DE102013112927A1 - Process for steam reforming of organic peroxides (peroxy fuels) - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff aus einem organischem Peroxid, umfassend:
– Bereitstellen eines Dampfreformers; – Bereitstellen eines organischen Peroxids und Wasser;
– zumindest teilweises Zersetzen des organischen Peroxids in Zersetzungsprodukte;
– Reformieren des organischen Peroxids bzw. seiner Zersetzungsprodukte im Dampfreformer, wobei eine Zersetzungswärme des organischen Peroxids zumindest teilweise zur Dampferzeugung dient.
Dampfreformer, angepasst zur Reformierung eines Brennstoffs, der ein organisches Peroxid umfasst, umfassend: – eine Zersetzungskammer, wobei die Zersetzungskammer von einer doppelten Wandung umgeben ist, die einen die Zersetzungskammer umschließenden Raum bildet, der in einer fluidischen Verbindung zu einer Wasserzufuhr steht. Weiter wird ein Verfahren zur Wasserstoffherstellung und zur Herstellung eines Synthesegases vorgeschlagen, das jeweils die Reformierung eines organischen Peroxids umfasst.A process for producing hydrogen from an organic peroxide comprising:
- Providing a steam reformer; Providing an organic peroxide and water;
At least partial decomposition of the organic peroxide into decomposition products;
- Reforming the organic peroxide or its decomposition products in the steam reformer, wherein a decomposition heat of the organic peroxide serves at least partially for steam generation.
A steam reformer adapted for reforming a fuel comprising an organic peroxide, comprising: a decomposition chamber, the decomposition chamber being surrounded by a double wall forming a space enclosing the decomposition chamber in fluid communication with a water supply. Further proposed is a process for producing hydrogen and for producing a synthesis gas, each of which comprises the reforming of an organic peroxide.
Description
Die Erfindung betrifft die Herstellung von Wasserstoff aus flüssigen organischen Peroxiden, einen Reformer zur Wasserstoffherstellung und Dampferzeugung, eine Brennstoffzelle, die für die Verwendung flüssiger organischer Peroxide zur Energiegewinnung angepasst ist und sonstige Wasserstoffumwandlungsprozesse zur Energiegewinnung.The invention relates to the production of hydrogen from liquid organic peroxides, a reformer for hydrogen production and steam generation, a fuel cell adapted for the use of liquid organic peroxides for energy production and other hydrogen conversion processes for energy production.
Brennstoff-Reformer werden zur Umwandlung fossiler Energieträger, insbesondere leichter und schwerer Kohlenwasserstoffe in reinere Brennstoffe, wie beispielsweise Wasserstoff genutzt [1, 2, 3, 4]. Unter einem Reformer bzw. der Reformierung sind hierbei sowohl Autoreformer als auch Dampfreformer, bzw. Autoreformier- und Dampfreformierprozesse zu verstehen. Der dabei produzierte Wasserstoff kann in verschiedenen Verbrennungsprozessen und Brennstoffzellen zur Energieerzeugung genutzt werden. Bisher werden, soweit bekannt, vorrangig kohlenstoffhaltige Energieträger wie Erdgas, Leichtbenzin, Methanol, Biogas oder Biomasse in Reformierungsprozessen zur Herstellung von Wasserstoff verwendet. In Brennstoffzellen werden organische Peroxide nach unserem Kenntnisstand bisher nicht als Brennstoff verwendet.Fuel reformers are used to convert fossil fuels, especially light and heavy hydrocarbons, into purer fuels such as hydrogen [1, 2, 3, 4]. Under a reformer or the reforming here are both autoreformer and steam reformer, or reforming and steam reforming processes to understand. The produced hydrogen can be used in various combustion processes and fuel cells for energy production. So far, as far as known, primarily carbonaceous energy carriers such as natural gas, light gasoline, methanol, biogas or biomass are used in reforming processes for the production of hydrogen. In fuel cells, organic peroxides are not used as fuel to the best of our knowledge.
Vor diesem Hintergrund wird ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff mit einem Dampfreformer nach Anspruch 1, die Verwendung eines organischen Peroxids als Brennstoff in einem Dampfreformer nach Anspruch 6, ein Dampfreformer nach Anspruch 8, sowie die Verwendung eines organischen Peroxids zur Herstellung von Synthesegas nach Anspruch 12 vorgeschlagen. Weitere Ausführungsformen, Modifikationen und Verbesserungen ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Ansprüche.Against this background, a method for producing hydrogen with a steam reformer according to
Gemäß einer ersten Ausführungsform wird ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff aus einem organischem Peroxid vorgeschlagen, das die folgenden Verfahrensschritte umfasst: – Bereitstellen eines Dampfreformers; – Bereitstellen eines organischen Peroxids und Wasser; – zumindest teilweises Zersetzen des organischen Peroxids in Zersetzungsprodukte; und – Reformieren der Zersetzungsprodukte und/oder eines ggf. verbliebenen Anteils des organischen Peroxids im Dampfreformer, wobei eine Zersetzungswärme des organischen Peroxids und/oder seiner Zersetzungsprodukte zumindest teilweise zur Dampferzeugung dient.According to a first embodiment, a method is proposed for producing hydrogen from an organic peroxide, comprising the following method steps: providing a steam reformer; Providing an organic peroxide and water; At least partial decomposition of the organic peroxide into decomposition products; and - Reforming the decomposition products and / or any remaining proportion of the organic peroxide in the steam reformer, wherein a decomposition heat of the organic peroxide and / or its decomposition products at least partially used to generate steam.
Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht in einer Verringerung der Erstellungskosten und der Betriebskosten des entsprechenden Reformers, und verringerten Kosten zur Wasserstofferzeugung. Das Verfahren kann in Anlagen durchgeführt werden, die an den jeweiligen lokal vorhandenen Bedarf an Wasserstoffgas angepasst sind.An advantage of this method is a reduction in the production costs and the operating costs of the corresponding reformer, and reduced costs for hydrogen production. The process can be carried out in plants which are adapted to the respective locally existing requirement for hydrogen gas.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das vorgeschlagene Verfahren weiterhin: – Zusetzen des organischen Peroxids zu einem Brennstoff, ausgewählt unter einem fossilen Brennstoff, einem Leichtöl, einem Schweröl, einem Kohlestaub, einer verflüssigten Kohle einem Biogas und/oder einer Biomasse.According to another embodiment, the proposed method further comprises: adding the organic peroxide to a fuel selected from a fossil fuel, a light oil, a heavy oil, a coal dust, a liquefied coal, a biogas and / or a biomass.
Die Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich aus dem Anteil des zugesetzten organischen Peroxids und umfassen vor allem eine Beschleunigung der Wasserstoff-Produktion.The advantages of this embodiment result from the proportion of added organic peroxide and, above all, include an acceleration of the hydrogen production.
Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren reduziert sich die Masse des eingesetzten Brennstoffs je erzeugter Menge an Wasserstoff. Sich daraus ergebende Vorteile betreffen einen verringerten Platz- bzw. Raumbedarf einer Dampfreformieranlage zur Erzeugung von Wasserstoff bzw. von Synthesegas.According to the proposed method, the mass of the fuel used is reduced per amount of hydrogen produced. The resulting advantages relate to a reduced space or space requirement of a steam reforming plant for the production of hydrogen or of synthesis gas.
Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren wird ein Volumen eines Dampfreformers bei gleicher Leistung gegenüber einem herkömmlichen Reformer reduziert. Vorteile umfassen die je Volumeneinheit erzeugten Wasserstoffs verringerten Kosten.According to the proposed method, a volume of a steam reformer is reduced at the same power as a conventional reformer. Advantages include the hydrogen produced per unit volume of reduced costs.
Gemäß einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens zur Verwendung von organischem Peroxid in einem Dampfreformer kann der erzeugte Wasserstoff direkt einer Brennstoffzelle zugeführt werden und als Brennstoff der Brennstoffzelle dienen. Vorteile umfassen insbesondere verringerte Kosten eines mit der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Stroms.According to one embodiment of the proposed method for using organic peroxide in a steam reformer, the hydrogen produced can be supplied directly to a fuel cell and serve as fuel of the fuel cell. Advantages include in particular reduced costs of an electric current generated by the fuel cell.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Verwendung eines organischen Peroxids als Brennstoff in einem Dampfreformer vorgeschlagen.According to a further embodiment, the use of an organic peroxide as fuel in a steam reformer is proposed.
Organische Peroxide weisen eine weit höhere Energiedichte als herkömmliche fossile Brennstoffe auf. Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich somit, beispielsweise, aus verringerten Kosten durch einen verringerten Bedarf an Speicherraum für den Brennstoff und eine kompaktere Bauweise der Dampfreformer-Anlage.Organic peroxides have a much higher energy density than conventional fossil fuels. Advantages of this embodiment thus arise, for example, from reduced costs by a reduced fuel storage space and compact design of the steam reformer plant.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das als Brennstoff in einem Dampfreformer verwendete organische Peroxid ausgewählt unter: Di-tert-butylperoxid (DTBP, C8H18O2); tert-Butylperoxybenzoat (TBPB, C11H14O3); tert-Butylperoxy-2-ethylhexanoat (TBPEH, C12H24O3); und/oder Diisononanoylperoxid (Di-(3,5,5-trimethylhexanoyl)-peroxid, INP, C18H34O4).In another embodiment, the organic peroxide used as fuel in a steam reformer is selected from: di-tert-butyl peroxide (DTBP, C 8 H 18 O 2 ); tert-butyl peroxybenzoate (TBPB, C 11 H 14 O 3 ); tert-butyl peroxy-2-ethylhexanoate (TBPEH, C 12 H 24 O 3 ); and / or diisononanoyl (di- (3,5,5-trimethylhexanoyl) peroxide, INP, C 18 H 34 O 4).
Vorteile ergeben sich daraus, dass die benannten organischen Peroxide als Flüssigkeiten vorliegen und somit leicht bei Anpassung vorhandener Anlagen einsetzbar sind. Beispielsweise kann ein flüssiges organisches Peroxid einem üblicherweise verwendeten fossilen Brennstoff zugesetzt werden.Advantages result from the fact that the named organic peroxides are present as liquids and thus are easy to use when adapting existing plants. For example, a liquid organic peroxide may be added to a commonly used fossil fuel.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Dampfreformer vorgeschlagen, der angepasst ist zur Reformierung eines Brennstoffs, umfassend ein organisches Peroxid. Der angepasste Dampfreformer hat insbesondere eine Zersetzungskammer, die von einer doppelten Wandung umgeben ist. Die doppelte Wandung bildet einen die Zersetzungskammer umschließenden Raum, der in einer fluidischen Verbindung zu einer Wasserzufuhr steht.According to another embodiment, a steam reformer adapted for reforming a fuel comprising an organic peroxide is proposed. The adapted steam reformer in particular has a decomposition chamber which is surrounded by a double wall. The double wall forms a chamber enclosing the decomposition chamber, which is in fluid communication with a water supply.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform ergibt sich aus der Vergrößerung einer Oberfläche, die für das Erhitzen von Wasser zur Dampferzeugung zur Verfügung steht.An advantage of this embodiment results from the enlargement of a surface available for heating water to generate steam.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Dampfreformer vorgeschlagen, wobei über die fluidische Verbindung Wasserdampf in den die Zersetzungskammer umschließenden Raum einleitbar ist, sodass der Wasserdampf mit einer Zersetzungswärme des organischen Peroxids erzeugbar ist.According to a further embodiment, a steam reformer is proposed, it being possible for water vapor to be introduced into the space surrounding the decomposition chamber via the fluidic connection, so that the steam can be generated with a decomposition heat of the organic peroxide.
Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich aus einer beschleunigten Erhitzung von Wasser, einer effektiven Dampferzeugung und verringerten Raumbedarfs für die Dampferzeugung und folglich für die Reformeranlage.Advantages of this embodiment result from an accelerated heating of water, an effective steam generation and reduced space requirements for steam generation and consequently for the reformer.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Dampfreformer vorgeschlagen, der weiterhin einen zumindest teilweise mit einem Katalysator gefüllten Raum (Zersetzungskammer) umfasst, der von einem organischen Peroxid durchströmbar ist, um das organische Peroxid vollständig unter Wärmeabgabe zu zersetzen.According to a further embodiment, a steam reformer is proposed, which further comprises an at least partially filled with a catalyst space (decomposition chamber), which is permeated by an organic peroxide to completely decompose the organic peroxide with heat release.
Vorteile dieser Ausführungsform betreffen die Eignung des Dampfreformers zur effektiven Wärmeerzeugung für die Wasserdampferzeugung mit Hilfe einer bei Zersetzung eines Peroxy-Brennstoffs freiwerdenden Zersetzungswärme und die Eignung des Dampfreformers für eine unmittelbare Bereitstellung von Zersetzungsgasen zur Synthesegaserzeugung im eigentlichen Reformer.Advantages of this embodiment relate to the suitability of the steam reformer for the effective generation of heat for steam generation by means of a decomposition heat released by decomposition of a peroxy fuel and the suitability of the steam reformer for an immediate supply of decomposition gases for syngas production in the actual reformer.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Dampfreformer vorgeschlagen, der weiterhin zumindest ein Brennstoffeinlass-Kontroll-Ventil umfasst, das so angeordnet ist, dass die Zufuhr von Brennstoff in die zumindest teilweise mit dem Katalysator gefüllte Zersetzungskammer regelbar ist. Weiterhin umfasst der Dampfreformer zumindest ein Dampffluss-Kontroll-Ventil, das so angeordnet ist, dass ein Dampfeinlass aus dem Wassermantel der Zersetzungskammer in den Reformer regelbar ist.According to a further embodiment, a steam reformer is proposed, which further comprises at least one fuel inlet control valve, which is arranged so that the supply of fuel in the at least partially filled with the catalyst decomposition chamber is adjustable. Furthermore, the steam reformer comprises at least one vapor flow control valve which is arranged so that a steam inlet from the water jacket of the decomposition chamber can be regulated in the reformer.
Vorteile dieser Ausführungsform umfassen die erleichterte und effektivere Steuerung und Kontrolle der Dampfreformierungsanlage im Betrieb.Advantages of this embodiment include facilitated and more effective control and control of the steam reforming plant during operation.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen, zumindest ein organisches Peroxid zur Herstellung von Synthesegas zu verwenden. Vorteile dieser Ausführungsform umfassen die bei angepasster Steuerung erreichbare Steigerung des Kohlenmonoxid-Gehaltes des Synthesegases. Vorteilhafterweise muss das erhaltene Synthesegas nach dem Reaktor nicht mehr aufwendig gereinigt und aufbereitet werden, da das als Brennstoff verwendete organische Peroxid frei von unerwünschten Elementen ist. Deshalb muss beispielsweise kein H2S entfernt werden.According to a further embodiment, it is proposed to use at least one organic peroxide for the production of synthesis gas. Advantages of this embodiment include the increase in the carbon monoxide content of the synthesis gas achievable with adapted control. Advantageously, the synthesis gas obtained after the reactor no longer has to be cleaned and treated consuming, since the organic peroxide used as fuel is free of undesirable elements. Therefore, for example, no H 2 S must be removed.
Die beschriebenen Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden. Insbesondere können einzelne Merkmale der vorstehend kurz beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden. Insbesondere wird ausdrücklich darauf verwiesen, dass es möglich ist, das vorgeschlagene Verfahren zu modifizieren, indem, beispielsweise, eine autothermale Reformierung genutzt wird, die trotzdem ein organisches Peroxid zur Wasserstoffproduktion und anfallende Wärme zur Dampferzeugung verwendet. Auch schließen die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und die nachfolgenden Ausführungen die Verwendung von Peroxy-Brennstoffen entweder als Zuschlagstoff oder als Hauptbrennstoff in einer Brennstoffzelle oder einem Wasserstoffbasierten Energieerzeugungsprozess ausdrücklich mit ein.The described embodiments can be combined with each other as desired. In particular, individual features of the embodiments briefly described above can be combined with each other. In particular, it is expressly pointed out that it is possible to modify the proposed process by, for example, utilizing autothermal reforming, which nevertheless uses an organic peroxide for hydrogen production and resulting heat for steam generation. Also, the above-described embodiments and the following embodiments close the Use of peroxy fuels either as an aggregate or as a major fuel in a fuel cell or a hydrogen-based power generation process.
Gemäß den hier vorgeschlagenen Ausführungsformen können die flüssigen organischen Peroxide sowohl als technisch reine Stoffe aber auch in Mischung mit üblicherweise verwendeten kurz- oder langkettigen Kohlenwasserstoffen eingesetzt werden. Ausdrücklich ist auch die Dampferzeugung durch die Nutzung der Zersetzungswärme der Peroxide eingeschlossen. Weiterhin ist gemäß den vorgeschlagenen oder auch nur grob angerissenen Ausführungsformen auch die Verwendung eines oder mehrerer organischer Peroxide als Additiv in Brennstoffzellen und sonstigen Wasserstoffumwandlungsprozessen zur Energiegewinnung umfasst. Den genannten Anwendungen ist gemeinsam, dass die durch die Zersetzung organischer Peroxide freigesetzte Energie sowohl die ggf. notwendige Zufuhr elektrischer Energie (z. B. zur Dampferzeugung) zumindest verringert bzw. diese Energie zur unmittelbaren (chemischen) Reaktion zur Verfügung stellt (z. B. in Brennstoffzellen), wobei hierbei auch noch der in den organischen Peroxiden vorhandene und bei deren Zersetzung frei werdende Aktivsauerstoff begünstigend wirkt oder wirken kann.According to the embodiments proposed here, the liquid organic peroxides can be used both as technically pure substances but also in mixture with commonly used short- or long-chain hydrocarbons. Steam generation is expressly included by utilizing the decomposition heat of the peroxides. Furthermore, according to the proposed or even roughly torn embodiments, the use of one or more organic peroxides as an additive in fuel cells and other hydrogen conversion processes for energy production includes. The mentioned applications have in common that the energy released by the decomposition of organic peroxides at least reduces the possibly necessary supply of electrical energy (eg for steam generation) or makes this energy available for immediate (chemical) reaction (eg in fuel cells), in which case also the active oxygen present in the organic peroxides and released during their decomposition may have a beneficial effect or act.
Die Dampfreformierung ist ein Verfahren zur Gewinnung von sogenanntem Synthesegas, das eine Mischung aus Wasserstoff mit Kohlenmonoxid darstellt. Während die klassische Dampfreformierung fossiler Brennstoffe, wie Erdgas, Leichtbenzin, Methanol, oder Biogas bei entsprechender Wärmezufuhr unter Bildung von Wasserstoff gemäß nachfolgender Gleichung (1) verläuft:
Während bekannte Verfahren der Dampfreformierung typischerweise auf fossile Brennstoffe zurückgreifen, wird nunmehr vorgeschlagen, die besonderen Eigenschaften organischer Peroxide für die Dampfreformierung zu erschließen, indem diese als Brennstoffe oder Zuschlagstoffe genutzt werden. Das bietet den enormen Vorteil, die bei Umsetzung des neuen Reformier-Brennstoffs freigesetzte Stoffmenge an Wasserstoff enorm zu steigern und zusätzlich freigesetzte Wärme, unmittelbar zur Selbstunterhaltung des Reformiervorganges zu nutzen. Ebenso können gebildete Zersetzungsgase (Zersetzungsprodukte) als Synthesegas oder Bestandteil eines solchen verwendet werden.While known steam reforming techniques typically rely on fossil fuels, it is now proposed to exploit the particular properties of organic peroxides for steam reforming by utilizing them as fuels or aggregates. This offers the enormous advantage of enormously increasing the amount of hydrogen released during the conversion of the new reforming fuel and additionally utilizing the heat released, which is directly used for the self-maintenance of the reforming process. Similarly, formed decomposition gases (decomposition products) can be used as synthesis gas or a component thereof.
Die beiliegenden Zeichnungen veranschaulichen einzelne Ausführungsformen des vorgeschlagenen Verfahrens und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung. Die Elemente der Zeichnungen sind relativ zueinander und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu.The accompanying drawings illustrate particular embodiments of the proposed method and, together with the description, serve to explain the principles of the invention. The elements of the drawings are relative to one another and not necessarily to scale.
Insbesondere ist in
Die bekannten Verfahren der Dampfreformierung sind mithin durch die nachfolgend aufgeführten nachteiligen Merkmale gekennzeichnet:
- 1. Für die Erzeugung einer praktisch nutzbaren Menge an Wasserstoff ist notwendig, eine große Menge an Kohlenwasserstoffen (Brennstoff) und Wasser bereitzustellen und zu lagern;
- 2. Es ist elektrischer Strom erforderlich, um Wasser in Dampf zu verwandeln;
- 3. Eine dementsprechend höhere Menge der Luft-Brennstoff-Mischung muss am Brenner bereitgestellt werden;
- 4. Gesamtkosten und Größe der Reformeranlage ist Beschränkungen unterworfen für Anwendungen, in denen die Kompaktheit der Anlage an erster Stelle steht;
- 5. Fossile Brennstoffe müssen vor der Verwendung im Reformer von Schwefel und anderen unerwünschten Elementen befreit werden.
- 1. For the generation of a practical usable amount of hydrogen is necessary to provide and store a large amount of hydrocarbons (fuel) and water;
- 2. Electricity is required to turn water into steam;
- 3. A correspondingly higher amount of air-fuel mixture must be provided to the burner;
- 4. The total cost and size of the reformer plant is limited for applications where compactness of the plant comes first;
- 5. Fossil fuels must be freed of sulfur and other undesirable elements prior to use in the reformer.
Im Gegensatz dazu ist der hier vorgeschlagene Reformer hingegen angepasst für die Verwendung organischer, bevorzugt flüssiger, Peroxid-Brennstoffe. Indem die Zersetzungswärme des Peroxids zur Dampferzeugung genutzt wird, kann die Reformierung des Peroxid-Brennstoffs effektiver gestaltet werden, als im herkömmlichen Reformer.In contrast, the reformer proposed here is adapted for the use of organic, preferably liquid, peroxide fuels. By utilizing the decomposition heat of the peroxide to generate steam, the reforming of the peroxide fuel can be made more effective than in the conventional reformer.
In
Dabei haben die verwendeten Bezugszeichen die folgende Bedeutung:The reference symbols used have the following meaning:
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Peroxy-Brennstoff ZuführungPeroxy fuel feed
- 22
- Zuführende Rohrleitung für Peroxy-BrennstoffFeeding piping for peroxy fuel
- 33
- Brennstoffeinlass-Kontroll-VentilFuel inlet control valve
- 44
- KaltwasserzufuhrCold water supply
- 55
- Zuführende Rohrleitung für WasserFeeding pipeline for water
- 66
- Wasserzufuhr-Kontroll-VentilWater supply control valve
- 77
- Wassermantel (Doppelwand, wassergefüllt)Water jacket (double wall, water filled)
- 88th
- Äußere Oberfläche des Wassermantels (isoliert)Outer surface of the water jacket (isolated)
- 99
- Kammer zur Zersetzung des Peroxy-BrennstoffsChamber for the decomposition of peroxy fuel
- 1010
- Region der Zersetzung des Peroxids in Gegenwart eines KatalysatorsRegion of decomposition of the peroxide in the presence of a catalyst
- 1111
- Dampffluss-Kontroll-Ventil zum ReformerSteam flow control valve to the reformer
- 1212
-
Dampfeinlassrichtung zum Reformer
22 Steam inlet direction to thereformer 22 - 1313
- Einlassrichtung für Zersetzungsprodukte der Peroxy-BrennstoffeInlet direction for decomposition products of peroxy fuels
- 1414
- Flusskontrollventil für ZersetzungsgaseFlow control valve for decomposition gases
- 1515
- Innere Wandung des ReformersInner wall of the reformer
- 1616
- Äußere Wandung des Reformers (mit Brenner-Einheit zwischen innerer und äußerer Wandung) zum Aufheizen des ReformersOuter wall of the reformer (with burner unit between inner and outer wall) for heating the reformer
- 1717
- Wasserstoff-AuslassHydrogen outlet
- 1818
- Zur Druckwechseladsorptionsvorrichtung (PSA)Pressure swing adsorption device (PSA)
- 1919
- Kohlenmonoxid-AuslassCarbon monoxide outlet
- 2020
- Zur Hochtemperatur-Konversion (Wassergas-Shift-Reaktion)For high-temperature conversion (water gas shift reaction)
- 2121
-
Zusätzlicher Wärmetransfer der Reformer-(Verbrennungs-)Kammerwärme an den Wassermantel
7 Additional heat transfer of the reformer (combustion) chamber heat to thewater jacket 7 - 2222
- Reformerreformer
- 2323
- Kohlendioxid-AbgasbehandlungCarbon dioxide gas treatment
Verfahrensgemäß gelangt der Peroxy-Brennstoff
Nun wird den Zersetzungsprodukten über Ventil
Die nachfolgende Tabelle 1 fasst typische Merkmale der hier besprochenen Peroxy-Brennstoffe zusammen. Tabelle 1
Beispielexample
Im nachfolgenden Beispiel soll an Di-tert-butylperoxid (DTBP), einem flüssigen organischen Peroxy-Brennstoff, eine vereinfachte Zersetzungs-Reaktion von DTBP gezeigt und hinsichtlich der Merkmale des beschriebenen Verfahrens diskutiert werden.In the following example, di-tert-butyl peroxide (DTBP), a liquid organic peroxy fuel, is shown to exhibit a simplified decomposition reaction of DTBP and to discuss the characteristics of the process described.
DTBP reagiert bei der Dampfreformierung gemäß Summenformel wie folgt:
Die zur Zersetzung erforderliche Heizrate (kW), ergibt sich aus dem Produkt von Massenstrom (mf) des Brennstoffs mit der spezifischen Wärmekapazität (cp) und Delta T (ΔT), wie:
Die spezifische Wärmekapazität von Peroxiden beträgt ~ 2 kJ/kg·K.The specific heat capacity of peroxides is ~ 2 kJ / kg · K.
Die Zersetzung des Peroxy-Brennstoffs mit einem Massenstrom mf = 1 kg/s erfordert bei einer Umgebungstemperatur von Ta = 293 K eine Heizrate von 92 kW bis 140 kW (vgl. Start-Zersetzungstemperatur Tdec in Tabelle 1).The decomposition of the peroxy fuel with a mass flow m f = 1 kg / s requires at an ambient temperature of T a = 293 K a heating rate of 92 kW to 140 kW (see start decomposition temperature T dec in Table 1).
Die jeweils freigesetzte, d. h. gewonnene Wärmemenge (entsprechend Δhdec), ist in der Tabelle 1 angegeben und liegt für die angeführten organischen Peroxy-Brennstoffe zwischen 954 kW (für INP) und 1365 kW (für DTBP), woraus sich eine Heizrate (Qd2)
Das trägt unmittelbar dazu bei, die Masse eingesetzten Peroxy-Brennstoffs (bei einem als stabil angenommenen Wärmebedarf von 34 kW, [5]) von 1 kg auf 0,027 kg bis 0,04 kg zu reduzieren.This directly contributes to reducing the mass of peroxy fuel used (assuming a stable heat requirement of 34 kW, [5]) from 1 kg to 0.027 kg to 0.04 kg.
Mit anderen Worten, es wird 25 mal bis 37 mal weniger Peroxy-Brennstoff (in Abhängigkeit von der konkreten Verbindung) bzw. nur 1/37 bis zu 1/25 der üblicherweise verwendeten Brennstoffmenge benötigt.In other words, it is 25 times to 37 times less peroxide fuel (depending on the specific compound) or only 1/37 to 1/25 of the commonly used amount of fuel needed.
In Tabelle 2 sind die wesentlichen Unterschiede der vorgeschlagenen Peroxyd-Reformierung gegenüber der bekannten Reformierung von Kohlenwasserstoffen zusammengefasst. Tabelle 2
Nachteile bekannter Lösungen, beispielsweise bei der Reformierung von Methan, sind nachfolgend angeführt:
- – Für eine vorgesehene Menge herzustellenden Wasserstoffs müssen große Mengen an Kohlenwasserstoffen (Erdgas, Leichtbenzin) oder Methanol, Biogas oder Biomasse gelagert bzw. der Dampfreformeranlage zugeführt werden;
- – Für die Erzeugung des Wasserdampfes in den Reformierungsanlagen werden große Mengen an elektrischer oder sonstiger Heizenergie benötigt;
- – Die Brenner für den eigentlichen Reformingprozess benötigen größere Mengen an Brennstoff/Luft-Gemischen;
- – Die Größe der Reformer ist limitiert; kompaktere Anlagen können aufgrund der erforderlichen Mengen an Wasserdampf und Brennstoff nicht ökonomisch realisiert werden;
- – Fossile Brennstoffe (Methan) müssen vor dem Einsatz gereinigt bzw. von störenden Beimengungen (z. B. Schwefel) befreit werden.
- - For an intended quantity of hydrogen to be produced, large quantities of hydrocarbons (natural gas, light gasoline) or methanol, biogas or biomass must be stored or fed to the steam reformer;
- - For the generation of water vapor in the reforming plants large amounts of electrical or other heating energy is needed;
- - The burners for the actual reforming process require larger amounts of fuel / air mixtures;
- - The size of the reformers is limited; more compact plants can not be realized economically due to the required amounts of water vapor and fuel;
- - Fossil fuels (methane) must be cleaned before use or freed of interfering admixtures (eg sulfur).
Daraus ergibt sich die Aufgabe, ein Verfahren zur Energieerzeugung bereitzustellen, das die angeführten Nachteile der bisherigen Systeme durch Verwendung alternativer Brennstoffe zu beseitigen bzw. zu verringern sucht. Das vorgeschlagene Verfahren zur Dampfreformierung auf der Basis alternativer Einsatzstoffe (organischer Peroxide) allein oder im Kombination mit herkömmlichen Kohlenwasserstoffen oder anderen kohlenstoffbasierten Stoffen wird dieser Aufgabe gerecht.The object is therefore to provide a method for generating energy, which seeks to eliminate or reduce the mentioned disadvantages of the previous systems by using alternative fuels. The proposed process for steam reforming based on alternative starting materials (organic peroxides) alone or in combination with conventional hydrocarbons or other carbon-based materials does this task.
Das vorgeschlagene Verfahren basiert darauf, dass
- – mit dem Verfahren und dem vorgeschlagenen Reformer flüssige organische Peroxide anstelle von kurz- oder langkettigen Kohlenwasserstoffen zur Herstellung von Wasserstoff in einem Reformierungsprozess Verwendung finden;
- – die flüssigen organischen Peroxide dabei sowohl als technisch reine Stoffe aber auch in Mischung mit den üblicherweise verwendeten Kohlenwasserstoffen eingesetzt werden können;
- – die Dampferzeugung durch Nutzung der Zersetzungswärme der Peroxide eine wesentliche Steigerung der Effizienz des Reformierprozesses ausmacht; und
- – weiterhin organische Peroxide als Additive in Brennstoffzellen und sonstigen Wasserstoffumwandlungsprozessen zur Energiegewinnung zum Einsatz kommen.
- Using the process and the proposed reformer, liquid organic peroxides instead of short or long chain hydrocarbons to produce hydrogen in a reforming process;
- - The liquid organic peroxides can be used both as technically pure substances but also in mixture with the commonly used hydrocarbons;
- - The steam generation by utilizing the decomposition heat of peroxides constitutes a significant increase in the efficiency of the reforming process; and
- - Continue to use organic peroxides as additives in fuel cells and other hydrogen conversion processes for energy.
Wichtig bei allen Prozessen ist, dass die durch die Zersetzung der organischen Peroxide freiwerdende Energie sowohl die ggf. notwendige Zufuhr elektrischer Energie (z. B. zur Dampferzeugung) zumindest verringert bzw. diese Energie zur unmittelbaren (chemischen) Reaktion zur Verfügung stellt (z. B. in Brennstoffzellen), wobei hierbei auch noch der in den organischen Peroxiden vorhandene Aktivsauerstoff begünstigend wirken kann.It is important in all processes that the energy released by the decomposition of the organic peroxides at least reduces the possibly necessary supply of electrical energy (eg for steam generation) or makes this energy available for immediate (chemical) reaction (eg. B. in fuel cells), in which case also present in the organic peroxides active oxygen may have a favorable effect.
Aus der Verwendung von Peroxy-Brennstoffen zur Wasserstoffgewinnung ergeben sich beispielsweise die nachfolgend angeführten Vorteile:
- 1. Kein Erfordernis, elektrischen Strom für die Dampferzeugung einzusetzen, da die Zersetzungswärme von Peroxy-Brennstoffen die für die Dampferzeugung erforderliche Energie bereitstellt;
- 2. Der Anteil des (zur Zersetzung) bereitzustellenden Brennstoffs reduziert sich um einen Faktor von 25 bis 37. Alternativ kann die überschüssige Wärmemenge zur Stromerzeugung genutzt werden. Mit anderen Worten: Die Nutzung der bei der Zersetzung der organischen Peroxide freiwerdenden Energie zur direkten Umwandlung von Wasser in Wasserdampf verringert die ansonsten hierfür notwendige Menge an Energiezufuhr vollständig.
- 3. Für die gleiche Menge produzierten Wasserstoffs reduziert sich die Menge bereitzustellenden Brennstoffs um den gleichen Faktor von 25 bis 37. Mit anderen Worten: Für eine bestimmte Menge an zu erzeugendem Wasserstoff wird 25 bis 37 mal weniger organisches Peroxid benötigt als z. B. Methan.
- 4. Der erforderliche Raum bzw. die erforderliche Baugröße der Anlage last sich um den Faktor 25 bis 37 reduzieren.
- 5. Im Ergebnis der Vorteile in
Punkt 4, sind auch die Erstellungskosten einer Anlage reduziert. - 6. Es kann eine kompakte und bedarfsgerecht dimensionierte, ggf. auch kleine, Anlage zur vor-Ort-Erzeugung von Wasserstoff gebaut werden.
- 7. Kosten (beispielsweise für die Verflüssigung und Kühlung sowie den Transport), Gefahren (Explosionsgefahr bei Knallgasbildung) und Verluste (zwangsläufig beim Um- und Abfüllen auftretend) bei Lieferung von Wasserstoff aus Großanlagen an den jeweiligen Einsatzort werden vermieden.
- 1. No requirement to use electric power for steam generation, as the heat of decomposition of peroxy fuels provides the energy required for steam generation;
- 2. The proportion of fuel (to decompose) to be provided is reduced by a factor of 25 to 37. Alternatively, the excess heat can be used to generate electricity. In other words, the use of the energy released in the decomposition of the organic peroxides for the direct conversion of water into water vapor reduces the otherwise necessary amount of energy supply completely.
- 3. For the same amount of hydrogen produced, the amount of fuel to be supplied is reduced by the same factor of 25 to 37. In other words, for a given amount of hydrogen to be generated, 25 to 37 times less organic peroxide is needed than, for example, Methane.
- 4. The required space or the required size of the system load can be reduced by a factor of 25 to 37.
- 5. As a result of the advantages in
point 4, also the creation costs of a plant are reduced. - 6. It can be built a compact and needs-sized, possibly even small, plant for on-site generation of hydrogen.
- 7. Costs (eg for liquefaction and cooling as well as transport), hazards (danger of explosion due to the formation of oxyhydrogen gas) and losses (inevitably occurring during refilling and filling) in the case of delivery of hydrogen from large plants to the respective place of use are avoided.
Hinweis: Aufgrund der Gefahr einer spontanen Zersetzung, die unter bestimmten Bedingungen von organischen Peroxiden ausgehen kann, ist dringend vorzusehen, dass bei der Lagerung und Bereitstellung ggf. temperaturkontrollierte Bedingungen eingehalten werden. Insbesondere muss die jeweilige SADT (Self-Accelerating Decomposition Temperatur) des eingesetzten organischen Peroxids beachtet werden.Note: Due to the risk of spontaneous decomposition, which under certain conditions may be caused by organic peroxides, it is urgent to ensure that temperature-controlled conditions are observed during storage and provision. In particular, the respective SADT (Self-Accelerating Decomposition Temperature) of the organic peroxide used must be taken into account.
Zusammenfassend wird ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff aus einem organischem Peroxid vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Dampfreformers; Bereitstellen eines organischen Peroxids und Bereitstellen von Wasser; zumindest teilweises Zersetzen des organischen Peroxids in Zersetzungsprodukte; Reformieren der Zersetzungsprodukte und/oder des verbliebenen organischen Peroxids im Dampfreformer, wobei eine Zersetzungswärme der Zersetzungsprodukte und/oder des organischen Peroxids zumindest teilweise zur Dampferzeugung dient. Weiter wird ein Dampfreformer vorgeschlagen, der angepasst ist zur Reformierung eines Brennstoffs, umfassend ein organisches Peroxid vorgeschlagen. Der Dampfreformer umfasst: eine Zersetzungskammer, wobei die Zersetzungskammer von einer doppelten Wandung umgeben ist, die einen die Zersetzungskammer umschließenden Raum bildet, der in einer fluidischen Verbindung zu einer Wasserzufuhr steht. Weiter wird ein Verfahren zur Wasserstoffherstellung und zur Herstellung eines Synthesegases, umfassend die Reformierung eines organischen Peroxids vorgeschlagen.In summary, a method for producing hydrogen from an organic peroxide is proposed. The method comprises: providing a steam reformer; Providing an organic peroxide and providing water; at least partially decomposing the organic peroxide into decomposition products; Reforming the decomposition products and / or the remaining organic peroxide in the steam reformer, wherein a decomposition heat of the decomposition products and / or the organic peroxide serves at least partially for steam generation. Further, a steam reformer adapted for reforming a fuel comprising an organic peroxide is proposed. The steam reformer comprises: a decomposition chamber, the decomposition chamber being surrounded by a double wall forming a space enclosing the decomposition chamber, which is in fluid communication with a water supply. Further proposed is a process for producing hydrogen and producing a synthesis gas comprising reforming an organic peroxide.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sollten keinesfalls als einschränkend für die vorliegende Erfindung verstanden werden. Die nachfolgenden Ansprüche stellen einen ersten, nicht bindenden Versuch dar, die Erfindung allgemein zu definieren.The present invention has been explained with reference to exemplary embodiments. These embodiments should by no means be construed as limiting the present invention. The following claims are a first, non-binding attempt to broadly define the invention.
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