DE102022123944A1

DE102022123944A1 - Reaktoranordnung und Verfahren zur thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoff

Info

Publication number: DE102022123944A1
Application number: DE102022123944.6A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-09-19
Filing date: 2022-09-19
Publication date: 2024-03-21

Abstract

Reaktoranordnung (10) zur thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoff in Kohlenstoff (15) und ein Synthesegas (17) mit Wasserstoff mittels Hochtemperaturwärme, umfassend- einen Mantel (30) und einen von dem Mantel (30) umgrenzten Reaktorraum (14) mit einem auf die Hochtemperaturwärme erwärmbaren, fluiddurchlässigen, insbesondere porösen, Reaktormaterial (12),- eine erste Strömungsführung (24) zur Leitung von Eduktmedium (16) von einer Eintrittsseite (34) in den Reaktorraum (14), und- einen ersten Austritt (35) zum Auslass von Kohlenstoff (15) und einen zweiten Austritt (36) zum Auslass von Synthesegas (17) aus der Reaktoranordnung (10).Eine effiziente Reaktoranordnung wird dadurch bereitgestellt, dass die Reaktoranordnung (10) zur Erzeugung der zur thermischen Spaltung erforderlichen Hochtemperaturwärme in dem Reaktormaterial (12) mittels elektromagnetischer Induktion ausgebildet ist, wobei die Reaktoranordnung (10) eine Induktoranordnung (40) mit einer um den Reaktorraum (14), insbesondere in dem Mantel (30), angeordneten Induktorvorrichtung (42) zur Erwärmung des Reaktormaterials (12) aufweist, wobei der Mantel (30) zumindest teilweise elektrisch nichtleitend ausgebildet ist und wobei das Reaktormaterial (12) ein elektrisch leitfähiges, keramisches Material umfasst oder daraus gebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Reaktoranordnung zur thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoff in Kohlenstoff und ein Synthesegas mit Wasserstoff mittels Hochtemperaturwärme, umfassend einen Mantel und einen von dem Mantel umgrenzten Reaktorraum mit einem auf die Hochtemperaturwärme erwärmbaren, fluiddurchlässigen, insbesondere porösen, Reaktormaterial, eine erste Strömungsführung zur Leitung von Eduktmedium von einer Eintrittsseite in den Reaktorraum, und einen ersten Austritt zum Auslass von Kohlenstoff und einen zweiten Austritt zum Auslass von Synthesegas aus der Reaktoranordnung. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoff.
Eine derartige Reaktoranordnung ist in der DE1266273A angegeben.
Wasserstoff gilt als Schlüsselelement zur Reduktion der CO2-Emissionen und somit zur erfolgreichen Durchführung der Energiewende. Diesem Element wird eine hohe Bedeutung für die Klimaneutralität zugesprochen, da dieser als komplementärer Brennstoff im Strom-, Mobilitäts- und Wärmesektor (Haushalte, Gewerbe und Industrie) sowie als Ausgangsstoff in der chemischen Industrie eingesetzt werden kann. Hier wird Wasserstoff zur industriellen Produktion von Ammoniak (NH3), welches einer der meistproduzierten Chemikalien und eines der wichtigsten Zwischenprodukte bei der Düngemittelproduktion ist. Wasserstoff wird ebenfalls bei der Erdölverarbeitung, der Methanolproduktion, der Öl- und Fetthydrierung und als Kühlmittel in elektrischen Generatoren verwendet. Die Direktreduktion von Eisenerz unter Einsatz von Wasserstoff stellt eine zukünftige Alternative zum emissionsintensiven Hochofenprozess dar und führt zu einer signifikanten Reduktion der CO2-Emissionen in der Stahlindustrie.
Die Herstellung von Wasserstoff wird derzeit nahezu ausschließlich aus fossilen Rohstoffen durchgeführt, wobei diese sowohl als Wasserstoffquelle als auch als Energiequelle für die Umwandlung genutzt werden. Das weltweit verbreitete, großtechnisch eingesetzte Verfahren ist mit ca. 2000 €/t die Erdgas-Dampfreformierung, die jedoch mit substantiellen Kohlenstoffdioxidemissionen von ca. 11 kg CO₂/kgH2 einhergeht und deshalb der produzierte Wasserstoff als „grauer Wasserstoff“ gekennzeichnet wird. Als Übergangstechnologie gewinnt die Herstellung des sogenannten „türkisen Wasserstoffs“ an Bedeutung, welcher mithilfe der Methan-Pyrolyse überwiegend aus Erdgas gewonnen wird. Dieses Pyrolyseverfahren kann Wasserstoff zu moderaten Kosten zwischen 2600 bis 3000 €/t und mit niedrigen CO₂-Emissionen von 5 kg CO₂/kgH2 produzieren, wenn das dafür eingesetzte Erdgas kostengünstig und die eingesetzte Heizenergie CO₂-frei ist.
Zur Erzielung der erforderlichen hoher Reaktionstemperaturen von mehr als 1000 °C auf Basis eines elektrothermischen Verfahrens (Power-to-Heat) werden im Stand der Technik unterschiedliche Reaktorkonzepte unter Einsatz verschiedener Power-to-Heat Technologien vorgeschlagen: DE1266273A , US3259565A und DE2420579C3 .
In der DE1266273A wird die Reaktorbeheizung mit einer unmittelbaren Widerstandserwärmung eines kohlenstoffhaltigen Wanderbetts durchgeführt, um daraus Wasserstoff und Koks herzustellen.
Analog wird die Widerstandserwärmung in der US3259565A eingesetzt, um ein Kohlenstoff-Fließbett aufzuheizen und in leichte Kohlenwasserstoffe sowie Wasserstoff und Kohlenstoff zu spalten. Solche Widerstandsheizungen haben allerdings Nachteile hinsichtlich begrenzter Leistungsdichte und Temperatur der Kontaktierung sowie daraus resultierenden Verschleißerscheinungen der Elektrodenzuführung.
Die induktive Erwärmung ermöglicht wiederum aufgrund ihres kontaktlosen Leistungstransports mit der direkten Wärmeerzeugung im Reaktormaterial deutlich höhere Leistungsdichten zur Erzielung der benötigten Temperaturen höher als 1000 °C. Dieses elektrothermische Verfahren wird in DE2420579C3 und WO2020239288A1 offenbart, um ein Reaktor-Schüttbett aus Koks ( DE2420579C3 ) oder Siliciumcarbid ( WO2020239288A1 ) zu beheizen. Hier werden geometrische und stoffliche Eigenschaften des Schüttbetts aufgezeigt, die eine effiziente Beheizung der Schüttung bei hohen Temperaturen oberhalb 900 °C ermöglichen. Vorteil der Schüttung ist die hohe spezifische Oberfläche, welche für einen effizienten Wärme- und Stofftransport in verfahrenstechnischen Reaktoren benötigt werden. Allerdings sind Schüttreaktoren druckverlust-technisch limitiert, da der relative Druckverlust mit steigender spezifischer Oberfläche pro Packungsvolumen deutlich zunimmt. Deshalb werden selten spezifische Oberflächen größer 1000 m²/m³ umgesetzt, welche jedoch einerseits für den konvektiven Abtransport der mit hohen Leistungsdichten induktiv erzeigten Wärme und andererseits für hohe Stoff-Umsatzraten sowie für kompakte Reaktorentwürfe benötigt werden.
In der US9739501 ist eine induktive Erwärmung von offenzelligen Graphitschäumen angegeben.
Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine energetisch und exergetisch effiziente Reaktoranordnung für ein elektrothermisches Verfahren sowie ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff und Kohlenstoff aufzuzeigen, welches großmaßstäblich industriell mit hohen Umsatzraten und geringen CO₂-Emissionen umgesetzt werden kann.
Die Aufgabe wird für die Reaktoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und für das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 25 gelöst. Vorteilhafte Varianten sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei der Reaktoranordnung ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Reaktoranordnung zur Erzeugung der zur thermischen Spaltung erforderlichen Hochtemperaturwärme in dem Reaktormaterial mittels elektromagnetischer Induktion ausgebildet ist, wobei die Reaktoranordnung eine Induktoranordnung mit einer um den Reaktorraum, insbesondere in dem Mantel, angeordneten Induktorvorrichtung zur Erwärmung des Reaktormaterials aufweist, wobei der Mantel zumindest teilweise elektrisch nichtleitend ausgebildet ist und wobei das Reaktormaterial ein elektrisch leitfähiges, keramisches Material umfasst oder daraus gebildet ist.
Der in festem Zustand gebundene Kohlenstoff soll für eine bessere Wirtschaftlichkeit stofflich für die Chemieindustrie (bspw. als Aktivkohle und/oder Einblaskohle) verwertet werden.
Mit der Reaktoranordnung wird ein Verfahren zur parallelen Herstellung von Kohlenstoff und Synthesegas (Produktgas, mit oder bestehend aus Wasserstoff) in einer induktiv beheizten Reaktoranordnung unter Verwendung eines vorzugsweise porösen Reaktormaterials (mit einer hohen Porosität und einer hohen spezifischen Oberfläche) durchgeführt, bei dem Kohlenwasserstoffe, z. B. Methan oder Methan umfassend, in Form von Eduktmeduim in den Reaktorraum eingeleitet und bei hohen Reaktionstemperaturen (Hochtemperaturwärme), vorzugsweise oberhalb 900 °C oder 1000 °C, thermisch in Kohlenstoff und Wasserstoff zersetzt werden. Die für die thermische Zersetzung erforderliche Reaktionswärme wird zumindest teilweise durch die induktive Erwärmung eines hochtemperaturstabilen Reaktormaterials bereitgestellt, wobei das Reaktormaterial eine sehr hohe spezifische Oberfläche und eine hohe Porosität zur exergetisch effizienten Wärmeübertagung an das kohlenwasserstoffhaltige Eduktmedium aufweist.
Bei der thermischen Spaltung von Eduktmeduim, mit oder aus Kohlenwasserstoffen wie bspw. Methan, in Kohlenstoff und Wasserstoff (CH₄ → C + 2H₂) unter Zuführung der vorzugsweise erneuerbar erzeugten Hochtemperaturwärme (von ohne Katalysatormaterial > 1000 °C) mit einer Reaktionsenthalpie Δ_RH° = 74,91 kJ/mol H₂ wird türkisener Wasserstoff (enthalten in dem Synthesegas) hergestellt. Neben dem Wasserstoff wird hierbei reiner Kohlenstoff in festem Aggregatzustand produziert, welcher ein wertvolles Industrieprodukt darstellt und entweder durch Verwertung für Kohle- und Rohölprodukte genutzt oder deponiert werden kann. Im Gegensatz zu bekannten Schutzrechten wird die Erzeugung der genannten Reaktionswärme mithilfe eines induktiv erwärmbaren Reaktormaterials mit einer sehr hohen spezifischen Oberfläche und Hohlraumanteil, weiterhin als Porosität bezeichnet, realisiert. Diese thermische Zersetzung von Kohlenwasserstoffen wird auf Basis von bevorzugt erneuerbar erzeugtem elektrischem Strom bei Hochtemperaturwärme, im Temperaturbereich zwischen vorzugsweise 900 °C bis 1600 °C (ohne Katalysatormaterial), durchgeführt. Dabei wird zur Erzielung hoher Wasserstoff-Umsatzraten über 70 % der obere Temperaturbereich, vorzugsweise zwischen 1400 °C und 1600 °C bevorzugt.
Vorteilhaft ist, wenn ggf. der andere Teil / die anderen Teile der erforderlichen Reaktionswärme (Hochtemperaturwärme) durch Wärmerückgewinnungsmaßnahmen und/oder durch zumindest eine andere aus dem Stand der Technik bekannte Power-to-Heat Technologie bereitgestellt werden, zumindest für einen Anteil an Eduktmedium. Bevorzugt ist eine Kombination aus elektrischer Widerstandsheizung bis Eduktmedium-Temperaturen von 400 °C bis 500 °C mit anschließender Temperatursteigerung bis auf 700 °C bis 900 °C durch Wärmerückgewinnungsmaßnahmen und aus elektrischer Induktionsheizung bis Eduktmedium-Zersetzungstemperatur von 1200 °C bis 1600 °C, wobei höhere Umsatzraten bei hohen Temperaturen bis 1600 °C liegen. Die Widerstandsheizung kann stromauf der Reaktoranordnung angeordnet sein.
Die erfindungsgemäße thermische Spaltung von Kohlenwasserstoffen wird bei Hochtemperatur, z. B. einer mittleren Reaktortemperatur von 900 °C bis 1600 °C, bevorzugt zwischen 1200 °C und 1400 °C, durchgeführt.
Die Hochtemperaturwärme kann bei vergleichbaren Umsatzraten durch den Einsatz eines Katalysatormaterials auf der Oberfläche des Reaktormaterials deutlich abgesenkt werden, was zu technisch einfach umsetzbaren und kostengünstigeren Reaktorentwürfen führt. Als Katalysatormaterial wird vorzugsweise Nickel eingesetzt.
Die Erzielung der genannten mittleren Reaktortemperaturen erfolgt durch die hohe Leistungsdichte der induktiven Erwärmung. Diese ist neben den Materialspezifika des Reaktormaterials und der Induktorgeometrie von der angelegten Induktor-Wechselspannung sowie dessen Frequenz abhängig. Zur Generierung der erforderlichen Frequenz wird vorteilhafterweise ein Mittelfrequenz-Umrichter gewählt, welcher den Erwärmungsprozess bei einer Frequenz von mindestens 1 kHz, bevorzugt zwischen 1 kHz und 10 kHz, besonders bevorzugt zwischen 10 kHz und 100 kHz steuert. Die Frequenz wird dabei so angepasst, dass eine maximale Leistungsdichte der Reaktoranordnung bei einem minimalen radialen Temperaturgradient im Reaktormaterial vorliegt.
Die erfindungsgemäße thermische Spaltung von Kohlenwasserstoffen wird vorteilhaft bei Atmosphärendruck bis zu einem Reaktordruck von 30 bar durchgeführt.
Das Reaktorkonzept weist vorteilhaft einen zylindrischen Querschnitt auf. Der Reaktorraum ist für das Eduktmedium und das Synthesegas als Produktgas umfassend Wasserstoff sowie das feste Reaktormaterial zugänglich, sodass das Eduktmedium das Reaktormaterial durchströmen kann.
Dabei kann zum einen eine vorteilhaft umsetzbare Wärmerückgewinnung und damit Vorwärmung des Eduktmediums am Einlass des Reaktors eingesetzt werden und zum anderen kann der in fester Form erzeugte Kohlenstoff, welcher sich teilweise an den Oberflächen des Reaktormaterials ansetzt, über die kältere Eintrittsseite des Reaktors abgeschieden werden.
Sinnvollerweise wird das Reaktorkonzept senkrecht aufgestellt, sodass die Mittelsachse des Reaktors parallel zur Schwerkraftrichtung (axiale Richtung) zeigt und dadurch feste Kohlenstoffpartikel in Schwerkraftrichtung fallen und an der kalten Reaktor-Eintrittsseite abgeschieden werden.
Eine thermische Entkopplung des Reaktormaterials von der Induktoranordnung einhergehend mit einer Wirkungsgradoptimierung wird erreicht, wenn zwischen dem Mantel und dem Reaktorraum zumindest ein Isoliermittel zur thermischen Isolation angeordnet ist, z. B. aus hochtemperaturfestem und/oder keramischem und/oder mikroporösem Material. Vorzugsweise wird dieses Isoliermittel von einem Gas, bspw. Eduktmedium durchströmt, um eine bessere thermische Entkopplung sowie eine Begrenzung der mittleren Isoliermittel-Temperatur zu erzielen.
Insbesondere ist die Reaktoranordnung zum Betrieb mit hohen Temperaturen in dem Reaktormaterial und/oder in dem Eduktmedium, von maximalen Temperaturen von mindestens 900 °C, vorzugsweise von mindestens 1200 °C, insbesondere von mindestens 1400 °C ausgebildet.
Bei der Reaktoranordnung ist vorgesehen, dass das Reaktormaterial in Form zumindest, vorzugsweise genau, eines Einsatzelements vorliegt, wobei es eine zusammenhängende Wabenstruktur und/oder eine zusammenhängende offenzellige regelmäßige und/oder unregelmäßige Schaumstruktur aufweist. So liegt das Reaktormaterial in einer hochporösen Struktur mit einer großen Oberfläche vor, welche ein elektrisch leitfähiges, keramisches Material umfasst oder daraus gebildet ist und eine durch die Offenzelligkeit und/oder Wabenstruktur eine Strömungsführung zur Durchströmung mit dem Eduktmedium aufweist.
Dabei nimmt vorzugsweise eine Porosität ε₀ (Verhältnis Hohlraumvolumen zu Gesamtvolumen des Reaktormaterials (wobei das Gesamtvolumen Reaktormaterial-Volumen und Hohlraumvolumen umfasst oder daraus gebildet ist)) und eine spezifische Oberfläche sv (Wärmeübertragungsfläche zu Gesamtvolumen des Reaktormaterials) zwischen dem radial äußeren Bereich des Reaktormaterials und der Reaktormittelachse in radialer Richtung nach außen hin zu.
Zur exergetisch und energetisch effizienten sowie technisch prozessstabilen Arbeitsweise werden hohe Werte aus den genannten Bereichen für ε₀ und s_V insbesondere bevorzugt. Solch hochporöse Strukturen mit einer hohen Oberfläche können als Wabenstrukturen oder als offenzellige regelmäßige und unregelmäßige Schaumstrukturen realisiert werden, wobei offenzellige regelmäßige und unregelmäßige Schaumstrukturen aufgrund ihrer höheren spezifischen Oberfläche bevorzugt werden. Die Berechnung der spezifischen Oberfläche erfolgt nach der folgenden Gleichung (1), für deren Herleitung idealisierte Porenzellen bestehend aus Siliziumcarbid-Pentadodekaeder zugrunde gelegt wurden. Ergebnisse dieser Gleichung werden in 1 für eine herstellbare Porenanzahl zwischen 10 und 90 ppi (in Poren pro Inch aus ASTM D3576) und Porositäten zwischen 9 und 99 % für einen offenzelligen unregelmäßigen Schaum vorgestellt: $s_{V} = \frac{(\in_{0} + 1,75 * \sqrt{1 - \in_{0}}) - 1)}{1200 - 70 ln p p i^{1,8}}$
Zur Erzielung hoher mittlerer Reaktionstemperaturen ist es zweckmäßig, wenn das Reaktormaterial eines oder mehrere der folgenden Materialien umfasst oder daraus gebildet ist: carbidkeramische Materialien, insbesondere Siliziumcarbid (SiC) und/oder Titancarbid, silizidkeramische Materialien, insbesondere Molybdän-Disilizid, boridkeramische Materialien, insbesondere Titanborid.
Die Porosität und/oder die spezifische Oberfläche kann/können beispielsweise in radial weiter außen liegenden Segmenten der regelmäßigen/unregelmäßigen Schaumstruktur zunehmen.
In axialer Richtung kann/können die Porosität und/oder die spezifische Oberfläche beispielsweise konstant bleiben oder ebenfalls variieren.
Insbesondere ist die regelmäßige und unregelmäßige Schaumstruktur unmittelbar (mit direktem Kontakt zwischen Reaktormaterial und Eduktmedium, ohne Zwischenordnung eines anderen Mediums) von Eduktmedium durchströmbar bzw. durchströmt.
Auf diese Weise kann vorteilhaft in dem radial äußeren Bereich der regelmäßigen/unregelmäßigen Schaumstruktur eine höhere Wärmeleistung an das Eduktmedium übertragen und zur Kohlenwasserstoffzersetzung genutzt werden. So wird vorteilhaft die Verteilung der an das Eduktmedium übertragenen thermischen Leistung an die Verteilung der bei der induktiven Erwärmung im Festkörper eingetragenen Leistung (d. h. an die Verteilung der Leistungsdichte) angepasst. Bei der induktiven Erwärmung wird aufgrund des sogenannten (frequenzabhängigen) „Skin-Effekts“ in den radial äußeren Bereichen der regelmäßigen/unregelmäßigen Schaumstruktur eine höhere Leistung induziert als in den radial inneren Bereichen der regelmäßigen/unregelmäßigen Schaumstruktur. Diese Verteilung der Leistungsdichte beeinflusst direkt die erzeugte Temperaturverteilung im Reaktormaterial. Damit eine möglichst gleichmäßige radiale Temperaturverteilung bei gleichzeitig hohen mittleren Leistungsdichten und hohen Umwandlungswirkungsgraden erzielt wird, sollte der Erwärmungsprozess bei einer Frequenz von mindestens 1 kHz, bevorzugt zwischen 1 kHz und 10 kHz, besonders bevorzugt zwischen 10 kHz und 100 kHz betrieben werden. Die Frequenz wird dabei so angepasst, dass eine maximale Leistungsdichte und Effizienz der Reaktoranordnung bei einem minimalen radialen Temperaturgradient im Reaktormaterial vorliegen.
Zusätzlich zur Frequenzsteuerung bzw. Frequenzanpassung kann eine nahezu gleichmäßige Temperaturverteilung durch die geometrische Beschaffenheit (Porosität und spez. Oberfläche) des Reaktormaterials erzielt werden. Besonders bevorzugt nimmt/nehmen die Porosität und/oder die spezifische Oberfläche, derart nach außen hin zu, dass eine gleichmäßige Temperaturverteilung, insbesondere in radialer Richtung und/oder in umlaufender Richtung, innerhalb des Reaktormaterials erreichbar ist oder vorliegt. Eine gleichmäßige Temperaturverteilung liegt insbesondere vor, wenn eine Temperaturdifferenz, insbesondere in radialer Richtung, zwischen der minimalen und der maximalen Temperatur des Reaktormaterials innerhalb der regelmäßigen/unregelmäßigen Schaumstruktur in einem (z. B. simulierten) stationären oder quasistationären Betriebszustand (mit Erwärmung des Eduktmediums auf Temperaturen von mindestens 900 °C, vorzugsweise mindestens 1200 °C) nicht größer ist als 300 K, vorzugsweise nicht größer als 200 K, insbesondere nicht größer ist als 100 K ist.
Die Auslegung, insbesondere hinsichtlich des Kriteriums der gleichmäßigen Temperaturverteilung für einen über den Reaktorquerschnitt gleichmäßigen Stoffumsatz, erfolgt insbesondere numerisch, z. B. unter Verwendung eines Kontinuummodells mit einer künstlich implementierten, effektiven Porositäts- und Oberflächenverteilung. In dem Auslegungsverfahren werden insbesondere in einer numerischen Simulation Maxwell-Gleichungen zur Beschreibung des Leistungseintrags durch die elektromagnetische Induktion gekoppelt mit Wärmetransport- und Stofftransport-Gleichungen zur Beschreibung der vorliegenden Wärmetransport- und Stofftransportprozesse sowie Wärmeverlustmechanismen und daraus die Temperaturverteilung innerhalb der Schaumstruktur unter beispielhaften Betriebs-Randbedingungen ermittelt.
Als gegebene Randbedingung kann beispielsweise zumindest eine der folgenden Größen vorgegeben sein: die Induktorform und Induktorgeometrie, eine am Induktor angelegte Wechselspannung bzw. Wechselstrom, Materialspezifika des Eduktmediums, Betriebsgrößen wie Durchflussmengen, Verweildauer oder Stoffumsatz des Eduktmediums, etc..
Freiheitsgrade zur Optimierung der Porsitätsverteilung und/oder spezifischen Oberflächen, um die gleichmäßige Temperaturverteilung zu erreichen, bildet für ein Satz an Materialspezifikationen des Reaktormaterials z. B. zumindest eine der folgenden Größen: die Frequenz zusammen mit den Stoffeigenschaften des Reaktormaterials und somit die Eindringtiefe des Erwärmungsprozesses, die Außenabmessungen (Durchmesser und Höhe) des Reaktormaterials, Zellart, Zellgeometrie oder Steggeometrie der regelmäßigen/unregelmäßigen Schaumstruktur oder Wabenstruktur.
Wesentliche Kriterien für die Reaktorauslegung sind der Druckverlust im Reaktormaterial und die Festigkeit des Reaktormaterials. Der Druckverlust steigt mit abnehmender Zellgröße, das heißt zunehmender Porenanzahl ppi. Die Festigkeit steigt mit zunehmender Porenanzahl ppi bis ca. 35 ppi für SiSiC, welches nach einem Verfahren gemäß EP0907621A1 hergestellt werden kann.
Ein weiteres essentiales Kriterium für eine verfahrenstechnische Reaktorauslegung ist die treibende Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem induktiv beheizten Reaktormaterial und Eduktmediumstrom, welcher zur Kohlenwasserstoffzersetzung auf hohe Temperaturen oberhalb 1200 °C erwärmt wird. Dafür muss der konvektive Wärmetransport auf den Eduktmediumstrom möglichst effizient erfolgen. Im Höhenliniendiagramm in 2 wird auf Basis des abgewandelten Newtonschen Kapazitätsmodells und der bereits eingeführten Gleichung (1) für unterschiedliche Werte der Porosität ε₀ und Porenanzahl ppi Ergebnisse für die treibende Temperaturdifferenz ΔT (K) im stationären Zustand und zugehöriger spezifischer Oberfläche sv (m²/m³) vorgestellt. Daraus kann man für gegebene treibende Temperaturdifferenzen die erforderliche spezifische Oberfläche in Abhängigkeit der Porenanzahl ppi und Porosität bestimmen.
Ein effizienter und prozesssicherer Reaktorbetrieb erfordert somit Schaumstrukturen bis maximal 35 ppi, welche jedoch durch einen prozess-bedingt zulässigen Druckverlust bis auf 5 ppi reduziert werden können. In diesem Bereich kann durch eine bevorzugte treibende Temperaturdifferenz ΔT von weniger als 25 K, insbesondere bevorzugt weniger als 20 K nach 2 die erforderliche Porosität und spezifische Oberfläche von bevorzugt größer 800 m²/m³, insbesondere bevorzugt größer 1000 m²/m³ bestimmt werden. Die zugehörige Porosität ε₀ liegt somit vorzugsweise größer 0,49 für 8,75 ppi, bevorzugt kleiner als 0,93 und insbesondere bevorzugt kleiner als 0,87 für 35 ppi. Eine besonders bevorzugte Schaumstruktur weist somit unter Berücksichtigung aller wesentlichen Auslegungskriterien eine Porenanzahl zwischen 8,75 ppi und 35 ppi für eine Porosität zwischen 0,93 und 0,49 auf.
Insbesondere ohne Vorhandensein eines Katalysatormaterials ist das Reaktormaterial vorzugsweise an seiner mit dem Eduktmedium in Kontakt tretenden oder getretenen Oberfläche zumindest teilweise mit einer dünnen, eine Dicke von 10 µm oder dünner aufweisenden, Schutzschicht beschichtet, die beispielsweise aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) besteht oder selbiges umfasst. Die Schutzschicht kann z. B. mittels eines Plasmabeschichtungsverfahrens aufgetragen sein. Dafür kommt insbesondere eine physikalische Gasabscheidung wie beispielsweise Vakuumplasmaspritzen in Frage. Bei Reaktionstemperaturen größer 800 °C, besonders größer 1200 °C kommt es zu Heißgaskorrosion. Die natürliche Passivschicht aus SiO2 bei der Verwendung von Siliziumcarbid-Keramiken als Reaktionsmaterial kann sich bei solchen Temperauren unter Einwirkung von Wasserstoff und Kohlenstoff auflösen. Folgende Reaktionen könnten die Ursache für die Auflösungserscheinungen sein: SiO₂ + 2C = Si + 2CO; SiO₂ +2CO = Si + 2CO₂; SiO₂ + 2H₂ = Si + 2H₂O. Kritisch dabei ist vor allem die Freisetzung von Silizium (Si), welches zu SiH₄ in gasförmigen Zustand reagieren und entweichen könnte. Dies führt wiederum zu Lochfraß/Korrosionserscheinung des Reaktionsmaterials aus SiC. Die vorgeschlagene Schutzschicht dient zum Schutz vor derartigen Schädigungen. Al₂O₃ würde selbst bei geforderten Reaktionstemperaturen > 1200 °C keine Reaktionen mit den Eduktmedien oder deren möglichen Verunreinigungen wie bspw. Fluor oder Chlor bzw. Fluorwasserstoff oder Chlorwasserstoff eingehen. Aufgrund der dünnen Schichtdicke von ≤ 10 µm würde diese Schicht einen vernachlässigbar geringen thermischen Widerstand für den Wärmetransport vom Reaktormaterial zum Eduktmedium darstellen.
Der elektrisch nichtleitende Mantel ist umlaufend um den Reaktorraum angeordnet. Darin ist die Induktorvorrichtung eingebracht (z. B. innerhalb eines Induktorkanals eingegossen).
Vorzugsweise ist in dem Mantel zumindest eine zweite Strömungsführung zur Leitung zumindest eines Anteils des Eduktmediums in den Reaktorraum unter Kühlung des Mantels durch das Eduktmedium angeordnet. Dadurch wird auch der Mantel mittels des eintretenden Eduktmediums gekühlt, gleichzeitig wird das Eduktmedium vorgewärmt, bevor es in den Reaktorraum eintritt. Zusätzlich werden dadurch Wirkungsgradeinbußen bedingt durch eine notwendige Prozesskühlung der Induktorvorrichtung minimiert. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad der Reaktoranordnung verbessert. Die Aufteilung des Eduktmedienstroms in die zumindest zwei Anteile (ein erster Anteil über die erste Strömungsführung und ein zweiter Anteil über die zweite Strömungsführung) kann stromauf der Reaktoranordnung (z. B. über zwei unterschiedliche Eintritte) oder innerhalb der Reaktoranordnung, insbesondere innerhalb des Mantels, angeordnet sein bzw. erfolgen.
Vorzugsweise ist/sind die erste Strömungsführung und/oder die zweite Strömungsführung in einem Induktorkanal angeordnet und/oder von selbigem gebildet, in dem auch die Induktorvorrichtung angeordnet ist. So kann die Induktorvorrichtung durch das Eduktmedium in Form von Flüssigerdgas (LNG) gekühlt werden. Von Vorteil ist die Induktorkühlung durch das Eduktmedium, da dieses dann vorgewärmt, in flüssigem oder bereits in gasförmigem Aggregatzustand, in den Reaktorraum eintritt. Durch solch eine Nutzung der ohmschen Induktorverluste kann der elektrothermische Wirkungsgrad bis auf nahezu 100 % gesteigert werden. Gleichzeitig wird die sonst aufzubringende Wärme zur Erwärmung und/oder Verdampfung vom Eduktmedium, bevorzugt Erdgas, zumindest teilweise, insbesondere vollständig kompensiert. Zusätzlich oder alternativ kann die Induktorvorrichtung durch ein anderes Kühlmedium, standardmäßig Kühlwasser, gekühlt werden.
Vorzugsweise weist das Eduktmedium ein kohlenwasserstoffhaltiges Gas, insbesondere methanhaltiges Gas wie Erdgas oder Biogas, und/oder eine kohlenwasserstoffhaltige Flüssigkeit, insbesondere Methan-haltige Flüssigkeit z. B. Flüssigerdgas (LNG) und/oder langkettige Kohlenwasserstoffe, auf oder ist daraus gebildet.
Vorzugsweise ist das Reaktormaterial elektrisch leitend und weist einen spezifischen Widerstand kleiner 10^-4 Ωm bei Prozesstemperaturen von 900 °C bis 1600 °C auf. Auf diese Weise kann ein hoher elektrothermischer Wirkungsgrad zur Beheizung des Reaktormaterials, von vorzugsweise 90 % oder mehr, erreicht werden.
Vorteilhaft kann sein, wenn das Reaktormaterial eine Dichte in einem Bereich von etwa 8000 kg/Kubikmeter oder weniger, insbesondere von ca. 3000 kg/Kubikmeter oder weniger aufweist.
Es kann vorgesehen sein, dass das Reaktormaterial eine Wärmekapazität bei konstantem Druck und/oder einer Temperatur von 1000 °C oder mehr von ca. 500 Joule pro (Kilogramm x Kelvin) oder mehr, insbesondere von etwa 700 Joule pro (Kilogramm x Kelvin) oder mehr, aufweist.
Das Reaktormaterial weist vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 20 Watt pro (Meter x Kelvin) oder mehr, insbesondere von 50 Watt pro (Meter x Kelvin) oder mehr auf.
Der Mantel umfasst insbesondere tonerdehaltige Gießmasse oder Beton und/oder ist aus selbigem gebildet.
Vorzugsweise ist die zweite Strömungsführung zumindest abschnittsweise radial zur Mittelachse des Reaktorraums innerhalb des Mantels angeordnet, wobei die zweite Strömungsführung insbesondere radial in den Reaktorraum mündet, um einen Sekundärstrom des Eduktmediums (den zweiten Anteil) radial in den Reaktorraum einzuleiten. Durch diese Ausbildung werden vorteilhaft die Wärmeverluste innerhalb der Induktoranordnung ausgenutzt, um den sekundären Eduktmediumstrom vorzuwärmen. Durch die radiale Einleitung kann ein höherer Durchsatz durch das radial äußere Segment der hochporösen Schaumstruktur erreicht (dort wo auch die höchste induzierte Leistung in Wärme umgesetzt wird) und so die Leistungsfähigkeit verbessert und eine verbesserte Effizienz und Erhöhung des Wirkungsgrades erzielt werden.
Dabei ist die zweite Strömungsführung bevorzugt um den Reaktorraum zwischen den Induktorwindungen der Induktorvorrichtung und/oder in der Hochtemperaturisolation angeordnet und/oder kann mehrere, radial verlaufende und/oder strömungsmechanisch parallel angeordnete (Strömungs-)Kanäle umfassen. Für eine effiziente Wärmeübertragung zwischen dem Mantel der Induktoranordnung und dem Eduktmedium weist die zweite Strömungsführung vorzugsweise eine Vielzahl von, den Mantel z. B. radial durchsetzenden Kanäle auf. Die Kanäle können auch in einem Winkel kleiner 90° zur Mittelachse der Induktoranordnung zwischen den einzelnen Windungen der Induktorvorrichtung verlaufen, um das Eduktmedium schräg zur ersten Strömungsführung in den Reaktorraum einzuleiten.
So wird vorteilhafterweise eine verbesserte Kühlung mittels der zweiten Strömungsführung erreicht.
Ebenfalls einer effizienten Wärmeübertragung ist es zuträglich, wenn die erste Strömungsführung und/oder die zweite Strömungsführung eine die Wärmeübertragung verbessernde Kanalgeometrie, wärmeübertragende Strukturen (z. B. Rippen) und/oder eine erhöhte Wandrauigkeit (gegenüber einer, soweit mit dem Mantelmaterial möglichen, glatten Ausbildung der Mantelwand) aufweist/aufweisen. Entsprechende Geometrien und/oder Wandstrukturen bzw. Wand-Oberflächenbeschaffenheit können insbesondere in einem Gussverfahren eines Mantels aus Beton vorteilhaft realisiert werden. Alternativ sind die Kanäle der zweite Strömungsführung aus einem metallischen Werkstoff, vorzugsweise eine Kupferlegierung und/oder Edelstahl, eingebettet im Mantel der Induktoranordnung ausgebildet.
Vorzugsweise geht die zumindest eine zweite Strömungsführung zumindest teilweise von einer radialen Eintrittsseite durch die Windungen der Induktorvorrichtung aus, wobei das Eduktmedium von einem Gesamtstrom in einen ersten Anteil zur Durchströmung der ersten Strömungsführung und zumindest einen zweiten Anteil zur Durchströmung der zumindest einen zweiten Strömungsführung aufteilbar und/oder aufgeteilt ist. So ist eine einfache Prozessführung erreichbar, innerhalb der der Gesamtstrom an Eduktmedium an den Mantel der Reaktoranordnung herangeführt und dort, vor oder innerhalb des Mantels, aufgeteilt wird.
Der erste Anteil bzw. Hauptanteil des Gesamtstromes (Primärstrom, welcher unterhalb der Induktorvorrichtung in den Reaktorraum eintritt) dient zur Kohlenwasserstoffzersetzung und durchströmt den gesamten Reaktorraum in axialer Richtung insbesondere von unten nach oben und entgegen der Schwerkraftrichtung. Der zweite Anteil (Sekundärstrom) dient z. B. dazu, eine Erwärmung der Induktorvorrichtung aufgrund der Wärmeverluste des Reaktorraums durch Unterbrechung des Wärmerückflusses an die Induktorvorrichtung zu verhindern. Zusätzlich kann die Abwärme des zweiten Anteils genutzt, insbesondere in den Prozess reintegriert, werden, sodass der zweite Anteil vorgewärmt in den Reaktorraum eintreten kann und dort thermisch gespalten wird.
Die Aufteilung der Anteile erfolgt beispielsweise aufgrund der Auslegung der Geometrien der Strömungsführungen, z. B. derart, dass der erste Anteil zumindest 50 %, vorzugsweise zumindest 60 %, besonders bevorzugt zumindest 70 % des Gesamtstromes beträgt und der zweite Anteil maximal 50 %, vorzugsweise maximal 40 %, besonders bevorzugt maximal 30 %.
Das Verhältnis der Anteile kann vorzugsweise während des Betriebs variierbar sein. Dazu können z. B. Mittel zur Geometrieänderung z. B. an der Induktorvorrichtung oder am Eintritt in den Reaktorraum vorhanden sein. Dabei kann der erste Anteil beispielsweise anfangs bis zu 70 % betragen und innerhalb des Betriebs auf z. B. minimal 60 % oder 50 % reduziert werden.
Für eine weitere Optimierung der thermischen Isolation einhergehend mit einer Wirkungsgradoptimierung ist zwischen dem Mantel und dem Reaktorraum zumindest ein Isoliermittel zur thermischen Isolation angeordnet, z. B. aus hochtemperaturfester Keramik, Keramikfaser, und/oder mikroporösem Material.
Vorzugsweise ist zwischen dem Reaktormaterial und dem Austritt für Synthesegas eine Wärmetauschanordnung zur Wärmeübertragung zwischen dem aus dem Reaktormaterial austretenden Synthesegas und dem in das Reaktormaterial eintretenden Eduktmedium angeordnet.
In einer bevorzugten Ausbildungsvariante umfasst die Wärmetauschanordnung ein strömungsmechanisch zwischen dem Reaktormaterial und dem Austritt für Synthesegas, insbesondere zentral auf einer Längsachse axial verlaufendes, wärmeleitendes Rekuperationsrohr, welches auf der radialen Innenseite von dem aus dem Reaktormaterial austretenden Synthesegas und auf der radialen Außenseite (welche insbesondere durch einen Ringspalt gebildet ist) von in das Reaktormaterial eintretendem Eduktmedium durchströmbar oder durchströmt ist. Dabei ist das Rekuperationsrohr z. B. elektrisch nichtleitend ausgebildet. Das Rekuperationsrohr kann auf der radialen Innenseite und/oder auf der radialen Außenseite mit die Wärmeübertragung verbessernden Strukturen versehen, z. B. berippt ausgebildet, sein.
Zur Verbesserung der Wärmeverteilung innerhalb des Reaktormaterials kann zentral innerhalb des Reaktorraums ein axial durch das Reaktormaterial verlaufendes, einen Strömungskanal bildendes Strahlungsrohr angeordnet sein, das elektrisch leitend, insbesondere aus Keramikmaterial, ausgebildet ist, welches insbesondere das Reaktormaterial in axialer Höhe überragt. Das Strahlungsrohr wird ebenfalls mittels der Induktorvorrichtung induktiv erwärmt, wobei die Wärme radial von innen nach außen durch Wärmestrahlung und/oder Wärmeleitung in das Reaktormaterial übertragen wird. So kann die Temperaturverteilung in dem Reaktormaterial vergleichmäßigt werden. Das Strahlungsrohr kann auch an dem bzgl. des Synthesegases stromabseitigen Ende des Reaktionsmaterials bis an den Austritt überstehen und in diesem Bereich als Rekuperationsrohr dienen, welches in diesem Falle elektrisch leitend ausgebildet ist.
Dabei können vorteilhafterweise in dem Strahlungsrohr radial angeordnete Öffnungen, insbesondere Bohrungen, angeordnet sein, durch welche im Betrieb Synthesegas aus dem Reaktormaterial in den Strömungskanal des Strahlungsrohres strömen kann. Innerhalb des Strömungskanals ist vorzugsweise kein Reaktormaterial angeordnet. So kann mittels des Strahlungsrohres auch die Leitung von Synthesegas aus dem Reaktionsmaterial verbessert werden.
Günstige Anordnungsmöglichkeiten je nach Ausbildungsvariante ergeben sich, wenn der Austritt für Kohlenstoff und der Austritt für Wasserstoff auf einer bezüglich der Schwerkraftrichtung nach unten weisenden Seite der Reaktoranordnung (auf der gleichen Seite) angeordnet sind und/oder dass der Austritt für Synthesegas auf einer bezüglich der Schwerkraftrichtung nach oben weisenden Seite der Reaktoranordnung angeordnet ist und der Austritt für Kohlenstoff auf der gegenüberliegenden, bezüglich der Schwerkraftrichtung nach unten weisenden Seite der Reaktoranordnung angeordnet ist.
Für eine verbesserte Fluidleitung können innerhalb des Reaktormaterials, ggf. zusätzlich zu der Wabenstruktur und/oder der offenzelligen Schaumstruktur, insbesondere axial verlaufende, Kanäle zur Leitung von Eduktmedium und/oder Synthesegas vorhanden sind.
Vorteile in der Abreinigung von Kohlenstoff ergeben sich, wenn die Reaktoranordnung eine Gas-Spülanordnung mit zumindest einem Spülstoffstrom-Austritt zur fluidmechanischen Spülung des Reaktormaterials zur Abreinigung von anhaftendem Kohlenstoff umfasst. So können die Strömungspfade mittels insbesondere Reinigungsgas durchspült werden und die Betriebsfähigkeit der Reaktoranordnung in einem Reinigungsbetrieb verbessert oder wiederhergestellt werden. Zu diesem Zweck kann der Betrieb zur thermischen Spaltung innerhalb der Reaktoranordnung pausiert werden. Zur Aufrechterhaltung des kontinuierlichen Betriebs können zumindest zwei Reaktoranordnungen vorhanden sein, die alternierend im Reinigungsbetrieb betrieben werden.
Vorzugsweise weist die Gas-Spülanordnung weiterhin zumindest einen Gas-Eintritt zur Zugabe von Reinigungsgas, insbesondere Inertgas, in den Reaktorraum und/oder in das Reaktormaterial auf.
Besonders vorteilhaft umfasst die Reaktoranordnung eine mechanische Reinigungsanordnung mit einer Verbindungswelle und einer Motorvorrichtung zur Abreinigung von anhaftendem Kohlenstoff umfasst, die dazu angeordnet und ausgebildet sind, das Reaktormaterial in, insbesondere translatorische und rotatorische, Bewegung zu versetzen. Der Reaktorraum weist eine entsprechende Höhe auf, z. B. zumindest doppelte Höhe des Reaktormaterials.
Vorzugsweise sind beide Anordnungen vorhanden, wobei die mechanische Reinigungsanordnung und die Gas-Spülanordnung derart aufeinander abgestimmt sind, dass Reinigungsgas über den Gas-Eintritt in das Reaktormaterial von der radialen Außenseite an jeder axialen Position einblasbar ist. Zu diesem Zweck wird z. B. das Reaktormaterial mittels der mechanischen Reinigungsanordnung an dem Gas-Eintritt vorbei bewegt.
Ferner umfasst die Erfindung ein Verfahren zur thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen von mittels elektromagnetischer Induktion erzeugter Wärme in einer Reaktoranordnung, die insbesondere nach einem der vorhergehenden Ausbildungsvarianten ausgebildet ist, bei dem in einem Reaktorraum angeordnetes Reaktormaterial mittels einer um dem Reaktorraum angeordneten Induktorvorrichtung induktiv erwärmt wird und wobei diese Hochtemperaturwärme an das Eduktmedium, welches von einer z. B. radial angeordneten Reaktor-Eintrittsseite zu einer Reaktor-Austrittsseite durch zumindest eine erste Strömungsführung strömt und/oder fließt und beim Durchgang durch das Reaktormaterial in festen Kohlenstoff und gasförmigen Wasserstoff gespalten wird.
Vorteilhafte Ausführungsvarianten des Verfahrens sind auch in Zusammenhang mit den Ausbildungsvarianten der Reaktoranordnung sinngemäß beschrieben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Diagramm zur Bestimmung der spezifischen Oberfläche einer regelmäßigen Schaumstruktur aus Siliziumcarbid in Abhängigkeit der Porosität und Zellgröße in ppi,
2 ein Höhenliniendiagramm zur Bestimmung der erforderlichen spezifischen Oberfläche (radial über Reaktormaterialquerschnitt gemittelt) für eine vorgegebene treibende Temperaturdifferenz und für eine spezifische Induktionsleistung (radial über Reaktormaterialquerschnitt gemittelt) von 1 MW pro Kubikmeter Reaktormaterial und einem angenommenen Wärmeübergangskoeffizient von 50 Wm^-2K^-1 für Methan/Erdgas,
3 eine Reaktoranordnung mit einer in einem Mantel eingebrachten Induktorvorrichtung, welche durch einen Eduktmediumstom gekühlt wird, bevor dieser innerhalb der Reaktoranordnung in einen Hauptanteil des Gesamtstromes (erster Anteil) und einen zweiten Anteil aufgeteilt wird, wobei der zweite Anteil durch weitere Strömungsführungen des Mantels verläuft, in schematischer Darstellung im Längsschnitt,
4 eine Reaktoranordnung mit zwei getrennten Eintritten für den ersten Anteil und den zweiten Anteil des Gesamteduktstromes, wobei der zweite Anteil die Induktoranordnung abkühlt und dabei vorgewärmt wird, bevor dieser in den Reaktorraum eintritt, wobei beide Gesamtstromanteile sich im Reaktorraum vereinigen und den Reaktor durch ein Strahlungsrohr verlassen, in schematischer Darstellung im Längsschnitt,
5 eine Reaktoranordnung mit einem im oberen Teil des Reaktors angebrachten Eintrittskanal für den ersten Anteil des Gesamteduktstromes und eine zweiten Anteil zur Induktorkühlung und Eigenvorwärmung, wobei der erste Anteil durch Wärmerückgewinnung in einem Ringkanal vorgewärmt wird, bevor dieser in den Reaktorraum eintritt, wobei das im Reaktorraum befindliche Reaktormaterial eine mit ausgebildeten Strömungskanälen versehene, hoch-poröse Struktur darstellt oder daraus gebildet ist, in schematischer Darstellung im Längsschnitt,
6 eine Reaktoranordnung mit zwei getrennten Eintritten für den ersten Anteil und den zweiten Anteil des Gesamteduktstromes, wobei der zweite Anteil eine im Mantel eingebrachte Induktorvorrichtung abkühlt und über die radial angeordneten Zweige der Induktorvorrichtung in den Reaktorraum eintritt, wobei der erste Anteil des Gesamtstroms in radialer Richtung und zwischen den Windungen der Induktorvorrichtung in den Reaktorraum eintritt, wobei eine fluidmechanische Trennvorrichtung zusammen mit dem bewegten Reaktormaterial durch einen diskontinuierlichen Reaktorbetrieb den Kohlenstoffstaub aus dem Reaktorraum entfernt, in schematischer Darstellung im Längsschnitt.

1 umfasst ein Diagrammschema zur näherungsweisen Bestimmung einer spezifischen Oberfläche 2 (s_v) in Abhängigkeit von einer Porenanzahl 4 (ppi) und einer Porosität 3 (ε₀) für einen offen-zelligen und beispielhaft aus Siliziumkarbid-Pentadodekaeder bestehenden Reaktorschaum bzw. Reaktormaterial 12 (vgl. 3). Für die Berechnung ist folgende Formel zugrunde gelegt: $s_{V} = \frac{(\in_{0} + 1,75 * \sqrt{1 - \in_{0}}) - 1)}{1200 - 70 ln p p i^{1,8}}$
Aus der Kurvenschaar der spezifische Oberfläche 2 für Werte der Porosität 3 zwischen 0,09 und 0,99 (d. h. zwischen 9 % und 99 %) kann für einen offenzelligen Siliziumcarbid-Schaum die erforderliche Porenanzahl 4 bestimmt werden.
2 umfasst ein Höhenliniendiagramm zur Bestimmung der erforderlichen spezifischen Oberfläche 2 (sv) durch die Vorgabe von bspw. einer treibenden Temperaturdifferenz 5 (ΔT) zwischen einem induktiv erhitzten Reaktormaterial 12 und einem Strom an Eduktmedium 16 (vgl. 3), wobei die Höhenlinien in Abhängigkeit der Porenanzahl 4 (ppi: Poren pro Inch) und Porosität 3 (ε₀) sowie für eine Auslegung im thermisch stationären Betriebszustand für eine exemplarische spezifische Induktionsleistung (radial gemittelt) von 1 MW pro Kubikmeter Reaktormaterial 12 und einen angenommenen Wärmeübergangskoeffizient von 50 W/(m²K) abgebildet sind. Daraus kann beispielsweise für eine gegebene treibende Temperaturdifferenz 5 von 40 K die erforderliche spezifische Oberfläche in Abhängigkeit der Porenanzahl 4 oder Porosität 3 bestimmt werden.
3 zeigt eine Reaktoranordnung 10 zur Übertragung von Hochtemperaturwärme an ein Eduktmedium 16 zur dessen Kohlenwasserstoffzersetzung in ein Synthesegas 17 und Kohlenstoff 15 in schematischer Darstellung im Längsschnitt. Die Reaktoranordnung 10 umfasst einen zentral auf einer Längsachse L der Reaktoranordnung 10 angeordneten Reaktorraum 14 mit einem induktiv erwärmbaren, elektrisch leitfähigen Reaktormaterial 12. Der Reaktorraum 14 umfasst eine erste Strömungsführung 24 zur Einleitung von Eduktmedium 16 radial in den Reaktorraum 14 und dessen Leitung in axialer Richtung und entgegen der Schwerkraftrichtung durch das Reaktormaterial 12. Das Reaktormaterial 12 ist insbesondere ein elektrisch leitfähiges Keramikmaterial mit einem bevorzugt hohen spezifischen Hohlraumanteil und einer bevorzugt hohen Oberfläche, welches insbesondere als Einsatzelement 19 mit einer zusammenhängenden Schaumstruktur oder Wabenstruktur vorliegt.
Die erste Strömungsführung 24 erstreckt sich von einer radial um eine Induktoranordnung 40 liegenden Eintrittsseite 34, von der aus das Eduktmedium 16 in den Reaktorraum 14 eintritt, in Synthesegas 17 und Kohlenstoff 15 zersetzt wird und anschließend diese beiden Anteile an unterschiedlichen Austrittseiten aus der Reaktoranordnung 10 austreten. Dabei verlässt das Synthesegas 17 die Reaktoranordnung 10 entgegen der Schwerkraftrichtung F_G an einem zweiten Austritt 36, nachdem dieses über eine Filtervorrichtung 70 von Verunreinigungen (wie z. B. Kohlenstoffpartikel und/oder weitere Verunreinigungen in Partikelform) gefiltert wurde. Der Kohlenstoff 15 verlässt die Reaktoranordnung 10 in Schwerkraftrichtung F_G an einem ersten Austritt 35 über eine Trennvorrichtung 13.
Zur Erzeugung von Hochtemperaturwärme innerhalb des Reaktormaterials 12 umfasst die Reaktoranordnung 10 zudem die Induktoranordnung 40 mit einer um den Reaktorraum 14 umlaufend angeordneten Induktorvorrichtung 42, insbesondere eine Spule bzw. Induktor, zur Erwärmung des Reaktormaterials 12 mittels elektromagnetischer Induktion. Die Induktorvorrichtung 42 beinhaltet ein Induktorkanal 44, zur Kühlung durch ein separates Kühlmedium (z. B. Wasser oder Flüssigerdgas).
Zwischen dem Reaktormaterial 12 und der Induktorvorrichtung 42, insbesondere zwischen einem Mantel 30 und dem Reaktormaterial 12, ist zur weitgehenden thermischen Entkopplung ein umlaufend angeordnetes Isoliermittel 38 vorhanden.
Weiterhin umfasst die Reaktoranordnung 10 den (vollständig) umlaufend um den Reaktorraum 14 angeordneten Mantel 30, in welchen die Induktorvorrichtung 42 eingebracht, insbesondere eingegossen, ist. Der Mantel 30 besteht aus einem elektrisch nichtleitenden, insbesondere mechanisch stabilen und hochtemperaturbeständigen Mantelmaterial 32, insbesondere aus (Hochtemperatur-) Beton. Zusätzlich umfasst der Mantel 30 eine (vollständig) umlaufend zwischen dem Mantel 30 und einem die Reaktoranordnung 10 umgrenzenden Außenbehälter 11 angeordnete Wärmedämmung 39 zur Reduktion der Wärmeverluste an die Umgebung außerhalb der Reaktoranordnung 10.
Als eine Effizienz- bzw. Umsatzsteigernde Maßnahme ist in dem Mantel 30 beispielhaft eine zweite Strömungsführung 26 angeordnet. Die zweite Strömungsführung 26 dient zur Leitung eines zweiten Anteils 22 an Eduktmedium 16, neben einem ersten Anteil 20 an Eduktmedium 16, welcher im Betrieb die erste Strömungsführung 24 durchströmt. Dadurch kann eine Verlustleistung (Wärmeverluste an die Umgebung) reduziert werden, wobei aus dem Reaktormaterial 12 entweichende Wärme von dem Eduktmedium 16 in der zweiten Strömungsführung 26 aufgenommen und in den Prozess reintegriert werden kann, wie die nachfolgenden Ausführungen zeigen.
Die zweite Strömungsführung 26 ist, insbesondere mit mehreren Kanälen, in radialer Ausrichtung zur Mittelachse L und zwischen den einzelnen Windungen der Induktoranordnung 40 innerhalb des Mantels 30 angeordnet. Die zweite Strömungsführung 26 ist insbesondere mit den mehreren, strömungsmechanisch parallel angeordneten Kanälen ausgebildet, welche die Induktoranordnung 40 und das Isoliermittel 38 durchsetzen und in radialer Richtung auf axialer Höhe des Reaktormaterials 12 in den Reaktorraum 14 münden.
Die zweite Strömungsführung 26 kann eine Wärmeübertragung verbessernde erhöhte Wandrauigkeit (hier nicht gezeigt) und/oder eine die Wärmeübertragung verbessernde Kanalgeometrie (hier nicht gezeigt) aufweisen.
Die zweite Strömungsführung 26 geht von einer Verteilervorrichtung 25 aus. So ist im Betrieb das Eduktmedium 16, das in einem Gesamtstrom an die Reaktoranordnung 10 heranströmt, aufteilbar in den ersten Anteil 20 zur Durchströmung der ersten Strömungsführung 24 und in den zweiten Anteil 22 zur Durchströmung der zweiten Strömungsführung 26 über die Verteilervorrichtung 25. Die Größe der Anteile lässt sich insbesondere vorab z. B. durch die Geometrie in der Strömungsführungen 24 und 26 und damit verbundenen Druckverlusten auslegen. Insbesondere ist der erste Anteil 20 größer als der zweite Anteil 22, vorzugsweise 50 % des Gesamtanteils oder mehr.
Die Höhe des ersten Anteils kann z. B. durch Geometrieänderung am Eintritt in die Strömungsführungen 24, 26, variiert werden und beispielsweise anfangs bis zu 70 % betragen und innerhalb des Betriebs auf z. B. minimal 60 % oder 50 % reduziert werden.
Die unterschiedlichen Anteile 20 und 22 erfüllen im Betrieb unterschiedliche Funktionen. Der erste Anteil 20 dient lediglich dazu, die in das Reaktormaterial 12 elektromagnetisch eingekoppelte Leistung zur Kohlenwasserstoffzersetzung zu nutzen. Der zweite Anteil 22 dient dazu, eine Erwärmung der Induktorvorrichtung 42 durch das erwärmte Reaktormaterial 12 zu minimieren und in einer Ausführung die Spule zu kühlen. Hierfür wird die Induktorvorrichtung 42 durch ein anderes Kühlmedium als üblicherweise Kühlwasser, beispielsweise durch Flüssigerdgas (LNG=Liquid Natural Gas), gekühlt.
Zum Austrag des Eduktmediums 16 aus dem Induktorkanal 44 und Eintrag in erste Strömungsführung 24 und zweite Strömungsführung 26 sind an der Induktorvorrichtung 42 Verbindungselemente 45 angebracht. Diese Verbindungselemente 45 sind aus demselben Material beschaffen wie die Induktorvorrichtung 42 (z. B. reines Kupfer und/oder Kupferlegierung)
Die Kühlung mit Flüssigerdgas (LNG) hat den Zweck den Gesamtwirkungsgrad der Reaktoranordnung 10 zu maximieren. Zum einen wird die Verlustwärme des Reaktors genutzt und damit zumindest teilweise das LNG damit vorgewärmt und verdampft, welches bei unter -161 °C in flüssigen Aggregatzustand die Spule durchströmt und die Verlustwärme aufnimmt, bevor dieser in den Reaktorraum in gasförmigen Aggregatzustand gelangt. Zum anderen hat das Kupfer der Spule bei solch geringen Temperaturen weit unterhalb 0 °C extrem geringe ohmsche Verluste (elektrische Verluste der Spule), welche mithilfe des Flüssigerdgases effizient durch konvektive Wärmeübertragung die Spule kühlen. Das Erdgas verlässt die Spule beispielsweise im verdampften Zustand oberhalb -162 °C (Siedepunkt von Methan), vorzugsweise weit oberhalb dieser Temperatur und gelangt mithilfe beider Strömungsführungen in den Reaktorraum 14.
Für die Reintegration der durch den zweiten Anteil 22 aufgenommenen Wärme in den Prozess ist es vorteilhaft, wenn die zweite Strömungsführung 26 im Reaktorraum 14 mündet. Auf diese Weise sind die Anteile 20 und 22 des Eduktmediums 16 nach der Kohlenwasserstoffzersetzung an dem zweiten Austritt 36 wieder zu dem Gesamtstrom zusammenführbar bzw. zusammengeführt.
Optional kann die Hochtemperaturwärme des Synthesegases 17 nach der keramischen Filtervorrichtung 70 an dem zweiten Austritt 36 durch eine im Stand der Technik bekannten Rekuperation (in 3 nicht gezeigt) genutzt werden, um das Eduktmedium vor dem Eintritt 34 in die Reaktoranordnung 10 vorzuwärmen.
4 zeigt eine weitere Ausbildungsvariante der Reaktoranordnung 10 zur Übertragung von Hochtemperaturwärme an ein Eduktmedium 16 zur dessen Kohlenwasserstoffzersetzung in schematischer Darstellung im Längsschnitt. Der Unterschied zwischen der Ausführung aus 3 und der aus 4 liegt einerseits in der Einleitung des Eduktmediums 16 in die Reaktorvorrichtung 10: Zum einen sind hier nun zwei Eintrittsbereiche (jeweils separat zu der ersten Strömungsführung 24 und der zweiten Strömungsführung 26) vorgesehen, andererseits ist ein zusätzlich eingebrachtes elektrisch leitendes Keramikrohr (Strahlungsrohr 18) aus Siliziumkarbid zur besseren Temperaturverteilung im Reaktormaterial 12 vorgesehen.
Der Gesamteduktstrom des Eduktmediums 16 wird hier bereits an der Eintrittsseite 34 in zwei Anteile - den ersten Anteil 20 für den Kohlenwasserstoffumsatz zu H₂ und C und den zweiten Anteil 22 zur Spulenkühlung und anschließenden Kohlenwasserstoffumssatz - aufgeteilt. In dieser Ausführungsvariante wurde zusätzlich das elektrisch leitende Keramikrohr bzw. Strahlungsrohr 18 (bevorzugt aus Silizium infiltriertem Siliziumkarbid mit einem spezifischen Widerstand deutlich kleiner 10^-4 Ωm) in das hochporösen Reaktormaterial 12 integriert. Dieses elektrisch leitende Strahlungsrohr 18 ragt aus dem Reaktormaterial 12 in axialer Richtung heraus, damit ein Teil der elektrischen Induktorleistung in diesem Strahlungsrohr 18 in Hochtemperaturwärme, bzw. Strahlungswärme umgesetzt wird. Das Strahlungsrohr 18 hat somit zwei Funktionen: Einerseits führt es den heißen Synthesegas-Stoffstrom durch radial am Mantel des Strahlungsrohrs 18 verteilte Bohrungen 28 aus dem Reaktorraum an den zweiten Austritt 36, wo stromaufwärts der Filtervorrichtung 70 eine Wärmerückgewinnung zum ersten Anteil 20 stattfindet, andererseits dient dieses als Strahlungsrohr 18, welches den Reaktorraum 14 radial von innen nach außen durch Strahlungswärme 29 beheizt. Dadurch wird die typische Leistungsdichteverteilung der induktiven Erwärmung kompensiert und eine bessere radiale Temperaturverteilung im Reaktormaterial 12 und somit höhere Wasserstoffumsatzraten erzielt.
Derart optimierte Ausbildungen bzw. Anordnungen sind in 4, 5 und 6 gezeigt. Das Reaktormaterial 12 liegt dabei in Form einer Schaumstruktur 53 vor. Die Schaumstruktur 53 umfasst ein elektrisch leitfähiges, keramisches Material als Reaktormaterial 12 oder ist daraus gebildet. Ferner weist die Schaumstruktur 53 eine Vielzahl von mit dem Eduktmedium 16 durchströmbare Strömungspfade 54 auf. Die spezifischen Hohlraumanteile und spezifischen Oberflächen (welche, insbesondere bei Beschichtung mit einem Katalysatormaterial Reaktionsoberflächen bilden) zwischen den Strömungspfaden 54 und dem Reaktormaterial 12 innerhalb der Schaumstruktur 53 nehmen in radialer Richtung nach außen hin zu. Dadurch kann die Temperaturverteilung innerhalb des Reaktormaterials 12 verbessert werden, indem dem sogenannten „Skin-Effekt“ Rechnung getragen wird.
Vorzugsweise nehmen die spezifischen Hohlraumanteile und spezifischen Oberflächen derart nach außen hin zu, dass im Betrieb eine gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des Reaktormaterials 12 erreicht wird, zumindest in einem stationären (oder quasistationären) Betriebszustand. Eine gleichmäßige Temperaturverteilung liegt insbesondere vor, wenn eine Temperaturdifferenz, insbesondere in radialer Richtung, zwischen der minimalen und der maximalen Temperatur des Reaktormaterials 12 innerhalb der Schaumstruktur 53 in einem stationären (oder quasistationären) Betriebszustand nicht größer ist als 300 K, vorzugsweise nicht größer als 200 K, insbesondere nicht größer ist als 100 K ist.
Die Auslegung, insbesondere hinsichtlich des Kriteriums der gleichmäßigen Temperaturverteilung für einen über den Reaktorquerschnitt gleichmäßigen Stoffumsatz, erfolgt insbesondere numerisch, z. B. unter Verwendung eines Kontinuummodells mit einer künstlich implementierten Porositäts- und Oberflächenverteilung. In dem Auslegungsverfahren werden insbesondere in einer numerischen Simulation Maxwell-Gleichungen zur Beschreibung des Leistungseintrags durch die elektromagnetische Induktion gekoppelt mit Wärmetransport- und Stofftransport-Gleichungen zur Beschreibung der vorliegenden Wärmetransport- und Stofftransportprozesse sowie Wärmeverlustmechanismen und daraus die Temperaturverteilung innerhalb der Schaumstruktur 53 unter beispielhaften Betriebs-Randbedingungen ermittelt.
Die Auslegung, insbesondere hinsichtlich des Kriteriums eines effizienten und prozesssicheren Reaktorbetriebs mit geringem Druckverlust trotz eines hohen Wärme- und Stoffumsatzes erfolgt numerisch. Für eine hohe Festigkeit werden Schaumstrukturen bis maximal 35 ppi gefordert, welche aufgrund derer geringen Zellgröße und damit hohen spezifischen Oberfläche hohe Druckverluste aufweisen. In diesem Bereich kann durch eine bevorzugte treibende Temperaturdifferenz ΔT zwischen Reaktormaterial 12 und Eduktmedium 16 von weniger als 25 K, insbesondere bevorzugt weniger als 20 K nach 2 die erforderliche Porosität und spezifische Oberfläche von bevorzugt größer 800 m²/m³, insbesondere bevorzugt größer 1000 m²/m³, erreicht werden. Die zugehörige Porosität ε₀ liegt somit vorzugsweise größer 0,49 für 8,75 ppi, bevorzugt kleiner als 0,93 und insbesondere bevorzugt kleiner als 0,87 für 35 ppi. Eine besonders bevorzugte Schaumstruktur weist somit unter Berücksichtigung aller wesentlichen Auslegungskriterien eine Porenanzahl zwischen 8,75 ppi und 35 ppi für eine Porosität zwischen 0,93 und 0,49.
Eine weitere Ausführungsvariante nach 5 sieht eine Wärmerückgewinnung durch Rekuperationswärme 87 vor, welche im oberen Teil des Reaktors durch ein Rekuperationsrohr 27 übertragen wird. Das Rekuperationsrohr 27 ist elektrisch nichtleitend, weist zudem eine hohe thermische Leitfähigkeit auf. Dafür kommen als Werkstoff vorzugsweise Oxidkeramiken wie bspw. Aluminiumoxid Al₂O₃ in Frage.
Ein Abschnitt der ersten Strömungsführung 24 ist in einem Ringspalt zwischen dem Rekuperationsrohr 27 und dem Mantel 30 mit dem Isoliermittel 38 gebildet. Funktionsgemäß wird die Hochtemperaturwärme des Wasserstoff-Stromes über die Rohrwandung des Rekuperationsrohres 27 in den Ringspalt der ersten Strömungsführung 24 des zugeführten Eduktstromes geleitet. Dieser Ringspalt kann zur besseren Wärmerekuperation mit den Wärmeübergang verbessenden Strukturen, beispielsweise durchgehenden Rippen, versehen werden (in 5 nicht dargestellt). Das eintretende Eduktgas tritt bspw. bis auf 500 °C vorgeheizt in den Reaktorraum 14 ein, wird im Ringspalt bis auf 1000 °C vorgewärmt und in den induktiv beheizten Keramikkörper (aus Reaktormaterial 12) zur Kohlenwasserstoffzersetzung eingeleitet. Der Keramikkörper besitzt integrierte Kanäle 55, welche neben der üblichen Porosität mit den Strömungspfaden 54 den Edukt- und Wasserstoff-Strom bis zum Reaktorraum-Boden leiten und anschließend in entgegengesetzter Richtung durch die Innenbereiche (radial im Bereich des innerhalb des Rekuperationsrohres 27 gebildeten Strömungskanals) des Reaktorraums 14 das Reaktormaterial 12 bei bis zu 1400 °C verlässt. Diese Rekuperationswärme 87 des nun nahezu vollständig umgesetzten Wasserstoffs wird durch das Rekuperationsrohr 27 zur Wärmerückgewinnung an das einströmende Eduktmedium 16 übertagen. Der Anteil der Rekuperationswärme 87, welcher nicht an das einströmende Eduktmedium 16 übertragen wird, sondern beispielsweise durch Wärmestrahlung an den Mantel 30 transportiert wird, kann durch im Mantel 30 ausgebildete Kanäle 46 z. B. mittels eines Wärmeträgermediums abtransportiert und dem Eduktmedium 16 vor dem Eintritt 34 in die Reaktoranordnung 10 zur Vorwärmung zugeführt werden.
Eine nicht zu unterschätzende technische Herausforderung stellt die Entnahme des in fester Form erzeugten Kohlenstoffs dar. Dieser „Thermalruß“ bzw. Kohlestaub fällt einerseits durch die Schwerkraft F_G in Richtung Reaktorboden 71, andererseits bleibt dieser an den Oberflächen des Reaktionsmaterials 12 haften. Dafür wird in der Ausführungsvariante in 6 eine fluidmechanische Spülvorrichtung (Gas-Spülanordnung) zur Erzeugung eines Spülstroms 80 zusammen mit einer mechanischen Reinigungsanordnung umfassend eine Motorvorrichtung 84 samt Verbindungswelle 85 in den Reaktorraum integriert. Hier wird mithilfe eines radial eingeblasenen Inertgases 80 (Stickstoff oder Argon) am Eintritt 81 der Thermalruß aus dem Reaktorraum und durch den Austritt 82 rausgeblasen, während die Schaumstruktur 53 mittels der mechanischen Reinigungsanordnung durch die Verbindungswelle 85 diskontinuierlich rauf und runter bewegt wird. Die Motorvorrichtung 84 kann zu diesem Zweck mithilfe der Verbindungswelle 85 die Schaumstruktur 53 sowohl in translatorische als auch in rotatorische Bewegung versetzen. Die translatorische Bewegung erfolgt dabei mit der Hubhöhe h=Reaktormaterialhöhe 86, um das komplette Reaktormaterial 12 mit dem Inertgas 80 zu durchspülen. Dieses Antriebskonzept lässt sich ebenfalls mit dem Strahlungsrohr 18 aus der Ausführungsvariante in 4 verbinden, wenn die Verbindungswelle 85 sich innerhalb und am kalten Ende des Strahlungsrohrs 18 befindet, um beide Vorteile zu erzielen - gleichmäßige Reaktorbeheizung und Kohlenstoffentfernung mithilfe der mechanischen und Fluidmechanischen Anordnungen.
Alternativ kann in einem diskontinuierlichen Reaktorbetrieb die erste Strömungsführung 24, welche im H₂-Umsatzbetrieb mit dem ersten Anteil 20 des Eduktmediums 16 durchströmt wird, dazu verwendet werden, um im Reinigungsbetrieb den Reaktor mit dem Inertgas 80 zu spülen und damit den Kohlenstoffstaub über die Austritte 82 zu entfernen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 1266273 A [0002, 0005, 0006]
US 3259565 A [0005, 0007]
DE 2420579 C3 [0005, 0008]
WO 2020239288 A1 [0008]
US 9739501 [0009]
EP 0907621 A1 [0038]

Claims

Reaktoranordnung (10) zur thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoff in Kohlenstoff (15) und ein Synthesegas (17) mit Wasserstoff mittels Hochtemperaturwärme, umfassend - einen Mantel (30) und einen von dem Mantel (30) umgrenzten Reaktorraum (14) mit einem auf die Hochtemperaturwärme erwärmbaren, fluiddurchlässigen, insbesondere porösen, Reaktormaterial (12), - eine erste Strömungsführung (24) zur Leitung von Eduktmedium (16) von einer Eintrittsseite (34) in den Reaktorraum (14), und - einen ersten Austritt (35) zum Auslass von Kohlenstoff (15) und einen zweiten Austritt (36) zum Auslass von Synthesegas (17) aus der Reaktoranordnung (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktoranordnung (10) zur Erzeugung der zur thermischen Spaltung erforderlichen Hochtemperaturwärme in dem Reaktormaterial (12) mittels elektromagnetischer Induktion ausgebildet ist, wobei die Reaktoranordnung (10) eine Induktoranordnung (40) mit einer um den Reaktorraum (14), insbesondere in dem Mantel (30), angeordneten Induktorvorrichtung (42) zur Erwärmung des Reaktormaterials (12) aufweist, wobei der Mantel (30) zumindest teilweise elektrisch nichtleitend ausgebildet ist und wobei das Reaktormaterial (12) ein elektrisch leitfähiges, keramisches Material umfasst oder daraus gebildet ist.
Reaktoranordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktormaterial (12) in Form zumindest, vorzugsweise genau, eines Einsatzelements (19) vorliegt, wobei es eine zusammenhängende Wabenstruktur und/oder eine zusammenhängende offenzellige regelmäßige und/oder unregelmäßige Schaumstruktur (53) aufweist.
Reaktoranordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktormaterial (12) eines oder mehrere der folgenden Materialien umfasst oder daraus gebildet ist: zumindest ein carbidkeramisches Material, insbesondere Siliziumcarbid (SiC) und/oder Titancarbid, zumindest ein silizidkeramisches Material, insbesondere Molybdän-Disilizid, zumindest ein boridkeramisches Material, insbesondere Titanborid.
Reaktoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktormaterial (12) eine Porenanzahl zwischen 8 ppi und 35 ppi aufweist, bei einer Porosität (3) zwischen 0,4 und 0,93, insbesondere zwischen 0,49 und 0,87.
Reaktoranordnung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität (3) und/oder eine spezifische Oberfläche (2) in dem Reaktormaterial (12) in radialer Richtung von innen nach außen zunimmt/zunehmen, insbesondere derart, dass eine gleichmäßige Temperaturverteilung in radialer Richtung und/oder in Umlaufrichtung innerhalb des Reaktormaterials (12) erreichbar ist bzw. vorliegt.
Reaktoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktormaterial (12) an seiner mit dem Eduktmedium (16) in Kontakt tretenden oder getretenen Oberfläche zumindest teilweise mit einer dünnen, eine Dicke von 10 µm oder dünner aufweisenden, Schutzschicht beschichtet ist, die beispielsweise aus Aluminiumoxid besteht oder selbiges umfasst.
Reaktoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktormaterial (12) an seiner mit dem Eduktmedium (16) in Kontakt tretenden oder getretenen Oberfläche zumindest teilweise ein Katalysatormaterial, vorzugsweise Nickel, aufweist.
Reaktoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Mantel (30) und dem Reaktorraum (14) zumindest ein Isoliermittel (38) zur thermischen Isolation angeordnet ist, z. B. aus hochtemperaturfestem und/oder keramischem und/oder mikroporösem Material.
Reaktoranordnung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Isoliermittel (38) zumindest teilweise von einem Gas, z. B. dem gasförmigen Eduktmedium (16), durchströmbar ausgebildet ist.
Reaktoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Mantel (30) zumindest eine zweite Strömungsführung (26) zur Leitung zumindest eines Anteils des Eduktmediums in den Reaktorraum (14) unter Kühlung des Mantels (30) durch das Eduktmedium angeordnet ist.
Reaktoranordnung (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Strömungsführung (26) zumindest abschnittsweise radial verlaufend innerhalb des Mantels (30) angeordnet ist, wobei die zweite Strömungsführung (26) insbesondere radial in den Reaktorraum (14) mündet.
Reaktoranordnung (10) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Strömungsführung (26) zumindest abschnittsweise zwischen Induktorwindungen der Induktorvorrichung (42) und/oder in dem Isoliermittel (38) angeordnet ist und/oder mehrere strömungsmechanisch parallel angeordnete, den Mantel (30) durchsetzende Kanäle aufweist.
Reaktoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strömungsführung (24) und/oder die zweite Strömungsführung (26) in einem Induktorkanal (44) angeordnet und/oder von selbigem gebildet ist/sind, in dem auch die Induktorvorrichtung (42) angeordnet ist.
Reaktoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strömungsführung (24) und/oder die zweite Strömungsführung (26) zumindest abschnittsweise eine die Wärmeübertragung verbessernde Geometrie, wärmeübertragende Strukturen, z. B. Rippen, und/oder eine erhöhte Wandrauigkeit aufweist/aufweisen.
Reaktoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Reaktormaterial (12) und dem zweiten Austritt (36) für Synthesegas (17) eine Wärmetauschanordnung zur Wärmeübertragung zwischen dem aus dem Reaktormaterial (12) austretenden Synthesegas (17) und dem in das Reaktormaterial (12) eintretenden Eduktmedium (16) angeordnet ist.
Reaktoranordnung (10) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschanordnung ein strömungsmechanisch zwischen dem Reaktormaterial (12) und dem zweiten Austritt (36) für Synthesegas (17), insbesondere zentral auf einer Längsachse (L) axial verlaufendes, wärmeleitendes Rekuperationsrohr (27) umfasst, welches auf der radialen Innenseite von dem aus dem Reaktormaterial (12) austretenden Synthesegas (17) und auf der radialen Außenseite von in das Reaktormaterial (12) eintretendem Eduktmedium durchströmbar oder durchströmt ist.
Reaktoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zentral innerhalb des Reaktorraums (14) ein axial durch das Reaktormaterial (12) an den zweiten Austritt (36) verlaufendes, einen Strömungskanal bildendes Strahlungsrohr (18) angeordnet ist, das elektrisch leitend, insbesondere aus Keramikmaterial, ausgebildet ist, welches insbesondere das Reaktormaterial (12) in axialer Höhe überragt.
Reaktoranordnung (10) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Strahlungsrohr (18) radial angeordnete Öffnungen, insbesondere Bohrungen (28), angeordnet sind, durch welche im Betrieb Synthesegas (17) aus dem Reaktormaterial (12) in den Strömungskanal des Strahlungsrohres (18) strömen kann.
Reaktoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Austritt (36) und der erste Austritt (35) auf einer bezüglich der Schwerkraftrichtung nach unten weisenden Seite der Reaktoranordnung (10) angeordnet sind und/oder dass der zweite Austritt (36) auf einer bezüglich der Schwerkraftrichtung nach oben weisenden Seite der Reaktoranordnung (10) angeordnet ist und der erste Austritt (35) auf der gegenüberliegenden, bezüglich der Schwerkraftrichtung nach unten weisenden Seite der Reaktoranordnung (10) angeordnet ist.
Reaktoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Reaktormaterials (12), ggf. zusätzlich zu der Wabenstruktur und/oder der offenzelligen Schaumstruktur (53), insbesondere axial verlaufende, Kanäle (55) zur Leitung von Eduktmedium (16) und/oder Synthesegas (17) vorhanden sind.
Reaktoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktoranordnung (10) eine Gas-Spülanordnung mit zumindest einem Spülstoffstrom-Austritt (82) zur fluidmechanischen Spülung des Reaktormaterials (12) zur Abreinigung von anhaftendem Kohlenstoff (15) umfasst.
Reaktoranordnung (10) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Gas-Spülanordnung weiterhin zumindest einen Gas-Eintritt (81) zur Zugabe von Reinigungsgas, insbesondere Inertgas, in den Reaktorraum (14) und/oder in das Reaktormaterial (12) aufweist.
Reaktoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktoranordnung (10) eine mechanische Reinigungsanordnung mit einer Verbindungswelle (85) und einer Motorvorrichtung (84) zur Abreinigung von anhaftendem Kohlenstoff (15) umfasst, die dazu angeordnet und ausgebildet sind, das Reaktormaterial (12) in, insbesondere translatorische und rotatorische, Bewegung zu versetzen.
Reaktoranordnung (10) nach Anspruch 22 und Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Reinigungsanordnung und die Gas-Spülanordnung derart aufeinander abgestimmt sind, dass Reinigungsgas über den Gas-Eintritt (81) in das Reaktormaterial (12) von der radialen Außenseite an jeder axialen Position einblasbar ist.
Verfahren zur thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoff in Kohlenstoff (15) und Synthesegas (17) mittels Hochtemperaturwärme in einer Reaktoranordnung (10), die insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, bei dem ein Eduktmedium (16) mittels einer ersten Strömungsführung (24) von einer Eintrittsseite (34) durch ein auf die Hochtemperaturwärme erwärmtes, fluiddurchlässiges, insbesondere poröses, Reaktormaterial (12) geleitet wird, und innerhalb des Reaktormaterials (12) zu Kohlenstoff (15) und Synthesegas (17) umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die zur thermischen Spaltung erforderliche Hochtemperaturwärme in dem Reaktormaterial (12) zumindest teilweise mittels elektromagnetischer Induktion erzeugt wird, wobei eine um den Reaktorraum (14) angeordnete Induktorvorrichtung (42) einer Induktoranordnung (40) der Reaktoranordnung (10) im/innerhalb des Reaktormaterials (12) Hochtemperaturwärme erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu der induktiven Erwärmung die Hochtemperaturwärme mittels Wärmerückgewinnung aus dem Synthesegas (17) und/oder dem Kohlenstoff (15), und/oder zumindest einer anderen Power-to-Heat-Technologie, z. B. einer Widerstandsheizung, bereitgestellt wird, wobei z. B. das Eduktmedium auf 400 °C bis 500 °C mittels einer Widerstandsheizung, weiter auf 700 °C bis 900 °C mittels Wärmerückgewinnung und auf die Hochtemperaturwärme mittels elektromagnetischer Induktion erwärmt wird.