten können, die aus der Aufspaltung des eingeleiteten Kohlenwasserstoff-Fluids resultieren. Im Betrieb des bekannten Plasma-Reaktors 1' wird ein Plasma 13' in der Nähe des Brennerteils 11' gebildet. Ein Kohlenwasserstoff-Fluid wird über die Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlässe 5' in Richtung des Plasmas 13' eingeleitet. Das Kohlenwasserstoff-Fluid wird unter Sauerstoffabschluss und bei Betriebstemperaturen von bis zu 2000°C in Wasserstoff und C-Partikel aufgespalten, die als H2/C-Aerosol aus dem Auslass 15' des Plasma-Reaktors austreten.
  • Aus US 5 481 080 A ist ein Plasma-Brenner bekannt, der zwei oder mehr rohrförmige Elektroden hat, die koaxial zueinander angeordnet sind. Ein Einlassrohr zum Einleiten eines durch Plasma zu behandelnden Gases ist koaxial innerhalb der inneren rohrförmigen Elektrode angeordnet. Das Einlassrohr endet in der Nähe eines freien Endes der beiden rohrförmigen Elektroden, wo im Betrieb ein Plasma-Lichtbogen gebildet wird.
  • Bei den bekannten Plasma-Reaktoren wurden folgende Probleme festgestellt. An den Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlässen 5' wuchsen Kohlenstoffablagerungen auf, die einerseits die Einlässe verstopfen können und andererseits zu großen Kohlenstoffstücken bzw. C-Partikeln führen, welche für das erzeugte H2/C-Aerosol nicht mehr zur Verfügung stehen. Damit die Kohlenwasserstoffe nicht sofort nach dem Austritt aus den Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlässen 5' aufgespalten werden und Ablagerungen verursachen, wurden die Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlässe 5' in einer ausreichenden großen Distanz d1 zum Plasma 13' angeordnet. Auch wegen den hohen Betriebstemperaturen mussten die Reaktorwände 3' vom Plasma 13' entfernt sein, um die thermische Belastung der Reaktorwand 3' zu verringern. Dadurch hat der Reaktorraum 2' eine gewisse Größe, und es entstand ein ungenutzter Freiraum 17' (siehe 5) zwischen dem Plasma-Lichtbogen und dem oberen Bereich der Reaktorkammer. In dem Freiraum 17' sammelte sich insbesondere heißer Wasserstoff und führte zu einem erheblichen Wärmeverlust. Zudem kam es in diesem Bereich zu einer großen Aufheizung mit Temperaturspitzen bis zu 2500°C. Diese hohen Temperaturen stellten erhebliche Anforderungen an das Material der Elektrode und der Reaktorwand, insbesondere wegen unterschiedlicher Temperaturausdehnungskoeffizienten und den daraus resultierenden Spannungen im Material.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt daher darin, einen Plasma-Reaktor zu schaffen, bei dem es zu geringeren oder keinen Ablagerungen von C-Partikeln kommt. Diese Aufgabe wird durch einen Plasma-Reaktor nach Anspruch 1, durch ein Verfahren zum Betrieb eines Plasma-Reaktors nach Anspruch 7 und durch eine Anlage zur Erzeugung von synthetischen Kohlenwasserstoffen nach Anspruch 10 gelöst.
  • Der hier beschriebene Plasma-Reaktor zum Aufspalten eines Kohlenwasserstoff-Fluids weist eine Reaktorkammer auf, die von einer Reaktorwand umschlossen ist und wenigstens einen Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlass und wenigstens einen Auslass aufweist, weiter einen Plasma-Brenner mit wenigstens zwei langgestreckten Elektroden, die jeweils einen Basisteil, der an der Reaktorwand befestigt ist, und einen Brennerteil aufweisen, der in die Reaktorkammer ragt und ein freies Ende aufweist. Der Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlass mündet derart in die Reaktorkammer, dass daraus ausströmendes Kohlenwasserstoff-Fluid in einem Raum zwischen der Reaktorwand und den Elektroden entlang wenigstens einer Elektrode zu deren freiem Ende strömt. Durch diese Anordnung des Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlasses können Ablagerungen von C-Partikeln verringert oder ganz verhindert werden, da eine hohe Strömungsgeschwindigkeit des Fluids erreicht wird und die Strömungsrichtung des eintretenden Fluids vom Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlass weg weist.
  • Vorzugsweise ist der Abstand zwischen dem Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlass und dem Basisteil kleiner als der Abstand zwischen dem Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlass und dem freien Ende. Das Plasma befindet sich am freien Ende des Plasma-Brenners und erzeugt auch Wärmestrahlung. Die Wärmestrahlung wird vom Körper des Plasma-Brenners gegenüber den Einlässen abgeschirmt, weil der Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlass in der Nähe des Basisteils angeordnet ist.
  • Vorteilhafterweise weist der Plasma-Brenner zwei ineinander angeordnete rohrförmige Elektroden auf; und der Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlass ist in Radialrichtung außerhalb der äußeren rohrförmigen Elektrode angeordnet. Diese Anordnung ist bei Einsatz von langlebigen rohrförmigen Elektroden vorteilhaft.
  • Der Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlass ist vorzugsweise so ausgerichtet, dass daraus ausströmendes Kohlenwasserstoff-Fluid in Richtung der Längserstreckung der Elektroden strömt. Dadurch wird eine Überhitzung der Elektroden und eine Ansammlung von heißen Stoffen im oberen Reaktorbereich vermieden. Das einströmende Kohlenwasserstoff-Fluid fungiert auch als thermische Abschirmung der Reaktorwand.
  • Vorzugsweise sind der Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlass und der Auslass an entgegengesetzten Enden der Reaktorkammer angeordnet. So entsteht eine Durchströmung in einer Richtung vom Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlass entlang des Plasma-Brenners zum Auslass hin und verringert die Reaktionszeit durch verbesserte Ausnutzung der heißen Zone.
  • Der Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlass weist vorteilhafterweise gekühlte Einlasskanäle auf, um die Wahrscheinlichkeit von Ablagerungen von C-Partikeln weiter zu verringern.
  • Ein Verfahren zum Betrieb eines Plasma-Reaktors gemäß den hier beschriebenen Ausführungen löst die genannte Aufgabe, indem das Kohlenwasserstoff-Fluid mit einer Raumgeschwindigkeit von 500–1000 1/h durch die Reaktorkammer geleitet wird. So entsteht eine hohe Strömungsgeschwindigkeit, die Ablagerungen von C-Partikeln entgegenwirkt.
  • Vorzugsweise wird das Kohlenwasserstoff-Fluid bei dem Verfahren vom Basisteil entlang des Plasma-Brenners in Richtung des freien Endes geleitet. So wird eine Überhitzung der Elektroden und eine Ansammlung von heißen Stoffen im oberen Reaktorbereich vermieden. Das einströmende Kohlenwasserstoff-Fluid fungiert auch als thermische Abschirmung der Reaktorwand.
  • Bei dem Verfahren wird das Kohlenwasserstoff-Fluid vorteilhafterweise mit einem Druck von 15 bis 40 bar, bevorzugt von 18 bis 22 bar eingeleitet. Im Reaktorraum entsteht gasförmiger Wasserstoff, der kompressibel ist. Wenn zusätzlich das Kohlenwasserstoff-Fluid ein Gas ist (z. B. Erdgas), ist dieses Gas ebenfalls kompressibel. Bei den genannten Drücken kann eine höhere Dichte der gasförmigen Stoffe im Reaktorraum erreicht werden, was zu einer höheren Durchsatzkapazität des Plasma-Reaktors führt. Bei höherem Druck kann folglich ein kleinerer Reaktorraum verwendet werden, was für die mechanische Stabilität des Reaktorraums Vorteile bietet und Kosten bei der Herstellung und im Betrieb spart.
  • Der oben beschriebene Plasma-Reaktor und das oben beschriebene Verfahren bieten Vorteile in einer Anlage zur Erzeugung von synthetischen Kohlenwasserstoffen, die folgendes aufweist: einen Plasma-Reaktor zum Aufspalten eines Kohlenwasserstoff-Fluids in Kohlenstoff und Wasserstoff gemäß den oben beschriebenen Ausführungen, einen C-Konverter, der geeignet ist zur Umwandlung von (a) Kohlenstoff mit CO2 in CO oder (b) Kohlenstoff mit H2O in ein CO/H2-Gasgemisch, wobei der C-Konverter wenigstens einen Prozessraum mit wenigstens einem Eingang für CO2 oder H2O, wenigstens einem Aerosol-Eingang und wenigstens einen C-Konverterausgang für ein aus der Umwandlung resultierendes Synthesegas aufweist. Der Aerosol-Eingang des C-Konverters ist mit dem Ausgang des Plasma-Reaktors verbunden. Die Anlage weist weiter einen CO-Konverter auf, wobei der CO-Konverter einen Prozessraum aufweist, in dem ein Katalysator angeordnet ist, weiter Mittel zum Leiten des Synthesegases aus dem C-Konverter in Kontakt mit dem Katalysator, und eine Steuereinheit zum Steuern oder Regeln der Temperatur des Katalysators und/oder des Synthesegases auf eine vorbestimmte Temperatur. In dem Plasma-Reaktor, in dem C-Konverter und in dem CO-Konverter herrscht jeweils ein Betriebsdruck von 15 bis 40 bar und insbesondere von 18 bis 25 bar. So kann eine hohe Durchsatzkapazität der gesamten Anlage erreicht werden. Weiter kann die Anlage direkt an eine Gas-Pipeline angeschlossen werden.
  • Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten und Vorteile derselben wird bzw. werden nachfolgend an bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen Plasma-Reaktor zum Aufspalten eines Kohlenwasserstoff-Fluids gemäß der vorliegenden Offenbarung, der einen Ausgang für die durch die Aufspaltung gewonnenen Stoffe aufweist;
  • 2 einen Plasma-Reaktor zum Aufspalten eines Kohlenwasserstoff-Fluids gemäß der vorliegenden Offenbarung, der mehrere Ausgänge für die durch die Aufspaltung gewonnenen Stoffe aufweist;
  • 3 einen Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlass für einen Plasma-Reaktor gemäß der vorliegenden Offenbarung;
  • 4 eine Anlage zur Erzeugung von synthetischen Kohlenwasserstoffen mit einem Plasma-Reaktor gemäß der vorliegenden Offenbarung;
  • 5 einen Plasma-Reaktor zum Aufspalten eines Kohlenwasserstoff-Fluids gemäß dem Stand der Technik.
  • In der folgenden Beschreibung beziehen sich die Ausdrücke oben, unten, rechts und links sowie ähnliche Angaben auf die in den Figuren dargestellten Ausrichtungen bzw. Anordnungen und dienen nur zur Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Diese Ausdrücke können bevorzugte Anordnungen zeigen, sind jedoch nicht im einschränkenden Sinne zu verstehen. Der Ausdruck Kohlenwasserstoff-Fluid meint im Kontext dieser Beschreibung ein Kohlenwasserstoffe enthaltendes Fluid (Gas, Aerosol, Flüssigkeit).
  • Der Plasma-Reaktor 1 gemäß der vorliegenden Offenbarung weist eine Reaktorkammer 2 auf, die von einer Reaktorwand 3 umschlossen ist, welche einen Unterteil 3a und einen Deckel 3b aufweist. Die Reaktorkammer 2 kann auch an einer anderen Stelle geteilt sein, als in den Figuren gezeigt. Die Reaktorkammer 2 ist im wesentlichen zylinderförmig und hat eine Mittelachse 4. Am Deckel 3b der Reaktorwand 3 ist ein Plasma-Brenner 7 befestigt, der (nicht näher gezeigte) langgestreckte Elektroden aufweist. Der Plasma-Brenner 7 weist einen Basisteil 9 auf, der an der Reaktorwand 3 befestigt ist (hier insbesondere am Deckel 3b). Der Plasma-Brenner 7 weist an seinem anderen Ende gegenüberliegend zum Basisteil 9 einen Brennerteil 11 an einem freien Ende 12 der Elektroden auf, der in die Reaktorkammer 2 ragt. Zwischen den Elektroden wird ein Plasma 13 gebildet, das durch eine Plasmasteuervorrichtung 14 beeinflusst werden kann, beispielsweise durch Magnetkraft. Am anderen Ende der Reaktorkammer 2 gegenüberliegend zum Plasma-Brenner 7 weist der Plasma-Reaktor 1 einen Auslass 15 auf, durch den die Stoffe austreten können, die aus der Aufspaltung des eingeleiteten Kohlenwasserstoff-Fluids resultieren. Der Auslass 15 ist in Flussrichtung am entgegengesetzten Ende der Reaktorkammer 2 angeordnet.
  • Der Plasma-Reaktor 1 weist weiter Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlässe 5 auf, die in der Nähe des Basisteils 9 des Plasma-Brenners 7 angeordnet sind. Die Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlässe 5 münden derart in die Reaktorkammer 2, dass ein daraus ausströmendes Kohlenwasserstoff-Fluid in einen Freiraum 17 zwischen der Reaktorwand 3 und den Elektroden des Plasma-Brenners 7 in Richtung zum freien Ende der Elektroden strömt. Durch die hier beschriebene Anordnung der Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlässe 5 in der Nähe des Basisteils 9 des Plasma-Brenners 7 wird eine ausreichende Distanz d2 zum Plasma 13 eingehalten (siehe 1 und 2). Auch wenn der Innenraum der Reaktorkammer 2 kleiner ist (z. B. kleinerer Durchmesser im Fall einer zylindrischen Reaktorkammer), kann der Abstand d2 zwischen dem Plasma 13 und den Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlässen 5 sogar noch größer sein als der Abstand d1 beim Plasma-Reaktor 1' des Standes der Technik. So wird verhindert, dass sich die C-Partikel an den Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlässen 5 ablagern können. Die Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlässe 5 können gekühlt sein, wie in 3 dargestellt. Der Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlass 5 weist eine Einlassbohrung 19 auf, die von einer Einlasswand 21 umgeben ist. Die Einlasswand 21 ist von Kühlkanälen 23 umgeben und kann zur Reaktorkammer 2 hin eine Hitzeschutzschicht aufweisen. Im Betrieb läuft Kühlmittel durch die Kühlkanäle 23, wie durch die Pfeile 25 angezeigt. Weiterhin läuft Kohlenwasserstoff-Fluid durch die Einlassbohrung 19, wie durch den Pfeil 27 gezeigt. Durch das Kühlmittel und das durchgeleitete Kohlenwasserstoff-Fluid werden die Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlässe 5 deutlich unter die Zersetzungstemperatur der Kohlenwasserstoffe gekühlt, und die Wahrscheinlichkeit einer Ablagerung von C-Partikeln wird noch geringer.
  • Die in den Figuren nicht näher gezeigten Elektroden sind vorzugsweise ineinander angeordnete rohrförmige Elektroden oder Rohr-Elektroden, wie sie beispielsweise aus US 5 481 080 A bekannt sind (siehe oben). Im Fall von Rohr-Elektroden strömt das eingeleitete Kohlenwasserstoff-Fluid entlang einer Elektrode, nämlich entlang der äußeren Elektrode. Die Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlässe 5 sind bei Rohr-Elektroden in Radialrichtung außerhalb der äußeren rohrförmigen Elektrode angeordnet. Es ist aber auch denkbar, dass Stab-Elektroden verwendet werden, beispielsweise zwei nebeneinander angeordnete Stab-Elektroden. Im Fall von Stab-Elektroden strömt das Kohlenwasserstoff-Fluid entlang zwei oder mehr Elektroden in Richtung ihres freien Endes. Somit strömt das Kohlenwasserstoff-Fluid bei jeder Bauart des Plasma-Reaktors 1 in den Raum 17 entlang wenigstens einer Elektrode zwischen der Reaktorkammer 2 und dem Plasma-Brenner 7.
  • Zwischen den Elektroden wird der Plasma-Lichtbogen 13 gebildet, vorzugsweise mit H2 als Plasmagas, da dieses bei der Aufspaltung der Kohlenwasserstoffe sowieso anfällt. Als Plasmagas kann aber auch jedes andere geeignete Gas ausgewählt werden, beispielsweise inerte Gase wie Argon oder Stickstoff, die nicht die Reaktion bzw. Aufspaltung im Plasma-Lichtbogen beeinflussen oder daran teilnehmen.
  • In 2 ist ein Plasma-Reaktor 1 mit mehreren Auslässe 15 gezeigt. Ein erster Auslass 15-1 ist zum Auslassen eines H2/C-Aerosols vorgesehen, wie in 1. Über einen zweiten Auslass 15-2 kann ebenfalls ein Teil des H2/C-Aerosols ausgeleitet werden, der beispielsweise in einem anderen Reaktor oder Prozess verwendet werden soll. Jedoch wird vorzugsweise über den zweiten Auslass 15-2 nur Wasserstoff H2 ausgeleitet, wobei der zweite Auslass 15-2 dafür so gestaltet wird, dass sich der gasförmige Wasserstoff H2 von den festen C-Partikeln abscheidet.
  • Im Betrieb des Plasma-Reaktors 1 wird zwischen den Elektroden ein Plasma 13 in der Nähe des Brennerteils 11 gebildet. Das Plasma 13 hat üblicherweise Temperaturen zwischen 600°C und 2000°C. Ein Kohlenwasserstoff-Fluid (vorzugsweise Erdgas) wird unter Sauerstoffabschluss über die Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlässe 5 in Richtung des Plasmas 13 in die Reaktorkammer 2 eingeleitet. Das Kohlenwasserstoff-Fluid wird im Betrieb so eingeleitet, dass sich in der Reaktorkammer 2 eine hohe Raumgeschwindigkeit (Einheit 1/h; Volumenstrom m3/h des Kohlenwasserstoff-Fluids bezogen auf das Volumen m3 der Reaktorkammer 2) erreicht wird. Insbesondere wird eine Raumgeschwindigkeit von 500–1000 1/h in Betracht gezogen. Durch die hohe Raumgeschwindigkeit und damit hohe Strömungsgeschwindigkeit der durchgeleiteten Stoffe wird die Gefahr von Ablagerungen von Feststoffen bzw. C-Partikeln an den Kohlenwasserstoff-Einlässen 5 und in deren Nähe zusätzlich verringert.
  • Weiterhin wird der Freiraum 17 zwischen der Reaktorwand 3 und dem Plasma-Brenner 7 durch das einströmende Kohlenwasserstoff-Fluid gekühlt. Der Freiraum 17 kann beim Plasma-Reaktor 1 deutlich kleiner geformt werden als beim Plasma-Reaktor 1' des Standes der Technik. Die Reaktorkammer 2 kann daher einen kleineren Innenraum aufweisen (bei einer zylindrischen Reaktorkammer 2 einen kleineren Durchmesser), was eine robustere Konstruktion der Reaktorkammer 2 gestattet. Eine robuste Reaktorkammer 2 ist für hohe Betriebsdrücke vorteilhaft.
  • Durch die hier gezeigte Anordnung der Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlässe 5 wird eine Strömungsrichtung des eingeleiteten Kohlenwasserstoff-Fluids beibehalten, da der Auslass 15 in Flussrichtung am entgegengesetzten Ende der Reaktorkammer 2 angeordnet ist. Durch das einströmende Kohlenwasserstoff-Fluid wird daher vermieden, dass sich in dem Freiraum 17 heiße Stoffe sammeln und Probleme im Betrieb hervorrufen. Dies verringert auch die Gefahr von Fouling, da die C-Partikel vom einströmenden Kohlenwasserstoff-Fluid in Richtung des Auslasses 15 getrieben werden.
  • Sobald das Kohlenwasserstoff-Fluid in einen Bereich in der Nähe des Plasmas 13 gelangt, wo eine Zersetzungstemperatur herrscht, werden die im Kohlenwasserstoff-Fluid enthaltenen Kohlenwasserstoffe in C-Partikel und gasförmigen Wasserstoff H2 aufgespaltet. Die Zersetzungstemperatur hängt von den eingeleiteten Kohlenwasserstoffen ab und liegt für Erdgas beispielsweise bei mehr als 600°C. Der Wasserstoff H2 und die C-Partikel treten als H2/C-Aerosol aus dem Auslass 15 des Plasma-Reaktors aus.
  • Das Kohlenwasserstoff-Fluid wird an den Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlässen vorteilhafterweise mit einem Druck von 18 bis 25 bar eingeleitet. In diesem Fall kann der Plasma-Reaktor 1 direkt an einer Erdgas-Pipeline angeschlossen werden, da der Pipeline-Druck ungefähr in diesem Bereich liegt. In der Reaktorkammer 2 herrscht im Betrieb ebenfalls ein Druck von circa 18 bis 25 bar. Bei diesem Druck werden die gasförmigen Bestandteile, beispielsweise gasförmiger Wasserstoff und Erdgas komprimiert, so dass eine höhere Dichte vorliegt und der Durchsatz verbessert werden kann.
  • Der Betrieb des Plasma-Reaktors 1 gemäß 2 läuft genauso ab, wie oben beschrieben. Der einzige Unterschied besteht darin, dass ein Teil des Wasserstoffes H2 durch den zweiten Auslass 15-2 abgeleitet wird. Der zweite Auslass 15-2 ist so angeordnet, dass die C-Partikel schwer oder gar nicht in den zweiten Auslass 15-2 gelangen können. Dies kann beispielsweise durch eine Labyrinth-Anordnung erreicht werden oder dadurch, dass der zweite Auslass 15-2 in einem rechten Winkel zur Durchflussrichtung des Kohlenwasserstoff-Fluids bzw. H2/C-Aerosols angeordnet wird. Beispielsweise kann der zweite Auslass 15-2 in einem Winkel von 90° zur Mittelachse 4 und damit zur allgemeinen Strömungsrichtung angeordnet sein (wie in 2 gezeigt). Der zweite Auslass 15-2 kann auch in einem Winkel entgegengesetzt zur allgemeinen Strömungsrichtung angeordnet sein, das heißt in 2 schräg nach rechts oben gerichtet sein.
  • 4 zeigt eine Anlage 30 zur Erzeugung von synthetischen Kohlenwasserstoffen, die einen oben beschriebenen Plasma-Reaktor 1, einen C-Konverter 32, der geeignet ist zur Umwandlung von (a) Kohlenstoff mit CO2 in CO oder (b) Kohlenstoff mit H2O in ein CO/H2-Gasgemisch, und einen CO-Konverter 34 zur Erzeugung von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen aufweist. Der C-Konverter 32 weist wenigstens einen Prozessraum mit wenigstens einem Eingang für CO2 oder H2O, wenigstens einem Aerosol-Eingang und wenigstens einen C-Konverterausgang für ein aus der Umwandlung (a) oder (b) resultierendes Synthesegas auf. Der Aerosol-Eingang des C-Konverters 32 ist mit dem Ausgang 15 oder 15-1 des Plasma-Reaktors 1 verbunden und nimmt das H2/C-Aerosol auf. In dem C-Konverter 32 findet eine Umwandlung der C-Partikel nach einer der folgenden Gleichungen statt: (a) CO2 + C → 2CO oder (b) C + H2O → CO + H2. Mit dem H2 aus dem H2/C-Aerosol ergibt dies ein aus CO und H2 bestehendes Synthesegas. Der CO-Konverter 34 führt beispielsweise eine Umwandlung des Synthesegases mittels eines Fischer-Tropsch-Verfahrens, insbesondere mittels eines SMDS-Verfahrens aus. Alternativ wird die Umwandlung des Synthesegases mittels eines Bergius-Pier-Verfahrens, eines Pier-Verfahrens oder einer Kombination aus einem Pier-Verfahren mit einem MtL-Verfahren (MtL = Methanol-to-Liquid) bewirkt. Der CO-Konverter 34 weist einen Prozessraum auf, in dem ein Katalysator angeordnet ist, weiter Mittel zum Leiten des Synthesegases aus dem C-Konverter 32 in Kontakt mit dem Katalysator, und eine Steuereinheit zum Steuern oder Regeln der Temperatur des Katalysators und/oder des Synthesegases auf eine vorbestimmte Temperatur. Das Kohlenwasserstoff-Fluid ist beispielsweise Erdgas oder ein ähnliches Gas, das im Betrieb der Anlage 30 direkt ohne Druckänderung aus einer (Erdgas-)Pipeline in den Plasma-Reaktor 1 mit einem Druck p1 von 15 bis 40 bar und insbesondere von 18 bis 25 bar geliefert wird. In der Reaktorkammer 2 des Plasma-Reaktors 1 herrscht der gleiche Druck p1. Das aus dem Plasma-Reaktor 1 austretende H2/C-Aerosol wird mit dem gleichen Druck in den C-Konverter 32 (Druck p2 = p1) geleitet und bei einer Temperatur von 850–1700°C mit CO2 oder H2O vermischt, um ein Synthesegas (CO und H2) zu erzeugen. Das Synthesegas wird dann mit dem gleichen Druck in den CO-Konverter 34 (Druck p3 = p2 = p1) eingeleitet und gemäß einem der oben genannten Verfahren in synthetische Kohlenwasserstoffe umgewandelt. Die synthetischen Kohlenwasserstoffe werden dann aus der Anlage ausgegeben (bei einem niedrigeren Umgebungsdruck p4 von ca. 1 bar). Vom Plasma-Reaktor 1 bis zum CO-Konverter 34 herrscht also jeweils ein im wesentlichen gleicher Betriebsdruck von 15 bis 40 bar (insbesondere von 18 bis 25 bar).
  • Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei dem hier beschriebenen Plasma-Reaktor 1 folgende Vorteile erreicht werden können: Vermeidung von Ablagerungen von C-Partikeln; Nutzung des Reaktorbereichs oberhalb des Plasmas 13 (Freiraum 17, der vorher thermisch totes Volumen war); keine Überhitzung des oberen Reaktorbereichs, da das einströmende Kohlenwasserstoff-Fluid die Elektroden und die Reaktorwand kühlt; das einströmende Kohlenwasserstoff-Fluid fungiert als thermische Abschirmung der Reaktorwand 3; die Reaktorkammer kann aus Keramik hergestellt werden (z. B. Al2O3); die Investitionskosten können gesenkt werden; Senkung des Stromverbrauchs durch effektivere Nutzung der vom Plasma erzeugten Wärme; Verringerung des Reaktorvolumens; das Prinzip der Durchströmung in einer Richtung von den Einlässen 5 entlang des Plasma-Brenners 7 zum Auslass 15 hin verringert die Reaktionszeit durch verbesserte Ausnutzung der heißen Zone.
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 5481080 A [0003, 0025]

Claims (10)

  1. Plasma-Reaktor (1) zum Aufspalten eines Kohlenwasserstoff-Fluids, der folgendes aufweist: eine Reaktorkammer (2), die von einer Reaktorwand (3, 3a, 3b) umschlossen ist und wenigstens einen Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlass (5) und wenigstens einen Auslass (15, 15-1, 15-2) aufweist; einen Plasma-Brenner (7) mit wenigstens zwei langgestreckten Elektroden, die jeweils einen Basisteil (9), der an der Reaktorwand (3, 3a, 3b) befestigt ist, und einen Brennerteil (11) aufweisen, der in die Reaktorkammer (2) ragt und ein freies Ende (12) aufweist; wobei der Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlass (5) derart in die Reaktorkammer (2) mündet, dass daraus ausströmendes Kohlenwasserstoff-Fluid in einem Raum (17) zwischen der Reaktorwand (3, 3a, 3b) und den Elektroden entlang wenigstens einer Elektrode zu deren freiem Ende (12) strömt.
  2. Plasma-Reaktor (1) nach Anspruch 1, wobei der Abstand zwischen dem Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlass (5) und dem Basisteil (9) kleiner ist als der Abstand zwischen dem Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlass (5) und dem freien Ende (12).
  3. Plasma-Reaktor (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Plasma-Brenner (7) zwei ineinander angeordnete rohrförmige Elektroden aufweist; und wobei der Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlass (5) in Radialrichtung außerhalb der äußeren rohrförmigen Elektrode angeordnet ist.
  4. Plasma-Reaktor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlass (5) so ausgerichtet ist, dass daraus ausströmendes Kohlenwasserstoff-Fluid in Richtung der Längserstreckung der Elektroden strömt.
  5. Plasma-Reaktor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlass (5) und der Auslass (15, 15-1, 15-2) an entgegengesetzten Enden der Reaktorkammer (2) angeordnet sind.
  6. Plasma-Reaktor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kohlenwasserstoff-Fluid-Einlass (5) gekühlte Einlasskanäle (19) aufweist.
  7. Verfahren zum Betrieb eines Plasma-Reaktors (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Kohlenwasserstoff-Fluid mit einer Raumgeschwindigkeit von 500–1000 1/h durch die Reaktorkammer (2) geleitet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Kohlenwasserstoff-Fluid vom Basisteil (9) entlang des Plasma-Brenners (7) in Richtung des freien Endes (12) geleitet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem das Kohlenwasserstoff-Fluid mit einem Druck von 18 bis 22 bar in die Reaktorkammer (2) eingeleitet wird.
  10. Anlage zur Erzeugung von synthetischen Kohlenwasserstoffen, die folgendes aufweist: – einen Plasma-Reaktor (1) zum Aufspalten eines Kohlenwasserstoff-Fluids in Kohlenstoff und Wasserstoff nach einem der Ansprüche 1–6; – einen C-Konverter (32), der geeignet ist zur Umwandlung von a) Kohlenstoff mit CO2 in CO oder b) Kohlenstoff mit H2O in ein CO/H2-Gasgemisch wobei der C-Konverter (32) wenigstens einen Prozessraum mit wenigstens einem Eingang für CO2 oder H2O, wenigstens einem Aerosol-Eingang und wenigstens einen C-Konverterausgang für ein aus der Umwandlung resultierendes Synthesegas aufweist, wobei der Aerosol-Eingang des C-Konverters (32) mit dem Ausgang (15; 15-1) des Plasma-Reaktors (1) verbunden ist; und einen CO-Konverter (34) mit einem Prozessraum, in dem ein Katalysator angeordnet ist, weiter mit Mitteln zum Leiten des Synthesegases aus dem C-Konverter (32) in Kontakt mit dem Katalysator, und mit einer Steuereinheit zum Steuern oder Regeln der Temperatur des Katalysators und/oder des Synthesegases auf eine vorbestimmte Temperatur; wobei in dem Plasma-Reaktor (1), in dem C-Konverter (32) und in dem CO-Konverter (34) jeweils ein Betriebsdruck von 15 bis 40 bar und insbesondere von 18 bis 25 bar herrscht.
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