DE2718076C2 - Verfahren zur thermischen Zersetzung von Erdgasen - Google Patents

Verfahren zur thermischen Zersetzung von Erdgasen

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur thermischen Zersetzung von armen Erdgasen durch Plasmastrahlen.
Es sind bereits verschiedene Verfahren zum Reinigen von kohiendioxidhaliigen Erdgasen mit hohem Gehalt an inerten Komponenten beschrieben worden, die aber aus wirtschaftlichen Gründen keine Verbreitung gefunden haben und deshalb nicht näher erörtert werden sollen.
In der FR-PS 13 96 736 wird ein Verfahren zur Erzeugung eines Plasmastrahles in einem Gleichstromlichtbogen beschrieben, das sich besonders zum Cracken von Kohlenwasserstoffen eignet Dort werden klassische Erdgase eingesetzt Bei dieseir Verfahren erhält man einen Plasmastrahl aus einem Arbeitsgas, und zwar aus einer Mischung von Wasserstoff und den zu zersetzenden Kohlenwasserstolten. Die Kohlenwasserstoffe werden und sollen unter den dort angegebenen Bedingungen gecrackt werden, dabei ist es wichtig, einen gleichmäßigen Strom des Arbeitsgases zu sichern, wozu man unter Wirbelschichtbedingungen arbeitet. Die erforderliche Kühlung der plasmaerzeugenden Kathoden erfolgt mit Wasser. Es ist dabei klar, daß dieses bekannte Verfahren einen relativ -.ohen Bedarf an Energie erfordert
Aufgabe der Erfindung war es, eine sinnvolle Verwertungsmöglichkeit von »armen« Erdgasen aufzufinden, die nach der entsprechenden Terminologie 60 bis 97% Kohlendioxid enthalten. Diese Erdgase, und insbesondere diejenigen mit einem Gehalt ve? etwa 60 bis 75% Kohlendioxid werfen viele Probleme bei ihrem Einsatz auf.
Derartige Erdgasquellen sind als selbständige Brunnen oder als in den ausgeschöpften Erdöl- oder Erdgasfeldern verbleibende Brunnen zu finden. Da die Preislage der hieraus gewonnenen Erdgase sehr günstig ist, ist es erwünscht, vorteilhafte Anwendungen für sie zu erarbeiten.
Die oben angegebene Aufgabe wird wie aus den vorstehenden Ansprüchen ersichtlich gelöst.
Zur Erfindung soll ferner noch bemerkt werden, daß das Kohlendioxid als Arbeitsga; zur Zdt nie vorgesehen wurde. Es verursacht zu viele verschiedene Probleme — das I/U-Verhältnis des Plasmagenerators soll sehr sorgfältig ausgewählt und überwacht werden, weil im Gegenfall die Plasmaflamme ganz instabil werden kann, sie kann sogar wegen der Schutzgaswirkung des Gc?es ausgelöscht werden.
Erfindungsgemäß ist also festgestellt worden, daß die »armen« Erdgase selbst als Arbeitsgase angewendet werden können, wobei diese Gase nicht mit Edelgas, Stickstoff oder Wasserstoff, wie in der Plasmatechnik sonst üblich, gemischt werden, um einen stabilen Plasmastrahl aufrechterhalten zu können.
Das Arbeitsgas enthält immer mehr oder weniger Feuchtigkeit, sowohl bei Abwesenheit als auch bei Anwesenheit der Feuchtigkeit kann das arme Erdgas auch zur Kühlung des Kathodenbereiches angewendet werden.
Die erfinderische Lösung besteht darin, die Reinigung mittels eines Plasmastrahles vorzunehmen, der zweckmäßig aus dem zu reinigenden Gas selbst gebildet wird. Der Plasmastrahl dient zum Verbrennen der brennbaren Komponenten des Erdgases, wobei die Kohlenwasserstoffkomponenten und die übelriechenden Verunreinigungen durch Beimischung von Sauerstoff entfernt werden. Das Endprodukt wird weiter gereinigt, wobei dann das entstandene Wasser, der im Gas zurückbleibende Stickstoff und der eventuell vorhandene Überschuß an Sauerstoff mittels Destillation bei niedriger Temperatur entfernt werden.
Somit bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur thermischen Zersetzung bzw. zum Oxydieren von Kohlenwasserstoffen in armen Erdgasen, wobei das arme Erdgas mit Sauerstoff gemischt und die Gasmischung durch einen Plasmastrahl hindurchgeblasen wird, die Kohlenwasserstoffe dabei in Wasser und Kohlenoxide zersetzt und die erhaltenen gasförmigen Zersetzungsprodukte als Nutzgas abgeleitet werden. Nun kann das Verfahren insbesondere derart ausgeübt werden, daß die Kohlenwasserstoffe unter Luftrnangel verbrannt und im wesentlichen Wasser und Kohlenmonoxid gebildet werden, wobei das Kohlenmonoxid zum Teil aus den Kohlenwasserstoffen und zum Teil aus im Erdgas vorhandenem Kohlendioxid gewonnen wird. Es ist aber auch möglich, dem Erdgas zur Verbrennung der Kohlenwasserstoffe erforderliche Mengen an Sauerstoff zuzumischen, wobei im wesentlichen Wasser und Kohlendioxid gebildet werden und das Kohlendioxid zum Teil aus den Kohlenwasserstoffen mittelbar und zum Teil aus dem Erdgas selbst unmittelbar gewonnen wird. In beiden Fällen kann Luft als Sauerstoffträger beigemischt und der Plasmastrahl aus dem Erdgas selbst gebildet werden.
Zweckmäßig wird das Erdgas vor seiner Zersetzung zur rekuperativen Kühlung des Zersetzungsbereiches verwendet. Die rekuperative Kühlung kann dabei mit bereits gemischtem Erdgas erfolgen. Das Erdgas wird vorteilhafterweise als eine Brennstoffkomponente für eine Kraftmaschine zur Energielieferung für die Plasrmistrahlbildung umgesetzt.
Wie aus der Zeichnung hervorgeht, weist die Vorrichtung einen Absperrschiober 1 auf, dessen Zuflußseite an eine nicht dargestellte Erdgasquelle angeschlossen wird. Stromabwär's vom Absperrschieber 1 ist ein Gasverteiler 2 vorgesehen. Von diesem führt eine Leitung über ein Ventil 3 in den Gasraum eines Plasmatrons 4. Die Elektroden des Plasmatrons sind an eine Gleichstromquelle 5 angeschlossen und werden durch einen Kühlkreis 6 gekühlt, der vom zugeführten Gas durchströmt wird.
Ein weiterer Auslaß des Gasverteilers 2 führt über ein Ventil 7 in einen Gasmischer 8. Diesem wird über ein Ventil 9 Sauerstoff zugeführt. Die Abmessungen sind derart gewählt, daß nur ein Bruchteil der zugeführten Gasmenge über das Ventil 3 dem Plasmatron 4 zuströmt, während der größere Anteil über das Ventil 7 in den Gasmischer 8 gelangt, was durch unterschiedliche Dicken der die Leitung darstellenden Linien angedeutet ist.
An das Plasmatron 4 ist ein Reaktor 10 mit einem Kühlmantel angeschlossen. Der Gasmischer 8 ist mit einem Einlaßstutzen 11 res Kühlmantels des Reaktors 10 verbunden. Mit 12 ist der Auslaßstutzen des Kühlmantels bezeichnet, der mit einem Einlaßstutzen 13 am unteren Teil des Reaktors 10 verbunden ist Der Einlaßstutzen 13 mündet in einen kranzförmigen Gasverteiler 14, in dessen schräger innerer Wand öffnungen vorgesehen sind, über welche das zugeführte Gas in den Reaktionsraum des Reaktors 10 eintreten kann.
Mit 15 ist ein Auslaßstutzen des Reaktors 10 bezeichnet, über welchen die Reaktionsprodukte entweichen können.
Die dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens arbeitet wie folgt:
Über den Absperrschieber 1 wird ein an Kohlendioxid und inerten Gasen reiches ungereinigtes Erdgas, das vom Hydratwasser bereits getrennt ist, dem Gasverteiler 2 zugeführt
Ein geringerer Teil der zugeführten Gasrrenge tritt über das Ventil 3 und den Kühlkreis 6 in der- Reaktionsraum des Plasmatrons 4, dessen Elektroden an die Gleichstromquelle 5 angeschlossen sind.
Die größere Menge des zugeführten Erdgases gelangt über das Ventil 7 in den Gasmischer 8, wo es mit über das Ventil 9 zugeführtem Sauerstoff gemischt wird. Das Gasgemisch strömt über den Einlaßstutzen 11 in den Kühlmantel des Reaktors 10, den es über den Auslaßstutzen 12 veräßt, um über den zweiten Einlaßstutzen 13 in den Gasverteiler 14 zu gelangen. Aus dem Gasverteiler 14 strömt das vorgewärmte Gasgemisch durch die Öffnungen in der schrägen inneren Wand in den Reaktionsraum des Reaktors 10 ein.
Das Kühlen der voneinander getrennten Elektroden durch expandiertes Arbeitsgas bringt zwei Vorteile mit sich. Einerseits erübrigt es sich, Kühlwasser zu verwenden, und anderseits wird das Arbeitsgas vorgewärmt, wodurch die Ionisationsbedingungen begünstigt werden.
Nach Einstellung der elektrischen Gleichstromquelle 5 und der Arbeitsgasmenge mittels des Ventils 3 wird der Plasmastrahl durch Bogenzündung oder durch momentanes Kurzschließen der Elektroden gebildet.
Der Plasmastrahl pflanzt sich jetzt in den· Reaktionsraum des Reaktors 10 fort, wo das aus dem Gasverteiler 14 herausströmende Gasgemisch durch den Plasmastrahl hindurchgeblasen wird. Nachdem die brennbaren Komponenten und öligen Verunreinigungen abgebrannt worden sind, strömt ein an Kohlendioxyd reiches Gas weiter, das bereits nur Wasserstoff, Stickstoff und eventueii einen Überschuß an Sauerstoff enthält, und in diesem Zustand über den Auslaßstutzen 15 den Reaktor 10 verläßt.
Der Wasserdampf, Stickstoff und eventuell Sauerstoff kann aus diesem Endprodukt in an sich bekannter Weise dun-h Destillieren bei niedriger Temperatur entfernt werden.
Bei entsprechendem Druck der Erdgasquelle ist es möglich, das Gas auch bei der Abtrennung der erwähnten Komponenten expandieren zu lassen, wodurch die Technologie weiter vereinfacht und die Wirtschaftlichkeit des Betriebes gefördert werden kann.
Ein weiterer energiewirtschaftlicher Vorteil entsteht auch dadurch, daß in der Umgebung der GasqueMen, die Kohlendioxyd liefern, auch Gase vorkommen, die in erhöhtem Maße brennbare Gaskomponei<t<*n enthalten. Diese Cd%e können unmittelbar al; Betriebsstoff zum Antrieb von Gasturbinen benützt werden, die ihrerseits Dynamos antreiben, wodurch für die zum Plasmastrahlbilden erforderliche elektrische Energie unabhängig vom Überlandnetz gesorgt werden kann.
Bei einem Laboratoriumsversuch enthielt das einer Gasquelle entnommene ungereinigte, aber vom Hydratwasser befreite Erdgas neben Kohlendioxyd 4,58 Volumprozent Kohlenwasserstoff verunreinigungen, 0,15 Volumprozent Sauerstoff und 1,94 Volumprozent Stickstoff. Die durch ein als Gleichstromquelle dienendes Dynamo gelieferte Höchstleistung beim Anlassen betrug weniger als 6 kW. Diese Leistung sank nach Selbsterhaltung des Plasmastrahles auf etwa 2 kW. Der Gehalt an Kohlendioxyd im Erdgas, das durch Zuführung von Sauerstoff und infolge von Dichtungsfehlern verdünnt worden ist, bet.iig gernäß gaschromatographischer Untersuchung im kalten Zustand 49,9 Volumprozent. Nach Durchblasen durch den Plasmastrahl hindurch tritt eine Anreicherung auf 8,8 Volumprozent ein. Beträchtliche Mengen von Wasser, Spuren von Nitrosegasen und eine geringe Menge von Sauerstoff konnten ebenfalls nachgewiesen werden.
Die folgende Tabelle zeigt die Zusammensetzungen des Erdgases, sowie des mit Sauerstoff und Falschluft verdünnten Gasgemisches im kalten und rekombiniertem Zustand, wobei die angeführten Werte durch Gaschromatographie kontrolliert worden sind.
27 im Erdgas 18 076 nach Rekombination
Komponenten 0,283 Vol.-°/o
und in Gemisch von Erdgas und Sauerstoff 0,014 Vol.-%
29,75 Vol.-% bzw. Luft 0,005 Vol.-%
C, 2,73 Vol.-% im kalten Zustand 0,031 Vol.-%
C2 0,76 Vol.-% 29,19 0,028 Vol.-%
C3 0,42 Vol.-% 1,86 0,049 Vol.-%
C4 0,26 Vol.-% 0,52 0,052 Vol.-%
C5 0,17 Vol.-o/o 0,27 0,047 Vol.-%
C6 0,13Vol.-% 0,16
C7 0,13Vol.-% 0,14
C8 + 0,06 0,509 Vol.-°/o
Kohlenwasser 0,04 6,070 Vol.-o/o
stoffe 3435 Vol.-% 0,240 Vol.-%
insgesamt 62J0 Vol-% 9,?fiO Vol-%
CO2 0,32 Vol.-% 32,24 57^510 Vol.-%
O2 3.03 Vol.-% 58.87 33,411 Vol.-%
N, 0,00 Vol.-% 6,22 100,000 Vol.-%
CO o!oO Vol.-% 2.67
H2O 100,00 VOL-% 0,00
insgesamt 0,00
100,00
Das erfindungsgemäße Verfahren weist dem Stande der Technik gegenüber verschiedene Vorteile auf.
Das Entfernen der brennbaren Komponenten aus dem an Kohlendioxyd und inerten Komponenten reichen Erdgas kann durch Durchblasen durch den Plasmastrahl hindurch und durch Zuführung von Sauerstoff bei kleinem Raumbedarf und ohne bauliche Umständlichkeit am Erdgasfeld selbst vorgenommen werden.
Das zu reinigende Gas kann bei der Plasmabildung als Arbei'-gas und durch Expandierung im technologischen Vorgang als Kühlmittel verwendet werden.
Der elektrische Energiebedarf ist gering und kann ohne Anschluß an das Überlandnetz gesichert werden, indem Erdgase mit einem Heizwert von mindestens 3000 kcal/Nm3 und reich an inerter Komponenten eine Gasturbine antreiben, die ihrerseits ein Dynamo betätigt.
Es ist gezeigt worden, daß ohne umständliche Anlagen und Katalysatoren Erdgase mit hohem Inertgasgehalt thermisch zersetzt. Kohlenwasserstoffe partiell oxydiert und das Kohlendioxyd in Kohlenmonoxyd reduziert werden kann.
Abgesehen vom Entfernen des Hydratwassers fordert das erfindungsgemäße Verfahren keine weitere Reinigung oder Gasvorbereitung.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

vfi if Patentansprüche:
1. Verfahren zur thermischen Zersetzung von Erdgasen, wobei das Erdgas in Mischung mit Sauerstoff durch einen Plasmastrahl durchgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Erdgas armes Erdgas angewendet wird, das in einen geringeren ersten und einen größeren zweiten Strom geteilt wird, wobei der erste Strom zur Erzeugung des Plasmastrahls angewendet und der zweite Strom in Mischung mit Sauerstoff durch den aus dem ersten Strom ausgebildeten Plasmastrahl hindurchgeblasen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenwasserstoffe unter Luftmangel verbrannt werden.
ίο
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem zweiten Strom der
Sauerstoff in der zur Verbrennung der verbrennbaren Komponente des Erdgases benötigten Menge zugemischt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Luft als Sauerstoffträger zugemischt wird.
DE2718076A 1976-12-15 1977-04-22 Verfahren zur thermischen Zersetzung von Erdgasen Expired DE2718076C2 (de)

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