DE102015217683A1

DE102015217683A1 - Reaktor mit partikelförmigem Wärmeträger

Info

Publication number: DE102015217683A1
Application number: DE102015217683.5A
Authority: DE
Inventors: Stefan Brendelberger
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2015-09-16
Filing date: 2015-09-16
Publication date: 2017-04-13

Abstract

Reaktor (1) zur Durchführung eines Verfahrens zur Wärmeübertragung von einem festen, teilchenförmigen Wärmeträger (41) auf einen festen Reaktionspartner (40) dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor eine Reaktorkammer (16) mit wenigstens einem ersten Einlass (13) für den Wärmeträger (41), wenigstens einem zweiten Einlass (14) für den festen Reaktionspartner (40) und wenigstens einen Auslass (15) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Durchführung eines Verfahrens mit Wärmeübertragung von einem festen, teilchenförmigen Wärmeträger auf einen festen Reaktionspartner sowie Vorrichtungen im Reaktor zur Verbesserung der Wärmeübertragung sowie des Reaktionsfortschritts des Verfahrens.
Solarbetriebene thermochemische Kreisprozesse wie beispielsweis zur Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff oder die Reduktion von CO₂ zu CO sind der Gegenstand intensiver Forschung. Dies liegt sicher auch daran, dass die thermochemischen Kreisprozesse ein hohes theoretisches Wirkungsgradpotential besitzen und gleichzeitig an die Prozesse besondere Anforderungen gestellt werden. 1 zeigt einen entsprechenden thermochemischen Kreisprozess schematisch.
Grundlegende Reaktionsschritte sind hierbei die Reduktion eines Redoxmaterials als ein Reaktionsschritt und die Oxidation desselben als zweiter Reaktionsschritt. In einem ersten Schritt findet dabei die Reduktion eines Redoxmaterials statt. Hierdurch wird ein Gas, wie beispielsweise Sauerstoff, freigesetzt. Diese Reduktion findet bei hohen Temperaturen häufig von 1000 °C und mehr statt.
Die Oxidation des reduzierten Redoxmaterials findet dann im sogenannten Spaltschritt statt. Hier wird beispielsweise Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Der im Wasser enthaltene Sauerstoff wird zur Oxidation des Redoxmaterials verwendet. Ähnlich läuft auch die Spaltung von CO₂ ab. Hier wird CO abgeschieden, das frei werdende Sauerstoffmolekül wird in das reduzierte Redoxmaterial eingebaut. Das so erhaltene Redoxmaterial wir in dieser oxidierten Form dann wieder im Reduktionschritt eingesetzt.
Derzeit werden unterschiedlichste Reaktoren im Labor- und Prototypenmaßstab getestet. Beispielhaft sind hier die Publikationen von W.C. Chueh et al., High-Flux Solar-Driven Thermochemical Dissociation of CO2 and H2O Using Nonstoichiometric Ceria, Science, 330 (2010) 1797–1801; R.B. Diver et al., Testing of a CR5 solar Thermochemical Heat Engine Prototype, ASME 2010, 4th International Conference on Energy Sustainability, Phoenix, Arizona, USA, 2010, 97–104; J. Lapp et al., Heat Transfer Analysis of a Solid-Solid Heat Recuperation System For Solar-Driven Nonstoichiometric Redox Cycles, Journal of Solar Energy Engineering, 135 (2013) 031004; H. Kaneko et al., Simulation Study of Tokyo Tech Rotary-Type Solar Reactor on Solar Field Test at Csiro in Australia, ASME 2011, 5th International Conference on Energy Sustainability, Washington, DC, USA, 2011, 1673–1680; I. Ermanoski et al., A New Reactor Concept for Efficient Solar-Thermochemical Fuel Production, Journal of Solar Energy Engineering, 135 (2013) 031002; und M. Roeb et al., Test Operation of a 100 kW Pilot Plant for Solar Hydrogen Production from Water on a Solar Tower, Solar Energy 85 (2011) 634–644, zu nennen.
Vor allem der Reduktionsschritt in thermochemischen Kreisprozessen stellt besondere Herausforderungen an die Ausarbeitung und den Betrieb von Receiver-Reaktoren aufgrund der hohen Reaktionstemperaturen von 1000 °C oder 1200 °C oder mehr, insbesondere von 1000°C bis 1500 °C, dar. Darüber hinaus wird in mehreren Ausführungen zusätzlich angestrebt, einen Anteil der sensiblen Hochtemperaturwärme des Redoxmaterials nach der Reduktion für die Vorwärmung des Redoxmaterials nach der Oxidation zur Verfügung zu stellen, um den Prozesswirkungsgrad zu steigern. Durch diese erweiterte Anforderung ergeben sich deutlich komplexere Reaktortypen, die sich bisher nur im Labormaßstab befinden und deren Test von Prototypen unter Prozessbedingungen zu einem Versagen des Receiver-Reaktors geführt hat.
Um eine effiziente Spaltung in einem Reaktor zu ermöglichen, ist es wünschenswert eine hohe Ausbeute zu erhalten. Unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften und Prozesseigenschaften ist somit ein möglichst hoher Grad der Wärmerückgewinnung wünschenswert. Weiterhin wünschenswert ist ein kontinuierlicher Betrieb, trotz der unterschiedlichen Reaktionszeiten für Reduktion, Spaltung und Erwärmung. Wird die Energie für die thermische Reduktion mittels erneuerbarer Energien bereitgestellt, so ist eine effiziente Einkopplung wünschenswert, um die Energien gut zu nutzen und gleichzeitig von Betrieblichen Schwankungen unabhängig zu sein. Zudem sollte ein Reaktor auch im Teillastbereich betrieben werden können. Insbesondere ein kontinuierlich betreibbarer Reaktor sowie eine Skalierbarkeit des Prozesses sind wünschenswert.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass eine effiziente Wärmerückgewinnung möglich ist, wenn der Wärmeübertrag durch einen festen teilchenförmigen Wärmeträger erfolgt. Ein entsprechendes Verfahren zur Durchführung einer aus wenigstens zwei sequenziellen reversiblen Schritten bestehenden chemischen Reaktion in einem Kreisprozess ist somit dadurch gekennzeichnet, dass man einen festen Reaktionspartner in einer ersten Reaktionskammer (1) unter Wärmeaufnahme bei einer ersten Temperatur T₁ reduziert und den festen Reaktionspartner in einer zweiten Reaktionskammer (2) unter Wärmeabgabe bei einer zweiten Temperatur T₂ anschließend oxidiert,
wobei die Temperatur T₁ höher ist als die Temperatur T₂ und wobei in einem ersten Wärmeübertrager (3) nach Ablauf der Reaktion in der ersten Reaktionskammer (1) sensible Wärme des festen Reaktionspartners auf einen festen Wärmeträger übertragen wird und
in einem zweiten Wärmeübertrager (4) nach Ablauf der Reaktion in der zweiten Reaktionskammer (2) diese vom Wärmeträger im ersten Wärmeübertrager (3) aufgenommene Wärme wieder auf den festen Reaktionspartner übertragen wird.
In der beigefügten 2 ist schematisch ein Reaktor gezeigt, in dem ein entsprechendes Verfahren ablaufen kann. Ein entsprechendes Verfahren ist beispielsweise in DE 10 2014 2010 482 beschrieben, auf welche hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird. Ebenso beschäftigt sich S. Brendelberger, C. Sattler, Concept Analysis of an Indirect Particle-Based Redox Process for Solar-Driven H2O/CO2 Splitting, Solar Energy, 113 (2015) 158–170, mit dem Einsatz von partikulären Wärmeträgermedien.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun in der Bereitstellung eines Reaktors, in welchem insbesondere der Reduktionsschritt eines entsprechenden Verfahrens effektiv ablaufen kann, dabei soll der Wärmeübertrag der sensiblen Wärme über feste, teilchenförmige Wärmeträger erfolgen, da sich diese als besonders vorteilhaft herausgestellt haben. Überraschenderweise wird die Aufgabe gelöst durch einen Reaktor (1) zur Durchführung eines Verfahrens zur Wärmeübertragung von einem festen, teilchenförmigen Wärmeträger (41) auf einen festen Reaktionspartner (40) dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (1) eine Reaktorkammer (16) mit wenigstens einem ersten Einlass (13) für den Wärmeträger (14), wenigstens einem zweiten Einlass (14) für den festen Reaktionspartner (40) und wenigstens einen Auslass (15) aufweist.
Durch die getrennten Einlässe von festem Reaktionspartner (40) und Wärmeträger (41) wird eine gute Durchmischung der beiden sichergestellt. Hierdurch gelangen die beiden festen Materialien miteinander in Kontakt, wodurch ein Wärmeaustausch ermöglicht wird. Dieser Wärmeaustausch findet im Inneren der Reaktorkammer (16) statt.
Gleichzeitig wird der feste Reaktionspartner (40) reduziert, wodurch ein Gas freigesetzt wird. Der Wärmeträger (41) ist dabei sowohl hinsichtlich des Reaktionspartners (40) als auch des vom Reaktionspartner (40) bei dessen Reduktion freigesetzten Gases inert, geht also mit diesen keine Reaktion ein.
In 2 ist ein System, welches einen erfindungsgemäßer Reaktor (1) umfasst, in einer besonderen Ausführungsform dargestellt, wobei 3 einen erfindungsgemäßen Reaktor (1) als Bestandteil eines Systems zeigt. Zur besseren grafischen Darstellbarkeit und optischen Unterscheidung von festem Reaktionspartner (40) und Wärmeträger (41) sind diese in den Figuren in unterschiedlicher Größe und unterschiedlichem Grauton dargestellt. Vorliegend ist der Reaktionspartner (40) als Pulver gezeigt, während der Wärmeträger (41) als Partikel dargestellt ist, wobei sich die Teilchen des Pulvers und die Partikel um mehrere Größenordnungen unterscheiden. Die beiden Medien vermischen sich beim Eintritt in die Reaktorkammer (16) und durchlaufen diesen als Fließbett, im Weiteren auch als Partikelbett oder Bett bezeichnet, nach unten, wobei die Fließrichtung als Pfeil (23) in 3 verdeutlicht wird.
Die vorliegende Anmeldung beschreibt somit einen Reaktor (1), in dem Wärme über ein inertes, partikuläres Wärmeträgermedium (Wärmeträger (41)) einem reaktiven Material (fester Reaktionspartner (40)) für eine endotherme Reaktion zur Verfügung gestellt wird. Der Wärmeträger (41) kann beispielsweise in einem Receiver mittels Solarenergie oder anderen geeigneten Energieformen erwärmt werden. Die Wärme wird so durch den Receiver in den Prozess eingekoppelt. Hierdurch wird der Eintrag von Wärme in einen Prozess von der Bereitstellung der Wärme für die Reaktion und somit von der eigentlichen Reaktion entkoppelt. Dies ist insbesondere bei thermochemischen Prozessen vorteilhaft, da sich typische Zeitskalen der einzelnen Mechanismen, wie beispielsweise Absorption, Wärmeeintrag oder Reaktionsfortschritt, stark unterscheiden können und somit Reaktoren, bei denen die Anforderung des Wärmeeintrags und der Wärmebereitstellung für die Reaktion in einer einzelnen Einheit erfüllt werden müssen, zu nicht optimalen Kompromissen im Design und Betrieb der Reaktoren führen. Dies ist insbesondere bei Receiver-Reaktoren für solarbetriebene thermochemische Redoxkreisprozesse zu beobachten. Die vorliegende Anmeldung beschreibt daher Details eines Reaktors und insbesondere der ersten Reaktionskammer, in welcher die Reduktion des reaktiven Materials, also des festen Reaktionspartners (40), stattfindet.
Ein erfindungsgemäßer Reaktor eignet sich insbesondere zur Durchführung einer aus wenigstens zwei sequenziellen reversiblen Schritten bestehenden chemischen Reaktion, kann aber auch für jede beliebige Reaktion, bei der ein Wärmeübertrag erfolgt und insbesondere ein Gas bei einer ablaufenden Reaktion frei wird, eingesetzt werden. Sequentielle Schritte im Sinne der vorliegenden Erfindung sind aufeinander folgende Reaktionsschritte einer chemischen Reaktion, bei denen die Reaktionsprodukte isolierbar sind. Reversible Schritte im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Reaktionsschritte, bei denen das chemische Gleichgewicht so eingestellt werden kann, dass wahlweise entweder die Hin- oder Rückreaktion bevorzugt abläuft.
Ein Kreisprozess im Sinne der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die wenigstens zwei sequentiellen reversiblen Schritte immer jeweils nacheinander durchgeführt werden, wie dies in 1 schematisch dargestellt ist.
Eine chemische Reaktion im Sinne der vorliegenden Erfindung ist im Prinzip jede chemische Reaktion, die in Gegenwart eines festen Reaktionspartners (40) durchgeführt wird. Bei dem festen Reaktionspartner (40) handelt es sich vorzugsweise um eine chemische Verbindung mit Redoxeigenschaften.
Chemische Verbindungen mit Redoxeigenschaften im Sinne der vorliegenden Erfindung sind solche Verbindungen, die reversibel oxidiert und reduziert werden können. Vorteilhafterweise sind diese chemischen Verbindungen mit Redoxeigenschaften ausgewählt aus der Gruppe der Metalloxide, gemischte Metalloxide, dotierte Metalloxide und deren Gemische. Besonders bevorzugt sind Metalloxide, da sie am vielseitigsten anwendbar sind. Als besonders vorteilhaft herausgestellt hat sich der Einsatz eines multivalenten Metalloxids als fester Reaktionspartner (40), da dieses besonders leicht zu regenerieren ist, also leicht zwischen oxidiertem und reduziertem Zustand wechseln kann. Multivalent im Sinne der Erfindung ist ein Metalloxid, das mehrere Oxidationsstufen nebeneinander aufweist und insbesondere dann, wenn das Metall in einer Oxidationsstufe > +1, insbesondere > +2 vorliegt.
Vorzugsweise umfassen die Metalloxide Ferrite und/oder Zinkoxide und/oder Manganoxide und/oder Lanthanoxide und/oder Ceroxide und/oder Perowskite und/oder Oxide der generellen Formel M_x ²⁺Zn_1-x ²⁺Fe₂O₄, wobei M_x ²⁺ ein zweiwertiges Metallion ausgewählt aus der Gruppe, die aus Magnesium, Calcium, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Zink, Strontium, Zinn, Barium, Cadmium, Blei besteht, wobei auch Mischungen der Oxide eingesetzt werden können. Mischungen der Oxide werden insbesondere dann eingesetzt, wenn eine Wasserstoffabspaltung erfolgen soll, da diese hier besonders effizient sind. Grundsätzlich ist in der allgemeinen Formel M_x ²⁺Zn_1-x ²⁺Fe₂O₄ x eine Zahl in einem Bereich von 1 bis 5, insbesondere von 2 bis 3. Ceroxid wird bevorzugt als Metalloxid eingesetzt.

Vorzugsweise wird der erfindungsgemäße Reaktor (1) bei folgenden exemplarisch aufgeführten Reaktionstypen zum Ablauf des Reaktionsschritts eingesetzt:

Reaktionstyp	Erster Schritt (Spaltschritt)	Zweiter Schritt (Reduktionsschritt)
H₂-Produktion	MeO_x + H₂O → H₂ + MeO_y	MeO_y → MeO_x + ½O₂
Reduktion von Kohlendioxid	MeO_x + CO₂ → MeO_y + CO	MeO_y → MeO_x + ½O₂
Spaltung von Stickoxiden	MeO_x + NO_z → MeO_y + ½N₂	MeO_y → MeO_x + ^z/₂O₂
Spaltung von SO₃ / Produktion von SO₂	MeO_x + SO₃ → MeO_y + SO₂	MeO_y → MeO_x + ½O₂
Selektive Oxidation	MeO_x + ½O₂ → MeO_y	C_mH_n + MeO_y → MeO_x + C_mH_nO
Dehydrierungen	MeO_x + ½O₂ → MeO_y	C_mH_n + MeO_y → MeO_x + C_mH_n-2 + H₂O
H₂-Produktion	Me + H₂O → H₂ + MeO	MeO → Me + ½O₂
H₂-Produktion	MX_y + HX → MX_y+1 + ½H₂	MX_y+1 → MX_y + ½X₂

In der Tabelle sind die Reaktionsgleichungen für stöchiometrisch ablaufende Reaktionen gezeigt. Es ist jedoch auch möglich, dass die Reaktionen nicht stöchiometrisch ablaufen. Die entsprechende Anpassung der Reaktionsgleichung ist dem Fachmann hinlänglich bekannt. In der Tabelle steht Me für ein Metallatom oder für mehrere unterschiedliche Metallatome, X für wenigstens ein Halogen oder Pseudohalogen, tiefgestellt Indizes n, m, x, y oder z für positive Zahlen. Hierbei kann es sich um ganze Zahlen handeln. Da die Reaktion nicht immer stöchiometrisch ablaufen, können die Indices auch rationale Zahlen darstellen.
Ein System umfasst in diesem Fall neben dem Reaktor (1) eine zweite Reaktionskammer (2), in der der Spaltschritt stattfindet, sowie vorzugsweise weiterhin zwischen Reaktor (1) und Reaktionskammer (2) angeordnete Wärmeüberträger (3, 4), in denen ebenfalls sensible Wärme vom Wärmeträger (41) auf den Reaktionspartner (40) oder umgekehrt übertragen werden kann.
Diesbezüglich wird auf die Ausführungen in DE 10 2014 210 482.3 Bezug genommen.
Mit dem Verfahren kann insbesondere Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten werden. Weiterhin ist es möglich, CO₂ in CO und Sauerstoff zu spalten. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich vorzugsweise um ein Verfahren zur Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, beziehungsweise von CO₂ in CO und Sauerstoff. Hier wird im Kreisprozess vorzugsweise bei Temperaturen in einem Bereich von 800 °C bis 1.200 °C Wasserstoff aus Wasserdampf beziehungsweise Kohlenmonoxid aus Kohlendioxid erzeugt. Im Kreisprozess geführt wird beispielsweise ein Metalloxidsystem, das Sauerstoff aus Wassermolekülen beziehungsweise aus Kohlendioxid abspalten und reversibel in seine Kristallstruktur einbinden kann.
Typische Vertreter fester Reaktionspartner (40) insbesondere für die oben aufgeführten Redox-Kreisprozesse sind Cer-basierte Materialien. Diese können in Pulverform (mit einem mittleren Teilchendurchmesser von etwa 5µm, bestimmt mittels Rasterelektronenmikroskopie oder Siebverfahren) in industriellem Maßstab erworben werden. Daher bietet es sich an, das pulverförmige Medium in der oben dargestellten Ausführung auf das reaktive Material zu beziehen. Es ist erfindungsgemäß jedoch auch möglich, dass der Wärmeträger (41) als Pulver und der Reaktionspartner (40) als im Vergleich hierzu größere Teilchen vorliegen. Außerdem können auch beide (40) und (41) aus größeren Partikeln bestehen. Wichtig ist nur, dass sie sich in der Größe deutlich unterscheiden, falls die Partikelgröße zur Trennung der beiden Partikelmedien eingesetzt wird.
Die Partikelgröße beeinflusst das Oberfläche zu Volumen Verhältnis der Partikel (Wärmeträger (41) und Reaktionspartner (40)) und hat somit Einfluss auf den Wärmetransport und den Stofftransport im Partikel und im Partikelbett. Insgesamt sind kleine Partikel vorteilhaft. Dies ist auch bei den Wärmeträger (41) der Fall, da sie in besonderen Ausführungsformen konzentrierte Strahlung in einem Receiver möglichst gut und gleichmäßig absorbieren sollen und bei kleinen Partikeln eine größere Oberfläche für den Wärmeaustausch zur Verfügung steht.
Für beide Partikelmedien (Wärmeträger (41) und Reaktionspartner (40)) sind daher kleine Partikel vorteilhaft. Es können jedoch zusätzliche Anforderungen durch die Trennung der Medien, die Durchströmbarkeit des Partikelbetts oder deren Transport entstehen. Als Wärmeträger (41) bieten sich beispielsweise Keramikpartikel in der Größenordnung von ca. 1mm an.
Der erfindungsgemäße Wärmeträger (41) liegt in Form von festen, sphärischen Teilchen vor. Sphärische Teilchen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind solche Teilchen, die wenigstens eine zweidimensionale, insbesondere eine dreidimensionale Ausdehnung aufweisen. Diese Ausdehnung muss nicht in alle Raumrichtungen regelmäßig sein. Sphärische Teilchen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind beispielsweise stäbchenförmige Teilchen, aber auch kugelförmige Teilchen. Dabei kann bei diesen Teilchen die äußere Form regelmäßig oder auch unregelmäßig sein. Beispielsweise handelt es sich bei dem Wärmeträger um ein Pulver oder ein Granulat.
Auch der feste Reaktionspartner (40) liegt vorzugsweise in Form von festen, sphärischen Teilchen vor. Auch hier ist eine regelmäßige Ausgestaltung nicht notwendig, jedoch von der vorliegenden Erfindung mit eingeschlossen.
Um eine effektive Wärmeübertragung im erfindungsgemäßen Reaktor (1) vom Wärmeträger (41) auf den festen Reaktionspartner (40) zu ermöglichen, werden die beiden Arten von Teilchen miteinander in Kontakt gebracht. Nach der Wärmerübertragung werden der feste Reaktionspartner (40) und der Wärmeträger (41) wieder voneinander getrennt. Um eine Trennung zu ermöglichen, müssen sich der feste Reaktionspartner (40) und der Wärmeträger (41) mindestens in einem physikalischen Parameter, wie beispielsweise Teilchengröße, Gewicht, Dichte oder magnetische Eigenschaften, voneinander unterscheiden. Vorzugsweise weisen der feste Reaktionspartner (40) und der Wärmeträger (41) voneinander unterschiedliche Teilchengrößen auf. Dies ermöglicht eine Trennung beispielsweise durch ein Sieb. Die Begriffe "Teilchen" und "Partikel" werden in der vorliegenden Anmeldung synonym verwendet.
Die Teilchengröße im Sinne der vorliegenden Erfindung ist die durchschnittliche Teilchengröße. Bei Teilchen mit unregelmäßiger geometrischer Ausdehnung in die unterschiedlichen Raumrichtungen entspricht ein angegebener Durchmesser der kleinsten räumlichen Ausdehnung. Die Teilchengröße kann mittels rasterelektronenmikroskopischer Aufnahmen bestimmt werden. Vorzugsweise weist der feste Reaktionspartner (40) eine kleinere Teilchengröße als der Wärmeträger (41) auf. Hierdurch wird die Wärmeübertragung der beiden Teilchen ebenso wie der Reaktionsfortschritt im Reaktionspartner (40) verbessert. Grundsätzlich ist die Wärmeübertragung bei kleineren Teilchen besser, als bei größeren Teilchen, weswegen sowohl die Teilchengröße des festen Reaktionspartners (40) als auch die des Wärmeträgers (41) möglichst gering, aber dennoch voneinander verschieden und nicht überlappend sind.
Eine optimale Teilchengröße für das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei von vielen Faktoren abhängig. Dabei spielen neben möglichst gutem Wärmeübertrag unter anderem auch das Handling und die Stabilität und weitere Punkte eine Rolle. Vorzugsweise liegt jedoch die Teilchengröße der Wärmeträger im Bereich von 50 µm bis 10 mm, insbesondere von 100 µm bis 5 mm, besonders von 100 µm bis 3 mm oder von 150 µm bis 500 µm oder bis 1 mm. Die Teilchengröße des festen Reaktionspartners liegt vorzugweise im Bereich von 1 µm bis 500 µm, insbesondere von 1 µm bis 300 µm oder bis 100 µm, bevorzugt von 5 µm oder von 25 µm bis 150 µm oder 200 µm. Die Bestimmung der Teilchengröße erfolgt mittels Rasterelektronenmikroskopie.
In einer alternativen Ausführungsform unterscheiden sich der feste Reaktionspartner (40) und der Wärmeträger (41) in ihrer Dichte. Dies ermöglicht eine Trennung durch einen Gasstrom wodurch die leichteren Teilchen vom Luftstrom erfasst und weggetragen werden, wohingegen sich die schwereren Teilchen der Schwerkraft folgend auf den Boden einer Reaktionskammer oder einer geeigneten Sammelvorrichtung sammeln. Ein Gasstrom im Sinne der vorliegenden Erfindung ist jedes beliebige strömende Gas oder Gasgemisch, welches in der Lage ist, die vorhandenen Teilchen voneinander zu trennen, ohne diese in Ihrer Eigenschaft als fester Reaktionspartner oder Wärmeträger chemisch oder physikalisch zu beeinflussen.
Eine Trennung der Teilchen, also des festen Reaktionspartners (40) vom Wärmeträger (41), ist auch möglich, wenn sich die beiden Teilchen in ihren magnetischen Eigenschaften unterscheiden. Durch Anlegen eines externen Magnetfeldes kann hier eine Trennung erfolgen.
Vorzugsweise unterscheiden sich der feste Reaktionspartner (40) und der Wärmeträger (41) in ihrer Teilchengröße.
Das Mengenverhältnis von Reaktionspartner (40) zu Wärmeträger (41) ist dabei unter Berücksichtigung unter anderem der Temperaturniveaus, der Wärmekapazität und der nötigen Reaktionswärme geeignet zu wählen. Für den im Reaktor (1) ablaufenden Prozess ist davon auszugehen, dass die durch die Wärmeträger (41) bereitgestellte Wärmemenge für die Reduktionswärme und sensible Wärme durch Verluste und Kühlung zwischen den Prozessschritten aufkommen muss.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Reaktor (1) weiterhin einen Receiver (5). In diesem Receiver (5) kann der Wärmeträger (41) beispielsweise durch konzentrierte Solarstrahlung (7) erwärmt werden. Dies ermöglicht eine beliebige geometrische Anordnung des Receivers hin zu der Sonneneinstrahlung (7), wodurch eine gute Erwärmung ermöglicht wird. Alternativ kann eine Erwärmung beispielsweise mittels fossiler Brennstoffe, nuklearer Energie oder anderer bekannter Arten zur Wärmeenergiegewinnung erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein erster Wärmeträger in dem Receiver (5) erwärmt, dann in einem Speicher (Speicher heiß) (6) gespeichert, bevor er zur Erwärmung des festen Reaktionspartners im Reaktor (1) eingesetzt wird. Der hierdurch erkaltete Wärmeträger wird dann in einem zweiten Speicher (Speicher kalt) (8) gespeichert, bevor er in dem Receiver (5) erneut erwärmt wird. In dieser bevorzugten Ausführungsform umfasst das System neben Reaktor (1) und zweiter Reaktionskammer (2), erstem und zweitem Wärmeübertrager (3, 4) weiterhin einen Receiver (5) sowie zwei Speicher (6, 8). Vorzugsweise umfasst das System somit einen Receiver (5) und/oder einen oder mehrere Speicher (6, 8). Dabei kann die Erwärmung mit unterschiedlichen, dem Fachmann an sich bekannten Mitteln erfolgen. Bevorzugt erfolgt sie mit konzentrierter Solarstrahlung (7).
Wird die zur Reaktion benötigte Temperatur mittels konzentrierter Solarstrahlung (7) bereitgestellt, handelt es sich bei dem vorliegenden Reaktor (1) um einen thermochemischen Solarreaktor. Diese Ausführungsform ist vorliegend besonders bevorzugt.
Im Receiver (5) wird die hochkonzentrierte Solarstrahlung (7) vom Wärmeträger (41) absorbiert. Durch die innerhalb des gesamten Verfahrens stattfindende Wärmerückgewinnung muss der Wärmeträger nur soweit erwärmt werden, dass die nicht zurückgewonnene Wärme, zusätzliche Wärmeverluste und die zur Reduktion aufzubringende Enthalpie ausgeglichen werden. Der Partikelstrom des Wärmeträgers (41) lässt sich an die Einstrahlung im Receiver (5) so anpassen, dass der gewünschte und notwendige Temperaturhub, also der Ausgleich der nach der Wärmerückgewinnung noch fehlenden Temperaturdifferenz, auch in Teillast erreicht werden kann.
Im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Anlagen, werden an die Atmosphäre im Receiver (5) der vorliegenden Erfindung in jeglicher Ausführungsform keine besonderen Anforderungen gestellt. Dadurch besteht die Möglichkeit auf ein Fenster, durch welches die Sonneneinstrahlung erfolgen kann, zu verzichten. Dies ermöglicht die Bestrahlung bei Umgebungsbedingungen, wodurch Reflektionsverluste und Absorptionsverluste eines Fensters vermieden werden können. Zudem ist ein einfacherer Aufbau eines Receivers (5) möglich, wodurch große technische Herausforderungen, die der Einsatz eines Fensters bei hohen Konzentrationen und unter Verwendung von Partikeln mit sich bringt, vermieden werden können. Beispielsweise handelt es sich bei dem Receiver 5 um einen Fallfilm-Receiver mit offener Kavität, welcher sich ohne den anspruchsvollen Einsatz einer Beam-Down-Optik realisieren lässt.
In einer alternativen, bevorzugten Ausführungsform wird erfindungsgemäß zunächst der Wärmeträger (41) mittels konzentrierter Solarstrahlung (7) erwärmt. Der Wärmeträger (41) überträgt dann die Wärme auf den festen Reaktionspartner (40), so dass dieser dann eine Temperatur T₁ aufweist, die ausreichend ist, um den festen Reaktionspartner in einer ersten Reaktionskammer zu reduzieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein erster Wärmeträger in einem Receiver (5) insbesondere mittels konzentrierter Solarstrahlung erwärmt. Der erwärmte Wärmeträger wird in einem ersten Speicher (Speicher heiß) (6) gelagert, bevor er zur Erwärmung des festen Reaktionspartners im Reaktor (1) eingesetzt wird. Im Reaktor (1) gibt der erste Wärmeträger seine Wärme ab, wodurch er abgekühlt wird. Der nun erkaltete erste Wärmeträger kann dann in einem zweiten Speicher (Speicher kalt) (8) gelagert werden, bevor er erneut im Receiver (5) erwärmt wird.
In dieser Ausführungsform wird dann der feste Reaktionspartner (40) aus dem Reaktor (1) in den ersten Wärmeübertrager (3) geleitet. In diesem Wärmeübertrager (3) wird die Wärme des festen Reaktionspartners (40) auf einen zweiten Wärmeträger übertragen. Der hierdurch abgekühlte feste Reaktionspartner (40) findet dann Anwendung in der zweiten Reaktionskammer (2). Anschließend wird er im zweiten Wärmeübertrager (4) mittels des zweiten Wärmeträgers wieder erwärmt.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst in dieser Ausführungsform drei voneinander unabhängige Partikelkreisläufe. In einem ersten Kreislauf (Kreislauf 1) (9), welcher in 2 in einer gestrichelten Linie dargestellt ist, wird der erste Wärmeträger im Kreis geführt. Dies umfasst das Erwärmen im Receiver (5), das Speichern im ersten Speicher (6), die Übertragung der Wärme vom ersten Wärmeträger auf den festen Reaktionspartner in der ersten Reaktionskammer (1) sowie die Speicherung des dann abgekühlten Wärmeträgers im zweiten Speicher (8).
In einem weiteren Kreislauf (Kreislauf 3) (11), welcher in 2 mittels gepunkteter Linien dargestellt ist, wird ein zweiter Wärmeträger im Kreis geführt. Dies umfasst die Aufnahme von Wärme vom festen Reaktionspartner im ersten Wärmeübertrager (3) sowie die Abgabe von Wärme an den festen Reaktionspartner im zweiten Wärmeübertrager (4). Dabei können der erste Wärmeträger und der zweite Wärmeträger voneinander verschieden sein. Es ist auch möglich, dass der erste und der zweite Wärmeträger gleich sind. Die Trennung der beiden Wärmeträger-Kreisläufe hat den Vorteil, dass der Wirkungsgrad des Verfahrens verbessert werden kann.
Auch der feste Reaktionspartner wird im erfindungsgemäßen Verfahren im Kreis geführt (Kreislauf 2) (10). Diese Kreisführung entspricht der Verfahrensführung in einem thermochemischen Kreisprozess, wie es auch in 1 schematisch gezeigt ist. Zusätzlich findet zwischen Reduktion und Oxidation im Reaktor (1) beziehungsweise der zweiten Reaktionskammer (2) ein Wärmeübertrag auf einen Wärmeträger beziehungsweise vom Wärmeträger statt.
Im Kreisprozess findet diese Abspaltung von Sauerstoff und die Einlagerung in den festen Reaktionspartner (40) bei einer zweiten Temperatur T₂ statt. Die dann noch notwendige Abgabe von Sauerstoff aus dem festen Reaktionspartner (40), wodurch dieser reduziert wird, findet bei einer ersten Temperatur T₁ statt. Um den Kreisprozess zu starten muss zunächst der feste Reaktionspartner (40) auf die Temperatur T₁ erwärmt werden. Dies erfolgt erfindungsgemäß vorzugsweise mittels konzentrierter Solarstrahlung. Dabei ist es möglich, den festen Reaktionspartner (40) selbst zu erwärmen. Vorzugsweise wird der Reaktionspartner durch den Wärmeträger (41) erwärmt.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Reaktorkammer (16) wenigstens eine Vorrichtung zur Verbesserung des Gasaustrags (19, 20) der bei der Reduktion des festen Reaktionspartners (40) entstehenden Gase. Wärmeträger (41) und Reaktionspartner (40) liegen als Schüttung im Reaktorraum (16) vor. Diese weisen nur eine begrenzte Porosität auf. Im Laufe der Reaktion steigt nun die Gaskonzentration im Inneren der Reaktorkammer (16) an. Hierdurch wird der ablaufende Reduktionsschritt verlangsamt. Es stellt sich nach einer gewissen Zeit ein Gleichgewicht ein, dass heißt, der Reaktionspartner (40) wird nicht weiter reduziert. Hierdurch wird die Effektivität des Reaktors (1) jedoch verringert. Bevorzugt wird der Reaktionspartner (40) nämlich vollständig in der Reaktorkammer (16) reduziert. Durch die erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Verbesserung des Gasaustrages (19, 20) wird nun das beim Reduktionsschritt entstehende Gas aus dem unmittelbaren Kontakt mit dem Reaktionspartner (40) entfernt. Somit kann ein Gleichgewichtszustand wie zuvor beschrieben nicht eintreten. Die Effektivität der Reduktion des Reaktionspartners (40) während des Aufenthalts in der Reaktorkammer (16) wird verbessert, das bedeutet, dass der Reduktionsgrad des Reaktionspartners (40) erhöht wird.
Im Betrieb ist die Reaktorkammer (16) nicht vollständig mit dem Reaktionspartner (40) und dem Wärmeträger (41) gefüllt ist, wodurch ein gefüllter Raum (18) und ein Leerraum (17) im Inneren der Reaktorkammer (16) entstehen. Bevorzugt ist die wenigstens eine Vorrichtung zur Verbesserung des Gasaustrags (19) im Bereich des Leerraumes (17) angeordnet ist.
In einer anderen ebenso bevorzugten Ausführungsform ist die wenigstens eine Vorrichtung zur Verbesserung des Gasaustrags (20) im Bereich des gefüllten Raumes (18) der Reaktorkammer (16) angeordnet. Dabei ist es erfindungsgemäß besonders bevorzugt, dass wenigstens eine Vorrichtung zur Verbesserung des Gasaustrags im Bereich des Leerraumes (17) und wenigstens eine Vorrichtung im Bereich des gefüllten Raumes (18) angeordnet sind.
Eine Vorrichtung zur Verbesserung des Gasaustrags kann beispielsweise eine Vorrichtung zum Erreichen eines Vakuums im Inneren der Reaktorkammer sein. Eine entsprechende Vakuumabsaugung kann an eine (vorliegend nicht dargestellte) Vakuumpumpe angeschlossen werden. Im Bett im Reduktionsschritt entstehendes Gas entweicht nach oben, da es leichter als Reaktionspartner (40) und Wärmeträger (41) ist. Dies ist im Rahmen der Porosität der Schüttung des Bettes möglich. Im Leerraum (17) sammelt sich das Gas, so dass es nicht mehr im unmittelbaren Kontakt mit dem Reaktionspartner (40) steht.
Durch die Verringerung des Drucks innerhalb der Reaktorkammer (16) wird der Reduktionsschritt hinsichtlich der Produkte verschoben, so dass die Reduktion schneller und effektiver stattfinden kann.
Dabei ist es möglich, eine Vakuumabsaugung sowohl im Bereich des Leeraumes (17) als auch im Bereich des gefüllten Raumes (18) vorzusehen. Ist eine Vakuumabsaugung im Bereich des gefüllten Raumes angeordnet, spricht man von einer Innerbettabsaugung. Diese sind so angebracht, dass sie weitere, dem Vakuum zugängliche Flächen in das Bett einbringen. Diese Absaugbereiche sind dadurch gekennzeichnet, dass sie über geneigte Flächen (21) den Partikelstrom seitlich ablenken, wodurch eine partikelfreie Zone unterhalb des so entstehenden Dachs entsteht.
Durch die im gefüllten Raum enthaltenen Partikel, nämlich Wärmeträger (41) und Reaktionspartner (40), erhält man eine Schüttung. Während der Reduktion wird nun ein Gas frei. Aufgrund der Eigenschaft der Schüttung kann dies jedoch nicht vollständig in Richtung des Leerraumes entweichen, so dass insbesondere im unteren Bereich der Reaktorkammer in Richtung des Auslasses die Sauerstoffkonzentration noch hoch ist. Entsprechend ist hier die Effektivität des Reduktionsschritts gering. Es ist jedoch wünschenswert, dass der Reduktionsschritt homogen über den vollständigen Raum der Reaktorkammer (16) oder beim Durchlauf durch die Reaktorkammer (16) weiter fortschreitend abläuft.
Zudem wäre es wünschenswert, dass zu Beginn der Reaktion in der Reaktorkammer (16) möglicherweise nur teilweise reduzierte Reaktionspartner (40) innerhalb der Reaktorkammer (16) weiter reduziert werden. Dies kann durch entsprechende Innerbettabsaugungen realisiert werden. Durch die geneigten Flächen wird vermieden, dass Wärmeträger (41) oder Reaktionspartner (40) abgesaugt werden, so dass lediglich ein Gasaustrag stattfindet.
Eine Vorrichtung zur Verbesserung des Gasaustrags soll das beim Spaltschritt entstehende Gas aus dem Reaktionsraum entfernen. Es ist daher auch möglich, das entstehende Gas, beispielsweise Sauerstoff, chemisch oder physikalisch zu binden. Auch solche Vorrichtungen zur Entfernung des Gases durch physikalische oder chemische Bindung sind vorliegend umfasst.
In einer weiteren Ausführungsform hat die wenigstens eine Vorrichtung zur Verbesserung des Gasaustrags vertikal verlaufende Entnahmebereiche (22) mit mehreren Öffnungen. Diese werden im gefüllten Raum (18) der Reaktorkammer (16) derart angeordnet, dass bei der Reduktion entstehendes Gas durch entsprechende Entnahmebereiche entweder in den Leerraum (17) der Reaktorkammer (16) oder an eine Außenwand der Reaktorkammer (16) und dann zu einer Vakuumpumpe geleitet werden. Hierdurch wird die zur Verfügung stehende Oberfläche, durch die ein Gasaustritt erfolgen kann, innerhalb des gefüllten Raumes (18) erhöht. Hierdurch steigt die Porosität der Schüttung im gefüllten Raum (18) an, wodurch eine effektivere Reduktion des Reaktionspartners (40) und damit ein verbesserter Wirkungsgrad erreicht werden.
Es ist weiterhin möglich, dass die wenigstens eine Vorrichtung zur Verbesserung des Gasaustrages ein Einlass für ein Spülgas (Inertgas) ist. Dies ist insbesondere dann bevorzugt, wenn sich die wenigstens eine Vorrichtung im Bereich des gefüllten Raumes (18) befindet. Hierdurch kann ein inertes Spülgas wie beispielsweise Stickstoff oder ein Edelgas oder Mischungen dieser, insbesondere Stickstoff oder Argon oder Helium oder Mischungen dieser Gase, in die Schüttung eingeleitet werden. Durch das Spülgas wird das bei der Reduktion entstehende Gas, wie beispielsweise Sauerstoff, mitgezogen und in den Leerraum (17) der Reaktorkammer (16) transportiert.
Durch das Spülgas wird somit ebenso die Porosität in der Schüttung erhöht. Im Bereich des Leerraumes (17) kann eine Vorrichtung zum Druckausgleich angeordnet sein. Es ist auch möglich, das Spülgas innerhalb des gefüllten Raumes (18) mit einer Vakuumabsaugung im Bereich des Leerraumes zu kombinieren. Spülgas und Vakuumabsaugung können somit getrennt voneinander oder gemeinsam vorliegen. Gleiches gilt für Vertikal verlaufende Entnahmebereiche (22), die in gemeinsam mit einer Vakuumeinrichtung und/oder zusammen mit einer Spülgasvorrichtung vorliegen kann.
In 7 ist eine bevorzugte Ausführungsform der ersten Reaktionskammer (1) dargestellt. Vor dem Eintritt in die Reaktorkammer (16) befindet sich ein Schleusenraum (34), dessen Ausflussrate mittels Schleusenöffnung (35) gesteuert werden kann. Durch das Partikelbett in der Schleuse und die Schleusenöffnung (35) ist es möglich eine Druckdifferenz zwischen der Reaktorkammer (16) und den Zuleitungen (13 und 14) zu erzeugen.
Das Reduktionsgleichgewicht ist von der Temperatur und dem umgebenden Druck abhängig. Um das bei der Reaktion freiwerdende Gas abzutransportieren, ist in der Reaktorkammer (16) ein Anschluss für eine Leitung zu einer Vakuumabsaugung (19) vorgesehen. Da das Partikelbett aus pulverförmigem Redoxmaterial eine geringe Permeabilität besitzt, die unter anderem einen Druckverlust über dem Schleusenbett ermöglicht, wird der Gastransport aus dem Bett an die Oberfläche des Betts behindert. Dadurch wird der Reaktionsfortschritt verzögert. Um den Gasabtransport zu erleichtern sind daher weitere Absaugbereiche im Bett (20) vorgesehen. Diese sind so angebracht, dass sie weitere, dem Vakuum zugängliche Flächen (21) in das Bett einbringen. Diese Absaugbereiche sind dadurch gekennzeichnet, dass sie über geneigte Flächen den Partikelstrom wie ein Dach seitlich ablenken und dadurch eine partikelfreie Zone unterhalb des Dachs entstehen lassen. Über Zugänge zur Leitung der Vakuumpumpe können somit weitere Bereiche mit reduziertem Druck im Partikelbett erzeugt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind wenigstens zwei Vorrichtungen zur Verbesserung des Gasaustrages im Bereich des gefüllten Raumes angeordnet. Insbesondere handelt es sich hierbei um Vakuumabsaugungen. Diese sind vorzugsweise derart angeordnet, dass feste Reaktionspartner (40) und Wärmeträger (41) beim Durchtritt durch die Reaktorkammer (16) zunächst mit der ersten Vorrichtung und anschließend mit der zweiten Vorrichtung und anschließend mit gegebenenfalls weiter vorhandenen Vorrichtungen zur Verbesserung des Gasaustrages in Kontakt kommen. Die Vorrichtungen sind somit im Betriebe in Fließrichtung des festen Reaktionspartners (40) nacheinander angeordnet. Hierdurch erhält man eine Druckkaskade im Inneren des Bettes des Reaktorraums. Die einzelnen Vorrichtungen können dabei mit unterschiedlichen Drücken betrieben werden, wobei der Druck vom Bereich (31) über den Bereich (32) bis zum Bereich (33) abnimmt. Dadurch lässt sich das Redoxmaterial (fester Reaktionspartner (40) auf dem Weg durch das Partikelbett weiter reduzieren, während der Absaugvolumenstrom im Vergleich zu einem Reaktor, der ausschließlich auf einem Druckniveau betrieben wird, reduziert wird. Es ist auch möglich, dass in den Bereichen (31, 32, 33) der gleiche Druck herrscht.
Entsprechende Druckentnahmestellen, die eine Druckkaskadierung ermöglichen, lassen sich generell bei Reaktoren mit Partikelbetten, die eine geringe Permeabilität aufweisen, einsetzen.
Für den optimalen Wärmeübertrag von Partikeln des Wärmeträges (41) an den Reaktionspartner (40) ist eine möglichst gleichmäßige Durchmischung der beiden Medien vorteilhaft. Die Vermischung lässt sich beispielsweise durch aktive Elemente vergleichmäßigen (Rührer). Der Einsatz von Schwingungsanregern ist ebenfalls möglich. Durch Vibration lässt sich bei Wahl geeigneter Reaktionspartner (40) und Wärmeträger (41) eine Durchmischung oder, falls gewünscht, auch eine Entmischung begünstigen. Der Einsatz aktiver Elemente wie beispielsweise eines Rührers ist bei den üblicherweise vorherrschenden Reaktortemperaturen im Reduktionsschritt von mehr als 1000 °C, insbesondere von 1200 °C bis 1500 °C eine besondere Herausforderung, weswegen passive Methoden bevorzugt sind.
Eine passive Methode ist das Einbringen von Hindernissen im Inneren der Reaktorkammer (16). Entsprechende Hindernisse sind derart angeordnet, dass der feste Reaktionspartner (40) und auch der feste, teilchenförmige Wärmeträger (41) gleichmäßig innerhalb der Reaktorkammer (16) verteilt und miteinander vermischt werden, so dass ein möglichst effektive Wärmeübertrag stattfinden kann. Dies kann beispielsweise auch durch ein Sieb erfolgen, was ein vollflächiges, gleichmäßiges Einbringen des festen Reaktionspartners (40) oder des festen, teilchenförmigen Wärmeträgers ermöglicht, wie in 8 und 9 schematisch gezeigt.
Um die Temperatur in der Reaktorkammer (16) zu vergleichsmäßigen und einen Temperaturabfall am Rand zu vermindern, kann der Reaktor zusätzlich von einem Mantel (26) umgeben werden, in den ebenfalls Partikel des Wärmeträgers (41) gegeben werden. In allen Fällen ist auf eine sorgfältige Isolierung der Reaktorkammer (16) zu achten.
Durch einen Mantel, der feste, teilchenförmige Wärmeträger (41) aufweist, wird eine besonders homogene Temperaturverteilung innerhalb der Reaktorkammer (16) erreicht. Ein bei einer üblicherweise vorhandenen Isolation erfolgender Temperaturabfall ist hier nicht zu beobachten.
Der Wärmeträger (41) aus dem Mantel kann auch hier nochmals verwendet werden. So ist es beispielsweise möglich, dass nach Durchtritt durch die Reaktorkammer (16), also am Auslass (15), feste Reaktionspartner (40) und Wärmeträger (41) voneinander getrennt werden und der Wärmeträger (41) aus der Reaktorkammer (16) mit dem aus dem Mantel miteinander gemischt und in einem nächsten Verfahrensschritt eingesetzt werden.
Es kann für den Prozess auch vorteilhaft sein, wenn man zwei, drei oder mehrere Reaktorkammern (16) miteinander kombiniert. Diese werden bevorzugt in Reihe geschaltet. Es ist jedoch auch möglich, mehrere Reaktorkammern, die jeweils eigene Ein- und Auslässe aufweisen, in Reihe zu schalten, so dass diese bei Bedarf gleichzeitig genutzt werden können. Bei einer Reihenschaltung ist insbesondere eine Verschaltung der Partikelströme des Wärmeträgers (41) und des Reaktionspartners (40) im Gegenstrom möglich. 10 zeigt schematisch eine entsprechende bevorzugte Ausführungsform, in der mehrere Reaktorkammern in Reihe geschaltet sind.
In dieser Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße System nicht nur einen Reaktor, sondern zwei oder mehr Reaktoren, beispielhaft drei Reaktoren R1, R2 und R3. In dieser Ausführungsform durchlaufen die Wärmeträgerpartikel (41) die Reaktoren in der Folge R1 danach R2 und zuletzt R3, währen der Reaktionspartner (40) zunächst R3 und anschließend R2 und danach R1 durchläuft. In R1 werden dabei die höchsten Temperaturen erreicht. Um die Reaktion möglichst weit fortschreiten zu lassen ist der Gaspartialdruck und insbesondere der Sauerstoffpartialdruck in diesem Reaktor am geringsten zu wählen. Der Gas- beziehungsweise Sauerstoffpartialdruck steigt dann über R2 zu R3 an. Durch die Verschaltung im Gegenstrom kann die Wärmemenge des Wärmeträgers (41) besser genutzt werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können alle oben genannten bevorzugten Ausführungsformen beziehungsweise die jeweils beschriebenen Merkmale auch einzeln miteinander kombiniert werden. Darüber hinaus deckt im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Begriff "umfassend" auch die Alternative ab, in er der Reaktor oder das Verfahren, bezüglich welchen der Begriff "umfassend" verwendet wird, ausschließlich aus den beschriebenen Elementen besteht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 1020142010482 [0009]
DE 102014210482 [0023]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

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Claims

Reaktor (1) zur Durchführung eines Verfahrens mit Wärmeübertragung von einem festen, teilchenförmigen Wärmeträger (41) auf einen festen Reaktionspartner (40) dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (1) eine Reaktorkammer (16) mit wenigstens einem ersten Einlass (13) für den Wärmeträger (41), wenigstens einem zweiten Einlass (14) für den festen Reaktionspartner (40) und wenigstens einen Auslass (15) aufweist.
Reaktor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Reaktorkammer (16) wenigstens eine Vorrichtung zur Verbesserung des Gasaustrags (19, 20) der bei der Reduktion des festen Reaktionspartners (40) entstehenden Gase auffasst.
Reaktor (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktorkammer (16) im Betrieb nicht vollständig mit dem Reaktionspartner (40) und dem Wärmeträger (41) gefüllt ist, wodurch ein gefüllter Raum (18) und ein Leerraum (17) im Inneren der Reaktorkammer (16) entstehen, wobei die wenigstens eine Vorrichtung zur Verbesserung des Gasaustrags (19) im Bereich des Leerraumes (17) angeordnet ist.
Reaktor (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Vorrichtung zur Verbesserung des Gasaustrags (20) im Bereich des gefüllten Raumes (18) angeordnet ist.
Reaktor (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei, insbesondere wenigstens drei Vorrichtungen zur Verbesserung des Gasaustrags (31, 32, 33) im Bereich des gefüllten Raumes (18) derart angeordnet sind, dass im Betrieb im Inneren der Reaktorkammer (16) Bereiche unterschiedlichen Druckes entstehen, wobei bevorzugt der Druck in Richtung des wenigstens einen Auslasses (15) geringer ist als der Druck in Richtung des ersten und des zweiten Einlasses (13, 14).
Reaktor (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Vorrichtung zur Verbesserung des Gasaustrags (19, 20, 31, 32, 33) eine Vakuumabsaugung und/oder ein Einlass für ein Inertgas und/oder eine Vorrichtung zur physikalischen oder chemischen Bindung von Gas, insbesondere von Sauerstoff, ist.
Reaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren der Reaktorkammer (16) wenigstens einen vertikal verlaufenden Entnahmebereich (22) aufweist.
Reaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiterhin umfassend wenigstens eine Schleuse (35, 36) und/oder wenigstens eine Schleusenkammer (34).
Reaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, weiterhin umfassend eine oder mehrere Vorrichtungen zur Homogenisierung (25) einer Mischung aus Reaktionspartner (40) und Wärmeträger (41).
Reaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwei, drei oder mehrere Reaktorkammern (16) in Reihe oder parallel geschaltet, insbesondere in Reihe geschaltet, miteinander kombiniert sind.