Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur autothermen
Reformierung eines Kohlenwasserstoffs, insbesondere
von Diesel, in einem Reformer. Außerdem betrifft die
Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Ver
fahrens.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Reformer
bzw. Reaktoren bekannt, in welchen die Reformierung
eines Kohlenwasserstoffs mittels einer Wasser-Gas-
Shiftreaktion erfolgt. Üblicherweise findet diese Re
formierung in einem inneren Raum des Reaktors bzw.
Reformers unter Anwesenheit eines Katalysators bzw.
katalytisch wirkender Verbindungen statt. Im allgemei
nen wird der Katalysator dabei auf eine Wabenstruktur
oder auf Einzelelemente einer in dem Reformer befind
lichen Schüttung, z. B. aus Keramikpellets, aufge
bracht.
Damit in dem Reformer der Reformierungsprozeß, insbe
sondere ein autothermer Reformierungsprozeß, also ein
bezüglich seiner thermischen Energie insgesamt ausge
glichener Reformierungsprozeß, stattfinden kann, sind
bestimmte Randbedingungen erforderlich. Dies bedeutet,
daß je nach eingesetztem Kohlenwasserstoff üblicher
weise eine Temperatur von 600°C bis 1200°C und ein
Wasseranteil von 10% bis 40% in den Edukten in dem
Reformer vorliegen muß, um die entsprechende Reaktion
zu ermöglichen.
Bei langkettigen Kohlenwasserstoffen oder einem Ge
misch von Kohlenwasserstoffen, welches langkettige,
hochsiedende Kohlenwasserstoffe enthält, ist es pro
blematisch den Reformierungsprozeß zu starten, da die
vorgewärmten Reaktionspartner in dem noch kalten Re
former wieder abkühlen und sich so, neben der teilwei
se bereits stattfindenden Reformierung, eine Vielzahl
von unerwünschten Nebenprodukten bildet. Dabei hinter
lassen insbesondere die langkettigen Kohlenwasserstof
fe Rückstände in dem Reformer, welche die Gasdurchläs
sigkeit des Systems sowie die Interaktion der Edukte
der Reformierung mit den Katalysatorstoffen beein
trächtigen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfah
ren zur autothermen Reformierung eines Kohlenwasser
stoffs, insbesondere von Diesel, in einem Reformer zu
schaffen, bei welchem nach dem Start des Systems
schnellstmöglichst die erforderliche Betriebstempera
tur erreicht werden kann, so daß es zu keiner Bildung
von unerwünschten Nebenprodukten kommt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn
zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Verfahrens
merkmale gelöst.
Zum Starten des autothermen Reformierungsprozesses
wird erfindungsgemäß ein brennfähiges Gemisch aus dem
zu reformierenden Kohlenwasserstoff, wie z. B. Diesel,
und einem sauerstoffhaltigen Medium, wie z. B. Luft, in
eine erste Reaktionszone des Reformers eingebracht. In
dieser Reaktionszone des Reformers befindet sich au
ßerdem eine Einrichtung zur Zufuhr von Energie, durch
welche in dem Gemisch eine Gasphasenreaktion ausgelöst
wird. Diese Gasphasenreaktion liefert durch die zumin
dest partielle Oxidation des zu reformierenden Kohlen
wasserstoffs mit dem Sauerstoff thermische Energie.
Diese thermische Energie wird erfindungsgemäß dazu
genutzt, den Reformer auf die notwendigen Betriebstem
peraturen von 600°C bis 1200°C aufzuheizen. Erst dann
erfolgt die Zugabe von Wasser oder einem wasserhalti
gen Medium, wobei diese Zufuhr solange erhöht wird,
bis die Bedingungen für den autothermen Reformierungs
prozeß des Kohlenwasserstoffs vorliegen. Dies bedeutet
also einen Wasseranteil von ca. 10% bis 40% der in
den Reformer zugeführten Edukte, wie dies prinzipiell
von der autothermen Reformierung von Kohlenwasserstoff
bekannt ist.
Erfindungsgemäß läuft der eigentliche Reformierungs
prozeß nach dem Start mittels der Gasphasenreaktion in
einer zweiten Reaktionszone des Reformers ab.
Dieses Verfahren erlaubt es daher, den Reformer sehr
schnell aufzuheizen, wobei die hierfür erforderliche
Energie in besonders vorteilhafter Weise zu ihrem we
nigstens annähernd größten Teil aus dem zu reformie
renden Betriebsstoff selbst gewonnen wird. Ausschließ
lich die zur Zündung erforderliche Energie muß ander
weitig zugeführt werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung wird die zur Zündung der Gasphasenreaktion
erforderliche Energie als elektrische Energie zuge
führt. Beispielsweise beim Einsatz des Systems in ei
nem Gaserzeugungssystem für Brennstoffzellen, wie z. B.
bei einer Onboard-Stromerzeugung in Kraftfahrzeugen,
muß den Batterien auf diese Art und Weise nur eine
geringe Energiemenge zur Zündung der Gasphasenreaktion
entnommen werden, was die Batterien vor allem in der
Anfangsphase der Fahrt, also wenn das Gesamtsystem
noch nicht die endgültige Temperatur und den endgülti
gen Wirkungsgrad erreicht hat, entlastet, so daß deren
Energie zu ihrem überwiegend größten Teil zu Antriebs
zwecken zur Verfügung steht.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemä
ßen Verfahrens ist durch die Merkmale des kennzeich
nenden Teils des Anspruchs 7 definiert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens sieht dabei einen Reformer vor, welcher
über wenigstens zwei Reaktionszonen verfügt. In der
ersten Reaktionszone findet die erfindungsgemäße Gas
phasenreaktion zur Aufheizung des Reformers statt.
Außer der wenigstens einen Düseneinrichtung und der
Einrichtung zur Einbringung der für die Zündung der
Gasphasenreaktion erforderlichen Energie ist die erste
Reaktionszone leer. Dadurch kann sich die Gasphasenre
aktion ideal in der ersten Reaktionszone des Reformers
bzw. Reaktors ausbilden. Die zweite Reaktionszone
weist die für die Wasser-Gas-Shiftreaktion üblichen
Katalysatoren auf, welche auf einer metallischen Wa
benstruktur oder auf einer Schüttung von metallischen
oder keramischen Pellets aufgebracht sind. Zwischen
den beiden Reaktionszonen befindet sich ein Zwi
schenelement. Dieses Zwischenelement ist gasdurchläs
sig und weist eine große äußere sowie innere Oberflä
che auf, um das direkte Eindringen der Gasphasenreak
tion in die zweite Reaktionszone, durch ein schnelles
Ableiten der thermischen Energie in dem das Zwi
schenelement berührenden Bereich der Gasphasenreaktion
zu vermeiden, die gasförmigen Edukte jedoch annähernd
ungehindert passieren zu lassen und die entstandene
Wärme möglichst gleichmäßig zu verteilen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildun
gen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Un
teransprüchen und aus dem nachfolgend anhand der
Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbei
spiel.
Die einzige beigefügte Figur zeigt einen Reaktor 1
bzw. Reformer 1 mit einem Reaktorgehäuse 2, welches
eine erste Reaktionszone 3 und eine zweite Reaktions
zone 4 umschließt. Zwischen den beiden Reaktionszonen
3, 4 ist ein gasdurchlässiges Zwischenelement 5 ange
ordnet. Die Zufuhr der Edukte in den Reformer 1 er
folgt dabei über zwei Düseneinrichtungen 6, 7. Die er
ste Düseneinrichtung 6 wird nachfolgend als Starterdü
se 6 bezeichnet, da sie überwiegend in der Startphase
der autothermen Reformierung in dem Reformer 1 einge
setzt wird. Die zweite Düseneinrichtung 7 wird nach
folgend als Mischdüse 7 bezeichnet, da über diese
Mischdüse 7 im normalen Betrieb des Reformers die au
ßerhalb oder in der Mischdüse 7 selbst vermischten
Edukte für eine Reformierung von Kohlenwasserstoff,
insbesondere Diesel, in den Reaktor 1 eingebracht wer
den.
Die erste Reaktionszone 3 weist darüber hinaus eine
Einrichtung zur Zufuhr von Energie, hier insbesondere
eine Glühkerze 8 bzw. Zündkerze 8 auf. Der restliche
Bereich der ersten Reaktionszone 3 ist ansonsten leer,
um der während des Startens eines autothermen Refor
mierungsprozesses durch die Glüh- bzw. Zündkerze 8
gezündeten Gasphasenreaktion 9 genügend Raum zur idea
len Ausbreitung und Entfaltung in der ersten Reakti
onszone 3 zu bieten. Die Gasphasenreaktion 9 ist in
der beiliegenden Figur als Flamme 9 angedeutet.
Die Gasphasenreaktion 9 bzw. Flamme 9 stellt dabei
eine Oxidation dar, bei der ein Gemisch aus dem zu
reformierenden Kohlenwasserstoff, z. B. Diesel, und
einem sauerstoffhaltigen Medium, wie z. B. Luft, in der
Reaktionszone bei Temperaturen oberhalb von 1000°C
zumindest partiell oxidiert. Damit die Oxidation keine
Verbrennungsrückstände, wie z. B. Ruß, erzeugt, ist es
besonders günstig, wenn das Gemisch aus Kohlenwasser
stoff und sauerstoffhaltigem Medium mehr Sauerstoff
enthält als für eine vollkommene Verbrennung (λ = 1)
notwendig wäre. Bei dieser Verbrennung eines Mager
gemischs wird erreicht, daß der vorhandene Kohlenstoff
in der Kohlenwasserstoff-Verbindung praktisch vollkom
men verbrennt und keine Verbrennungsrückstände wie Ruß
oder dergleichen in dem Reaktor verbleiben. Diese
Rückstände könnten gegebenenfalls das Zwischenelement
5 oder eine in der zweiten Reaktionszone 4 angebrach
te, eine katalytisch wirkende Verbindungen tragende
Katalysatorstruktur 10 verstopfen und/oder ihre Wir
kung beeinträchtigen.
Das Zwischenelement 5 sollte als gasdurchlässiges Zwi
schenelement 5 mit einer möglichst großen äußeren und
inneren Oberfläche ausgebildet sein. Ein Sintermetall,
ein metallisches Geflecht oder eine zwischen zwei Git
terelementen eingebrachte Füllung aus metallischen
oder keramischen Partikeln, kann diese Aufgabe optimal
erfüllen. Die Gasphasenreaktion 9 wird durch das Zwi
schenelement 5 am Eindringen in die zweite Reaktions
zone 4 gehindert, da durch ein schnelles Ableiten der
thermischen Energie in dem das Zwischenelement 5 be
rührenden Bereich der Gasphasenreaktion 9 ein weiteres
Oxidieren der gasförmigen Edukte im Bereich des Zwi
schenelements 5 vermieden wird. Die gasförmigen Edukte
bzw. Produkte der Gasphasenreaktion 9 können das Zwi
schenelement 5 ungehindert passieren. Gleichzeitig
wird durch die größtmögliche Oberflächenstruktur des
Zwischenelements 5 die durch die Gasphasenreaktion 9
erzeugte thermische Energie bestmöglichst verteilt und
kann von den das Zwischenelement 5 durchströmenden
Gasen in die zweite Reaktionszone 4 transportiert wer
den. Außerdem wird die zweite Reaktionszone 4 bzw. die
in ihr enthaltene Katalysatorstruktur 10 durch einen
wärmeleitenden Kontakt sowohl mit dem Reaktorgehäuse 2
als auch mit dem Zwischenelement 5 durch Wärmeleitung
erwärmt.
Die Katalysatorstruktur 10 kann, wie bereits erwähnt,
aus einer katalysatorbeschichteten Wabenstruktur oder
einer Schüttung von katalysatorbeschichteten Pellets
bestehen. Ebenso kann auch das Zwischenelement 5 in
einer optionalen Ausführungsform bereits mit einer .
katalytisch wirkenden Verbindung versehen sein, z. B.
durch eine Beschichtung.
Nachdem in dem Reaktor 1, zumindest in der ersten Re
aktionszone 3, die für die Kohlenwasserstoffreformie
rung erforderliche Betriebstemperatur von ca. 600 -
1200°C erreicht ist, wird über die Mischdüse 7 Wasser
oder ein wasserhaltiges Medium in den Reaktor 1 eindo
siert. Die Menge an zugegebenen Wasser wird dabei so
lange erhöht, bis in dem Reaktor 1 das für die ange
strebte autotherme Kohlenwasserstoffreformierung er
forderliche Eduktgemisch mit - je nach Art des Kohlen
wasserstoff - etwa 10% bis 40% Wasseranteil vor
liegt. Diese sich steigernde Zugabe von Wasser oder
wasserhaltigem Medium durch die Mischdüse 7 kann dabei
gemäß einer linearen oder einer progressiv steigenden
Funktion erfolgen. Für die praktische Ausführung be
sonders günstig ist jedoch auch eine schrittweise Er
höhung der Zugabe von Wasser, welche für die Funktion
der Kohlenwasserstoffreformierung ausreichend ist und
steuerungstechnisch sehr einfach und effizient gelöst
werden kann.
Nachdem die für den Ablauf der autothermen Kohlenwas
serstoffreformierung erforderlichen Bedingungen bezüg
lich der Temperatur und der Zusammensetzung der Edukte
erreicht sind, läuft die autotherme Kohlenwasser
stoffreformierung in dem Reaktor 1 überwiegend in der
zweiten Reaktionszone 4 ab. Zu diesem Zeitpunkt kann
die Zufuhr des brennfähigen Gemischs aus Kohlenwasser
stoff und sauerstoffhaltigem Medium über die Starter
düse 6 eingestellt werden und die weitere Zufuhr der
Edukte kann ausschließlich über die Mischdüse 7 erfol
gen.
Dies erlaubt es, die Starterdüse 6 besonders effizient
auf die Gasphasenreaktion 9 einzustellen, so daß diese
mit sehr hohem Wirkungsgrad abläuft. Die Mischdüse 7
kann dagegen in ihrer konstruktiven Ausgestaltung auf
die Mischung der für die autotherme Reformierung des
Kohlenwasserstoffs erforderlichen Edukte abgestimmt
werden.
Neben dieser Ausführungsform mit wenigstens zwei Dü
seneinrichtungen 6 und 7, ist es selbstverständlich
auch möglich, mit einer einzigen Düseneinrichtung 6
das beschriebene Verfahren zu realisieren.
Die zur Zündung der Gasphasenreaktion 9 erforderliche
Energie, welche insbesondere als elektrische Energie
über die Glüh- bzw. Zündkerze 8 zugeführt worden ist,
kann nach dem Start der Gasphasenreaktion 9 abgestellt
werden und der Prozeß läuft ab diesem Zeitpunkt ab,
ohne weitere externe Energie zu benötigen, welche
nicht direkt aus dem zu reformierenden Kohlenwasser
stoff gewonnen werden kann. Nach dem Start der auto
thermen Reformierung ist also keine weitere Energiezu
fuhr nötig, da die autotherme Reformierung als insge
samt thermisch neutrale Reaktion in dem Reaktor 1
stattfindet und weder Energie erzeugt noch benötigt.
Das Reaktorgehäuse 2 weist in Strömungsrichtung der
Edukte bzw. Produkte wenigstens eine Auslaßöffnung 11
oder dergleichen auf, welche das erzeugte wasserstoff
haltige Gas und die vorliegenden Restprodukte aus der
Kohlenwasserstoffreformierung aus dem Reaktor 1 zur
Weiterverarbeitung in weiteren Stufen eines Gaserzeu
gungssystems (nicht dargestellt), z. B. zur Versorgung
einer Brennstoffzelle, führt. Im Bereich dieser Aus
laßöffnungen 11 befindet sich eine drosselbare Ventil
einrichtung 12, welche es erlaubt, den Reaktor 1 nach
dem Start der autothermen Kohlenwasserstoffreformie
rung unter einem bestimmten Druck zu betreiben. Im
Falle eines Brennstoffzellensystems oder dergleichen
kann diese drosselbare Ventileinrichtung am Ende der
Verwendung des wasserstoffhaltigen Gases und der Rest
produkte angeordnet sein, um so den Reformer 1 als ein
Element eines unter Druck stehenden Gesamtsystems zu
betreiben.
Durch die ansteuerbare, drosselbare Ventileinrichtung
12 ist man in der Lage, während der eigentlichen
Startprozedur, also während der Gasphasenreaktion 9,
den Reformer wenigstens annähernd bei Umgebungsdruck
zu betreiben und über ein Schließen der drosselbaren
Ventileinrichtung 12 einen Druck in dem Reformer 1
bzw. dem Gesamtsystem erst dann aufzubauen, wenn die
für den Start der autothermen Kohlenwasserstoffrefor
mierung erforderlichen Randbedingungen bezüglich Tem
peratur und Zusammensetzung der Edukte erreicht worden
sind. Dies ermöglicht zusammen mit der speziellen Aus
gestaltung einer eigenen Starterdüse 6 eine sehr effi
ziente Gasphasenreaktion 9 mit einem sehr hohen ther
mischen Wirkungsgrad bei sehr geringen unerwünschten
Nebenprodukten, wie z. B. Ruß oder dergleichen.