DE102015218098A1 - Verfahren zur thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen und korrespondierende Vorrichtung - Google Patents

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen (10), wobei in ein Plasmagas (30) thermische Energie durch einen Lichtbogen zwischen mindestens zwei Elektroden (3) eingebracht wird. Das aufgeheizte Plasmagas (30) wird mit den zu spaltenden Kohlenwasserstoffen (10) gemischt, wobei die zu spaltenden Kohlenwasserstoffe (10) auf eine Temperatur größer als 600°C erwärmt werden, wobei die zu spaltenden Kohlenwasserstoffe (10) zu einem Gemisch aus Kohlenstoff und Wasserstoff thermisch gespalten werden. Das Plasmagas (30) weist eine Gasmischung aus Kohlenwasserstoffen (10) und aus Reaktionsgas (20) auf, wobei die Gasmischung aus Kohlenwasserstoffen (10) des Plasmagases (30) und aus Reaktionsgas (20) des Plasmagases (30) ein bestimmtes Verhältnis aufweist. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen, wobei in ein Plasmagas thermische Energie durch einen Lichtbogen zwischen mindestens zwei Elektroden eingebracht wird. Das aufgeheizte Plasmagas wird mit den zu spaltenden Kohlenwasserstoffen gemischt, wobei die zu spaltenden Kohlenwasserstoffe auf eine Temperatur größer als 600°C erwärmt werden, wobei die zu spaltenden Kohlenwasserstoffe zu einem Gemisch aus Kohlenstoff und Wasserstoff thermisch gespalten werden. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
  • Die zu spaltenden Kohlenwasserstoffe sind bevorzugt bei Raumtemperatur und Normaldruck gasförmige Kohlenwasserstoffe, weiter bevorzugt C1 bis C4-Kohlenwasserstoffe, besonders bevorzugt Methan (CH4). Diese können auch Erdgas oder Biogas sein.
  • Ein Lichtbogen ist eine elektrische Entladung zwischen Elektroden, welche durch ein Gas zwischen den Elektroden, welches in der Regel als Plasmagas bezeichnet wird, verläuft und ein Hochtemperaturplasma erzeugt. Eine derartige Vorrichtung ist auch als Plasmafackel bekannt, dem Fachmann grundsätzlich geläufig und bedarf hier keiner näheren Erläuterung.
  • Die thermische Spaltung von Kohlenwasserstoffen ist allgemein bekannt. Die Spaltung erfolgt in ein Gemisch aus festem Kohlenstoff, der sich zu Partikeln unterschiedlicher Größe und Eigenschaft entwickeln kann, welche auch als Ruß bzw. Industrieruß (Carbon Black) bekannt sind, und gasförmigem Wasserstoff.
  • Als Wärmequelle werden regelmäßig Plasmabrenner eingesetzt, die elektrische Energie effizient in thermische Energie eines Gases umsetzen können. Die eingesetzten Elektroden sind dabei hohen Temperaturen und einer aggressiven Atmosphäre ausgesetzt, was die mögliche Materialauswahl für die Elektroden einschränkt. Die Elektroden werden durch den Lichtbogen zwangsläufig erodiert, was insbesondere bei einem Dauerbetrieb von Bedeutung ist. Allgemein geeignet sind Elektroden aus Graphit oder ähnlichen stark kohlenstoffhaltigen Materialien, die leitfähig und hochtemperaturstabil sind. Zudem verunreinigen Graphitelektroden durch ihre Erosion nicht die Produkte der thermischen Spaltung durch weitere chemische Elemente und sind vergleichsweise günstig.
  • Die Wärmeeinbringung durch die elektrische Entladung, welche als Lichtbogen sichtbar wird, kann jedoch in einem Dauerbetrieb nicht direkt in die Kohlenwasserstoffe erfolgen, d.h. Kohlenwasserstoffe sind als Plasmagas ungeeignet, da die erfolgende Spaltung und Bildung von Kohlenstoffpartikeln eine starke Ablagerung von Kohlenstoff auf den Elektroden sowie im Bereich der Elektroden zur Folge hat. Ein Phänomen, welches als „fouling“ oder auch „carbon fouling“ bekannt ist. Fouling kann zu Kurzschlüssen, erheblicher Reduktion des freien Querschnitts für den Gasstrom und unkontrollierten, ggf. auch kurzfristigen, Veränderungen der Elektrodenform durch lose angelagerte Kohlenstoffpartikel führen, welche die Stabilität des Verfahrens erheblich stören.
  • Dementsprechend wird regelmäßig Wasserstoff als Plasmagas verwendet, bei welchem kein Fouling auftritt, welcher typische Elektrodenmaterialien wie Graphit in der heißen Umgebung nicht oxidiert. Alternativ können auch Edelgase als Plasmagas eingesetzt werden.
  • Aus der WO93/20151 ist beispielsweise ein Verfahren zur thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen bekannt, in dem Wasserstoff als Plasmagas eingesetzt wird. Ferner wird der Versuch unternommen der Erosion der Elektroden durch den Lichtbogen mittels einer Beimengung von Kohlenwasserstoffen in das Plasmagas durch ein kontrolliertes Fouling entgegen zu wirken.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung anzugeben, das bzw. die eine effiziente und kostengünstige Aufspaltung von Kohlenwasserstoffen wie beispielsweise Methan in Kohlenstoff und Wasserstoff ermöglicht.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren löst diese Aufgabe ausgehend vom Oberbegriff des Anspruch 1, dadurch, dass das Plasmagas eine Gasmischung aus Kohlenwasserstoffen und aus Reaktionsgas aufweist, wobei die Gasmischung aus Kohlenwasserstoffen des Plasmagases und aus Reaktionsgas des Plasmagases ein bestimmtes Verhältnis aufweist, wobei das Verhältnis einen chemischen Umsatzgrad größer als 90% von Kohlenwasserstoffen des Plasmagases mit dem Reaktionsgas des Plasmagases zu einem Gasgemisch aus CO und H2 zulässt.
  • In der Plasmazone selbst oder bereits in der aufgeheizten Umgebung der Plasmazone werden die Kohlenwasserstoffe des Plasmagases thermisch in Kohlenstoff und Wasserstoff zerlegt. Der freie Kohlenstoff findet durch die Mischung mit dem Reaktionsgas einen Bindungspartner in der Gasphase, so dass der Kohlenstoff unmittelbar zu Kohlenstoffmonoxid (CO) reagieren kann. Da der entsprechende Reaktionspartner bereits in der Gasphase vorliegt, erfolgt die Reaktion zu Kohlenstoffmonoxid bevor der Kohlenstoff zu Partikeln bzw. Carbon Black agglomerieren kann. Dementsprechend werden Ablagerungen von festem Kohlenstoff (Fouling), die die Aufrechterhaltung und die Stabilität des Plasmas gefährden, verhindert.
  • Folglich ermöglicht eine derartige Zusammensetzung des Plasmagases eine Verwendung von signifikanten Anteilen von Kohlenwasserstoffen unmittelbar in dem Bereich des Plasmas als Plasmagas, ohne dass ein kontinuierlicher Betrieb des Verfahrens durch auftretendes Fouling verhindert wird.
  • Gleichermaßen kann Reaktionsgas dem Plasmagas in signifikanten Anteilen beigefügt werden, ohne dass dies zu einer Oxidation des Elektrodenmaterials und des Gehäuses bzw. der weiteren Innenverkleidung der Vorrichtung und dementsprechend einem Abbau oder einer Schädigung führt.
  • Folglich können die Aufwände für das Plasmagas erheblich reduziert werden, da Kohlenwasserstoffe und Reaktionsgas erheblich günstiger in der Bereitstellung sind als übliche Plasmagase, wie z.B. Wasserstoff oder Edelgas. Dies gilt auch, wenn beispielsweise Wasserstoff als Teilprodukt eines Verfahrens als Plasmagas rückgeführt werden kann, da entsprechende Kühlung und Aufreinigung entfallen können. Das Gesamtverfahren kann somit deutlich günstiger durchgeführt werden.
  • Das Plasmagas kann neben der Gasmischung aus Kohlenwasserstoffen und Reaktionsgas eine Beimischung von stabilen, reaktionsunfähigen oder reaktionsträgen Gasen enthalten, die für das bestimmte Verhältnis der Gasmischung unberücksichtigt bleiben. Die Beimischungen können beispielsweise H2 und/oder CO enthalten. Der Anteil der Beimischungen am Plasmagas kann 0 bis 90 Gewichtsprozent betragen. Vorteilhaft ist ein möglichst geringer Anteil Beimischungen, um ein möglichst kostengünstiges Plasmagas zu erreichen. Ein gewisser Anteil Beimischung kann beispielsweise bei einer Rückführung von Produktgas ebenfalls wirtschaftlich sein, um die Wärme von Produktgasen, z.B. H2, CO oder Synthesegas, effizient zur Vorwärmung der Gasmischung und Einstellung des Plasmagases vor der Einleitung in den Bereich des Plasmas zu nutzen.
  • Ein Umsatzgrad größer 90% ist vorteilhaft, um auftretendes Fouling im Falle eines Überschusses von Kohlenwasserstoffen in dem Verhältnis ausreichend begrenzt zu halten, so dass ein Betrieb nicht gefährdet wird und ggf. auch eine gewisse Regeneration der Elektroden durch kontrolliertes Fouling erreicht werden kann. Im Falle eines Überschusses von Reaktionsgas im Verhältnis tritt die Oxidation der Elektroden und deren Umgebung der Vorrichtung nur in einem begrenzten Maß auf, welches einen Dauerbetrieb des Plasmabrenners nicht gefährdet.
  • Vorzugsweise ist das Verhältnis von Kohlenwasserstoffen des Plasmagases zu Reaktionsgas des Plasmagases stöchiometrisch für die Reaktion zu einem Gasgemisch aus CO und H2.
  • Die Einleitung in einem stöchiometrischen Verhältnis ermöglicht rechnerisch eine vollständige Reaktion zu CO und H2, wodurch Fouling durch ausfallenden Kohlenstoff und eine Oxidation der angrenzenden Festkörper, wie beispielsweise Elektroden und Gehäuse, optimal verhindert werden kann.
  • Weiterhin kann bei einer Einleitung der Kohlenwasserstoffe des Plasmagases und des Reaktionsgas des Plasmagases der Anteil der Beimischung in vorteilhafter Weise reduziert bzw. auf Beimischungen verzichtet werden, so dass das Plasmagas ausschließlich aus Kohlenwasserstoffen und Reaktionsgas gebildet werden kann.
  • Sofern das bestimmte Verhältnis ein stöchiometrisches Verhältnis ist, entspricht dies einem Verhältnis, das einen chemischen Umsatzgrad von 100% von Kohlenwasserstoffen des Plasmagases mit dem Reaktionsgas des Plasmagases zu einem Gasgemisch aus CO und H2 zulässt.
  • In bevorzugten Ausführungsformen sind die Kohlenwasserstoffe des Plasmagases CH4 bzw. Methan. In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen sind die eingesetzten Kohlenwasserstoffe im Plasmagas sowie die zu spaltenden Kohlenwasserstoffe bevorzugt bei Raumtemperatur und Normaldruck gasförmige Kohlenwasserstoffe, weiter bevorzugt C1 bis C4-Kohlenwasserstoffe, vorzugsweise CH4. Erfindungsgemäß kann beispielsweise Erdgas oder Biogas als Kohlenwasserstoffquelle eingesetzt werden.
  • Methan bzw. CH4 ist weltweit gut in großen Mengen verfügbar und kann typischerweise über ein Gasnetz bezogen werden. Es ist damit deutlich günstiger als übliche Plasmagase, die aufwendig in der Herstellung sind und für die kein entsprechendes Gasnetz eingerichtet ist. Weiterhin ergeben sich Synergieeffekte aus der Tatsache, dass Methan als Edukt bei der thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen vorgesehen ist und eine Gasanlage auch für den entsprechenden Teil des Plasmagases mitgenutzt werden kann.
  • In bevorzugten Ausführungsformen ist das Reaktionsgas CO2 und/oder H2O.
  • Kohlenstoffdioxid bzw. CO2 und Wasser bzw. H2O sind weltweit verfügbar und preiswert in industriellen Mengen verfügbar. Insbesondere Wasser ist als Plasmagas deutlich günstiger als Alternativen, wie z.B. Wasserstoff oder Edelgase. Kohlenstoffdioxid fällt als Abfallprodukt in vielen industriellen Prozessen, insbesondere Verbrennungsprozessen, an und ist somit ebenfalls vergleichsweise preiswert und gut verfügbar.
  • In vorteilhaften Ausführungsformen des Verfahrens entspricht das stöchiometrische Verhältnis von CH4:CO2 1:1. Dies Verhältnis ermöglicht eine energetisch günstige Umsetzung im Plasmagas.
  • In einem weiteren vorteilhaften Verfahren entspricht das stöchiometrische Verhältnis von CH4:H2O 1:1. Bei diesem Verhältnis kann die hohe Wärmekapazität von Wasser ausgenutzt werden, um die Temperatur im Plasmabereich in Teilbereichen abzusenken. Weiterhin wird die Bildung von Kohlenmonoxid, welches giftig ist, minimiert.
  • In einem bevorzugten Verfahren entspricht das stöchiometrische Verhältnis von CH4:CO2:H2O 3:1:2.
  • Dieses Verhältnis bietet einen guten Kompromiss zwischen den Vorteilen von Kohlenstoffmonoxid und Wasser als Reaktionsgas, insbesondere ist das Verhältnis für die Effizienz des Verfahrens bei weiteren Verfahrensschritten vorteilhaft.
  • Neben diesen vorteilhaften Verhältnissen sind andere Verhältnisse ebenfalls stöchiometrische Verhältnisse, die rechnerisch eine vollständige Reaktion zu den Endprodukten H2 und CO erlauben. Dies gilt insbesondere auch, wenn die Kohlenwasserstoffe des Plasmagases eine Mischung aus verschiedenen Fraktionen sind, wie es beispielsweise bei Erdgas der Fall sein kann.
  • Vorzugsweise wird das bzw. dem Gemisch aus Kohlenstoff und Wasserstoff und Plasmagas in einer weiteren Reaktionsstufe CO2 zugeführt und in einer Boudouard-Reaktion zu Synthesegas umgesetzt.
  • Der Begriff Synthesegas bezeichnet eine Gasmischung mit den Hauptbestandteilen Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid.
  • Bei der Weiterverarbeitung der thermisch gespaltenen Kohlenwasserstoffe zu Synthesegas ist es besonders vorteilhaft, dass das Plasmagas bereits zu H2 und CO umgesetzt ist. Auf diese Weise kann das eingesetzte Plasmagas in das angestrebte Produkt integriert werden, wodurch ein aufwendiges Abtrennen oder Reinigen entfällt. Zudem ist die Verwendung eines entsprechenden Plasmagases energetisch besonders günstig, da es durch die Umsetzung nicht unnötig als reines Trägergas für den Wärmeeintrag in die zu spaltenden Kohlenwasserstoffe erwärmt wird.
  • Insbesondere ermöglicht das Verfahren eine niedrigere Temperatur des erhitzten Plasmagases gegenüber herkömmlich verwendeten Plasmagasen, wie z.B. Wasserstoff, bevor eine Mischung mit den zu spaltenden Kohlenwasserstoffen erfolgt, ohne dass die Effizienz des Verfahrens negativ beeinflusst wird. Dies ist möglich, weil durch die Nutzung eines erfindungsgemäßen Plasmagases die Effizienznachteile durch einen erhöhten Massenstrom weitestgehend entfallen. Ein höherer Massenstrom des Plasmagases ist bei herkömmlichen Verfahren nachteilig, weil die Bereitstellung des Plasmagases teuer bzw. energetisch aufwändig ist. Demnach kann ein höherer Massenstrom von Plasmagas bei niedrigerer Temperatur genutzt werden, um die gleiche Wärmeenergie auf die zu spaltenden Kohlenwasserstoffe zu übertragen. Dies ermöglicht wiederum eine vereinfachte und günstigere Bauweise einer korrespondierenden Vorrichtung.
  • Weiterhin vorzugsweise wird das bzw. dem Gemisch aus Kohlenstoff und Wasserstoff und Plasmagas in einer weiteren Reaktionsstufe H2O zugeführt und in einer Wassergas-Konvertierungsreaktion zu Synthesegas umgesetzt.
  • Es ergeben sich vergleichbare Vorteile, wie bei der Boudouard-Reaktion mit CO2. Vorteilhaft ist die Kombination der Boudouard-Reaktion und der Wassergas-Konvertierungsreaktion, um die Zusammensetzung des Synthesegases zu steuern. Dies gilt insbesondere auch, um das Verhältnis von CO und H2 entsprechend der Gasmischung von Kohlenwasserstoffen und Reaktionsgas im Plasmagas auszugleichen bzw. eine Anpassung vorzunehmen.
  • Bevorzugt wird ein wasserstoffreiches Synthesegas erzeugt, das molare Mischungsverhältnis von Wasserstoff und Kohlenmonoxid im Synthesegas ist bevorzugt 1,5:1 oder höher. Der Wasserstoffanteil kann beispielsweise variieren in Abhängigkeit davon, ob in nachgelagerten Prozessschritten eher wasserstoffreiche kurzkettige oder wasserstoffarme langkettige Treibstoffe hergestellt werden sollen.
  • Weiterhin wird zur Lösung der Aufgabe der Erfindung eine korrespondierende Vorrichtung zur thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung einen Plasmabrenner mit mindestens zwei Elektroden zur Erzeugung eines Lichtbogens aufweist. Die Vorrichtung weist mindestens einen Einlass für ein Plasmagas, vorzugsweise stromauf der Elektroden, auf, weiterhin weist die Vorrichtung mindestens einen Einlass stromab der Elektroden für zu spaltende Kohlenwasserstoffe auf, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Gasmischer aufweist, welcher dazu eingerichtet ist, die Gasmischung aus Kohlenwasserstoff und Reaktionsgas im Plasmagas anzupassen.
  • Eine entsprechende Vorrichtung ermöglicht eine vorteilhafte Anpassung der Gasmischung in dem Plasmagas, wodurch das Verfahren zur thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen insgesamt effizient und kostengünstig durchgeführt werden kann.
  • In vorteilhaften Ausführungsformen weist die Vorrichtung mindestens einen Massenstromsensor für Kohlenwasserstoffe des Plasmagases, mindestens einen Massenstromsensor für Reaktionsgas und einen Regler auf, welcher dazu eingerichtet ist, den Gasmischer entsprechend von Messwerten der Massenstromsensoren derart zu regeln, dass die Gasmischung aus Kohlenwasserstoff und Reaktionsgas im Plasmagas in einem bestimmten Verhältnis durch den Einlass für das Plasmagas in die Vorrichtung einleitbar ist.
  • Eine entsprechende Regelung des Gasstroms auf Basis der vorliegenden Massenströme ermöglicht eine genauere Einhaltung des bestimmten Verhältnisses, wodurch Fouling und Oxidation der Elektroden und der angrenzenden Bereiche effektiv vermieden werden kann.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung einen Gasanalysator zur Bestimmung der molaren Fraktionen der Kohlenwasserstoffe des Plasmagases auf, wobei der Regler dazu eingerichtet ist, den Gasmischer entsprechend von Messwerten der Massenstromsensoren und des Gasanalysators derart zu regeln, dass die Gasmischung aus Kohlenwasserstoff und Reaktionsgas im Plasmagas in einem bestimmten Verhältnis durch den Einlass für das Plasmagas in die Vorrichtung einleitbar ist.
  • Diese Vorrichtung ermöglicht in vorteilhafter Weise eine Anpassungen auf Schwankungen in der Zusammensetzung der Kohlenwasserstoffe für das Plasmagas, wie sie beispielsweise bei Erdgas allgemein oder bei einem Wechsel der Gasquellen vorkommen kann, ohne dass die Vorrichtung durch eine Gasmischung mit einem Verhältnis von Kohlenwasserstoffen und Reaktionsgas außerhalb des bestimmten Verhältnisses geschädigt werden kann.
  • Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den nachfolgenden Figuren schematisch dargestellt. Es zeigt
  • 1 eine Vorrichtung zur Spaltung von Kohlenwasserstoffen; und
  • 2 eine Vorrichtung zur Erzeugung von Synthesegas mit Gasrückführung.
  • In der 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Spaltung von Kohlenwasserstoffen 10 schematisch dargestellt.
  • Die insgesamt mit 1 bezeichnete Vorrichtung weist einen Einlass 2 für Plasmagas 30 auf. Bei 3 angedeutete Elektroden dienen der Erzeugung eines Plasmas 4.
  • Das Plasmagas 30 besteht in diesem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ausschließlich aus Kohlenwasserstoffen 10 und Reaktionsgas 20, welche in diesem Ausführungsbeispiel in einem stöchiometrischen Verhältnis am Einlass 2 eingeleitet werden. Das Verhältnis wird in diesem Beispiel durch einen geregelten Gasmischer 5 eingestellt. Das Plasmagas 30 ist bevorzugt vor der Zufuhr in das Plasma 4 vorgewärmt, bevorzugt sind dabei Temperaturen von 400 bis 500°C.
  • Im Betrieb der Vorrichtung 1 wird Plasmagas 30 durch den Einlass 2 strömen gelassen. Die Elektroden 3 werden mit elektrischer Energie beaufschlagt und ein Plasma 4 gezündet. Der Plasmadruck im Bereich der Enden der Elektroden 3 beträgt etwa 20 bar.
  • Nach der Einleitung des Plasmagases 30 wird dieses bereits durch die Umgebung erwärmt und anschließend im Plasma 4 durch den Lichtbogen zwischen den Elektroden 3 stark erhitzt. Die starke Erwärmung der Plasmagases 30 führt zu einem Zerfall der Kohlenwasserstoffe 10 im Plasma 4 in Kohlenstoff und Wasserstoff, wobei der Kohlenstoff unmittelbar mit dem Reaktionsgas 20 des Plasmagases 30 zu Kohlenmonoxid reagiert. Das Plasmagas 30 ändert somit seine Zusammensetzung während des Passieren des Plasmas 4 oder auch der angrenzenden Bereiche, wobei der Anteil von CO und H2 bzw. H im Verlauf zunimmt. Die Gastemperatur unmittelbar hinter dem Plasma 4 beträgt bevorzugt 2.500–4.500 K, weiter vorzugsweise 3.000–4.500 K. Das durch die elektrische Entladung zwischen den Elektroden 3 erhitzte Plasmagas 30 wird mit Kohlenwasserstoffen 10, welche am Einlass 6 eingeleitet werden, in der Cracking-Zone 8 gemischt. Hierdurch werden die Kohlenwasserstoffe 10 durch eine Wärmeübertragung vom Plasmagas 30 soweit erwärmt, dass die Kohlenwasserstoffe 10 thermisch gespalten werden und ein Aerosol von Wasserstoff und Kohlenstoff bilden, welches zusammen mit dem Plasmagas 30 am Ausgang 7 weitergeleitet wird.
  • In der 2 ist schematisch eine Vorrichtung 1 zur Erzeugung von Synthesegas 60 dargestellt. In diesem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird das am Ausgang 7 vorliegende Aerosol aus Wasserstoff und Kohlenstoff in einer weiteren Reaktion zu Synthesegas 60, d.h. einer Mischung aus CO und H2, umgesetzt. Für die Umsetzung des Aerosols kann einerseits Kohlenstoffdioxid CO2 40 zugeführt werden, welches mit dem vorliegenden Kohlenstoff in einer Boudouard-Reaktion zu CO umgesetzt wird. Alternativ oder ergänzend kann Wasser H2O 50 eingeleitet werden, um eine Wassergas-Konvertierungsreaktion (Wassergas-Shift-Reaktion) durchzuführen. Beide Reaktionen dienen der Erzeugung von Synthesegas 60 aus den gespaltenen Kohlenwasserstoffen 10, wobei das Synthesegas 60 in einer Weiterverarbeitungsstufe 9 beispielsweise in einem Fischer-Tropsch-Verfahren zu Treibstoffen, u.a. Diesel, Benzin oder Kerosin, weiterverarbeitet werden kann. Folglich können gasförmige Kohlenwasserstoffe 10, insbesondere Erdgas, energetisch günstig zu bei Raumtemperatur und Normaldruck flüssigen Kohlenwasserstoffen weiterverarbeitet werden.
  • Die Verwendung eines entsprechenden Plasmagases 30 mit einer Gasmischung aus Kohlenwasserstoffen 10 und Reaktionsgas 20, wobei das Reaktionsgas 20 aus CO2 40 und/oder H2O 50 besteht, bringt für das Ausführungsbeispiel der 2 erhebliche Vorteile. Das Plasmagas 30 ist nicht nur günstiger in der Bereitstellung als übliche Gase, die einen kontinuierlichen Dauerbetrieb einer Vorrichtung 1 erlauben, es trägt auch unmittelbar zum Produkt, Synthesegas 60, bei, da eine Umsetzung des Plasmagases 30 zu CO und H2, d.h. Synthesegas 60, im Bereich des Plasmas 4 bzw. des Lichtbogens erfolgt. Daher ist eine Abtrennung des Plasmagases 30 aus dem Produktstrom nicht notwendig, was energetisch besonders günstig ist. Die Umsetzung des Plasmagases 30 im Bereich des Lichtbogens bzw. Plasmas 4 zu Synthesegas 60 ist nicht so effizient, wie die Umsetzung der thermisch gespaltenen Kohlenwasserstoffe 10 am Einlass 6, welche anschließend mit CO2 40 und/oder H2O bei entsprechend geeigneten Temperaturen zu Synthesegas 60 umgesetzt werden. Dennoch trägt die Umsetzung des Plasmagases 30 positiv zur Effizienz des Gesamtverfahrens des Ausführungsbeispiels der 2 bei.
  • Gleichzeitig ermöglicht das entsprechende Plasmagas 30 eine kontinuierliche Einbringung thermischer Energie über eine elektrische Entladung im einem Plasma 4 zwischen mindestens zwei Elektroden 3, welche sich in einem Lichtbogen darstellt. Die negativen Effekte Fouling und Oxidation der Elektroden und der Vorrichtung, die bei einer Verwendung bestimmter Gase als Plasmagas 30 auftreten, können mit dem entsprechenden Plasmagas 30 mit dem vorgeschlagenen Gasgemisch verhindert werden. Daher können Gase, wie CH4, welches üblicherweise zu Fouling führt, und wie CO2, welches üblicherweise zu einer Oxidation von Graphitelektroden führt, in dem entsprechenden Gasgemisch für einen Dauerbetrieb der Vorrichtung 1 genutzt werden.
  • Die Verwendung elektrischer Energie für die Umsetzung in die notwendige thermische Energie ist vorteilhaft, da hierfür insbesondere regenerative Energiequellen verwendet werden können. Für das vorgeschlagene Verfahren ist es unerheblich, ob das Plasma 4 durch einen Plasmabrenner mit zwei, drei oder mehr stabförmigen Elektroden 3 oder einen Plasmabrenner in Form eines sog. Kvaerner-Plasmabrenners erzeugt wird. Ferner kann die elektrische Entladung durch Gleich- oder Wechselspannung sowie gepulst erfolgen.
  • Im Ausführungsbeispiel der 2 ist ein Gasmischer 5 dargestellt, welcher neben der Einstellung des Gasgemischs in einem vorzugsweise stöchiometrischen Verhältnis von Kohlenwasserstoffen 10 und Reaktionsgas 20 eine Beimischung von einem Anteil Synthesegas 60 ermöglicht, vorzugszuweise in einem Anteil von weniger als 50% Gewichtsanteil an dem Plasmagas 30. Eine Beimischung kann beispielsweise vorteilhaft sein, um eine effiziente Vorwärmung des Plasmagases 30 zu erreichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 93/20151 [0008]

Claims (12)

  1. Verfahren zur thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen (10), wobei – in ein Plasmagas (30) thermische Energie durch einen Lichtbogen zwischen mindestens zwei Elektroden (3) eingebracht wird, wobei – das aufgeheizte Plasmagas (30) mit den zu spaltenden Kohlenwasserstoffen (10) gemischt wird, wobei – die zu spaltenden Kohlenwasserstoffe (10) auf eine Temperatur größer als 600°C erwärmt werden, wobei – die zu spaltenden Kohlenwasserstoffe (10) zu einem Gemisch aus Kohlenstoff und Wasserstoff thermisch gespalten werden, dadurch gekennzeichnet, dass – das Plasmagas (30) eine Gasmischung aus Kohlenwasserstoffen (10) und aus Reaktionsgas (20) aufweist, wobei – die Gasmischung aus Kohlenwasserstoffen (10) des Plasmagases (30) und aus Reaktionsgas (20) des Plasmagases (30) ein bestimmtes Verhältnis aufweist, wobei – das Verhältnis einen chemischen Umsatzgrad größer als 90% von Kohlenwasserstoffen (10) des Plasmagases (30) mit dem Reaktionsgas (20) des Plasmagases (30) zu einem Gasgemisch aus CO und H2 zulässt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Kohlenwasserstoffen (10) des Plasmagases (30) zu Reaktionsgas (20) des Plasmagases (30) stöchiometrisch für die Reaktion zu einem Gasgemisch aus CO und H2 ist.
  3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenwasserstoffe (10) des Plasmagases (30) CH4 sind.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsgas CO2 (40) und/ oder H2O (50) ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das stöchiometrische Verhältnis von CH4:CO2 1:1 entspricht.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das stöchiometrische Verhältnis von CH4:H2O 1:1 entspricht.
  7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das stöchiometrische Verhältnis von CH4:CO2:H2O 3:1:2 entspricht.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch aus Kohlenstoff und Wasserstoff und Plasmagas (30) in einer weiteren Reaktionsstufe CO2 (40) zugeführt und in einer Boudouard-Reaktion zu Synthesegas (60) umgesetzt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch aus Kohlenstoff und Wasserstoff und Plasmagas (30) in einer weiteren Reaktionsstufe H2O (50) zugeführt und in einer Wassergas-Konvertierungsreaktion zu Synthesegas (60) umgesetzt wird.
  10. Vorrichtung (1) zur thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen (10) nach einem Verfahren der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (1) einen Plasmabrenner mit mindestens zwei Elektroden (3) zur Erzeugung eines Lichtbogens aufweist, die Vorrichtung (1) mindestens einen Einlass (2) für ein Plasmagas (30) aufweist, die Vorrichtung (1) mindestens einen Einlass (2) stromab der Elektroden (3) für zu spaltende Kohlenwasserstoffe (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) einen Gasmischer (5) aufweist, welcher dazu eingerichtet ist, die Gasmischung aus Kohlenwasserstoff (10) und Reaktionsgas (30) im Plasmagas (30) anzupassen.
  11. Vorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) mindestens einen Massenstromsensor für Kohlenwasserstoffe (10) des Plasmagases (30) aufweist, mindestens einen Massenstromsensor für Reaktionsgas (20) aufweist, und einen Regler, welcher dazu eingerichtet ist, den Gasmischer (5) entsprechend von Messwerten der Massenstromsensoren derart zu regeln, dass die Gasmischung aus Kohlenwasserstoff (10) und Reaktionsgas (20) im Plasmagas (30) in einem bestimmten Verhältnis durch den Einlass (2) für das Plasmagas (30) in die Vorrichtung (1) einleitbar ist.
  12. Vorrichtung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) einen Gasanalysator zur Bestimmung der molaren Fraktionen der Kohlenwasserstoffe (10) des Plasmagases (30) aufweist, wobei der Regler dazu eingerichtet ist, den Gasmischer (5) entsprechend von Messwerten der Massenstromsensoren und des Gasanalysators derart zu regeln, dass die Gasmischung aus Kohlenwasserstoff (10) und Reaktionsgas (20) im Plasmagas (30) in einem bestimmten Verhältnis durch den Einlass (2) für das Plasmagas (30) in die Vorrichtung (1) einleitbar ist.
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