DE1589999C

DE1589999C - Verfahren und Anlage zum Erzeugen von Wasserstoff durch Ausnutzen der von einem Atomkernreaktor erzeugten Warme

Info

Publication number: DE1589999C
Authority: DE
Inventors: Hans Wolfgang Dr Wolff Gerhard Dr 5170 Juhch Nürnberg
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication date: 1972-09-28

Description

Die Erfindung bezieht sich aiii ein Verfahren und auf eine Anlage zum Erzeugen von Wussersloll' durch Ausnutzen der von einem Atomkernreaklor erzeugten Wärmeenergie, wobei die im Reaktorkern erzeugte Energie auf ein in einem Rohrsystem strömendes Kühlmittel übertragen und von diesem einem Reaktionsbehälter zugeleitet wird, in welchem die chemische Reaktion unter Aufheizung stattfindet, wobei die erforderliche Umsetzungswärme den Reaktionspartnern zugeführt wird.

Die technische Nutzung der in einem Kernreaktor erzeugten Energie erfolgt im allgemeinen durch Kraftwerke. Dabei wird bei einer häufig für Kernkraftwerke verwendete Ausführungsform die bei der Spaltung des Kernbrennstoffs freiwerdende und größtenteils in Wärme umgesetzte Energie mit Hilfe eines durch ein Rohrsystem strömenden Kühlmittels zu einem Wärmeaustauscher abgeführt. Der Wärmeaustauscher überträgt sodann die Wärme von dem Kühlmittel auf das sogenannte Arbeitsmittel — im allgemeinen Dampf —, der in einer Turbine zur Umsetzung in elektrische Energie Arbeit leistet. Diese Umwandlung stellt jedoch keineswegs die wirtschaftlichste Nutzung der Kernenergie dar. Man ist daher bestrebt, die Wirtschaftlichkeit der Ausnutzbarkeit von Kernreaktoren zu erhöhen. Einer der hierzu beschrittenen Wege besteht darin, den Wirkungsgrad von Kernkraftwerken zu erhöhen. Nachteilig bleibt jedoch, daß dabei die Kernenergie zunächst in elektrische Energie umgesetzt wird und daß erst diese Energie dem eigentlichen Verwendungszweck zugeführt wird.

Es sind zwar bereits Verfahren zum Ausnutzen der von einem Reaktor erzeugten Kernenergie bekanntgeworden, bei denen die im Reaktorkern erzeugte Energie auf ein ein Rohrsystem durchströmendes Kühlmittel übertragen und von diesem zur Durchführung chemischer Umsetzungen unter Aufheizung des oder der Reaktionsbehälter, in denen die chemische Umsetzung stattfindet, auf die erforderliche Reaktionstemperatur und unter Angabe der erforderlichen Bildungswärme den Reaktionspartnern zugeführt wird (vgl. »Chemical Engineering«, März 1956, S. 191 bis 193, und »Proceedings of the Second United Nations International Conference on the Seacefal Uzes of Atomic Energy«, Vol. 8, 1958, S. 275 bis 281).

Es ist auch schon bekannt, durch die Reaktion zwischen Wasserdampf und Methan Wasserstoff zu erzeugen. Bekannt ist auch, aus Wasserdampf durch Reduktion mit Kohle Wasserstoff zu gewinnen. Bei diesem Verfahren entsteht jedoch jeweils ein Gemisch aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid. Zur Gewinnung des Wasserstoffs bedarf es somit bei diesem Verfahren noch umfangreicher Trenn- und Reinigungsmaßnahmen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, daß die von einem Reaktorkern erzeugte Energie zur Reduktion von Wasserdampf zu Wasserstoff an einer von dem Energieerzeuger räumlich getrennten Stelle so vorgenommen wird, daß dabei der entstehende Wasserstoff frei von Kohlendioxid ist und einen praktisch nicht ins Gewicht fallenden Anteil von Kohlenmonoxid enthält.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß bei Verwendung eines Metalloxids und bei Zuführung der erforderlichen Bildungswärme oberhalb einer von dem verwendeten Metalloxid abhängigen Temperatur, das Gleichgewicht der Reaktion

2 CO + 2 H_nO + MeO i= 2 MeCO., + 2 H2

nach rechts verschoben wird. Das gebildete Metallcarbonat zerfällt dabei oberhalb einer von seiner Zusammensetzung abhängigen Temperatur, wenn die erforderliche Wärmemenge zugeführt wird nach der ίο Gleichung

2 MeCO₃ i: 2 MeO -f 2 CO₂

(Π)

Schließlich wird bei einer Temperatur von 900 bis 1000° C aus Kohlendioxid in Gegenwart von Koh-Ienstoff nach der Gleichung

CO.,

2CO

(III)

Kohlenoxid gebildet.

Die Erfindung geht von der weiteren Erkenntnis aus, daß die Verwendung des Metalloxids bei der Gewinnung des Wasserstoffs die Auswirkung hat, daß dabei der entstehende Wasserstoff frei von Kohlendioxid ist und das infolge des geringen Zersetzungsdampfdrucks des Metallcarbonats auch das Kohlen- monoxid praktisch aus dem Gasgemisch entfernt .· wird. ^:'

Von dieser Erkenntnis ausgehend, wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der mit einem gekörnten Metalloxid beschickte Reaktionsbehälter, der von einem Gemisch aus Wasserdampf und Kohlenmonoxid durchströmt wird, auf die Temperatur aufgeheizt wird, bei der unter Bildung von Metallcarbonat Wasserstoff freigesetzt wird, daß im Anschluß daran das Metallcarbonat unter Aufheizen auf die erforderliche Zersetzungstemperatur sowie unter Zuführung der benötigten Zersetzungswärme in Kohlendioxid und Metalloxid zerlegt wird, worauf ein Teil des gebildeten Kohlendioxids durch eine auf die zur Bildung von Kohlenmonoxid erforderliche Temperatur aufgeheizte Schicht von Kohlenstoff in Form von Brechkoks mittlerer Korngröße oder von an sich bekannten Kohlenwasserstoffyerbindungen hindurchgeleitet wird.

Die Korngröße des dabei verwendeten Brechkokses lag etwa zwischen 30 bis 50 mm.

Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, als Metalloxid Calciumoxid in Form eines Granulats zu verwenden. Eine andere Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, daß als Metalloxid Magnesiumoxid verwendet wird.

Stellt man unter Berücksichtigung des Stoffverbrauchs die Energiebilanz für den Ablauf des Verfahrens gemäß der Erfindung zur Erzeugung von Wasserstoff auf, so ergibt sich, daß unter Verbrauch von einem Mol Kohlenstoff zwei Mole Wasserstoff erzeugt werden. Dies entspricht einem Energiegewinn von 37%, weil für je 1000 kcal Verbrennungswärme des eingesetzten Kohlenstoffs annähernd eine solche Menge an Wasserstoffgas erzeugt wird, die einem Wärmeäquivalent von 1370 kcal entspricht. Bei Anwendung des neuen Verfahrens wird also die vom Reaktor gelieferte Energie unmittelbar in die Bildungswärme des entstehenden Wasserstoffs überführt. Die von dem Kernreaktor erzeugte Energie wird unter Zwischenschaltung des Kühlmittels in chemische Energie umgewandelt. Der große Vorzug des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, daß die vergleichsweise billige Wärmeenergie auf sehr

wirtschaftliche Weise zur Erzeugung von Wasserstoff verwendet wird, wobei die Wirtschaftlichkeit noch dadurch erhöht wird, daß der dabei gewonnene Wasserstoff keinen weiteren Trenn- und Reinigungsoperationen unterworfen werden muß.

Zur Erläuterung des Ablaufs des Verfahrens gemäß der Erfindung werden nachfolgend zwei Ausführungsbeispiele angeführt.

Ausführungsbeispiel 1

Als Metalloxid wurde Calciumoxid in Form von Granulat in einen Reaktionsbehälter eingefüllt. Der Reaktionsbehälter wurde durch einen mit dem Kernreaktor verbundenen geschlossenen Kreislauf auf eine Temperatur aufgeheizt, die zwischen 400 und 600° C lag. Durch den Reaktionsbehälter wurde ein Gemisch von Kohlenoxid und Wasserdampf geleitet. Der Wasserdampf wurde in einem an sich bekannten Verdampfer, der mit der von dem Kühlmittel gelieferten Wärme aufgeheizt wurde, erzeugt. Es ergab sich bei der ablaufenden chemischen Reaktion nahezu die theoretisch zu erwartende Ausbeute an Wasserstoff. Das bei dem Reaktionsablauf gebildete Calciumcarbonat wurde anschließend unter Aufheizen des Reaktionsbehälters auf eine Temperatur zwischen 900 und 1000° C in Calciumoxid und Kohlendioxid zersetzt, wobei die erforderliche Wärme von dem Kernreaktor geliefert wurde. Es erwies sich dabei als vorteilhaft, unter entsprechender Temperaturprogrammierung die Erzeugung von Wasserstoff und die Zersetzung von Calciumcarbonat in zwei Reaktionsbehältern im Wechselbetrieb durchzuführen. Dies hatte den Vorteil, daß die Wasserstofferzeugung ohne Unterbrechung erfolgen konnte. Das für den Ablauf der Reaktion benötigte Kohlenmonoxid wurde in einem mit Brechkoks von einer Korngröße, die zwischen 30 und 50 mm lag, zugestellten Reaktionsbehälter dadurch erzeugt, daß ein Teil des bei den vorhergehenden Reaktionen gebildeten Kohlendioxids durch den Koks hindurchgeleitet wurde, wobei der Reaktionsbehälter auf eine zwischen 900 und 1000° C liegende Temperatur aufgeheizt wurde. Die erforderliche Wärmemenge wurde gleichfalls von dem den Reaktorkern durchströmenden Kühlmittel geliefert. Dabei lief die Reaktion bis zu mehr als 95% des eingeleiteten CO₂ in Richtung auf die angestrebte CO-Bildung ab.

Ausführungsbeispiel 2

An Stelle von Calciumoxid wurde als Metalloxid Magnesiumoxid verwendet. Hierbei war es ausreichend, das gebildete Magnesiumcarbonat auf eine Temperatur zwischen 700 und 800⁰C aufzuheizen, um eine praktisch vollständige Zersetzung zu erreichen. Im übrigen waren die Betriebsbedingungen die gleichen wie in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel.

Eine Anlage, die zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung zur Erzeugung von Wasserstoff, insbesondere unter Verwendung von Calciumoxid als Metalloxid, besonders geeignet ist, besteht aus einen von einem Atomkernreaktor in an sich bekannter Weise mittels eines Kühlmittels beheizten Reaktionsbehälter zur Aufnahme des Metalloxids, wobei der untere Teil des Reaktionsbehälters über eine Rohrleitung mit einem gleichfalls durch das Kühlmittel beheizbaren Verdampfer verbunden ist und eine Zuführung für das Kohlenmonoxid aufweist, während im oberen Teil des Reaktionsbehälters ein Anschlußstück für den Wasserstoff vorgesehen ist, wobei zur Zersetzung des Metallcarbonats und zur Bildung von Kohlenmonoxid aus Kohlendioxid und Kohle zwei weitere beheizbare, über eine Rohrleitung so miteinander in Verbindung stehende Reaktionsbehälter vorgesehen sind, daß die zur Herstellung von Wasserstoff und zur Zersetzung von Metallcarbonat bestimmten Behälter in ihrem Verwendungszweck wechselweise

ίο gegeneinander austauschbar sind.

Die Anlage zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird an Hand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, wird die vondem Kernreaktor 1 gelieferte Wärme mittels des Rohrleitungssystems 10 dem Reaktionsbehälter 2 zur . Erzeugung von Wasserstoff, dem Reaktionsbehälter 3 zur Zersetzung von Calciumcarbonat und dem Reaktionsbehälter 4 zur Erzeugung von Kohlenoxid zugeführt. Die benötigte — unterschiedliche — Wärmemenge und die erforderlichen Temperaturen sind über an sich bekannte — in der Zeichnung nicht dargestellte — Drosselorgane oder sonstige geeignete Einrichtungen einregelbar. In den Kühlmittelkreislauf ist außerdem ein Verdampfer 5 zur Erzeugung von Wasserdampf eingeschaltet. Wie aus der Zeichnung zu erkennen ist, ist der Verdampfer 5 über ein Rohrstück 6 mit dem unteren Teil des Reaktionsbehälters 2 verbunden. Im unteren Teil des Behälters 2 endet außerdem die Rohrleitung 7 zur Zuführung von Kohlenoxid. Das in dem Behälter 2 gebildete Wasserstoffgas wird durch die im oberen Teil des Behälters 2 angeordnete Rohrleitung 8 abgezogen. Der Behälter 2 steht erfindungsgemäß über die Rohrleitung 7 in Verbindung mit dem Behälter 4. Da — wie aus der Zeichnung hervorgeht — der zur Zerlegung des gebildeten Calciumcarbonate vorgesehene Behälter 3 über die Rohrleitung 9 mit dem Behälter 4 verbunden ist, ist es ohne weiteres möglich, das bei der Zersetzung des Calciumcarbonats gebildete CO₂ nach Reduktion in dem Behälter 4 zu CO im Kreislauf in den zur Erzeugung des Wasserstoffs bestimmten Behälter 2 zuzuleiten. Zur Ableitung des bei der Zersetzung von Calciumcarbonat gebildeten CO₂-Überschusses ist im oberen Teil des Behälters 3 eine Rohrleitung 11 angeordnet. Um das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff nach Möglichkeit ohne Unterbrechung durchzuführen, sind die Reaktionsbehälter 2 und 3 miteinander über die Rohrleitungen 12 und 13 und mit dem Verdampfer 5 so verbunden, daß in ihnen wechselweise entweder Wasserstoff erzeugt oder Calciumcarbonat zersetzt werden kann.

Statt die Erzeugung des Wasserstoffs, die Zerlegung des Metallcarbonats und die Bildung von Kohlenoxid aus Kohlenstoff und Kohlendioxid in verschiedenen Reaktionsbehältern vorzunehmen, ist es selbstverständlich möglich, die Reaktionen in einem geeigneten an sich bekannten Reaktionsbehälter durchzuführen, der zonen- und/oder zeitweise unterschiedlich beheizt wird.

Die Verwendung der neuen Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat den großen Vorzug, daß die Wasserstoffherstellung kontinuierlich erfolgt, wobei der Wasserstoff auf wirtschaftliche Weise in ausreichender Menge als Hauptprodukt anfällt.

Claims

yyy Patentansprüche:

1. Verfahren zum Erzeugen von Wasserstoff durch Ausnutzen der von einem Atomkernreaktor erzeugten Wärmeenergie, wobei die im Reaktorkern erzeugte Energie auf ein in einem Rohrsystem strömendes Kühlmittel übertragen und von diesem einem Reaktionsbehälter zugeleitet wird, in welchem die chemische Reaktion unter Aufheizung stattfindet, wobei die erforderliche Umsetzüngswärme den Reaktionspartnern zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der mit einem gekörnten Metalloxid beschickte Reaktionsbehälter, der von einem Gemisch aus Wasserdampf und Kohlenmonoxid durchströmt wird, auf die Temperatur aufgeheizt wird, bei der unter Bildung von Metallcarbonat Wasserstoff freigesetzt wird, daß im Anschluß daran das Metallcarbonat unter Aufheizen auf die erforderliche Zersetzungstemperatur sowie unter Zuführung der benötigten Zersetzungswärme in Kohlendioxid und Metalloxid zerlegt wird, worauf ein Teil des gebildeten Kohlendioxids durch eine auf die zur Bildung von Kohlenmonoxid erforderliche Temperatur aufgeheizte Schicht von Kohlenstoff in Form von Brechkoks mittlerer Korngröße oder von an sich bekannten Kohlenwasserstoffverbindungen hindurchgeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Metalloxid Calciumoxid in Form eines Granulats verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Metalloxid Magnesiumoxid verwendet wird.

4. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen von einem Atomkernreaktor (1) in an sich bekannter Weise mittels eines Kühlmittels beheizten Reaktionsbehälter (2) zur Aufnahme des Metalloxids, wobei der untere Teil des Reaktionsbehälters (2) über eine Rohrleitung (6) mit einem gleichfalls durch das Kühlmittel beheizbaren Verdampfer (5) verbunden ist und eine Zuführung (7) für das Kohlenmonoxid aufweist, während im oberen Teil des Reaktionsbehälters (2) ein Anschlußstück (8) für den Wasserstoff vorgesehen ist, wobei zur Zersetzung des Metallcarbonats und zur Bildung von Kohlenmonoxid aus Kohlendioxid und Kohle zwei weitere beheizbare, über eine Rohrleitung (9) so miteinander in Verbindung stehende Reaktionsbehälter (3, 4) vorgesehen sind, daß die zur Herstellung von Wasserstoff und zur Zersetzung von Metallcarbonat bestimmten Behälter (2, 3) in ihrem Venven- ; dungszweck wechselweise gegeneinander austauschbar sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen