DE102020104763B3

DE102020104763B3 - Hydrogen-Pyrolyse-System-Anordnung

Info

Publication number: DE102020104763B3
Application number: DE102020104763.0A
Authority: DE
Inventors: Martin Volz; Gert Petrick
Original assignee: Emma Tech GmbH; Emma Technologies GmbH
Current assignee: Emma Tech GmbH; Emma Technologies GmbH
Priority date: 2020-02-24
Filing date: 2020-02-24
Publication date: 2021-05-27
Anticipated expiration: 2040-02-25
Also published as: WO2021170174A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hydrogen-Pyrolyse-System-Anordnung (1) umfassend einen Ofen (2) mit einem Reaktor (23), einer inneren Wandung (22), einer äußeren Wandung (21), wenigstens einer Substratzufuhr (26) zur Zugabe eines Substrates (4), wenigstens einer Wasserstoffzufuhr (27) zur Zugabe von Wasserstoff (5), wenigstens einer Produktabfuhr (28), wenigstens einer Inertgaszufuhr (24) und wenigstens einer Inertgasabfuhr (25), wobei das Substrat (4) Kohlenstoffverbindungen aufweist die innere Wandung (22) den Reaktor (23) umschließt und die äußere Wandung (21) den Ofen (2) umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Wandung (21) die Inertgaszufuhr (24) und die Inertgasabfuhr (25) aufweist, die Substratzufuhr (26) in Form eines Rohres in den Reaktor führt, dessen Öffnung (261) sich dicht über dem Reaktorboden (231) befindet, die Wasserstoffzufuhr (27) in Form eines Rohres in den Reaktor führt, dessen Öffnung (271) sich dicht über dem Reaktorboden (231) befindet, die Temperatur im Reaktor (23) oberhalb von 800 °C bei atmosphärischem Druck eingestellt ist und bei einer Druckänderung im Reaktor (23) entsprechend angepasst wird, eine vollständige Zersetzung des Substrats (4) in der Substratzufuhr (26) vor Ausströmen in den Reaktor (23) durch die hohe Reaktortemperatur erfolgt, die Produktabfuhr (28) in Form eines Rohres aus dem Reaktor führt, dessen Öffnung (281) sich dicht unter dem Reaktordeckel (232) befindet, eine Bildung von Methan (6) in der Deckelstrecke der Produktabfuhr (28) aus Kohlenstoff und Wasserstoff (5) erfolgt und das Reaktorvolumen des Ofens (2) wenigstens das Dreifache des entstehenden Gasvolumens des eingeführten Substrates (4) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hydrogen-Pyrolyse-System-Anordnung umfassend einen Ofen mit einem Reaktor, einer inneren Wandung, einer äußeren Wandung, wenigstens einer Substratzufuhr zur Zugabe eines Substrates, wenigstens einer Wasserstoffzufuhr zur Zugabe von Wasserstoff, wenigstens einer Produktabfuhr, wenigstens einer Inertgaszufuhr und wenigstens einer Inertgasabfuhr, wobei das Substrat Kohlenwasserstoffverbindungen aufweist, die innere Wandung den Reaktor umschließt und die äußere Wandung den Ofen umschließt.
Weltweit werden immer höhere Zahlen an kohlenwasserstoffhaltigen Abfällen produziert, die oftmals auf riesigen Deponien gelagert werden. Gleichzeitig erweitert sich das Umweltbewusstsein der Menschen und der Vorrat an fossilen Energieträgern geht zurück. Aus diesen Gründen ist die Möglichkeit der Energiegewinnung über alternative Energiegewinnungsmöglichkeiten über die Verwertung von kohlenwasserstoffhaltigen Abfällen, wie beispielsweise Kunststoffabfällen, in den Blickpunkt gerückt. Eine Option stellt hierbei die Pyrolyse der kohlenwasserstoffhaltigen Abfälle dar, über welche zuvor ungenutztes Energiepotential bei gleichzeitiger Abfallreduzierung nutzbar gemacht wird.
Aus dem Stand der Technik ist die Pyrolyse wohlbekannt. Bei der Pyrolyse werden organische also kohlenwasserstoffhaltige Verbindungen thermochemisch zersetzt. Im Gegensatz zur Verbrennung findet der Vorgang unter Sauerstoffausschluss ausschließlich unter der Einwirkung von Wärme statt. Werden sauerstoffhaltige Brennstoffe wie beispielsweise Holz verwendet, so laufen während des Zersetzungsprozesses auch Oxidationsreaktionen ab.
Möglichkeiten der Durchführung von Pyrolysen zur Zersetzung von kohlenwasserstoffhaltigen Abfällen werden schon seit mehreren Jahrzehnten entwickelt und werden auch praktisch angewendet.
Aus der Druckschrift US 2013 / 0 172 637 A1 ist ein Verfahren zur Umwandlung von biogenen Abfällen in Brennstoffen wie Methan und weiteren Kohlenwasserstoffen mittels Hydropyrolyse bei Temperaturen zwischen 400°C und 550°C bekannt.
Die DE 696 24 073 T2 zeigt ein Verfahren zur Behandlung von Abfällen, wobei die Abfälle in einem fluidisierten Bett bei hoher Temperatur pyrolysiert werden, um ein brennbares Gas aus einer Mischung von CO und H2 zu erzeugen.
Die DE 25 43 514 A1 zeigt einen Reaktionsapparat zur Durchführung chemischer Reaktionen in welchen ein inertes Fluid eingeleitet wird, um eine Schutzschicht um ein Reaktionsrohr zu bilden.
Die Druckschrift DE 44 46 964 C2 offenbart beispielsweise ein Verfahren und eine Vorrichtung zum pyrolytischen Zersetzen von Kunststoffabfall und insbesondere eine Verfahrensweise, mit der man wirksam eine pyrolytische Zersetzung von Abfallkunststoff, einschließlich Polyvinylchloridharzen und dergleichen, vornehmen kann unter Ausbildung eines hochqualitativen Heizöls durch Pyrolyse des Abfallkunststoffes.
In der Druckschrift WO 2018/000050 A1 wird eine Anlage die einen Pyrolysereaktor, der so konfiguriert ist, dass er geschmolzene gemischte Kunststoffabfälle erhitzt, um Pyrolysegase mit einer ersten Temperatur von etwa 350 °C bis 425 °C und Pyrolyseaufschlämmung oder Pyrolysekohle bei einer zweiten Temperatur von 722 °C bis 1400 °C zu erzeugen, offenbart.
Die Probleme im Stand der Technik sind im Wesentlichen, dass es viele Ansätze zur Zersetzung von kohlenwasserstoffhaltigen Substraten mithilfe der Pyrolyse und ebenso viele Ansätze zur Energiegewinnung aus kohlenwasserstoffhaltigen Substraten über beispielsweise Verbrennung gibt. Ein einfaches System zur effizienten Gewinnung von elektrischer Energie und Wärme über ein Produkt aus der Pyrolyse kohlenwasserstoffhaltiger Substrate, welches gleichzeitig auch für die Treibstoffproduktion eingesetzt werden kann, ist bisher nur über das Hydrogen-Pyrolyse-System bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Anordnung für das Hydrogen-Pyrolyse-System bereitzustellen, in der aus kohlenwasserstoffhaltigen Abfällen, insbesondere Kunststoff, über eine Pyrolyse Methan zur Nutzung in der Energieversorgung oder der Treibstoffherstellung gewonnen wird.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einer erfindungsgemäßen Hydrogen-Pyrolyse-System-Anordnung gemäß Hauptanspruch.
Die Hydrogen-Pyrolyse-System-Anordnung umfasst einen Ofen mit einem Reaktor, einer inneren Wandung, einer äußeren Wandung, wenigstens einer Substratzufuhr zur Zugabe eines Substrates, wenigstens einer Wasserstoffzufuhr zur Zugabe von Wasserstoff, wenigstens einer Produktabfuhr, wenigstens einer Inertgaszufuhr und wenigstens einer Inertgasabfuhr, wobei das Substrat Kohlenwasserstoffverbindungen aufweist, die innere Wandung den Reaktor umschließt und die äußere Wandung den Ofen umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Wandung die Inertgaszufuhr und die Inertgasabfuhr aufweist, die Substratzufuhr in Form eines Rohres in den Reaktor führt, dessen Öffnung sich dicht über dem Reaktorboden befindet, die Wasserstoffzufuhr in Form eines Rohres in den Reaktor führt, dessen Öffnung sich dicht über dem Reaktorboden befindet, die Temperatur im Reaktor oberhalb von 800 °C bei atmosphärischem Druck eingestellt ist und bei einer Druckänderung im Reaktor entsprechend angepasst wird, eine vollständige Zersetzung des Substrats in der Substratzufuhr vor Ausströmen in den Reaktor durch die hohe Reaktortemperatur erfolgt, die Produktabfuhr in Form eines Rohres aus dem Reaktor führt, dessen Öffnung sich dicht unter dem Reaktordeckel befindet, eine Bildung von Methan in der Deckelstrecke der Produktabfuhr aus Kohlenstoff und Wasserstoff erfolgt und das Reaktorvolumen des Ofens wenigstens das Dreifache des entstehenden Gasvolumens des eingeführten Substrates umfasst.
Da die Substratzufuhr als Zufuhr für ein Gemisch aus Substrat und Wasserstoff ausgebildet sein kann und die Zersetzung des Substrats in der Substratzufuhr vor Ausströmen in den Reaktor erfolgt, ist eine Reaktion zwischen Wasserstoff und Substratbestandteilen schon in dem Einfüllrohr der Substratzufuhr nicht möglich.
Dadurch, dass das Substrat Kunststoff sein kann, ist es mit der erfindungsgemäßen Hydrogen-Pyrolyse-System-Anordnung möglich ansonsten schwer verwertbare Kunststoffabfälle in Methan zur Stromerzeugung und Wärmeenergie zu Weiterverwendung umzusetzen.
Die Fläche zwischen innerer Wandung und äußerer Wandung des Ofens kann für die kontinuierliche Spülung mit einem Inertgas z.B. Luft oder Stickstoff ausgebildet sein. So wird im Fall einer Leckage in der inneren Ofenwandung austretender Wasserstoff mit einem Wasserstoffsensor detektiert. Dieser löst vor dem Erreichen der Knallgasgrenze das Fluten des äußeren Ofens mit Inertgas (z.B. Stickstoff) aus. Somit wird eine Explosionsgefahr zuverlässig verhindert.
Erfolgt die Zugabe des Substrats über die Substratzufuhr portionsweise und nicht kontinuierlich, ist es wichtig die Substratzugabe in den Reaktor so zu steuern, dass die Zersetzung des Substrats jeder Substratportion in der Substratzufuhr vor Erreichen des Reaktorinneren gewährleistet ist. Die zeitlichen Abstände der Zugabe der einzelnen Substratportionen werden von der Wärmekapazität oder auch Leitfähigkeit des Rohres bestimmt. Sowohl bei der portionsweisen als auch der kontinuierlichen Substratzufuhr muss das Reaktorvolumen des Ofens mindestens das Dreifache des entstehenden Gasvolumen des eingeführten Substrates umfassen, so dass eine homogene Verteilung des Gases gewährleistet ist. Über die Produktabfuhr werden kontinuierlich Kohlenstoff und Wasserstoff abgeführt, wobei sich in der Deckelstrecke der Produktabfuhr Methan mit einer Temperatur von etwa 600 °C bildet. Dieses Methan wir nachfolgend zur weiteren Verwertung gespeichert.
Wenn die Temperatur im Reaktor bei atmosphärischem Druck bei 900 °C liegt, so ist eine schnelle Zersetzung des kohlenwasserstoffhaltigen Substrates in der gewünschten Weise gegeben.
Bei Temperaturen oberhalb von 800 °C werden bei der Pyrolyse eines kohlenwasserstoffhaltigen Substrates hauptsächlich Pyrolysegase gebildet.
Durch die zusätzliche Zugabe von Wasserstoff wird das Verhältnis der Reaktionspartner zueinander und so die Zusammensetzung des entstehenden Produktes geändert, so dass eine Bildung von Methan in der Deckelstrecke der Methanabfuhr stattfindet. Das gebildete Methan wird zunächst gespeichert und später beispielsweise zur Energiegewinnung durch Blockheizkraftwerke eingesetzt.
Je nach Substratzusammensetzung ist es notwendig für ein optimales Ergebnis in Bezug auf die Methanbildung die Wasserstoffzugabemengen entsprechend anzupassen.
Der für die Hydrogen-Pyrolyse-System-Anordnung benötigte gasförmige Wasserstoff kann beispielsweise über eine Wasserstoffelektrolyseanlage gewonnen werden.
Das Ausströmen von Substrat und Wasserstoff aus den Zufuhreinrichtungen in den Reaktor findet dicht über dem Reaktorboden statt. Das Einströmen von Wasserstoff und Kohlenstoff aus dem Reaktor in die Produktabfuhr findet dicht unter dem Reaktordeckel statt. Diese konstruktiven Maßnahmen sind zwingend notwendig, um die gewünschte Funktion der erfindungsgemäßen Anordnung, also die Bildung von Methan über die Zersetzung von kohlenwasserstoffhaltigem Substrat mit nachfolgender Reaktion mit Wasserstoff, gewährleisten zu können.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung in der Abbildungsbeschreibung detailliert beschrieben, wobei dieses die Erfindung erläutern soll und nicht beschränkend zu werten ist:
Es zeigt:

eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Hydrogen-Pyrolyse-System-Anord nu ng.

In ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Hydrogen-Pyrolyse-System-Anordnung 1 dargestellt. Ein Ofen 2 mit einer äußeren Wandung 21 und einer inneren Wandung 22 umfasst einen Reaktor 23. In der äußeren Wandung 21 befinden sich eine Inertgaszufuhr 24 und eine Inertgasabfuhr 25. In der Inertgasabfuhr 25 ist ein Wasserstoffsensor 251 verbaut, damit mögliche Leckagen im Reaktor 23 detektiert werden können. Eine Substratzufuhr 26 und eine Wasserstoffzufuhr 27 führen in das Innere des Reaktors. Die Öffnung der Substratzufuhr 261 und die Öffnung der Wasserstoffzufuhr 271 befinden sich dicht über dem Reaktorboden 231. Eine Produktabfuhr 28 führt aus dem Reaktor hinaus. Die Öffnung der Produktabfuhr 281 befindet sich dicht unter dem Reaktordeckel 232. Ein Inertgas 3 flutet die Fläche zwischen äußerer Wandung 21 und innerer Wandung 22 des Ofens 2 bei einer Detektion von Wasserstoff. Ein Substrat 4 wird über die Substratzufuhr 26 und Wasserstoff 5 wird über die Wasserstoffzufuhr 27 in den Reaktor 23 eingebracht. Über die Produktabfuhr 28 verlassen Wasserstoff 5 und Kohlenstoff den Reaktor 23 und werden innerhalb der Deckelstrecke des Reaktors 23 zu Methan 6 umgesetzt. Der Reaktor 23 wird auf einer Betriebstemperatur von 900 °C gehalten. Das Methan, das sich innerhalb der Deckelstrecke des Reaktors in der Produktabfuhr 28 bildet, hat eine Temperatur unterhalb von 600 °C.
Weiteres Ausführungsbeispiel:
Nachfolgend erfolgt die Beschreibung der Erfindung anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels unter Hinzunahme der zuvor erläuterten Abbildung:

Ein Ofen 2 hat einen Durchmesser von 40,5 Zentimetern und eine Höhe von 68,5 Zentimetern. Der in dem Ofen 2 verbaute Reaktor 23 hat ein Volumen von 42 Litern, einen Durchmesser von 30 Zentimetern und eine Höhe von 60 Zentimetern und steht auf Füßen in dem Ofen. Die Substratzufuhr 26 hat einen Durchmesser von 3 Zentimetern und die Öffnung der Substratzufuhr 261 befindet sich 3 cm über dem Reaktorboden 231. Die Wasserstoffzufuhr 27 hat einen Durchmesser von 0,25 Zoll und die Öffnung der Wasserstoffzufuhr 271 befindet sich 3 cm über dem Reaktorboden 231. Sowohl die Substratzufuhr 26 als auch die Wasserstoffzufuhr ragen 20 Zentimeter weit senkrecht aus dem Ofen 2 heraus. Die Zugabe von Substrat 4 und Wasserstoff 5 in das Hydrogen-Pyrolyse-System-Anordnung 1 wird also 20 Zentimeter über der äußeren Wandung 21 des Ofens 2 durchgeführt. Die Öffnung der Produktabfuhr 281 befindet sich 0,5 Zentimeter unterhalb des Reaktordeckels 232. Die Produktabfuhr 28 hat einen Durchmesser von 0,5 Zoll und wird ebenfalls senkrecht aus dem Reaktor 23 bis zu einer Höhe von 20 cm über der äußeren Wandung 21 des Ofens 2 geführt, bevor sie abknickt und aus dem Hydrogen-Pyrolyse-System 1 herausgeführt wird. Die Inertgaszufuhr 24 in die äußere Wandung des Ofens 21 hat einen Durchmesser von 0,25 Zoll und die Inertgasabfuhr 25 aus der äußeren Wandung des Ofens 21 heraus hat einen Durchmesser von 0,75 Zoll. In die Inertgasabfuhr 25 ist ein Wasserstoffsensor 251 verbaut.

Mithilfe der erfindungsgemäßen Hydrogen-Pyrolyse-System-Anordnung 1 ist es möglich ein kohlenwasserstoffhaltiges Substrat 4, insbesondere Kunststoffabfälle, über Vergasung und Reaktion mit extern zugeführtem Wasserstoff 5 in Methan 6 umzuwandeln. Die hierbei entstehende Wärme kann in anderen Prozessen weitergenutzt werden und auch zur Erhaltung der Betriebstemperatur im Reaktor 23 verwendet werden. Das entstehende Methan 6 wird zwischengespeichert und kann in Blockheizkraftwerken oder auch zur Produktion von verflüssigtem Erdgas genutzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Hydrogen-Pyrolyse-System-Anordnung
2: Ofen
21: äußere Wandung
22: innere Wandung
23: Reaktor
231: Reaktorboden
232: Reaktordeckel
24: Inertgaszufuhr
25: Inertgasabfuhr
251: Wasserstoffsensor Inertgasabfuhr
26: Substratzufuhr
261: Öffnung Substratzufuhr
27: Wasserstoffzufuhr
271: Öffnung Wasserstoffzufuhr
28: Produktabfuhr
281: Öffnung Produktabfuhr
3: Inertgas
4: Substrat
5: Wasserstoff
6: Methan

Claims

Hydrogen-Pyrolyse-System-Anordnung (1) umfassend einen Ofen (2) mit: - einem Reaktor (23); - einer inneren Wandung (22); - einer äußeren Wandung (21); - wenigstens einer Substratzufuhr (26) zur Zugabe eines Substrates (4); - wenigstens einer Wasserstoffzufuhr (27) zur Zugabe von Wasserstoff (5); - wenigstens einer Produktabfuhr (28); - wenigstens einer Inertgaszufuhr (24) und - wenigstens einer Inertgasabfuhr (25); wobei - das Substrat (4) Kohlenwasserstoffverbindungen aufweist; - die innere Wandung (22) den Reaktor (23) umschließt und - die äußere Wandung (21) den Ofen (2) umschließt; dadurch gekennzeichnet, dass - die äußere Wandung (21) die Inertgaszufuhr (24) und die Inertgasabfuhr (25) aufweist, - die Substratzufuhr (26) in Form eines Rohres in den Reaktor führt, dessen Öffnung (261) sich dicht über dem Reaktorboden (231) befindet, - die Wasserstoffzufuhr (27) in Form eines Rohres in den Reaktor führt, dessen Öffnung (271) sich dicht über dem Reaktorboden (231) befindet, - die Temperatur im Reaktor (23) oberhalb von 800 °C bei atmosphärischem Druck eingestellt ist und bei einer Druckänderung im Reaktor (23) entsprechend angepasst wird, - eine vollständige Zersetzung des Substrats (4) in der Substratzufuhr (26) vor Ausströmen in den Reaktor (23) durch die hohe Reaktortemperatur erfolgt, - die Produktabfuhr (28) in Form eines Rohres aus dem Reaktor führt, dessen Öffnung (281) sich dicht unter dem Reaktordeckel (232) befindet, - eine Bildung von Methan (6) in der Deckelstrecke der Produktabfuhr (28) aus Kohlenstoff und Wasserstoff (5) erfolgt und - das Reaktorvolumen des Ofens (2) wenigstens das Dreifache des entstehenden Gasvolumens des eingeführten Substrates (4) umfasst.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratzufuhr (26) als Zufuhr für ein Gemisch aus Substrat (4) und Wasserstoff (5) ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (4) Kunststoff ist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche zwischen innerer Wandung (22) und äußerer Wandung (21) des Ofens (2) für die kontinuierliche Spülung mit einem Inertgas (3) ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Inertgas (3) Luft oder Stickstoff ist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Inertgasabfuhr (25) mit einem Wasserstoffsensor (251) versehen ist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe des Substrats (4) über die Substratzufuhr (26) portionsweise erfolgt.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Reaktor (23) bei atmosphärischem Druck bei 900 °C liegt.