DE102014007001A1 - Verfahren und Anlage zur Herstellung von H2-reichem Synthesegas - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung von H2-reichem Synthesegas weist folgende Schritte auf: Aufspalten eines kohlenwasserstoffhaltigen Fluids zu einem H2/C-Aerosol in einem ersten Kohlenwasserstoffkonverter durch einen Energieeintrag, der wenigstens teilweise durch Wärme geleistet wird; Einleiten von wenigstens einem ersten Strom des H2/C-Aerosols in einen ersten Teilprozess, der folgende Schritte aufweist: Leiten von wenigstens einem Teil des H2/C-Aerosols von dem ersten Kohlenwasserstoffkonverter zu einem ersten C-Konverter; Einleiten von CO2 in den ersten C-Konverter und Vermischen des CO2 mit dem in den ersten C-Konverter eingeleiteten H2/C-Aerosol; Umwandeln der Mischung aus H2/C-Aerosol und CO2 in ein Synthesegas bei einer Temperatur von 800 bis 1700°C; Vermischen von zusätzlichem H2 mit dem Synthesegas zur Erzeugung von H2-reichem Synthesegas. In einem zweiten Teilprozess parallel zum ersten Teilprozess werden Wasserstoff H2 und Kohlendioxid CO2 aus einem kohlenwasserstoffhaltigem Fluid erzeugt, wobei wenigstens ein Teil des im zweiten Teilprozess erzeugten CO2 in den ersten C-Konverter eingeleitet wird; und wobei wenigstens ein Teil des im zweiten Teilprozess erzeugten H2 mit dem Synthesegas aus dem ersten C-Konverter vermischt wird. Das CO2, welches für eine Umwandlung von C im ersten C-Konverter benötigt wird, kann so unabhängig von einer externen Quelle bereitgestellt werden, und der gesamte Verfahrensablauf wird leicht steuerbar.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und Anlage zur Herstellung von H2-reichem Synthesegas.
  • Aus WO/2013/091878 ist ein Verfahren zur Herstellung von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen bekannt, welches das Aufspalten eines kohlenwasserstoffhaltigen Fluids zu einem H2/C-Aerosol aus Kohlenstoff C und Wasserstoff H2 in einem Kohlenwasserstoffkonverter, das Leiten von wenigstens einem Teil des Aerosols von dem Kohlenwasserstoffkonverter in einen C-Konverter sowie das Einleiten von CO2 aus einer externen Quelle, z. B. aus einem Industrieprozess, in den C-Konverter aufweist. In dem C-Konverter wird das CO2-Gas mit dem H2/C-Aerosol vermischt, wobei bei einer hohen Temperatur das CO2-Gas und der Kohlenstoff in Kohlenmonoxid CO umgewandelt werden. Das Kohlenmonoxid und der Wasserstoff werden in einem CO-Konverter mittels eines Katalysators in synthetische Kohlenwasserstoffe umgewandelt. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass eine unabhängige Quelle für CO2-Gas zur Verfügung stehen muss und weiterhin die Erzeugung der synthetischen Kohlenwasserstoffe von der Lieferkapazität der Quelle für CO2-Gas abhängt.
  • Daher ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung von H2-reichem Synthesegas bereitzustellen, bei denen eine externe Quelle für CO2-Gas nicht notwendig ist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von, welches folgende Schritte aufweist: Aufspalten eines kohlenwasserstoffhaltigen Fluids zu einem H2/C-Aerosol in einem ersten Kohlenwasserstoffkonverter durch einen Energieeintrag, der wenigstens teilweise durch Wärme geleistet wird; Einleiten von wenigstens einem ersten Strom des H2/C-Aerosols in einen ersten Teilprozess, der folgende Schritte aufweist: Leiten von wenigstens einem Teil des H2/C-Aerosols von dem ersten Kohlenwasserstoffkonverter zu einem ersten C-Konverter; Einleiten von CO2 in den ersten C-Konverter und Vermischen des CO2 mit dem in den ersten C-Konverter eingeleiteten H2/C-Aerosol; Umwandeln der Mischung aus H2/C-Aerosol und CO2 in ein Synthesegas bei einer Temperatur von 800 bis 1700°C; Vermischen von zusätzlichem H2 mit dem Synthesegas zur Erzeugung von H2-reichem Synthesegas. In einem zweiten Teilprozess parallel zum ersten Teilprozess werden Wasserstoff H2 und Kohlendioxid CO2 aus einem kohlenwasserstoffhaltigem Fluid erzeugt, wobei wenigstens ein Teil des im zweiten Teilprozess erzeugten CO2 in den ersten C-Konverter eingeleitet wird; und wobei wenigstens ein Teil des im zweiten Teilprozess erzeugten H2 mit dem Synthesegas aus dem ersten C-Konverter vermischt wird. Das CO2, welches für eine Umwandlung von C im ersten C-Konverter benötigt wird, kann so unabhängig von einer externen Quelle bereitgestellt werden, und der gesamte Verfahrensablauf wird leicht steuerbar.
  • Das CO2 und ein Teil des H2 werden im zweiten Teilprozess vorzugsweise durch eine Watergas-Shift-Reaktion aus CO und H2O erzeugt. Dabei wird das CO, welches in die Watergas-Shift-Reaktion eingeleitet wird, vorteilhafterweise in einem zweiten C-Konverter aus Kohlenstoff C und Wasser H2O bei einer Temperatur von 800 bis 1700°C erzeugt.
  • Der Kohlenstoff, der in dem zweiten C-Konverter in CO umgewandelt wird, liegt gemäß einer bevorzugten Ausführung als C-Partikel eines H2/C-Aerosols vor. In einer Ausführung ist das H2/C-Aerosol, dessen Kohlenstoff im zweiten C-Konverter in CO umgewandelt wird, ein zweiter Strom des im ersten Kohlenwasserstoffkonverter erzeugten H2/C-Aerosols. Bei dieser Variante wird nur ein Kohlenwasserstoffkonverter benötigt, was Kosteneinsparungen ermöglicht. Alternativ wird das H2/C-Aerosol durch Aufspalten von kohlenwasserstoffhaltigem Fluid in einem zweiten Kohlenwasserstoffkonverter durch einen Energieeintrag erzeugt, der wenigstens teilweise durch Wärme geleistet wird. Bei dieser Variante werden zwar mehrere Kohlenwasserstoffkonverter benötigt, aber der Betrieb der einzelnen Konverter lässt sich genauer steuern.
  • Der Energieeintrag beim Aufspalten von kohlenwasserstoffhaltigem Fluid in wenigstens einem der ersten und zweiten Kohlenwasserstoffkonverter erfolgt vorzugsweise primär über ein Plasma. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn das Aufspalten des Kohlenwasserstoff enthaltenden Fluids im zweiten Teilprozess bei einer Temperatur unter 1000°C, insbesondere unter 600°C, mittels eines Mikrowellenplasmas erfolgt. So kann der Energieverbrauch des Verfahrens verringert werden.
  • Das Verhältnis CO zu H2 im H2-reichen Synthesegas wird bei dem Verfahren vorzugsweise auf einen Wert von größer 1:1 bis 1:3 eingestellt, insbesondere auf einen Wert von ungefähr 1:2,1. Dadurch wird es möglich, in wirtschaftlicher Weise ein Verfahren zur Herstellung von synthetischen Kohlenwasserstoffen auszuführen, bei dem ein H2-reiches Synthesegas durch ein Verfahren gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungen hergestellt wird, und wobei das H2-reiche Synthesegas dann mit einem Katalysator in Kontakt gebracht wird und die Temperatur des Katalysators und/oder des Synthesegases auf einen vorbestimmten Temperaturbereich gesteuert oder geregelt wird, um synthetische Kohlenwasserstoffe zu erzeugen.
  • Abhängig von dem eingesetzten Verfahren zur Herstellung von synthetischen Kohlenwasserstoffen fällt Wasser als Nebenprodukt an (auch Produktwasser genannt), und das Wasser ist üblicherweise mit einem Anteil der Kohlenwasserstoffe vermischt. Das mit Kohlenwasserstoffen vermischte Wasser kann Umweltverschmutzung verursachen. Bei einer Ausführung des hier beschriebenen Verfahrens zur Herstellung von synthetischen Kohlenwasserstoffen wird zumindest ein Teil des Wassers vermischt mit dem Anteil der Kohlenwasserstoffe in den zweiten C-Konverter oder in einen kombinierten Kohlenwasserstoff/C-Konverter eingeleitet. Das (Produkt-)Wasser kann mittels eines Wärmetauschers vorgeheizt werden, bevor es in den C-Konverter oder den kombinierten Kohlenwasserstoff/C-Konverter eingeleitet wird. Die Kohlenwasserstoffe, die vermischt mit dem Wasser eingeleitet werden zerfallen bei den im zweiten C-Konverter oder im kombinierten Kohlenwasserstoff/C-Konverter auftretenden Betriebstemperaturen. So ist eine aufwändige Reinigung des Wassers nicht nötig.
  • Weiter wird die Aufgabe durch eine Anlage zur Herstellung von H2-reichem Synthesegas gelöst, welche zumindest einen ersten Kohlenwasserstoffkonverter zum Aufspalten eines Kohlenwasserstoff enthaltenden Fluids zu einem H2/C-Aerosol aufweist, der wenigstens einen Prozessraum mit wenigstens einem Kohlenwasserstoffeingang für ein Kohlenwasserstoff enthaltendes Fluid und wenigstens einem ersten Aerosol-Ausgang für H2/C-Aerosol und wenigstens eine Einheit zum Einbringen von Energie in den Prozessraum aufweist, wobei die Energie wenigstens teilweise aus Wärme besteht. Die Anlage weist weiter eine erste Gruppe von Konvertern zur Ausführung eines ersten Teilprozesses und eine zweite Gruppe von Konvertern zur Ausführung eines zweiten Teilprozesses auf. Die erste Gruppe von Konvertern weist folgendes auf: einen ersten C-Konverter zur Umwandlung von C und CO2 in CO, wobei der erste C-Konverter wenigstens einen weiteren Prozessraum mit wenigstens einem CO2-Eingang für CO2, wenigstens einem Aerosol-Eingang für H2/C-Aerosol und wenigstens einem Ausgang aufweist, wobei der Aerosol-Eingang des ersten C-Konverters direkt mit dem wenigstens einem Aerosol-Ausgang des ersten Kohlenwasserstoffkonverters verbunden ist; einen ersten Mischer, der einen Synthesegaseingang, der mit dem Ausgang des ersten C-Konverters verbunden ist, und einen H2-Eingang für zusätzliches H2 aufweist und geeignet ist, eintretendes Synthesegas und zusätzliches H2 zu H2-reichem Synthesegas zu vermischen. Die zweite Gruppe von Konvertern weist einen zweiten CO-Konverter auf, der wenigstens einen Ausgang für CO2 und einen Ausgang für H2 und wenigstens einen Eingang für wenigstens Synthesegas hat, wobei der Ausgang für CO2 mit dem Eingang für CO2 des ersten C-Konverters verbunden ist; und wobei der Ausgang für H2 mit dem H2-Eingang des Mischers verbunden ist. Das CO2, welches für eine Umwandlung von C im ersten C-Konverter benötigt wird, kann so unabhängig von einer externen Quelle durch den zweiten CO-Konverter bereitgestellt werden.
  • Der zweite CO-Konverter ist vorzugsweise geeignet, eine Wassergas-Shift-Reaktion auszuführen, bei der CO und H2O zu CO2 und H2 umgewandelt werden. Bei einer Ausführung des zweiten CO-Konverters ist der Eingang für wenigstens Synthesegas zum gemeinsamen Einleiten des H2O und des Synthesegases in den zweiten CO-Konverter vorgesehen. Bei einer anderen Ausführung weist der zweite CO-Konverter einen separaten H2O-Eingang zum Einleiten des H2O getrennt von dem Synthesegas auf.
  • Die zweite Gruppe von Konvertern weist vorzugsweise einen zweiten C-Konverter zur Umwandlung von C und H2O in CO und H2 auf, wobei der zweite C-Konverter wenigstens einen Prozessraum mit wenigstens einem H2O-Eingang für H2O, wenigstens einem Aerosol-Eingang für H2/C-Aerosol und wenigstens einen Ausgang für Synthesegas aufweist, und wobei der Ausgang für Synthesegas des zweiten C-Konverters mit dem Eingang für wenigstens Synthesegas des zweiten CO-Konverters verbunden ist.
  • Bei einer Ausführungsform der Anlage weist der erste Kohlenwasserstoffkonverter wenigstens einen zweiten Aerosol-Ausgang für H2/C-Aerosol auf, der mit dem wenigstens einen Aerosol-Eingang des zweiten C-Konverters verbunden ist. Bei dieser Variante wird nur ein Kohlenwasserstoffkonverter benötigt, was Kosteneinsparungen ermöglicht.
  • Bei einer anderen Ausführungsform der Anlage weist die zweite Gruppe von Konvertern einen zweiten Kohlenwasserstoffkonverter zum Aufspalten eines Kohlenwasserstoff enthaltenden Fluids zu einem H2/C-Aerosol auf, der wenigstens einen Prozessraum mit wenigstens einem Eingang für ein Kohlenwasserstoff enthaltendes Fluid und wenigstens einem Aerosol-Ausgang für H2/C-Aerosol und wenigstens eine Einheit zum Einbringen von Energie in den Prozessraum aufweist, die wenigstens teilweise aus Wärme besteht; und wobei der Aerosol-Ausgang des zweiten Kohlenwasserstoffkonverters mit dem wenigstens einen Aerosol-Eingang des zweiten C-Konverters verbunden ist. Bei dieser Variante werden zwar mehrere Kohlenwasserstoffkonverter benötigt, aber der Betrieb der einzelnen Konverter lässt sich genauer steuern.
  • Vorzugsweise ist der erste Kohlenwasserstoffkonverter ein Hochtemperatur-Plasmakonverter, und der zweite Kohlenwasserstoffkonverter ist ein Niedertemperatur-Plasmakonverter oder ein thermisch betriebener Kohlenwasserstoffkonverter, der Abwärme aus dem ersten Kohlenwasserstoffkonverter zum Beheizen nutzt. So kann der Energieverbrauch des Verfahrens verringert werden.
  • Bei einer Ausführung der Anlage ist am Eingang des ersten C-Konverters und/oder des zweiten C-Konverters ein Filter angeordnet, der zum Trennen von H2 und C-Partikeln geeignet ist. Alternativ ist im ersten C-Konverter und/oder im zweiten C-Konverter ein Filter integriert, der zum Trennen von H2 und C-Partikeln geeignet ist. Wenn der Filter vorhanden ist, kann die Anlage anstatt mit H2/C-Aerosol auch alleine mit C-Partikeln betrieben werden.
  • Eine Anlage zur Herstellung von synthetischen Kohlenwasserstoffen wird beschrieben, die eine Anlage nach einer der oben beschriebenen Ausführungen und einen ersten CO-Konverter aufweist. Der erste CO-Konverter weist einen Prozessraum auf, in dem ein Katalysator angeordnet ist, weiter wenigstens einen Eingang für Synthesegas, der mit dem Ausgang des ersten C-Konverters verbunden ist, Mittel zum Leiten eines Synthesegases in Kontakt mit dem Katalysator, und eine Steuereinheit zum Steuern oder Regeln der Temperatur des Katalysators und/oder des Synthesegases auf eine vorbestimmte Temperatur.
  • Bei einer Anlage zur Herstellung von synthetischen Kohlenwasserstoffen, bei welcher der erste CO-Konverter zur Ausführung eines Verfahrens zur Herstellung von synthetischen Kohlenwasserstoffen geeignet ist, bei dem Wasser, welches mit einem Anteil der Kohlenwasserstoffe vermischt ist, als Nebenprodukt anfällt, wird vorteilhafterweise zumindest ein Teil des Wassers vom ersten Kohlenwasserstoffkonverter vermischt mit dem Anteil der Kohlenwasserstoffe in den zweiten C-Konverter eingeleitet. Eine aufwändige Reinigung des Wassers ist dann nicht nötig. Bei dieser Ausführung der Anlage zur Herstellung von synthetischen Kohlenwasserstoffen kann optional der zweite C-Konverter mit dem zweiten Kohlenwasserstoffkonverter kombiniert sein.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen anhand der Zeichnungen näher erläutert.
  • 1 zeigt eine erste Ausführung einer Anlage zur Herstellung von Kohlenwasserstoffen, die ein Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung ausführen kann;
  • 2 zeigt eine weitere Ausführung einer Anlage zur Herstellung von Kohlenwasserstoffen, die ein Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung ausführen kann; und
  • 3 zeigt noch eine weitere Ausführung einer Anlage zur Herstellung von Kohlenwasserstoffen, die ein Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung ausführen kann.
  • 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 sind jedoch nicht im einschränkenden Sinne zu verstehen. Ferner werden in den unterschiedlichen Figuren zum Teil dieselben Bezugszeichen verwendet, sofern gleiche oder ähnliche Teile bezeichnet werden. In der vorliegenden Anmeldung werden weiter Prozesse und Vorrichtungen beschrieben, die ”heiße” Stoffe oder ”heiße” Prozesse ausführen. Im Zusammenhang mit dieser Beschreibung soll der Ausdruck ”heiß” eine Temperatur über 200°C und vorzugsweise über 300°C beschreiben. Sofern in der vorliegenden Anmeldung synthetische Kohlenwasserstoffe erwähnt werden, sind damit alle synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen gemeint.
  • 1 stellt schematisch eine Anlage 1 zur Herstellung eines wasserstoffreichen (H2-reichen) Synthesegases dar. Die Anlage 1 weist eine erste Gruppe von Konvertern 3 und eine zweite Gruppe von Konvertern 5, und einen ersten Kohlenwasserstoffkonverter 9 auf. Die Anlage 1 bildet zusammen mit einem ersten CO-Konverter 7 eine Anlage 2 zur Herstellung von synthetischen Kohlenwasserstoffen, die weiter unten genauer beschrieben wird. Aus der 1 wird auch der grundlegende Verfahrensablauf zur Herstellung von H2-reichem Synthesegas und der folgenden Herstellung von synthetischen Kohlenwasserstoffen aus einem H2-reichen Synthesegas gemäß dieser Beschreibung deutlich.
  • Der erste Kohlenwasserstoffkonverter 9 kann ein kohlenwasserstoffhaltiges Fluid in ein C/H2-Aerosol umwandeln und weist einen Kohlenwasserstoffeingang 11 sowie einen Aerosol-Ausgang 12 für C/H2-Aerosol auf. Nach dem Aerosol-Ausgang 12 (z. B. am Eingang eines nachfolgenden C-Konverters) kann bei allen Ausführungsformen ein optionaler Filter 13 angeordnet sein, der geeignet ist, kohlenstoffhaltige Partikel aus einem C/H2-Aerosol bei den hier auftretenden Temperaturen herauszufiltern. Ein solcher Filter ist beispielsweise aus der deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2013 013 443 bekannt. Der optionale Filter 13 kann nur in einem oder in beiden Teilprozessen vorgesehen sein. Der optionale Filter 13 kann auch einen integralen Bestandteil eines der C-Konverter bilden. Im Folgenden werden die Ausführungsbeispiele für den Fall beschrieben, dass kein Filter 13 vorgesehen ist und somit ein C/H2-Aerosol in den ersten C-Konverter 14 geleitet wird. Die Ausführungsbeispiele funktionieren aber genauso, wenn nur C-Partikel weitergeleitet werden, die durch den Filter 13 vom Wasserstoff getrennt wurden.
  • Der erste Kohlenwasserstoffkonverter 9 ist irgendein Kohlenwasserstoffkonverter, der eingespeiste Kohlenwasserstoffe in Kohlenstoff und Wasserstoff umwandeln bzw. aufspalten kann. Der erste Kohlenwasserstoffkonverter 9 kann thermisch betrieben oder mit Hilfe eines Plasmas betrieben werden. In einem thermisch betriebenen Kohlenwasserstoffkonverter wird ein in einen Reaktionsraum eingeleitetes kohlenwasserstoffhaltiges Fluid durch eine beliebige Wärmequelle auf eine Zersetzungstemperatur aufgeheizt. In einem mit Plasma betriebenen Kohlenwasserstoffkonverter erfolgt die Energiezufuhr über einen Plasmabogen. Ein eingeleitetes kohlenwasserstoffhaltiges Fluid zerfällt bei der Zersetzungstemperatur in Kohlenstoff und Wasserstoff. Die Auftrennung der Kohlenwasserstoffe sollte möglichst unter Ausschluss von Sauerstoff erfolgen, um die unerwünschte Bildung von Kohlenstoffoxiden oder Wasser zu unterbinden. Geringe Mengen an Sauerstoff, die beispielsweise mit dem Kohlenwasserstoffen eingebracht werden, sind aber auch wiederum für den Prozess nicht schädlich.
  • Der erste Kohlenwasserstoffkonverter 9 weist einen Prozessraum mit einem Einlass für ein kohlenwasserstoffhaltiges Fluid, wenigstens eine Einheit zum Einbringen von Aufspaltungsenergie in das Fluid und wenigstens einen Auslass auf. Die Aufspaltungsenergie wird wenigstens teilweise durch Wärme zur Verfügung gestellt, die beispielsweise durch ein Plasma erzeugt wird (Plasmareaktor). Sie kann aber auch auf andere Weise zur Verfügung gestellt werden (thermischer Reaktor). Primär erfolgt eine Aufspaltung über Wärme. Das Fluid sollte auf über 1000°C insbesondere auf eine Temperatur über 1500°C aufgeheizt werden. Im Fall eines mit Plasma betrieben Kohlenwasserstoffkonverters kann als Plasmagas jedes geeignete Gas ausgewählt werden, welches von außen zugeführt wird oder im Kohlenwasserstoffkonverter entsteht. Als Plasmagas sind beispielsweise inerte Gase geeignet, z. B. Argon oder Stickstoff. Andererseits bietet sich Wasserstoffgas H2 an, da dieses bei der Aufspaltung der Kohlenwasserstoffe sowieso anfällt.
  • Bei der dargestellten Ausführungsform wird ein Kvaerner-Reaktor als Kohlenwasserstoffkonverter 9 eingesetzt, der mittels eines Plasmabogens in einem Plasma-Brenner die erforderliche Wärme zur Verfügung stellt. Es sind aber auch andere Reaktoren bekannt, die bei niedrigeren Temperaturen insbesondere unter 1000°C arbeiten und neben der Wärme zusätzliche Energie in den Kohlenwasserstoff einbringen, wie beispielsweise über ein Mikrowellenplasma. Wie Nachfolgend noch näher erläutert wird, zieht die Erfindung beide Reaktortypen (und auch solche die ohne ein Plasma arbeiten) in betracht, insbesondere auch in Kombination miteinander. Kohlenwasserstoffkonverter die bei einer Temperatur von mehr als 1000°C arbeiten werden nachfolgend als Hochtemperatur-Reaktoren bezeichnet, während solche, die bei Temperaturen unter 1000°C arbeiten, insbesondere bei einer Temperatur zwischen 200°C und 1000°C, als Niedertemperatur-Reaktoren bezeichnet werden.
  • In dem ersten Kohlenwasserstoffkonverter 9 werden mittels Wärme und/oder einem Plasma Wasserstoff und Kohlenstoff aus Kohlenwasserstoffen (CnHm) generiert. Die Kohlenwasserstoffe werden dabei bevorzugt in Gasform in den Kohlenwasserstoffkonverter 9 eingebracht. Bei unter Normalbedingungen flüssigen Kohlenwasserstoffen können diese vor dem Einbringen in den Kohlenwasserstoffkonverter in Gasform gebracht werden, oder sie könnten auch in einer fein zerstäubten Form eingeleitet werden. Beide Formen werden nachfolgend als Fluide bezeichnet.
  • Die Auftrennung der Kohlenwasserstoffe sollte möglichst unter Ausschluss von Sauerstoff erfolgen, um die unerwünschte Bildung von Kohlenstoffoxiden oder Wasser zu unterbinden. Geringe Mengen an Sauerstoff, die beispielsweise mit den Kohlenwasserstoffen eingebracht werden, sind aber auch wiederum für den Prozess nicht schädlich.
  • Bei dem oben beschriebenen Kvaerner-Reaktor als Kohlenwasserstoffkonverter 9 werden Kohlenwasserstoff enthaltende Fluide in einem Plasmabrenner bei hoher Temperatur in reinen Kohlenstoff (beispielsweise in Form von Aktivkohle, Carbon Black, Graphit oder Industrieruß) und Wasserstoff und ggf. Verunreinigungen aufgespaltet. Die Kohlenwasserstoffe enthaltenden Fluide als Eingangsstoffe für den Kohlenwasserstoffkonverter 9 sind beispielsweise Methan, Erdgas, Biogase, Flüssiggase oder Schweröl, es können aber auch synthetische, funktionalisierte und/oder nicht-funktionalisierte Kohlenwasserstoffe als Eingangsstoffe für den Kohlenwasserstoffkonverter 9 verwendet werden. Nach der Aufspaltung liegen die C-Partikel und der Wasserstoff in der Regel als eine Mischung, insbesondere in Form eines H2/C-Aerosols vor.
  • Die erste Gruppe von Konvertern 3 weist einen ersten C-Konverter 14 mit einem Aerosol-Eingang 15, einem CO2-Eingang 16 und einem Synthesegasausgang 17 auf. Der erste Kohlenwasserstoffkonverter 9 und der erste C-Konverter 14 sind derart angeordnet, dass der Aerosol-Ausgang 12 des ersten Kohlenwasserstoffkonverters 9 über eine Aerosol-Verbindung 18 mit dem Aerosol-Eingang 15 des ersten C-Konverters 14 verbunden ist, wobei der Aerosol-Ausgang 12 auch direkt den Aerosol-Eingang 15 des C-Konverters 14 bilden kann. So kann Kohlenstoff als Bestandteil eines C/H2-Aerosols (C-Partikel in einem H2-Trägergas) aus dem ersten Kohlenwasserstoffkonverter 9 direkt in den ersten C-Konverter 14 transportiert werden.
  • Der erste C-Konverter 14 kann irgendein Konverter sein, der Kohlenstoff (hier C-Partikel des Aerosols) in Anwesenheit von Kohlendioxid (CO2) zu Kohlenmonoxid (CO) umwandeln kann. Der CO2-Eingang 16 des ersten C-Konverters 14 ist mit einer CO2-Leitung 19 verbunden, die wiederum mit der zweiten Gruppe von Konvertern 5 verbunden ist. In der Ausführungsform der 1 arbeitet der erste C-Konverter 14 nach einem Teil der in der Technik bekannten Hochofenreaktion, welche bei Temperaturen zwischen ca. 750°C und 1200°C ohne die Notwendigkeit eines Katalysators abläuft. Vorzugsweise arbeitet der erste C-Konverter 14 bei einer Temperatur zwischen 800°C und 1000°C, wobei die für das Erreichen dieser Temperatur erforderliche Wärme primär durch das H2/C-Aerosol des ersten Kohlenwasserstoffkonverters 9 zur Verfügung gestellt wird, wie nachfolgend noch näher erläutert wird. Im ersten C-Konverter 14 wird CO2 mit dem heißen H2/C-Aerosol vermischt und so mit dem Kohlenstoff in Kontakt gebracht, der als Feststoffanteil (C-Partikel) des H2/C-Aerosols vorliegt. Der Kohlenstoff wird gemäß der chemischen Gleichung CO2 + C → 2CO umgewandelt. Der C-Konverter 14 arbeitet am besten bei dem Boudouard-Gleichgewicht und einer Temperatur von 1000°C. Bei Temperaturen von 800°C werden etwa 94% Kohlenmonoxid geliefert, und bei Temperaturen um 1000°C werden etwa 99% Kohlenmonoxid geliefert. Ein weiterer Temperaturanstieg bringt keine wesentlichen Änderungen mehr mit sich ist aber auch nicht nachteilig.
  • Weiter weist die erste Gruppe von Konvertern 3 einen Mischer 20 auf, der mit dem Synthesegasausgang 17 des ersten C-Konverters 14 und mit einer H2-Leitung 21 verbunden ist, die wiederum mit der zweiten Gruppe von Konvertern 5 verbunden ist. Durch die H2-Leitung 21 kann zusätzliches H2 in den Mischer 20 geleitet werden und mit dem Synthesegas aus dem ersten C-Konverter 14 vermischt werden, um ein H2-reiches Synthesegas zu erzeugen. Das H2-reiche Synthesegas aus dem Mischer 20 kann über eine Leitung in einen Synthesegaseingang 22 des ersten CO-Konverters 7 geleitet werden, wie in 1 gezeigt. Der Mischer 20 kann auch einfach aus einem Rohrbereich bestehen, wo die H2-Leitung und die Synthesegasleitung zwischen dem ersten C-Konverter 14 und dem ersten CO-Konverter 7 zusammentreffen. Mit Hilfe des Mischers 20 und insbesondere über eine Steuerung/Regelung des (zusätzlich) über die H2-Leitung 21 des Mischers 20 eingeleiteten Wasserstoff kann die Mischung des Synthesegases am Synthesegasausgang 17 so beeinflusst werden, dass eine für den nachfolgenden Umwandlungsprozess im ersten CO-Konverter 7 erforderliche Zusammensetzung erreicht wird. Für viele Prozesse, beispielsweise die Fischer-Tropsch-Synthese, soll das Verhältnis von Wasserstoff zu CO möglichst hoch sein, d. h. ein H2-reiches Synthesegas. Mit Hilfe des Mischers 20 kann ein beliebiges Verhältnis von Wasserstoff zu CO am Synthesegasausgang 17 eingestellt werden. Nicht benötigtes H2 kann über eine optionale zweite H2-Leitung 24 an einer Stelle zwischen dem zweiten CO-Konverter 37 und dem Mischer 20 (oder dem ersten CO-Konverter 9, falls der Mischer in diesem integriert ist) abgeleitet werden.
  • Alternativ ist der Mischer 20 in den ersten CO-Konverter 7 integriert, wie in 2 gezeigt. Der Mischer 20 kann in diesem Fall eine separate Mischkammer im ersten CO-Konverter 7 sein oder gleichzeitig eine Prozesskammer des CO-Konverters 7 sein. In diesem Fall erstreckt sich die zweite Gruppe von Konvertern auch noch auf einen Teil des ersten CO-Konverters 7. Das Synthesegas aus dem ersten C-Konverter 14 wird in den Synthesegaseingang 22 des ersten CO-Konverters 7 geleitet und nach dem Einleiten mit zusätzlichem H2 vermischt, um ein H2-reiches Synthesegas zu erzeugen. Der im zweiten Teilprozess erzeugte Wasserstoff kann also bei allen Ausführungen mit dem Synthesegas aus dem ersten C-Konverter 14 direkt in der Prozesskammer des ersten CO-Konverters 7 oder an einer Stelle zwischen dem ersten C-Konverter 14 und dem ersten CO-Konverter 7 vermischt werden.
  • Die zweite Gruppe von Konvertern 5 weist einen zweiten Kohlenwasserstoffkonverter 25 auf, welcher einen Kohlenwasserstoffeingang 27 sowie einen Aerosol-Ausgang 28 für C/H2-Aerosol aufweist. Die zweite Gruppe von Konvertern 5 weist weiter einen zweiten C-Konverter 30 mit einem Aerosol-Eingang 31, einem H2O-Eingang 32 und einen Synthesegasausgang 33 auf. Der zweite Kohlenwasserstoffkonverter 25 und der zweite C-Konverter 30 sind derart angeordnet, dass der Aerosol-Ausgang 28 des zweiten Kohlenwasserstoffkonverters 25 über eine Aerosol-Verbindung 34 mit dem Aerosol-Eingang 31 des zweiten C-Konverters 30 verbunden ist, wobei der Aerosol-Ausgang 28 auch direkt den Aerosol-Eingang 31 des zweiten C-Konverters 30 bilden kann. So kann Kohlenstoff als Bestandteil eines C/H2-Aerosols (C-Partikel in einem H2-Trägergas) aus dem zweiten Kohlenwasserstoffkonverter 25 direkt in den zweiten C-Konverter 30 transportiert werden. Der H2O-Eingang 32 des zweiten C-Konverters 30 kann getrennt von dem Aerosol-Eingang 31 angeordnet sein oder er kann zum gemeinsamen Einleiten des H2O und des Aerosols in den zweiten C-Konverter 30 vorgesehen sein. In den Figuren ist durch einen gestrichelten Pfeil gezeigt, dass das H2O optional gemeinsam mit dem Aerosol aus dem zweiten Kohlenwasserstoffkonverter 25 über den Aerosol-Eingang 31 in den zweiten C-Konverter 30 und geleitet werden kann.
  • Alternativ kann nach dem Aerosol-Ausgang 28 des zweiten Kohlenwasserstoffkonverters 25 bei allen Ausführungsformen ein optionaler Filter 13 angeordnet sein, der geeignet ist, kohlenstoffhaltige Partikel aus einem C/H2-Aerosol bei den hier auftretenden Temperaturen herauszufiltern. Ein solcher Filter und auch ein Betriebsverfahren dafür sind beispielsweise aus der deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2013 013 443 bekannt. Im Folgenden werden die Ausführungsbeispiele für den Fall beschrieben, dass kein Filter 13 vorgesehen ist und somit ein C/H2-Aerosol in den zweiten C-Konverter 30 geleitet wird. Die Ausführungsbeispiele funktionieren aber genauso, wenn nur C-Partikel weitergeleitet werden, die durch den Filter 13 vom Wasserstoff getrennt wurden.
  • Weiter weist die zweite Gruppe von Konvertern 5 einen zweiten CO-Konverter 37 auf, der geeignet ist, eine Wassergas-Shift-Reaktion auszuführen, bei der CO und H2O zu CO2 und H2 umgewandelt werden: CO + H2O → CO2 + H2
  • Der zweite CO-Konverter 37 weist einen Eingang 38 für Synthesegas auf, der mit dem Synthesegasausgang 33 des zweiten C-Konverters 30 verbunden ist, wobei der Synthesegasausgang 33 auch direkt den Eingang 38 des zweiten CO-Konverters 37 bilden kann. Weiter weist der zweite CO-Konverter 37 einen H2O-Eingang 39 zum Einleiten von Wasser oder Wasserdampf auf. Der zweite CO-Konverter weist auch einen H2-Ausgang 40 und einen CO2-Ausgang 41 auf, um CO2 und H2 abzuleiten, die bei der Wassergas-Shift-Reaktion entstehen.
  • Der CO2-Ausgang 41 des zweiten CO-Konverters 37 ist über die CO2-Leitung 19 mit dem ersten C-Konverter 14 verbunden. Optional wird die CO2-Leitung 19 mittels eines Wärmetauschers 44 erwärmt, um das CO2 für die Umwandlung im ersten C-Konverter 14 vorzuheizen (siehe 2). Der Wärmetauscher 44 wird beispielsweise durch Abwärme einer Aerosol-Leitung zwischen dem zweiten Kohlenwasserstoffkonverter 25 und dem zweiten C-Konverter 30 beheizt, die von einem weiteren Wärmetauscher 45 abgeleitet wird. Die Abwärme kann auch von einem oder beiden Kohlenwasserstoffkonvertern 9, 25 abgeleitet werden (nicht in den Fig. gezeigt).
  • Der H2O-Eingang 39 des zweiten CO-Konverters 37 kann getrennt vom Eingang 38 angeordnet sein oder er kann zum gemeinsamen Einleiten des H2O und des Synthesegases in den zweiten CO-Konverter 37 vorgesehen sein. In den Figuren ist durch einen gestrichelten Pfeil gezeigt, dass das H2O gemeinsam mit dem Synthesegas aus dem zweiten C-Konverter 30 optional über den Eingang 38 in den zweiten CO-Konverter 37 geleitet werden kann. Ebenfalls wird durch eine gestrichelte Linie angedeutet, dass das Wasser zum Einleiten in den zweiten C-Konverter 30 und in den zweiten CO-Konverter 37 optional aus dem ersten CO-Konverter kommen kann.
  • Der zweite C-Konverter 30 kann irgendein geeigneter C-Konverter sein, der Synthesegas (Syngas) aus Kohlenstoff (C) und Wasser (H2O) erzeugen kann. Im zweiten C-Konverter 30 wird H2O über heißen Kohlenstoff geleitet oder auch als Wasserdampf in einen heißen Aerosol-Strom aus C-Partikeln und Wasserstoff eingeleitet und hiermit vermischt. Der Kohlenstoff wird dabei gemäß der chemischen Gleichung C + H2O → CO + H2 umgewandelt. Im zweiten C-Konverter 30 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: C + CO2 → 2CO +172,58 kJ/mol endotherm
  • Da alle drei Reaktionen im Gleichgewicht miteinander stehen, findet der Prozess im zweiten C-Konverter 30 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. Die für das Erreichen dieser Temperatur erforderliche Wärme wird primär durch das Material zu Verfügung gestellt, das aus dem zweiten Kohlenwasserstoffkonverter 25 austritt, wie nachfolgend noch näher erläutert wird. Das Wasser (H2O) im zweiten C-Konverter 30 ist bei diesen Bedingungen dampfförmig und kann auch schon in Dampfform eingeleitet werden. 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 zweiten C-Konverter 30 würde ebenfalls die zweite Reaktion oben bevorzugt ablaufen.
  • Der zweite C-Konverter 30 arbeitet am besten bei hohen Temperaturen von 1000 bis 1200°C, um die exotherme Watergas-Shift-Reaktion CO + H2O → CO2 + H2 zurückzudrängen und so den Anteil an Kohlenmonoxid im Synthesegas zu optimieren. Die Reaktionen im zweiten C-Konverter 30, die möglichst unter Ausschluss von Sauerstoff erfolgen sollten, sind dem Fachmann bekannt und werden daher hier nicht genauer beschrieben.
  • Der zweite Kohlenwasserstoffkonverter 25 ist ähnlich aufgebaut, wie der erste Kohlenwasserstoffkonverter 9, d. h. er ist irgendein Kohlenwasserstoffkonverter, der eingespeiste Kohlenwasserstoffe in Kohlenstoff und Wasserstoff umwandeln bzw. aufspalten kann. Der zweite Kohlenwasserstoffkonverter 25 weist einen Prozessraum mit einem Einlass für ein Kohlenwasserstoff enthaltendes Fluid, wenigstens eine Einheit zum Einbringen von Aufspaltungsenergie in das Fluid und wenigstens einen Auslass auf. Die Aufspaltungsenergie wird wenigstens teilweise durch Wärme zur Verfügung gestellt, die beispielsweise durch ein Plasma erzeugt wird. Der zweite Kohlenwasserstoffkonverter 25 kann also genauso wie der erste Kohlenwasserstoffkonverter 9 als Plasmakonverter oder als anders betriebener thermischer Konverter ausgeführt sein. Die obige Beschreibung des ersten Kohlenwasserstoffkonverters 9 trifft auch auf den zweiten Kohlenwasserstoffkonverter 25 zu. Daher wird der zweite Kohlenwasserstoffkonverter 25 nicht noch einmal genau beschrieben, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden.
  • Beispiele für Kombinationen der ersten und zweiten Kohlenwasserstoffkonverter sind:
    • a) Der erste Kohlenwasserstoffkonverter 9 ist ein Hochtemperatur-Plasmakonverter, und der zweite Kohlenwasserstoffkonverter 25 ist ein Niedertemperatur-Plasmakonverter. Bei einem Niedertemperatur-Plasmakonverter kann man die aufgewendete Energiemenge optimieren. Falls eine Zusatzheizung notwendig sein sollte, um eine Umwandlungstemperatur für den zweiten C-Konverter zu erreichen, kann diese mittels Abwärme vom ersten Kohlenwasserstoffkonverter 9 betrieben werden.
    • b) Der erste Kohlenwasserstoffkonverter 9 ist ein Hochtemperatur-Plasmakonverter und der zweite Kohlenwasserstoffkonverter 25 ist ein thermisch betriebener Kohlenwasserstoffkonverter, der mit Abwärme des ersten Kohlenwasserstoffkonverters 9 betrieben wird. Wenn der zweite Kohlenwasserstoffkonverter 25 thermisch arbeitet, ist es möglich, den zweiten Kohlenwasserstoffkonverter 25 und den zweiten C-Konverter 30 zu einem Kohlenwasserstoff/C-Konverter 25/30 mit nur einem kombinierten Prozessraum zusammenzufassen. In diesem Fall werden im Betrieb zwei Äquivalente Wasser in den kombinierten Prozessraum geleitet. Dabei entsteht ein Synthesegas, welches direkt in den Eingang 38 des zweiten CO-Konverters 37 geleitet werden kann.
    • c) Beide Kohlenwasserstoffkonverter 9 und 25 sind thermisch betriebene Kohlenwasserstoffkonverter, bei denen die Aufspaltungsenergie und Aufspaltungstemperatur mit einer Heizung erzeugt wird, d. h. anders als durch Plasma.
  • Alternativ kann die Anlage 1 nur einen Kohlenwasserstoffkonverter 9' aufweisen, der einen Kohlenwasserstoffeingang 11 sowie einen ersten Aerosol-Ausgang 12 und einen zweiten Aerosol-Ausgang 28 aufweist (3). Der Kohlenwasserstoffkonverter 9' wird anstelle der beiden Kohlenwasserstoffkonverter 9, 25 eingesetzt und erzeugt C/H2-Aerosol für beide Gruppen von Konvertern 3, 5. In diesem Fall wird ein erster Teilstrom des C/H2-Aerosols zum ersten Teilprozess geleitet und ein zweiter Teilstrom des C/H2-Aerosols wird zum zweiten Teilprozess geleitet. Der Aufbau und die Betriebsweise der anderen Konverter und Bauteile sind genauso wie mit Bezug auf 1 und 2 besprochen.
  • Die Anlage 1 zur Herstellung eines H2-reichen Synthesegases (Kohlenwasserstoffkonverter 9, erste Gruppe von Konvertern 3 und zweite Gruppe von Konvertern 5) bildet zusammen mit dem ersten CO-Konverter 7 die oben erwähnte Anlage 2 zur Herstellung synthetischer Kohlenwasserstoffe (1 und 2). In der Alternative der 3 weist die Anlage 2 den Kohlenwasserstoffkonverter 9, die erste Gruppe von Konvertern 3, die zweite Gruppe von Konvertern 5 und den ersten CO-Konverter 7 auf. In 3 weist die zweite Gruppe von Konvertern 5 keinen separaten Kohlenwasserstoffkonverter 25 auf, da das C/H2-Aerosol für den zweiten Teilprozess vom Kohlenwasserstoffkonverter 9' erzeugt wird.
  • Der erste CO-Konverter 7 ist stromabwärts zum Mischer 20 angeordnet und weist den Synthesegaseingang 22 auf, der mit dem Mischer 20 der ersten Gruppe von Konvertern 3 verbunden ist, und einen Kohlenwasserstoffausgang 23 zum Ausleiten von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen. Der erste CO-Konverter 7 kann ein beliebiger CO-Konverter zur Herstellung von synthetischen, funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen sein, und er weist einen Prozessraum auf, in dem ein Katalysator angeordnet ist, weiter Mittel zum Leiten eines Synthesegases 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 der gezeigten Ausführungsform ist der CO-Konverter bevorzugt ein Fischer-Tropsch-Konverter, ein Bergius-Pier-Konverter oder ein Pier-Konverter mit einem entsprechenden Katalysator und einer Temperatur und/oder Druck-Steuereinheit.
  • In einer Ausführungsform weist der erste CO-Konverter 7 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: nCO + (2n + 1)H2 → CnH2n+2 + nH2O für Alkane nCO + (2n)H2 → CnH2n + nH2O für Alkene nCO + (2n)H2 → CnH2n+1OH + (n – 1)H2O für Alkohole
  • Die Fischer-Tropsch-Verfahren können als Hochtemperatur-Verfahren oder als Niedertemperatur-Verfahren durchgeführt werden, wobei die Prozesstemperaturen im Allgemeinen zwischen 200 und 400°C liegen. Bekannte Varianten des Fischer-Tropsch-Verfahrens sind u. a. 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 Kohlenwasserstoffverbindung aus Flüssiggasen (Propan, Butan), Benzin, Kerosin (Dieselöl), Weichparaffin, Hartparaffin, Methanol, Methan, Dieselkraftstoff oder eine Mischung mehrerer dieser Produkte erzeugt. Die Fischer-Tropsch-Synthese ist exotherm, wie dem Fachmann bekannt ist. Die Reaktionswärme aus dem Fischer-Tropsch-Verfahren kann mittels eines (in den Figuren nicht gezeigten) Wärmetauschers, beispielsweise zum Vorwärmen von CO2 verwendet werden. Es wird beispielsweise eine zweistufige Vorwärmung des in den ersten C-Konverter 14 eingeleiteten CO2 in Betracht gezogen, wobei zuerst eine Vorwärmung mittels der Abwärme des ersten CO-Konverters 7 (in der Ausführung als Fischer-Tropsch-Konverter) erfolgt und danach eine weitere Erwärmung des CO2 mittels Wärme von einem oder mehreren der Kohlenwasserstoffkonverter 9, 25.
  • Alternativ weist der erste CO-Konverter 7 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 wohlbekannte 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 Kombination eines Pier-Konverters mit einem MtL-Konverter 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 in dem ersten CO-Konverter 7, egal nach welchem der oben dargestellten Prinzipien dieser arbeitet, als Endprodukte funktionalisierte und/oder nicht-funktionalisierte Kohlenwasserstoffe synthetisch aus CO und H2 hergestellt werden können. Die Prozesswärme, die bei der exothermen Umsetzung im ersten CO-Konverter 7 auftritt, kann wiederum über einen Wärmetauscher zum Beheizen unterschiedlicher Bereiche der Anlage 1 oder zum Erzeugen von Strom verwendet werden, um den Wirkungsgrad der hier beschriebenen Anlage zu verbessern.
  • In den Fig. sind einige Variationen gezeigt, die jeweils unabhängig voneinander in allen Ausführungsformen eingesetzt werden können.
    • a) Der Mischer 20 kann in den ersten CO-Konverter 7 integriert sein, wie oben genauer beschrieben und in 2 beispielhaft gezeigt. In diesem Fall erstreckt sich die erste Gruppe von Konvertern 3 über einen Teil des ersten CO-Konverters 7, wie in 2 angedeutet.
    • b) Falls H2O bei der Erzeugung von synthetischen Kohlenwasserstoffen im ersten CO-Konverter 7 entsteht, ist das H2O teilweise mit Kohlenwasserstoffen vermischt. Dieses mit Kohlenwasserstoffen vermischte H2O kann zumindest teilweise in den zweiten C-Konverter 30 oder in den oben erwähnten kombinierten Kohlenwasserstoff/C-Konverter 25/30 eingeleitet werden (optionale H2O-Leitung 47). Falls nötig, wird ein Teil des H2O vor dem Einleiten von den damit vermischten Kohlenwasserstoffen getrennt.
    • c) Sofern als Ausgangsprodukt des ersten CO-Konverters 7 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 Paraffine) in den hier beschriebenen Prozess zurückgeführt werden. Zu diesem Zweck weist die Anlage 1 eine optionale Rückleitung 48 auf, mit deren Hilfe ein Teil der synthetisch erzeugten Kohlenwasserstoffe zurück zu einem oder beiden der Kohlenwasserstoffeingänge 11, 27 der Kohlenwasserstoffkonverter 9, 25 geleitet werden können. Je nach Zusammenstellung der zurückgeleiteten, synthetisch erzeugten Kohlenwasserstoffe erfolgt vor der Einleitung in die Kohlenwasserstoffeingänge 11, 27 noch eine Aufbereitung bzw. Abtrennung von nicht geeigneten Kohlenwasserstoffen.
    • d) Die optionale Rückleitung 48 kann bei allen Kohlenwasserstoffkonvertern 9, 25, 9' in einen gemeinsamen Kohlenwasserstoffeingang für zurückgeleitete Kohlenwasserstoffe und neues von außen eingeleitetes kohlenwasserstoffhaltiges Fluid eingeleitet werden oder in einen separaten Kohlenwasserstoffeingang. Ein Beispiel für separate Kohlenwasserstoffeingänge ist in 3 gezeigt, wo das von außen eingeleitete kohlenwasserstoffhaltige Fluid über den Kohlenwasserstoffeingang 27 und die zurückgeleiteten Kohlenwasserstoffe über den Kohlenwasserstoffeingang 11 in den Kohlenwasserstoffkonverter 9' eingeleitet werden.
  • Der Betrieb der Anlage 1 zur Herstellung eines H2-reichen Synthesegases wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 1 näher erläutert. Zuerst wird kohlenwasserstoffhaltiges Fluid (z. B. Gas, Aerosol aus Gas und Feststoffen oder Aerosol aus Gas und Flüssigkeitströpfchen) in den ersten Kohlenwasserstoffkonverter 9 eingeleitet und dort zu H2/C-Aerosol aufgespaltet. Aus dem ersten Kohlenwasserstoffkonverter 9 wird das H2/C-Aerosol in die erste Gruppe von Konvertern 3 eingeleitet, in denen ein erster Teilprozess abläuft.
  • Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass der erste Kohlenwasserstoffkonverter 9 ein Hochtemperatur-Reaktor des Kvaerner-Typs ist. Kohlenwasserstoffe enthaltende Fluide (insbesondere in Gasform) werden über den Kohlenwasserstoffeingang 11 in den ersten Kohlenwasserstoffkonverter 9 eingeleitet. Wenn der Kohlenwasserstoff beispielsweise Methan (CH4) ist, so entstehen 1 mol Kohlenstoff und 2 mol Wasserstoff aus 1 mol Methan. Bei anderen Kohlenwasserstoffen ergeben sich entsprechend andere Molverhältnisse von Kohlenstoff und Wasserstoff. Die Kohlenwasserstoffe werden in dem ersten Kohlenwasserstoffkonverter 9 bei etwa 1600°C gemäß der folgenden Reaktionsgleichung umgewandelt, wobei die zugeführte Energie Wärme ist, die im Plasma mittels elektrischer Energie erzeugt wird: CnHm + Energie → nC + m/2H2
  • Bei entsprechender Prozessführung ist der erste Kohlenwasserstoffkonverter 9 (Kvaerner-Reaktor) in der Lage im kontinuierlichen Betrieb eine nahezu vollständige Umwandlung des Kohlenwasserstoffs in seine Bestandteile Wasserstoff und Kohlenstoff zu erreichen (abhängig von der Temperatur mehr als 94%, siehe oben). Der Wasserstoff und der Kohlenstoff liegen als ein Gemisch vor, d. h. als H2/C-Aerosol.
  • Das H2/C-Aerosol wird aus dem ersten Kohlenwasserstoffkonverter 9 ausgeleitet und dem ersten C-Konverter 14 zugeführt. Der Wasserstoff dient als Trägergas für den Kohlenstoff (C-Partikel) und beeinträchtigt nicht den Umwandlungsprozess im ersten C-Konverter 14, der Wasserstoff kann aber als zusätzlicher Wärmeträger dienen. Das H2/C-Aerosol wird direkt aus dem Aerosol-Ausgang 12 in den Aerosol-Eingang 15 des ersten C-Konverters 14 geleitet. Dabei soll das ”direkte” Leiten aus dem Aerosol-Ausgang 12 zum Aerosol-Eingang 15 alle solche Varianten umfassen, bei denen keine Abkühlung von mehr als 50% bezogen auf die Temperatur (vorzugsweise von nicht mehr als 80%) der geleiteten Stoffe auftritt. Da das aus dem ersten Kohlenwasserstoffkonverter 9 austretende H2/C-Aerosol eine hohe Temperatur aufweist (bevorzugt über 1000°C), kann die darin enthaltene Wärmeenergie zum Erhalten der erforderlichen Temperatur für den Umwandlungsprozesses im ersten C-Konverter 14 verwendet werden, der vorzugsweise bei einer Temperatur von ca. 1000°C arbeitet.
  • Die Aerosol-Verbindung 18 zwischen dem ersten Kohlenwasserstoffkonverter 9 und dem ersten C-Konverter 14 ist so ausgestaltet, dass sich der Kohlenstoff auf dem Weg vom ersten Kohlenwasserstoffkonverter 9 zum ersten C-Konverter 14 nicht stark abkühlt (um weniger als 50%, bevorzugt weniger als 20% bezogen auf die Temperatur). Beispielsweise kann die Aerosol-Verbindung 18 besonders isoliert und/oder sogar aktiv beheizt sein, wobei dem System bevorzugt – neben der Wärmezufuhr im ersten Kohlenwasserstoffkonverter 9 – keine weitere Wärme zugeführt wird. Der im ersten Kohlenwasserstoffkonverter 9 erzeugte Wasserstoff enthält aufgrund der Betriebstemperatur im ersten Kohlenwasserstoffkonverter 9 ebenfalls Wärmeenergie.
  • Im ersten C-Konverter 14 wird CO2, das über den CO2-Eingang 16 eingeleitet wird, mit dem H2/C-Aerosol vermischt und so mit dem heißen Kohlenstoff in Kontakt gebracht. Der erste C-Konverter 14 arbeitet am besten beim Boudouard-Gleichgewicht, welches sich bei der Umsetzung von Kohlendioxid mit heißem Kohlenstoff einstellt. Die Reaktion, welche dem Fachmann bekannt ist, ist abhängig von Druck und Temperatur und wird hier nicht im Einzelnen beschrieben. Entweder die Menge des in den ersten C-Konverter 14 eingeleiteten CO2 oder die Menge des Kohlenstoffs (d. h. die Menge des H2/C-Aerosols) kann über geeignete Mittel gesteuert und/oder geregelt werden. CO2 + C → 2CO ΔH = +172,45 kJ/mol
  • Das CO2 stammt aus einem zweiten Teilprozess, der in der zweiten Gruppe von Konvertern 5 ausgeführt wird und geeignete Mengen an CO2 erzeugt. Abhängig von der Temperatur des CO2 aus dem zweiten Teilprozess, ist es vorteilhaft, das in den CO2-Eingang 16 des ersten C-Konverters 14 eingeleitete CO2 vorzuwärmen, da der erste C-Konverter 14 bei einer Temperatur zwischen 800 und 1200°C arbeitet. Eine Vorwärmung des CO2 kann beispielsweise erreicht werden, indem die CO2-Leitung 19 über die optionalen Wärmetauscher 44, 45 (2) vorgewärmt wird. Bevorzugt reicht aber auch die im H2/C-Aerosol enthaltene Wärme, um das CO2 auf die gewünschte Temperatur zu bringen. So ist es möglich, den heißen Kohlenstoff (C-Partikel) aus dem ersten Kohlenwasserstoffkonverter 9 mit warmem bis heißem CO2 im ersten C-Konverter 14 ohne oder wenigstens ohne nennenswerte externe Energiezufuhr zu CO umzuwandeln. Bevorzugt sollten wenigstens 80%, insbesondere wenigstens 90% der zum Erreichen der Umwandlungstemperatur erforderlichen Wärme aus dem ersten Kohlenwasserstoffkonverter 9 stammen. Nur für den Fall, dass die im ersten Kohlenwasserstoffkonverter 9 erzeugte Wärme nicht ausreicht, um die gewünschte Umwandlungstemperatur von ungefähr 1000°C zu erreichen, kann eine optionale zusätzliche Heizeinheit zum Erwärmen des ersten C-Konverters 14 oder der darin befindlichen Elemente vorgesehen sein.
  • Eine zusätzliche Heizeinheit kann auch nur für den Start der Anlage 1 eingesetzt werden, um zunächst einen oder mehrere der Konverter 9, 14, 25, 30, 37 oder medienführende Teile der Anlage 1 auf eine Anfangstemperatur zu bringen, damit das System schneller einen gewünschten Temperaturzustand erreicht. Die Aufheizung aller medienführenden Teile rein über die in den Kohlenwasserstoffkonvertern 9, 25 erzeugte Wärme könnte anfangs zu lange dauern.
  • Aus dem Synthesegasausgang 17 des ersten C-Konverters 14 tritt heißes Synthesegas bei einer Temperatur von ungefähr 800 bis 1000°C aus (abhängig von der Betriebstemperatur des ersten C-Konverters 14). Das Synthesegas besteht aus Kohlenmonoxid (CO, das entsprechend der oben genannten Umwandlungsgleichung entstanden ist) vermischt mit dem Wasserstoff, der als gasförmiger Bestandteil des H2/C-Aerosols in den ersten C-Konverter 14 eingeleitet wurde. Das aus dem ersten C-Konverter 14 austretende Synthesegas enthält also ebenfalls Wärmeenergie, die direkt oder indirekt über einen in den Fig. nicht gezeigten Wärmetauscher beispielsweise zum Vorwärmen des in den CO2-Eingang 16 eingeleiteten CO2 verwendet werden kann.
  • Das Synthesegas aus dem Synthesegasausgang 17 hat ein Verhältnis von CO zu H2, das von den aufgespalteten Kohlenwasserstoffen abhängt. Falls CH4 im Kohlenwasserstoffkonverter 9 aufgespaltet wird, entsteht am Synthesegasausgang 17 des ersten C-Konverters 14 ein Synthesegas mit einem Verhältnis von 1:1 von H2 zu CO. Für viele Prozesse soll das Verhältnis von H2 zu CO möglichst hoch sein, d. h. ein H2-reiches Synthesegas. Insbesondere für die oben beschriebene Herstellung von synthetischen Kohlenwasserstoffen wird das Verhältnis von CO zu H2 im H2-reichen Synthesegas auf einen Wert von größer 1:1 bis 1:3, insbesondere auf einen Wert von ungefähr 1:2,1 eingestellt. Mit Hilfe des Mischers 20 und insbesondere über eine Steuerung/Regelung des (zusätzlich) über die H2-Leitung 21 in den Mischer 20 eingeleiteten Wasserstoffes kann die Mischung des H2-reichen Synthesegases so beeinflusst werden, dass eine für den nachfolgenden Umwandlungsprozess im ersten CO-Konverter 7 erforderliche Zusammensetzung erreicht wird.
  • Das Kohlendioxid, das über die CO2-Leitung 19 in den ersten C-Konverter 14 geleitet wird, und der Wasserstoff, der über die H2-Leitung 21 in den Mischer 20 geleitet wird, werden im zweiten CO-Konverter 37 mittels der Wassergas-Shift-Reaktion erzeugt, bei der CO und H2O zu CO2 und H2 umgewandelt werden: CO + H2O → CO2 + H2
  • Das CO liegt in diesem Fall als Bestandteil eines Synthesegases vor, das im zweiten C-Konverter 30 erzeugt wird. Der CO-Anteil dieses Synthesegases nimmt an der Wassergas-Shift-Reaktion teil und der H2-Anteil des Synthesegases nimmt nicht teil. Die Wassergas-Shift-Reaktion ist dem Fachmann bekannt und läuft bei einer Temperatur von ca. 250–300°C im zweiten CO-Konverter 37 ab.
  • Die Gase CO2 und H2, die im zweiten CO-Konverter 37 erzeugt wurden, werden über eine in den Fig. nicht gezeigte Trennvorrichtung separiert. Verschiedene Ausführungen von Trennvorrichtungen für CO2 und H2 sind dem Fachmann bekannt und es kann beispielsweise eine PSA-Anlage (PSA: Pressure Swing Adsorption) verwendet werden, deren Aufbau und Funktion dem Fachmann bekannt ist. Die Trennvorrichtung für CO2 und H2 kann in den zweiten CO-Konverter 37 integriert sein. Alternativ kann die Trennvorrichtung ein separates Bauteil sein, in welches ein Gasgemisch aus CO2 und H2 eingeleitet wird und von dem aus CO2 und H2 getrennt über die Leitungen 19 und 21 abgeleitet werden.
  • Der zweite C-Konverter 30 erzeugt das Synthesegas für den zweiten CO-Konverter 37 aus Kohlenstoff und Wasser bei einer Temperatur von ca. 800–1700°C. Die folgende Umwandlungsreaktion, 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
  • Der Kohlenstoff liegt alleine als C-Partikel (wenn ein optionaler Filter 13 vorgesehen ist) oder er liegt als Feststoffanteil eines H2/C-Aerosols vor (kein Filter 13) und wird durch den Aerosol-Eingang 31 eingeleitet. Wasser wird insbesondere in Dampfform über den H2O-Eingang 32 des zweiten C-Konverters 30 eingeleitet und über heißen Kohlenstoff geleitet und/oder mit diesem vermischt. Entweder die Menge des in den C-Konverter 9 eingeleiteten Wassers oder die Menge des Kohlenstoffs kann über geeignete Mittel gesteuert und/oder geregelt werden. Der zweite C-Konverter 30 arbeitet am besten bei hohen Temperaturen, da es sich um eine endotherme Reaktion handelt (ΔH = +131,38 kJ/mol) und die Watergas-Shift-Reaktion, die zu ihr in Konkurrenz steht, eine exotherme Reaktion ist.
  • Allerdings ist auch bei der Umwandlungsreaktion im zweiten C-Konverter 30 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 H2O-Eingang 32 des zweiten C-Konverters 30 eingeleitete Wasser vorzuwärmen, da der zweite C-Konverter 30 bevorzugt bei einer Temperatur > 1000°C arbeitet. Eine Vorwärmung des Wassers für den zweiten C-Konverter 30 kann beispielsweise erreicht werden, indem Abwärme des ersten CO-Konverters 7 (falls vorhanden) oder Abwärme der Kohlenwasserstoffkonverter 9, 25 (oder 9') direkt oder indirekt über eine Wärmetauscheranordnung zum Vorwärmen des Wassers verwendet wird. Bevorzugt reicht aber die im Kohlenstoff bzw. H2/C-Aerosol enthaltene Wärme, um das Wasser auf die gewünschte Temperatur zu bringen. Nur für den Fall, dass die im Kohlenwasserstoffkonverter 3 erzeugte Wärme nicht ausreicht, um die gewünschte Umwandlungstemperatur von ungefähr 1000°C zu erreichen, kann eine optionale zusätzliche Heizeinheit zum Erwärmen des zweiten C-Konverters 30 oder der darin befindlichen Elemente vorgesehen sein. Eine Vorheizeinheit kann auch nur für den Start der Anlage eingesetzt werden, um zunächst den zweiten C-Konverter 30 oder andere medienführende Teile auf eine Anfangstemperatur zu bringen, damit das System schneller einen gewünschten Temperaturzustand erreicht.
  • Aus dem zweiten C-Konverter 30 tritt heißes Synthesegas (CO + H2) bei einer Temperatur von > 1000°C aus (abhängig von der Betriebstemperatur des zweiten C-Konverters 30). Das aus zweiten C-Konverter 30 austretende Synthesegas enthält also ebenfalls Wärmeenergie, die direkt oder indirekt über einen nicht gezeigten Wärmetauscher beispielsweise zum Vorwärmen des in den H2O-Eingang 32 eingeleiteten Wassers oder des CO2 in der CO2-Leitung 19 verwendet werden kann. Bei entsprechender Gestaltung der Betriebsparameter im zweiten C-Konverter 30, d. h. einer Temperatur zwischen 1000 und 1200°C, (und einer Trennung von Wasserstoff und Kohlenstoff vor dem zweiten C-Konverter 30 mittels des optionalen Filters 13) wird ein Synthesegas erzeugt, bei dem CO und H2 in einem Verhältnis von 1:1 vorliegen, welches als Wassergas bezeichnet wird. Ohne eine Trennung von Wasserstoff und Kohlenstoff vor dem zweiten C-Konverter 30 und entsprechender Gestaltung der Betriebsparameter im zweiten C-Konverter 30, d. h. einer Temperatur zwischen 1000 und 1200°C, wird ein Synthesegas erzeugt, bei dem CO und H2 in einem Verhältnis von ungefähr 1:3 vorliegen. Der H2-Anteil des Synthesegases nimmt nicht an der Watergas-Shift-Reaktion im zweiten CO-Konverter 37 teil.
  • Das Synthesegas aus dem zweiten C-Konverter 30 hat beim Austreten eine viel höhere Temperatur (> 1000°C) als die Arbeitstemperatur (250–300°C) des zweiten CO-Konverters 37. Das heiße Synthesegas kann auf eine niedrigere Temperatur abgekühlt werden, indem flüssiges Wasser oder vergleichsweise kalter Wasserdampf (100–150°C) für die Wassergas-Shift-Reaktion vor dem Einleiten in den zweiten CO-Konverter 37 mit dem heißen Synthesegas vermischt wird. Das H2O tritt dann gemeinsam mit dem Synthesegas durch den Synthesegaseingang 38 in den zweiten CO-Konverter 37 ein.
  • Der Kohlenstoff, welcher im zweiten C-Konverter 30 zu CO umgewandelt wird, liegt als Feststoffanteil eines H2/C-Aerosols aus dem zweiten Kohlenwasserstoffkonverter 25 vor. Falls der optionale Filter 13 zwischen dem zweiten Kohlenwasserstoffkonverter 25 und dem zweiten C-Konverter 30 vorgesehen ist, liegt der Kohlenstoff als heiße C-Partikel alleine vor. Der zweite Kohlenwasserstoffkonverter 25 funktioniert im Betrieb ähnlich wie der oben beschriebene erste Kohlenwasserstoffkonverter 9. Die Kohlenwasserstoffe werden im zweiten Kohlenwasserstoffkonverter 25 bei einer Aufspaltungstemperatur gemäß der folgenden Reaktionsgleichung umgewandelt, wobei die zugeführte Energie Wärme ist, die in einem Plasma mittels elektrischer Energie erzeugt wird: CnHm + Energie → nC + m/2H2
  • Wenn der zweite Kohlenwasserstoffkonverter 25 ein Hochtemperatur-Reaktor ist, ist die Betriebstemperatur ca. 1600°C. Bevorzugt ist der zweite Kohlenwasserstoffkonverter 25 ein Niedertemperatur-Reaktor, bei dem die Aufspaltung der Kohlenwasserstoffe bei einer Temperatur unter 1000°C, insbesondere unter 600°C, mittels eines Mikrowellenplasmas erfolgt. Die Aufspaltungstemperatur kann auch zumindest teilweise durch eine thermische Beheizung des Prozessraums des zweiten Kohlenwasserstoffkonverters 25 erreicht werden. Eine solche thermische Beheizung des Prozessraums erfolgt beispielsweise durch Abwärme des ersten Kohlenwasserstoffkonverters 9.
  • Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass eine Trennung des H2/C-Aerosols nicht erfolgt, und der Kohlenstoff und der Wasserstoff als Gemisch aus dem zweiten Kohlenwasserstoffkonverter 25 in den zweiten C-Konverter 30 geleitet werden. Der Wasserstoff beeinträchtigt nicht den Umwandlungsprozess im zweiten C-Konverter 30, er kann aber als zusätzlicher Wärmeträger dienen, da er aufgrund der Betriebstemperatur bei der Aufspaltung ebenfalls Wärmeenergie enthält. Der Kohlenstoff wird direkt über den Aerosol-Ausgang 28 in den zweiten C-Konverter 30 eingeleitet. Dabei soll das ”direkte” Leiten vom Aerosol-Ausgang 28 in den zweiten C-Konverter 30 alle solche Varianten umfassen, bei denen keine Abkühlung von mehr als 50% bezogen auf die Temperatur (vorzugsweise von nicht mehr als 20%) der geleiteten Stoffe auftritt. Da der aus dem zweiten Kohlenwasserstoffkonverter 25 austretende Kohlenstoff eine hohe Temperatur aufweist (bevorzugt über 1000°C), kann die darin enthaltene Wärmeenergie zum Erhalten der erforderlichen Temperatur für den Umwandlungsprozesses im zweiten C-Konverter 30 verwendet werden, der bei einer Temperatur von ca. 1000–1200°C arbeitet.
  • Die Verbindung zwischen dem zweiten Kohlenwasserstoffkonverter 25 und dem zweiten C-Konverter 30 ist so ausgestaltet, dass sich der Kohlenstoff auf dem Weg zum zweiten C-Konverter 30 nicht stark abkühlt (um weniger als 50%, bevorzugt weniger als 20% bezogen auf die Temperatur). Beispielsweise kann die Verbindung isoliert und/oder sogar aktiv beheizt sein, wobei dem System bevorzugt – neben der Wärmezufuhr im zweiten Kohlenwasserstoffkonverter 25 – keine weitere Wärme zugeführt wird.
  • Nachdem durch die oben beschriebenen Verfahrensabläufe ein H2-reiches Synthesegas erzeugt wurde, werden synthetische Kohlenwasserstoffe im ersten CO-Konverter 7 hergestellt. Im ersten CO-Konverter 7 wird das H2-reiche Synthesegas mit einem Katalysator in Kontakt gebracht und die Temperatur des Katalysators und/oder des Synthesegases auf einen vorbestimmten Temperaturbereich gesteuert oder geregelt, um synthetische Kohlenwasserstoffe zu erzeugen. Abhängig von der Ausführung des ersten CO-Konverters 7 laufen die oben erwähnten chemischen Reaktionen ab, wodurch synthetische funktionalisierte und/oder nicht-funktionalisierte Kohlenwasserstoffe und Wasser erzeugt werden.
  • Die entstandenen synthetischen Kohlenwasserstoffe können als Produkt für den Verkauf oder eine Weiterverarbeitung entnommen werden. Falls ein Teil der synthetischen Kohlenwasserstoffe nicht zum Verkauf oder zur Weiterverarbeitung geeignet ist, kann dieser Teil in einen oder mehrere der Kohlenwasserstoffkonverter 9, 25, 9' zurückgeleitet werden.
  • Theoretisch kann das entstandene Wasser, welches auch Produktwasser genannt wird, einfach über die H2O-Leitung 46 abgeleitet werden. Allerdings ist das entstandene Wasser bei einigen der zur Zeit eingesetzten Verfahren zur Herstellung von synthetischen Kohlenwasserstoffen teilweise mit Kohlenwasserstoffen vermischt bzw. verschmutzt (folgend als ”Schmutz-Kohlenwasserstoffe” bezeichnet). Daher muss dieses mit Schmutz-Kohlenwasserstoffen vermischte H2O bei bekannten Verfahren aufwändig gereinigt werden oder als Sondermüll behandelt werden. Bei allen hier offenbarten Verfahren und Anlagen 1 und 2 kann das mit Schmutz-Kohlenwasserstoffen vermischte H2O über die H2O-Leitung 47 aber in den zweiten C-Konverter 30 oder in den oben erwähnten kombinierten Kohlenwasserstoff/C-Konverter 25/30 eingeleitet werden. Optional wird ein Teil des H2O vor dem Einleiten von den Schmutz-Kohlenwasserstoffen getrennt. Es kann beispielsweise ein schwach mit Kohlenwasserstoffen verschmutztes Wasser (z. B. < 1% Schmutz-Kohlenwasserstoffe) aus dem ersten CO-Konverter 7 austreten und nach einer Abtrennung eines Teils des H2O zu einem stark mit Kohlenwasserstoffen verschmutzten Wasser (z. B. < 10% Schmutz-Kohlenwasserstoffe) werden. Im zweiten C-Konverter 30 oder im kombinierten Kohlenwasserstoff/C-Konverter 25/30 herrscht eine so hohe Temperatur (vorzugsweise ca. 1000°C, siehe oben), dass das Wasser zu Wasserdampf wird und dass die Schmutz-Kohlenwasserstoffe zu Kohlenstoff und Wasserstoff aufgespaltet werden. Der so aus den Schmutz-Kohlenwasserstoffen entstandene Kohlenstoff wird mit H2O zu CO und H2 umgewandelt. Insgesamt wird auch bei der Einleitung von verschmutztem Wasser in den zweiten C-Konverter 30 oder in den kombinierten Kohlenwasserstoff/C-Konverter 25/30 nur CO und H2 erzeugt und in den Synthesegaseingang 38 des zweiten CO-Konverters 37 geleitet. Das (Produkt-)Wasser kann mittels eines (nicht gezeigten) Wärmetauschers vorgeheizt werden, bevor es in den zweiten C-Konverter 30 oder in den oben erwähnten kombinierten Kohlenwasserstoff/C-Konverter 25/30 eingeleitet wird. Dieser Wärmetauscher kann beispielsweise zwischen dem ersten C-Konverter 14 und dem ersten CO-Konverter 7 oder an einer der H2-Leitungen 21 oder 24 vorgesehen sein, oder kann zur Kühlung der Außenwand eines der Kohlenwasserstoffkonverter 9, 25 oder des kombinierten Kohlenwasserstoff/C-Konverters 25/30 dienen.
  • Der Betrieb einer Anlage 1 bzw. 2 gemäß 3 läuft genauso ab, wie für die verschiedenen Konverter oben beschrieben. Der Unterschied ist, dass ein H2/C-Aerosol oder C-Partikel (falls der optionale Filter 13 vorhanden ist) in einem gemeinsamen Kohlenwasserstoffkonverter 9' erzeugt wird. Das H2/C-Aerosol oder die C-Partikel werden als erster und zweiter Teilstrom für die Umwandlung in den ersten C-Konverter 14 (d. h. ersten Teilprozess) und in den zweiten C-Konverter 30 (d. h. zweiten Teilprozess) eingeleitet und gemäß den oben erwähnten Reaktionen umgewandelt. Auch bei dieser Version wird zuerst ein H2-reiches Synthesegas erzeugt (Anlage 1) und optional in Folge ein synthetischer Kohlenwasserstoff erzeugt (Anlage 2).
  • Wie oben erwähnt, können alle oben besprochenen Verfahren mit H2/C-Aerosol oder C-Partikeln ausgeführt werden. In den Kohlenwasserstoffkonvertern 9, 25, 9' entsteht zunächst ein H2/C-Aerosol aus dem mittels eines Filters 13 die C-Partikel herausgefiltert werden können. Der Betriebsablauf einer Ausführung des Filters ist beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2013 013 443 beschrieben. Dort ist auch die Funktionsweise beschrieben, falls der optionale Filter 13 einen integralen Bestandteil eines C-Konverters bildet.
  • Folgende Beispiele erklären einen konkreten Einsatz der Anlage 2 zur Herstellung von synthetischen Kohlenwasserstoffen aus Methan (CH4). Mittels eines Kohlenwasserstoffkonverters 9' wird CH4 (kohlenwasserstoffhaltiges Fluid) in Kohlenstoff und Wasserstoff (H2/C-Aerosol) gespalten, und zwar thermisch oder mittels eines Plasmas. Die Hälfte dieses H2/C-Aerosols wird im ersten Teilprozess im ersten C-Konverter 14 mit CO2 zu einem Synthesegas mit vergleichsweise wenig Wasserstoff umgesetzt (Verhältnis CO:H2 ist 1:1). Die andere Hälfte des H2/C-Aerosols wird im zweiten Teilprozess im zweiten C-Konverter 30 mit Wasser zu einem wasserstoffreichen Synthesegas umgesetzt (Verhältnis CO:H2 ist 1:3). Das wasserstoffreiche Synthesegas wird nun mit weiterem Wasser im zweiten CO-Konverter 37 in einer Watergas-Shift-Reaktion zu CO2 und Wasserstoff (Verhältnis CO2:H2 ist 1:4) umgesetzt. Anschließend werden die vier Teile Wasserstoff (4H2) vom einen Teil CO2 abgetrennt und gereinigt. Das CO2 aus dem zweiten Teilprozess wird in den ersten C-Konverter 14 des ersten Teilprozesses eingespeist und so wiederverwendet. Um die geeignete Zusammensetzung des Synthesegases für den ersten CO-Konverter 7 zu erhalten, wird die Hälfte des Wasserstoffes (2H2) aus dem zweiten Teilprozess dem wasserstoffarmen Synthesegas (CO:H2 = 1:1) aus dem ersten Teilprozess zugesetzt (entweder im Mischer 20 oder direkt im ersten CO-Konverter 7). Im ersten CO-Konverter 7 wird das wasserstoffreiche Synthesegas dann abhängig von dem darin ablaufenden Umwandlungsprozess in Methanol oder in Mitteldestillat und Wasser umgewandelt.
  • Aus der vorangegangenen allgemeinen Beschreibung und den beschriebenen Ausführungsbeispielen wird klar, dass der hier verwendete Ausdruck wasserstoffreiches oder H2-reiches Synthesegas ein Synthesegas bezeichnet, welches einen höheren Wasserstoffgehalt hat als das Synthesegas, das in einem der C-Konverter erzeugt wird. Ein H2-reiches Synthesegas hat ein Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenmonoxid von mehr als 1,2 (d. h. Verhältnis H2/CO ≥ 1,2).
  • Die Erfindung wurde anhand bevorzugter Ausführungen beschrieben, wobei die einzelnen Merkmale der beschriebenen Ausführungen frei miteinander kombiniert werden können und/oder ausgetauscht werden können, sofern sie kompatibel sind. Ebenso können einzelne Merkmale der beschriebenen Ausführungen weggelassen werden, sofern sie nicht zwingend notwendig sind. Für den Fachmann sind zahlreiche Abwandlungen und Ausgestaltungen möglich und offensichtlich, ohne dass dadurch der Erfindungsgedanke verlassen wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
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    • DE 102013013443 [0025, 0037, 0083]

Claims (20)

  1. Verfahren zur Herstellung von H2-reichem Synthesegas, welches folgende Schritte aufweist: Aufspalten eines kohlenwasserstoffhaltigen Fluids zu einem H2/C-Aerosol in einem ersten Kohlenwasserstoffkonverter (9, 9') durch einen Energieeintrag, der wenigstens teilweise durch Wärme geleistet wird; Einleiten von wenigstens einem ersten Strom des H2/C-Aerosols in einen ersten Teilprozess, der folgende Schritte aufweist: Leiten von wenigstens einem Teil des H2/C-Aerosols von dem ersten Kohlenwasserstoffkonverter (9, 9') in einen ersten C-Konverter (14); Einleiten von CO2 in den ersten C-Konverter (14) und Vermischen des CO2 mit dem in den ersten C-Konverter (14) eingeleiteten H2/C-Aerosol; Umwandeln der Mischung aus H2/C-Aerosol und CO2 in ein Synthesegas bei einer Temperatur von 800 bis 1700°C; Vermischen von zusätzlichem H2 mit dem Synthesegas zur Erzeugung von H2-reichem Synthesegas; Erzeugen von Wasserstoff H2 und Kohlendioxid CO2 aus kohlenwasserstoffhaltigem Fluid in einem zweiten Teilprozess parallel zum ersten Teilprozess, wobei wenigstens ein Teil des im zweiten Teilprozess erzeugten CO2 in den ersten C-Konverter (14) eingeleitet wird; und wobei wenigstens ein Teil des im zweiten Teilprozess erzeugten H2 mit dem Synthesegas aus dem ersten C-Konverter (14) vermischt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das CO2 und ein Teil des H2 im zweiten Teilprozess durch eine Watergas-Shift-Reaktion aus CO und H2O erzeugt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das CO, welches in die Watergas-Shift-Reaktion eingeleitet wird, in einem zweiten C-Konverter (30, 25/30) aus Kohlenstoff C und Wasser H2O bei einer Temperatur von 800 bis 1700°C erzeugt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, wobei der Kohlenstoff, der in dem zweiten C-Konverter (30, 25/30) in CO umgewandelt wird, als C-Partikel eines H2/C-Aerosols vorliegt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das H2/C-Aerosol, dessen Kohlenstoff im zweiten C-Konverter (30, 25/30) in CO umgewandelt wird, ein zweiter Strom des im ersten Kohlenwasserstoffkonverter (9, 9') erzeugten H2/C-Aerosols ist; oder wobei das H2/C-Aerosol durch Aufspalten von kohlenwasserstoffhaltigem Fluid in einem zweiten Kohlenwasserstoffkonverter (25) durch einen Energieeintrag erzeugt wird, der wenigstens teilweise durch Wärme geleistet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Energieeintrag beim Aufspalten von kohlenwasserstoffhaltigem Fluid in wenigstens einem der ersten und zweiten Kohlenwasserstoffkonverter (9, 9', 25) primär über ein Plasma erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Aufspalten des Kohlenwasserstoff enthaltenden Fluids im zweiten Teilprozess bei einer Temperatur unter 1000°C, insbesondere unter 600°C, mittels eines Mikrowellenplasmas erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis CO zu H2 im H2-reichen Synthesegas auf einen Wert von größer 1:1 bis 1:3, insbesondere auf einen Wert von ungefähr 1:2,1 eingestellt wird.
  9. Verfahren zur Herstellung von synthetischen Kohlenwasserstoffen, bei dem ein H2-reiches Synthesegas durch ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt wird, und wobei das H2-reiche Synthesegas mit einem Katalysator in Kontakt gebracht wird und die Temperatur des Katalysators und/oder des Synthesegases auf einen vorbestimmten Temperaturbereich gesteuert oder geregelt wird, um synthetische funktionalisierte und/oder nicht-funktionalisierte Kohlenwasserstoffe zu erzeugen.
  10. Verfahren zur Herstellung von synthetischen Kohlenwasserstoffen nach Anspruch 9, wobei Wasser als Nebenprodukt bei der Herstellung der synthetischen Kohlenwasserstoffe anfällt, welches mit einem Anteil der Kohlenwasserstoffe vermischt ist, und wobei zumindest ein Teil des Wassers vermischt mit dem Anteil der Kohlenwasserstoffe in den zweiten C-Konverter (30) oder in einen kombinierten Kohlenwasserstoff/C-Konverter (25/30) eingeleitet wird.
  11. Anlage (1) zur Herstellung von H2-reichem Synthesegas, welche zumindest einen ersten Kohlenwasserstoffkonverter (9, 9') zum Aufspalten eines Kohlenwasserstoff enthaltenden Fluids zu einem H2/C-Aerosol aufweist, der wenigstens einen Prozessraum mit wenigstens einem Kohlenwasserstoffeingang (11) für ein Kohlenwasserstoff enthaltendes Fluid und wenigstens einem ersten Aerosol-Ausgang (12) für H2/C-Aerosol und wenigstens eine Einheit zum Einbringen von Energie in den Prozessraum aufweist, wobei die Energie wenigstens teilweise aus Wärme besteht; wobei die Anlage (1) weiter eine erste Gruppe von Konvertern (3) zur Ausführung eines ersten Teilprozesses und eine zweite Gruppe von Konvertern (5) zur Ausführung eines zweiten Teilprozesses aufweist, wobei die erste Gruppe von Konvertern (3) folgendes aufweist: einen ersten C-Konverter (14) zur Umwandlung von C und CO2 in CO, wobei der erste C-Konverter (14) wenigstens einen weiteren Prozessraum mit wenigstens einem CO2-Eingang (16) für CO2, wenigstens einem Aerosol-Eingang (15) für H2/C-Aerosol und wenigstens einem Ausgang (17) aufweist, wobei der Aerosol-Eingang (15) des ersten C-Konverters (14) direkt mit dem wenigstens einem Aerosol-Ausgang (12) des ersten Kohlenwasserstoffkonverters (9, 9') verbunden ist; einen ersten Mischer (20), der einen Synthesegaseingang, der mit dem Ausgang (17) des ersten C-Konverters (14) verbunden ist, und einen H2-Eingang für zusätzliches H2 aufweist und geeignet ist, eintretendes Synthesegas und zusätzliches H2 zu H2-reichem Synthesegas zu vermischen; und wobei die zweite Gruppe von Konvertern (5) einen zweiten CO-Konverter (37) aufweist, der wenigstens einen CO2-Ausgang (41) für CO2 und einen H2-Ausgang (40) für H2 und wenigstens einen Eingang (38) für wenigstens Synthesegas hat, wobei der Ausgang (41) für CO2 mit dem CO2-Eingang (16) des ersten C-Konverters (14) verbunden ist; und wobei der H2-Ausgang (40) mit dem H2-Eingang des Mischers (20) verbunden ist.
  12. Anlage (1) nach Anspruch 11, wobei der zweite CO-Konverter geeignet ist, eine Wassergas-Shift-Reaktion auszuführen, bei der CO und H2O zu CO2 und H2 umgewandelt werden, und wobei der Eingang (38) für wenigstens Synthesegas zum gemeinsamen Einleiten des H2O und des Synthesegases in den zweiten CO-Konverter (30) vorgesehen ist; oder wobei der zweite CO-Konverter (30) einen separaten H2O-Eingang (32) zum Einleiten des H2O getrennt von dem Synthesegas aufweist.
  13. Anlage (1) nach Anspruch 11 oder 12, wobei die zweite Gruppe von Konvertern (5) einen zweiten C-Konverter (30) zur Umwandlung von C und H2O in CO und H2 aufweist, wobei der zweite C-Konverter (30) wenigstens einen Prozessraum mit wenigstens einem H2O-Eingang (32) für H2O, wenigstens einem Aerosol-Eingang (31) für H2/C-Aerosol und wenigstens einen Ausgang (33) für Synthesegas aufweist, und wobei der Ausgang (33) für Synthesegas des zweiten C-Konverters (30) mit dem Eingang (38) für wenigstens Synthesegas des zweiten CO-Konverters (37) verbunden ist.
  14. Anlage (1) nach Anspruch 13, wobei der erste Kohlenwasserstoffkonverter (9') wenigstens einen zweiten Aerosol-Ausgang (28) für H2/C-Aerosol aufweist, der mit dem wenigstens einen Aerosol-Eingang (31) des zweiten C-Konverters (30) verbunden ist.
  15. Anlage (1) nach Anspruch 13, wobei die zweite Gruppe von Konvertern (5) einen zweiten Kohlenwasserstoffkonverter (25) zum Aufspalten eines Kohlenwasserstoff enthaltenden Fluids zu einem H2/C-Aerosol aufweist, der wenigstens einen Prozessraum mit wenigstens einem Eingang (27) für ein Kohlenwasserstoff enthaltendes Fluid und wenigstens einem Aerosol-Ausgang (28) für H2/C-Aerosol und wenigstens eine Einheit zum Einbringen von Energie in den Prozessraum aufweist, die wenigstens teilweise aus Wärme besteht; und wobei der Aerosol-Ausgang (28) des zweiten Kohlenwasserstoffkonverters (25) mit dem wenigstens einen Aerosol-Eingang (31) des zweiten C-Konverters (30) verbunden ist.
  16. Anlage (1) nach einem der Ansprüche 11–15, wobei der erste Kohlenwasserstoffkonverter (9) ein Hochtemperatur-Plasmakonverter ist; und wobei der zweite Kohlenwasserstoffkonverter (25) ein Niedertemperatur-Plasmakonverter oder ein thermisch betriebener Kohlenwasserstoffkonverter ist, der Abwärme aus dem ersten Kohlenwasserstoffkonverter (9) zum Beheizen nutzt.
  17. Anlage (1) nach einem der Ansprüche 11–16, wobei am Eingang des ersten C-Konverters (14) und/oder des zweiten C-Konverters (30) ein Filter (13) angeordnet ist, der zum Trennen von H2 und C-Partikeln geeignet ist, oder wobei im ersten C-Konverter (14) und/oder im zweiten C-Konverter (30) ein Filter (13) integriert ist, der zum Trennen von H2 und C-Partikeln geeignet ist.
  18. Anlage (1) zur Herstellung von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen, die eine Anlage nach einem der Ansprüche 11–17 und einen ersten CO-Konverter aufweist, der einen Prozessraum aufweist, in dem ein Katalysator angeordnet ist, weiter wenigstens einen Eingang (22) für Synthesegas, der mit dem Ausgang (17) des ersten C-Konverters (14) oder mit dem Mischer (20) verbunden ist, Mittel zum Leiten eines Synthesegases in Kontakt mit dem Katalysator, und eine Steuereinheit zum Steuern oder Regeln der Temperatur des Katalysators und/oder des Synthesegases auf eine vorbestimmte Temperatur.
  19. Anlage (2) zur Herstellung von synthetischen Kohlenwasserstoffen nach Anspruch 18, wobei der erste CO-Konverter (7) zur Ausführung eines Verfahrens zur Herstellung von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen geeignet ist, bei dem Wasser, welches mit einem Anteil der Kohlenwasserstoffe vermischt ist, als Nebenprodukt anfällt; und wobei zumindest ein Teil des Wassers vom ersten Kohlenwasserstoffkonverter (7) vermischt mit dem Anteil der Kohlenwasserstoffe in den zweiten C-Konverter (30, 25/30) eingeleitet wird.
  20. Anlage (2) zur Herstellung von synthetischen Kohlenwasserstoffen nach Anspruch 19, wobei der zweite C-Konverter (30) mit dem zweiten Kohlenwasserstoffkonverter (25) zu einem kombinierten Konverter (25/30) kombiniert ist.
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