DE102023004044A1 - Metall- & kohlenstoffbasierte katalytische Vorrichtung zur Durchführung von Methanpyrolyse - Google Patents

Metall- & kohlenstoffbasierte katalytische Vorrichtung zur Durchführung von Methanpyrolyse Download PDF

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Abstract

Zusammenfassung: Die Erfindung betrifft ein Reaktor zur Methanpyrolyse von Methan (CH4) oder methanhaltigen Gemisches zu Wasserstoff (H2) und festem Kohlenstoff (C), mindestens umfassend:a) ein Reaktor (7)b) Erdgas (2) und Methan (3),c) innerhalb des Reaktors (7) angeordnete metall- oder kohlenstoffbasierte, rohrbürstenartige Katalysatoren (6), dadurch gekennzeichnet, dass die rohrbürstenartigen Katalysatoren elektrisch leitfähig sind und über konduktive, induktive oder elektromagnetische Beheizung, die zur Reaktion benötigte Wärme direkt zur Verfügung stellen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung bestehend aus einem Reaktor, der mit rohrbürstenförmigen Katalysatoren ausgerüstet ist und aus Methan die Produktion von Wasserstoff und Kohlenstoff mit geringem CO2 - Fußabdruck ermöglicht.
  • Als vielfältig einsetzbarer Energieträger wird Wasserstoff für den langfristigen Erfolg der Energiewende und für den Klimaschutz eine Schlüsselrolle einnehmen. Wichtig ist hierbei aber, dass Wasserstoff klimafreundlich hergestellt wird, damit die CO2-Emissionen, vor allem in Industrie und Verkehr deutlich reduziert werden.
  • Wasserstoff kann aus fossilen Brennstoffen und Biomassen oder aus einer Mischung von beiden gewonnen werden. Daneben etabliert sich die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse zunehmend.
  • Derzeitig ist Erdgas die Hauptquelle für die Wasserstoffproduktion. Steam Methan Reformer (SMR), die Erdgas verwenden, sind die Haupteinsatzgebiete für die Wasserstoffproduktion in der Ammoniak- und Methanolindustrie sowie in Raffinerien.
  • Zurzeit macht Erdgas rund drei Viertel der jährlichen weltweiten Wasserstoffproduktion von rund 70 Millionen Tonnen Wasserstoff aus, wobei rund 205 Milliarden Kubikmeter Erdgas (6% des weltweiten Erdgasverbrauchs) verwendet werden.
  • Aufgrund ihrer dominierenden Rolle in China, belegt Kohle den 2. Platz: schätzungsweise 23% der weltweiten Wasserstoffproduktion. Hierfür werden 107 Mio. Tonnen Kohle eingesetzt (2% des weltweiten Kohleverbrauchs). Öl und Strom liefern den restlichen Anteil der Gesamtproduktion.
  • Die Abhängigkeit von Erdgas und Kohle zur Produktion von Wasserstoff führt dazu, dass die Herstellung heute erhebliche CO2-Emissionen verursacht: 10 Tonnen Kohlendioxid pro Tonne Wasserstoff (tCO2/tH2) aus Erdgas und 19 tCO2/tH2 aus Kohle.
  • Zur Erreichung der globalen Klimaziele werden aber klimaneutrale Wasserstoffproduktionspfade benötigt. Eine adäquate Technologie könnte die Methanpyrolyse sein. Hierbei wird der Hauptbestandteil von Erdgas -Methan-, unter Ausschluss oxidierender Reaktionspartner wie Sauerstoff, Wasserdampf oder Kohlenstoffdioxid in Wasserstoff und Kohlenstoff umgewandelt. Für die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse zeigen sich zudem folgende Schwierigkeiten:
    1. 1. Der Bedarf an erneuerbaren Strom ist dramatisch hoch und absehbar nicht darstellbar, um genug an grünem Wasserstoff im beabsichtigten Zeitpfad der Klimaneutralität herzustellen.
    2. 2. Die Effizienz der Wasserelektrolyse ist vergleichsweise schlecht, während die Methanpyrolyse ähnlich effizient wie die Reformierung ist.
    3. 3. Der Bedarf an Wasser für die Elektrolyse ist sehr hoch und muss meist mittels Umkehrosmose am Standort gewonnen werden, was die Standortwahl stark - einschränkt.
    4. 4. Die Erzeugung von Wasserstoff bei der Elektrolyse auf Basis erneuerbarer Energien unterliegt naturgemäß starken Schwankungen mit der Generation von Photovoltaik - und Windkraft. Dies sind schlechte Voraussetzungen für jede nachgeschaltete Chemieanlage, wie z.B. die Ammoniaksynthese. Hier ist Grundlast (mind. 60%) eine notwendige Voraussetzung, welche die Methanpyrolyse sicher bietet.
    5. 5. Die Herstellungsmaterialien für die Elektrolyseure sind grundsätzlich bereits teuer (Nickel, Titan, Kupfer u.a.) und werden mit stark steigender Tendenz dramatisch teurer, so, dass die angenommen Einsparpotentiale für zukünftige Elektrolyseure fraglich sind. Die Materialien für die Methanpyrolyse sind grundsätzlich wesentlich einfacher und sehr kostengünstig und die Investition damit wesentlich geringer als bei der Elektrolyse.
    6. 6. Solange man Kohlenstoff -z.B. im Reifen und in der Elektrode der Batterie- benötigt, ist die CO2-freie Verwendung von Erdgas als Kohlenwasserstoff mit Nutzung sowohl des Kohlenstoffs und des Wasserstoffs sehr sinnvoll und viel sinnvoller als die Nutzung nur einer Komponente des Erdgases. Erdgas ist zudem weiterhin in riesigen Mengen vorhanden und auch heute in vielen Ländern unschlagbar kostengünstig.
  • Im Vergleich zur o.g. konventionellen SMR - Technologie ist die Methanpyrolyse ein Prozess ohne CO2 - Emissionen. Der erhaltene Wasserstoff kann als klimaneutraler Energieträger in der Industrie z.B. Stahlsektor, im Verkehr oder als Wärmelieferant genutzt werden. Der bei der Methanpyrolyse entstehende Kohlenstoff (ca. 3-3,3 kg / kg H2) besitzt als Feststoff vielfältige Nutzungsmöglichkeiten. So ist ein Einsatz bei der Produktion von Graphit - Anoden für Lithium-Ionen-Batterien im automobilen Sektor denkbar. Weitere Möglichkeiten sind im Bereich der Gas- und Abwasserreinigung (Aktivkohle) oder zur Bodenverbesserung in der Landwirtschaft naheliegend. Aber auch die Bildung von Kohlenstoffnanoröhren (CNT) kann von hohem wirtschaftlichem Interesse sein; es sind eine ganze Reihe von weiteren Anwendungen bekannt, wie Katalysatoren, Katalysator-Unterstützung, H2 -Speicher, elektronische Komponenten und Polymeradditive. Unbedingte Voraussetzung für die Klimaneutralität ist aber, dass der erzeugte Kohlenstoff nicht in Prozessen eingesetzt wird, bei denen es wieder zur Freisetzung von CO2 in die Atmosphäre kommt.
  • Bei der Methanpyrolyse wird CH4 direkt in seine Bestandteile gespaltet, also Wasserstoff und Kohlenstoff. Im Gegensatz zu anderen Technologien, die fossile Ressourcen nutzen, wie Kohlevergasung oder Dampfmethanreformierung, ist der größte Vorteil der Methanpyrolyse die Produktion von CO2-freier Wasserstoff. Fester Kohlenstoff ist das einzige Nebenprodukt, das sich aus der thermischen Zersetzung von Methan ergibt, also weder ein CO2 Trennungsschritt oder dessen anschließende Speicherung ist erforderlich.
  • Weitere Vorzüge der Methanpyrolyse, im Vergleich zu anderen bekannten Technologien zur Wasserstoffproduktion, ist der geringe Energiebedarf zur Wasserstofferzeugung durch Pyrolyse (37,8 kJ/mol H2) und liegt erheblich unter dem Energiebedarf zur Erzeugung von Wasserstoff aus Erdgas mittels SMR (63,3 kJ/mol H2) sowie der Bereitstellung von erneuerbarem Wasserstoff mittels Elektrolyse (285,9 kJ/mol H2).
  • Die endotherme katalytische Methanzersetzungsreaktion (Methanpyrolyse) könnte also einen vielversprechenden Ersatz für die konventionellen Prozesse wie Dampfreformierung, partielle Oxidation u.a. Verfahren darstellen. Wie ersichtlich, liegt der Vorteil der Methanpyrolyse gegenüber der Wasserelektrolyse in dem deutlich niedrigeren Energiebedarf zur Spaltung des Ausgangsmoleküls, da der aufzubringende Energiebedarf (Reaktionsenthalpie) für die Zerlegung des Wassermoleküls deutlich höher ist als diejenige für das Methanmolekül.
  • Technologien zur CO2-freien Wasserstoffherstellung über die Methanpyrolyse werden derzeit im Labormaßstab oder in kleineren Pilotanlagen weltweit entwickelt.
  • Diese Technologien lassen sich in drei Gruppen einteilen:
    1. a) thermische Spaltung,
    2. b) Plasma-Spaltung und
    3. c) katalytische Spaltung.
  • Die Temperaturen für eine rein thermische Spaltung von Methan erfordert Reaktionstemperaturen von über 1200 °C. In der Regel wird die benötigte Reaktionswärme für die endotherme Reaktion über die Wände des Reaktors eingeleitet. Die benötigte Wärme kann über elektrische Heizung (konduktiv, induktiv) oder durch Verbrennung fossiler Brennstoffe (Erdgas) zur Verfügung gestellt werden. Zielführend wäre hierbei natürlich, zur Erzeugung der benötigten elektrischen Wärme, auf erneuerbaren Energien zu setzen, ohne zusätzliche CO2 Emissionen bei der Verbrennung von Erdgas zu produzieren.
  • Ein Problem bei der thermischen Spaltung von Methan ist, dass ein konstanter Wärmeeintrag mit gleichmäßiger Wärmeverteilung in axialer und radialer Richtung innerhalb des Reaktors, sich komplex gestaltet und über einen längeren Zeitraum nicht ohne weiteres realisiert werden kann. So können in Bereiche mit höheren Temperaturen die Umsätze höher sein und es kann hierbei zu Ablagerung von Kohlenstoff kommen. Es wird auch oft festgestellt, dass es an den heißen Oberflächen zu Hotspots und zu einem kontinuierlichen Anwachsen einer Kohlenstoffschicht mit Verschlechterung des Wärmeüberganges mit anschließender Verblockung des Reaktors kommen kann.
  • Methan kann man auch durch den Eintrag von elektrischer Energie in ein Plasma umwandeln. Bei der Plasma-Spaltung werden mittels spezieller Fackeln örtlich hohe Energiedichten realisiert. Die Reaktionstemperaturen können bei dieser Technologie bei bis zu 2000 °C liegen. Bisher noch nicht zufriedenstellend gelöst ist der hohe Elektrodenverschleiß und es wird aber auch über unkontrollierte Ablagerungen von Kohlenstoff innerhalb des Reaktors berichtet.
  • Eine bekannte und bewährte Methode um die Methanzersetzung bei tieferen Temperaturen zu initiieren und zu beschleunigen ist die Verwendung von Katalysatoren. Diese thermokatalytische Zersetzung von CH4 in H2 und C ist ein attraktiver Prozess, weil es bei erheblich tieferen Temperaturen, ab ca. 500 °C, gestartet werden kann, bei der nichtkatalytischen Zersetzung werden dagegen Prozesstemperaturen von ca. 1200 °C benötigt. Hierdurch ist es möglich die Komplexität und Kosten des Verfahrens zu senken.
  • Bei der katalytischen Methanspaltung unterscheidet man zwischen kohlenstoff- und metallbasierten Katalysatoren.
  • Diese Katalysatoren können entweder als Wirbelschicht betrieben oder aber in Festbettreaktoren zur Reaktionsbeschleunigung eingesetzt werden. Übergangsmetalle der VIII. Nebengruppe zeichnen sich durch eine besonders gute Aktivität aus, daher wird die katalytische Methanspaltung oft mittels nickel-, eisen- und kobaltbasierten Trägerkatalysatoren durchgeführt.
  • Kohlenstoffbasierte Katalysatoren sind in der Regel weniger aktiv als Metallkatalysatoren und erfordern auch höhere Reaktionstemperaturen von 800 bis 1000 °C, je nachdem welche Kohlenstoffart verwendet wird. Vorteile sind aber, dass sie stabiler sind und längere Standzeiten als Metallkatalysatoren besitzen. Zudem sind sie erheblich günstiger als die metallischen Katalysatoren.
  • Bezüglich der Aktivität von metallischen Katalysatoren zur Methanpyrolyse wird in der Literatur die folgende Bewertung wiedergegeben: Ni > Co > Fe. Da nickelhaltige Katalysatoren als das aktivste Material im Prozess der Methanpyrolyse gelten, wurden diese Katalysatoren sehr umfangreich untersucht. Nachteilig für Katalysatoren auf Nickelbasis ist jedoch, dass sie bei Temperaturen über 600 °C schnell deaktivieren, d.h. die Poren werden durch Kohlenstoffablagerungen verschlossen. Eine Regeneration mit Sauerstoff oder Luft führt zu Sinterung dieser aktiven Zentren und vor allem zu CO2-Emissionen.
  • Kobaltkatalysatoren besitzen im Vergleich zu Nickelkatalysatoren eine geringere Aktivität. Aber auch aufgrund von Toxizitätsprobleme und höhere Kosten als Nickel wurden Kobaltkatalysatoren bisher wenig untersucht.
  • Aus der Literatur ist zu entnehmen, dass bei der Verwendung von Metallkatalysatoren ein Regenerationsprozess erforderlich ist, um die Kohlenstoffablagerungen nach der Reaktion aus der Oberfläche der Katalysator zu entfernen. Es wird vorgeschlagen Metallkatalysatoren durch Verbrennung des Kohlenstoffs mit Luft oder Dampf zu regenerieren. Ein großer Nachteil dieser Prozedur ist, dass bei der Verbrennung des Kohlenstoffes CO2-Emissionen entstehen, die dem eigentlichen „sauberen“ Verfahren der Methanpyrolyse entgegenstehen. Es kann auch passieren, dass das bei der Methanpyrolyse produzierte Kohlenstoff mit den aktiven toxischen Nickel- oder Kobaltmaterial kontaminiert wird, daher wird vorgeschlagen für industrielle Anwendungen der Methanpyrolyse kostengünstigere und sicherere Katalysatoren wie Eisenmaterialien zu verwenden. Als weitere Vorteil dieser Katalysatorgattung ist, dass sie bei erheblich höhere Betriebstemperaturen von bis zu 1000 °C, anstatt 600 °C bei Nickelkatalysatoren, betrieben werden können und somit die Produktion von Wasserstoff und Kohlenstoff effizienter gestaltet werden kann. Allerdings müssen auch die konventionellen Fe-basierten Schüttschicht-Katalysatoren regeneriert werden und hierbei sollte man auf neuartige Katalysator -Technologien zurückgreifen, die, aufgrund der vorteilhaften Geometrie, eine Regeneration und/oder Abreinigung ohne CO2-Emissionen erlauben.
  • Die Methanpyrolyse ist den letzten Jahren, aufgrund der vorteilhaften Eigenschaften, wie beispielsweise keine/geringe CO2 - Emissionen, immer mehr im Fokus des weltweiten Interesses geraten. Es werden viele Aktivitäten unternommen, um die Lebensdauer von Metallkatalysatoren zu verlängern. Hierbei wurde festgestellt, dass sich der Einbau eines zweiten Metalls als Katalysatormoderator positiv auf die Katalysatoraktivität und -stabilität auswirkt. Palladium und Kupfer werden am häufigsten genannt. Die hieraus resultierenden Metalllegierungen mit hohen Gitterkonstanten bieten höhere Kapazitäten zur Kohlenstoffaufnahme, so, dass die Aktivität der Katalysatoren für längere Reaktionszeiten erhalten bleibt. Diese zusätzlichen Metallpromotoren befördern das Gleichgewicht zwischen der Dissoziationsrate von Methan und der Diffusionsrate von Kohlenstoff. Hierdurch wird die Bildung von verstopfendem Kohlenstoff an den aktiven Stellen inhibiert und die Lebensdauer des Katalysators verlängert.
  • Untersuchungen an kohlenstoffbasierten Katalysatoren haben gezeigt, dass sie längere Standzeiten und höhere Beständigkeit bezüglich Kohlenstoffverkokung und -vergiftung haben und sie werden auch langsamer desaktiviert als Metallkatalysatoren. Zudem kann der produzierte Kohlenstoff gemeinsam mit dem Katalysatorkohlenstoff auch katalytische Wirkungen haben.
  • Hier setzt die Erfindung an, es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass metall- oder kohlenstoffbasierte rohrbürstenartige strukturierte Vorrichtungen als Katalysatoren für die Durchführung der Methanpyrolyse verwendet werden können. Der große Vorteil der gleichmäßigen Geometrie besteht darin, dass der Kohlenstoff, der während der Methanzersetzung gebildet wird und sich auf der gleichmäßigen Geometrie des Katalysators teilweise absetzt, mit relativ einfachen Methoden Online beseitigt werden kann. Ähnliche Ergebnisse ließen sich mit keramischen / metallischen monolithischen oder andere strukturierten Katalysatoren erzielen. Allerdings ist der Aufbau von rohrbürstenartigen strukturierten Katalysatoren wesentlich einfacher als die der anderen genannten gleichmäßigen Katalysatorgeometrien und die erreichbaren volumetrischen spezifischen Oberflächen sind ebenfalls erheblich höher. Ein weiterer Vorteil dieser neuartigen Katalysatoren ist deren vorteilhafte axiale und radiale Wärmeleitung. Das ist gerade bei der endothermischen Reaktion der Methanpyrolyse zur gleichmäßigen Produktion von Wasserstoff und Kohlenstoff besonders relevant.
  • Zur Erreichung von großen Längen innerhalb der Rohrbündelreaktoren können die rohrbürstenartigen Katalysatoren aneinandergehängt werden und innerhalb der Reaktorrohre positioniert werden. Die benötigten Längen kann man einfach einhalten und somit einen konstanten Druckverlust über alle Rohre des Rohrbündelreaktors gewährleisten. Zur Verhinderung der nachteiligen Randgängigkeit können die Außendurchmesser der rohrbürstenartigen Katalysatoren größer als der Innendurchmesser der Reaktorrohre gefertigt werden, so, dass sie als Presspackung in die Rohre eingesetzt werden können und keine zusätzlichen so genannte „Spring Coils“ zur Halterung des Katalysators benötigen. In Summe kann festgestellt werden, dass rohrbürstenartige Katalysatoren für die Methanpyrolyse in ihrer Vielfältigkeit ein geeignetes Mittel sind, verschiedenste Anforderungen bezüglich Durchmesser und Reaktorlänge abzudecken und erheblich günstiger in Herstellung und bei einem Austausch sind (einfach aus dem Reaktor herauszuziehen). Zudem bieten diese tendenziell einen geringeren Druckverlust bei gleicher Oberfläche.
  • Zusätzlich besteht auch die Möglichkeit die benötigte Wärme für die endothermischen Reaktionen der Methanpyrolyse nicht nur durch Verbrennung von z.B. Erdgas, sondern elektrisch aus erneuerbaren Energien durch Direktbeheizung der Katalysatoren zur Verfügung zu stellen, weil sowohl die metallischen als auch die kohlenstoffbasierten Katalysatoren in der Regel sehr gute elektrische Leiter sind. Diese Direktbeheizung kann ebenfalls zur Regeneration/Abreinigung der Katalysatoren eingesetzt werden.
  • Die Beseitigung des produzierten Kohlenstoffes wird als cruciale Forderung für die Marktdurchdringung der metall- und kohlenstoffbasierten katalytischen Methanpyrolyse erachtet. Zur Durchführung bieten sich eine ganze Reihe von Maßnahmen an. Hier einige von etlichen anderen Möglichkeiten:
    • • Messung des Druckverlustes der Katalysatoren und bei Überschreitung des Sollwertes erfolgt eine Online/Offline - Abreinigung mit einem geeignetem Fluid, vorzugsweise CH4 oder mittels akustischer Vorrichtung (Schallreiniger).
    • • Messung der Gaskonzentration (H2, CH4) am Reaktoraustritt und bei Änderung des Sollwertes werden die o.g. Maßnahmen eingeleitet.
    • • Messung des Druckverlustes der Katalysatoren oder Gaskonzentration (H2, CH4) und bei Änderung des Sollwertes Aktivierung von Vibrationshilfen am Reaktorbehälter.
    • • Lagerung der bürstenförmigen Katalysatoren auf Schwingfedern (Federpendel) so, dass eine kontinuierliche Abreinigung durch die oszillierenden Katalysatorbewegungen erfolgt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es also für die Methanpyrolyse, die als die geeignete Alternative Technologie zur Wasserstoffproduktion gilt, Katalysatoren zur Verfügung zu stellen, die eine nachhaltige thermische Zersetzung von Methan zu Wasserstoff und festem Kohlenstoff ermöglichen, weil, wie bereits kurz erläutert ist aus thermodynamischer Sicht die Zersetzung von Methan energetisch wesentlich wirtschaftlicher als die Wasserelektrolyse. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Rohrbündelreaktoren mit rohrbürstenartigen Einbauten, die als Katalysatoren fungieren, ausgerüstet werden.
  • Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnungen, diese zeigen in
    • 1 ein vereinfachtes Verfahrensfließbild der konzipierten Vorrichtung zur Durchführung der Methanpyrolyse.
    • 2 veranschaulicht eine vereinfachte Schnittzeichnung durch einen erfindungsgemäßen Reaktor, der mit rohrbürstenartigen Katalysatoren ausgestattet ist mit Möglichkeiten der elektrischen Wärmeproduktion durch Direktbeheizung des Katalysators und/oder des Reaktors.
    • 3 & 4 zeigen eine vereinfachte Schnittzeichnung durch ein Katalysatorrohr mit Möglichkeiten der Messung von Druckverlust und/oder Gaskonzentration (CH4/H2). Bei der Methanpyrolyse wird bei der Umsetzung von Methan neben Wasserstoff feste Kohlenstoffpartikel gebildet. Diese werden zum Teil von der Gasströmung aus dem Katalysator ausgetragen, ein Teil kann sich aber auch innerhalb des Katalysators absetzen und zu Druckverlusterhöhung und zu Minderproduktion von Wasserstoff führen. Daher muss, bei Veränderung eines Zielwertes, eine Aktivierung der Abreinigung/Regeneration durchgeführt werden. Zur Vermeidung von Fremdgaseintrag innerhalb der Anlage zur Methanpyrolyse, erfolgt die Abreinigung vorzugsweise mit CH4. Die Abreinigung/Regeneration kann auch mittels akustischen Signals oder sogenannte „Rußbläsern“, die beispielsweise mit Dampf betrieben werden, erfolgen. Dabei kann die Düse, wie in 4 dargestellt, axial im Bereich der gesamten Katalysatorfüllung bewegt und 1 bis 360 ° radial verfahren werden.
    • 5 & 6 zeigen die Möglichkeiten der Abreinigung/Regeneration intermittierend mittels Klopfung und/oder, zur Unterstützung, zusätzlich mit eingebautem Federpendel.
  • In 1 ist mit (1) eine Vorrichtung zur Methanpyrolyse dargestellt. Methanhaltiges (CH4) Erdgas (2) wird mit rückgeführtem, noch nicht umgesetztes CH4 (3), in einem Reaktor (7) der mit rohrbürstenartigen Katalysatoren (6), befüllt ist, eingeleitet. Innerhalb des Reaktors erfolgt die katalytische Umsetzung des CH4 in H2 und C. Über die Rohrleitung (8) strömt das noch nicht umgesetzte CH4, H2 und C in einem Fliehkraftabscheider (10). Hier erfolgt die Separation zwischen festem C (11) und gasförmiges CH4 & H2. Der Kohlenstoff kann über (9) zur weiteren Verwendung ausgetragen werden. Über eine Rohrleitung (11) wird das Gemisch aus CH4 & H2 in einem Separator (13) geführt. Nach der Trennung steht über (12) reiner Wasserstoff zur Verfügung und das noch nicht umgewandelte Methan wird über (3) erneut in den Reaktor (7) zur weiteren Methanpyrolyse geführt. Über (4 & 5) besteht die Möglichkeit ein Abreinigungs- bzw. Regenerationsmedium einzuleiten.
  • In 2 wird in eine Schnittdarstellung die Wege der Realisierung der benötigten Wärme für die endothermischen Reaktion der Methanpyrolyse aufgezeigt. Zum einen kann die Reaktionswärme durch die Verbrennung von Erdgas in separate Brenner und Übergabe der Wärme an die einzelnen Rohrbündel (14) erfolgen. Es besteht aber auch die Möglichkeit die benötigte Wärme mit elektrischem Strom zu erzeugen (Widerstandheizung, Induktion oder Mikrowelle/ 14). Eine sehr vorteilhafte Methode stellt die elektrische Direktbeheizung der metallischen oder kohlenstoffbasierten rohrbürstenartigen Katalysatoren (15) dar.
  • In 3 und 4 werden denkbare Apparaturen für die Abreinigung/Regeneration der rohrbürstenartigen Katalysatoren (6) wiedergegeben. Über eine Messeinheit kann der Druckverlust über die Katalysatorfüllung und/oder die Gaskonzentration am Reaktoraustritt (7) gemessen werden. Bei Bedarf kann über eine Zuführeinheit (16) entsprechende Abreinigungs- und/oder Regenerationsmedien (4,5) eingeführt werden. Die Abreinigung/Regeneration kann auch mittels akustischen Signals oder sogenannte „Rußbläsern“, die beispielsweise mit Dampf betrieben werden, erfolgen. Dabei kann die Düse (18) innerhalb der Verfahreinrichtung (17), wie in 4 dargestellt, axial im Bereich der gesamten Katalysatorfüllung und 1 bis 360 ° radial verfahren werden
  • 5 und 6 zeigen die Möglichkeiten der Abreinigung mittels Klopfung (19) und, zur Unterstützung, mit einem oder mehreren Federpendel (20). Die Aktivierung der Klopfer kann getaktet nach einer bestimmten Zeit oder nach Änderung eines bestimmten Vorgabewertes (Druckverlust, Gaskonzentration) erfolgen.
  • Selbstverständlich können die einzelnen Maßnahmen zur Abreinigung/Regeneration der Katalysatoren kombiniert werden und natürlich sind die beschriebenen Beispiele noch in vielfacher Hinsicht abzuändern und zu ergänzen ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. So betrifft die Erfindung auch das Verfahren zur Optimierung von Methanpyrolyse durch Verwendung von bürstenförmigen metallischen oder kohlenstoffbasierten Katalysatoren.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Vorrichtung zur Durchführung von katalytischer Methanpyrolyse
    2
    Erdgas
    3
    CH4
    4
    Abreinigungsmedium
    5
    Regenerationsfluid
    6
    Katalysator
    7
    Reaktor
    8
    H2, CH4, C
    9
    C
    10
    Fliehkraftabscheider
    11
    H2, CH4
    12
    H2
    13
    Membran /PSA (Separator)
    14
    Beheizung (elektrisch z.B. erneuerbare, Brennstoff z.B. Erdgas)
    15
    Direktbeheizung Katalysator (Widerstand, Induktion, Mikrowelle)
    16
    Injektor / Ultraschallerzeuger
    17
    Verfahrbare Abreinigungs- bzw. Regenerationsapparatur
    18
    Düsen
    19
    Abreinigungsvorrichtung (Klopfer)
    20
    Abreinigungsvorrichtung (Klopfer & Federpendel)

Claims (7)

  1. Vorrichtung zur Durchführung von katalytischer Methanpyrolyse (1) dadurch gekennzeichnet, dass metall- & kohlenstoffbasierte rohrbürstenartige Katalysatoren (6) innerhalb der Reaktoren (7) positioniert werden.
  2. Rohrbürstenartige Katalysatoren (6) zur katalytischen Methanpyrolyse (1) nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch aktiven Katalysatoren (6, 15) elektrisch leitfähig sind und über konduktive, induktive oder elektromagnetische Beheizung, die zur Reaktion benötigte Wärme direkt zur Verfügung stellen.
  3. Vorrichtung zur katalytischen Methanpyrolyse (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverlust über die rohrbürstenartigen Katalysatoren (6) gemessen wird und diese über Injektoren (16) bei Erreichung eines Sollwertes, mittels Impulsmedien (4,5) von den abgelagerten festen Kohlenstoffpartikeln separiert werden.
  4. Vorrichtung zur katalytischen Methanpyrolyse (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass Gaskonzentration von CH4 und/oder H2 über die rohrbürstenartigen Katalysatoren (6) gemessen wird und diese über Injektoren (16) bei Erreichung eines Sollwertes, mittels Impulsmedien (4,5) von den abgelagerten festen Kohlenstoffpartikeln separiert werden.
  5. Vorrichtung zur katalytischen Methanpyrolyse (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverlust und/oder Gaskonzentration von CH4 und/oder H2 über die rohrbürstenartigen Katalysatoren (6) gemessen wird und diese über verfahrbare Einrichtungen (17,18) bei Erreichung eines Sollwertes, mittels Impulsmedien (4,5) von den abgelagerten, festen Kohlenstoffpartikeln separiert werden.
  6. Vorrichtung zur katalytischen Methanpyrolyse (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine zeitgetaktete oder kontinuierliche Abreinigung der rohrbürstenartigen Katalysatoren (6) von abgelagerten festen Kohlenstoffpartikeln mit Klopfvorrichtungen (19) erfolgt.
  7. Vorrichtung zur katalytischen Methanpyrolyse (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine zeitgetaktete oder kontinuierliche Abreinigung der rohrbürstenartigen Katalysatoren (6) von abgelagerten festen Kohlenstoffpartikeln mit Klopfvorrichtungen (19) und zusätzlichen Federpendelaufhängungen (20) erfolgt.
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