DE3219329A1

DE3219329A1 - Verfahren zur kontinuierlichen nutzung von waermeenergie

Info

Publication number: DE3219329A1
Application number: DE19823219329
Authority: DE
Inventors: Hans-Gerd Dipl.-Ing. 5014 Kerpen Harms; Johannes Dipl.-Phys. Dr.rer.nat. 5040 Brühl Teggers
Original assignee: Rheinische Braunkohlenwerke AG
Current assignee: Rheinbraun AG
Priority date: 1982-05-22
Filing date: 1982-05-22
Publication date: 1983-11-24
Also published as: IT8348337A0; ES522517A0; ZA833561B; ES8402654A1; IT1167413B; AU1482183A; IL68735A0; DE3219329C2; IL68735A

Description

Verfahren zur kontinuierlichen Nutzung von Wärmeenergie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Nutzung von Wärmeenergie durch katalytische Spaltung von Methan in einem Reformerofen, wobei das erhaltene Spaltgas nach Kühlung durch Rohrleitungen zum Ort des Energieverbrauchs transportiert und in einer Methanisierungsanlage unter Ableitung von Wärme zu Methan umgesetzt wird.
Die Wirkungsweise einer derartigen Anlage ist in der DE-PS 1 298 233 ausführlich beschrieben. Ein kontinuierlicher Betrieb einer solchen Anlage ist jedoch nur dann möglich, wenn die zu nutzende Wärmeenergie kontinuierlich, jedenfalls ohne grössexe Unterbrechung, zugeführt werden. Diese Voraussetzung ist beispielsweise dann nicht gegeben, wenn die Einrichtung, in welcher die katalytische Spaltung durchgeführt wird, durch Solarenergie beheizt wird. Solarenergie steht während der Nachtzeit nicht zur Verfügung. Die durchschnittliche Einstrahlungsdauer des Sonnenlichtes liegt in der Grössenordnung von etwa 10 Stunden pro Tag.
Andererseits sollte aber auch vermieden werden, eine Anlage zur Durchführung des nach der vorgenannten PS bekannten Verfahrens für den Transport von Wärmeenergie zeitweise abzuschalten. Vielmehr ist es wünschenswert, derartige Anlagen soweit wie möglich kontinuierlich zu betreiben und, falls grössere Schwankungen bezüglich der Zufuhr an Wärmeenergie, die eine völlige Unterbrechung unvermeidbar sind, der Zufuhr einschliesseng wenigstens einen Mindestbetrieb aufrechtzuerhalten, so dass sichergestellt ist, dass die stark wärmebelasteten einzelnen Teile der Anlage keine ins Gewicht fallenden Beanspruchungen durch grössre Temperaturschwankungen erfahren.
Demzufolge liegt der Erfindung unter anderem die Aufgabe zugrunde, eine Anlage der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, kontinuierlich dass sie auch dannwbetrieben werden kann, wenn die Zufuhr an Wärmeenergie sehr stark, ggf. bis zur Unterbrechung der Zufuhr, schwankt.
Die Aufgabe wird durch die Lehre im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches gelöst.
Mit einer derartigen Verfahrensführung kann beispielsweise die in sonnenreichen Ländern ausreichend zur Verfügung stehende Sonnenenergie mit Hilfe der bekannten Einrichtung genutzt werden, da-es aufgrund der Erfindung möglich wird, die zur Nachtzeit eintretenden Unterbrechungen der Wärmezufuhr zumindest soweit zu überbrükken, dass schädliche Temperaturschwankungen nicht auftreten.
Schäden an den Anlagen infolge eines intermittierenden Betriebes können somit vermieden werden. So treten in den Rohrleitungen keine Leckagen auf. Der Bruch von Katalysatorformkörpern infolge durch grössere Temperaturschwankungen verursachte Expansion. und Kontraktion der Katalysatorbehälter unterbleibt. Insgesamt wird die Lebensdauer der hochtemperaturbeständ;Lgen Werkstoffe der Anlage.nicht in einer ins Gewicht fallenden Weise beeinträchtigt.
Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die in der zweiten Methanisierungsanlage erzeugte Wärmemenge kontinuierlich art den Reformerofen abgegeben werden. Durch diese Massnahme ist sichergestellt, dass sowohl die zweite Methanisierungsanlage als auch der Reformerofen ständig bzw. mit einer Mindestbelastung gefahren werden können, welche zur Aufrechterhaltung des Betriebes und zur Vermeidung der eingangs geschilderten möglichen Schäden ausreicht.
Gemäss einem weiteren Merkmal wird das Wärmeübertragungsmedium für den Reformerofen im Kreislauf geführt. Vorzugsweise wird hierzu ein inertes Wärmeübertragungsmittel verwendet, z. B. Stickstoff (N), Kohlendioxid <CO2) oder Helium (He).
Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung kann dem Spaltgasspeicher eine Gastrennungsanlage zugeordnet sein. Mittels dieser Gastrennungsanlage wird ein für die Methanol synthese geeignetes Gasgemisch erzeugt. Die bei der Methanolsynthese frei werdende Wärme wird in geeigneter Form in den Gesamtprozess eingeführt.
Das erzeugte Methanol wird gespeichert; das es in flüssiger Form vorliegt, benötigt es ein vergleichsweise geringes Speichervolumen.
Die verbleibenden Komponenten des Spaltgases können in den Prozess zurückgefuhrt oder - ggf. getrennt - gespeichert werden Letzteres kann insbesondere für Wasserstoff vorteilhaft sein.
und Methanol. V Wasserstoff oder ein Wasserstoff enthaltendes Gasgemisch werden - ggf. unter Zwischenschaltung einer besonderen Stufe für die katalytische Spaltung des Methanols - der zweiten Methanisierungsanlage zugeführt. Diese Anordnung hat auch den Vorteil, dass für die Methanol spaltung einerseits und für die Methanisierung andererseits die jeweils am besten geeigneten Katalysatoren eingesetzt werden können.
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 das Fließbild einer Anlage, in welcher die Erfindung Anwendung findet, Fig. 2 das Fließbild einer abgewandelten Ausführungsform.
Die Anlage gemss Fig. 1 besteht aus einem an sich bekannten1 z. B. als Röhrenspaltofen ausgebildeten Reformerofen 1 und einer Methanisierungsanlage 2. Beide Anlagen sind durch Rohrleitungen 14, 15 miteinander verbunden. In diesen Rohrleitungen fliessen Gase in Richtung der Pfeile. So wird.beispielsweise dem Reformerofen l über Leitung 15 Methan (CH4) zugeführt, welches den Reforim wesentlichen merofen 1 als Spaltgas, nämlich als Gemischvon Kohlenmonoxid und Wasserstoff (CO + 3H2) durch die Leitung 14 verlässt und zur Methanisierungsanlage 2 zurückströmt. Auf dem Wege dorthin wird ein Teil des Spaltgases über ein erstes Ventil 7 einem Spaltgasspeicher 3 zugeführt. Hier wird das abgezweigte Gas gespeichert.
Eine geringe Menge desselben kann sofort in eine zweite Methanisierungsanlage 4 geleitet werden. Die dabei entstehende Wärme wird dem Reformerofen l zugeführt.
Der wesentliche Energielieferant für den Reformerofen 1 ist jedoch eine ausserhalb des Systems befindliche Energiequelle 5, deren Energielieferung allerdings diskontinuierlich ist. Sie kann beispielsweise als Sonnenenergiequelle ausgebildet sein. Als wärmetransportierendes Medium dient beispielsweise Helium, von dem eine Teilmenge durch die Sonnenenergieanlage 5 über ein erstes Ventil 16 und eine zweite Teilmenge über einen zur zweiten Methanisierungsanlage 4 gehörenden Wärmetauscher 12 geleitet wird, um schliesslich durch den Reformerofen 1 im Kreislauf 13 zurückgeleitet zu werden.
Solange die Sonnenenergie 5 zur Verfügung steht, wird das in der zweiten Methanisierungsanlage 4 gebildete Methan dem Kreislauf l, 14, 2, 15 direkt über ein Ventil zugeleitet. Hauptsächlich fliesst aber Methan aus dem zweiten Speicher 6 über ein Ventil 11 in den Hauptkreislauf 15.
Geht man davon aus, dass der Reformerofen 1 beispielsweise mit einer Energiemenge von 3,000 MJ/sec. beschickt wird, so kann man den Umsatz von Wärmeenergie in der erfindungsgemässen Anlage ungefähr durch folgende Verhältniszahlen darstellen: Es sei angenommen, dass durch den Reformerofen 1 eine Gasmenge entsprechend einem stöchiometrischen Molverhältnis von 166 Energieeinheiten hindurchfliesst. Von dieser Energiemenge werden 100 Einheiten an die erste Methanisierungsanlage 2 abgegeben und 66 Einheiten über das Ventil 7 dem ersten Spaltgasspeicher 3 zugeführt. Die Menge der in diesem Speicher 3 zu speichernden Energie betrage beispielsweise 4800 MW/h bei einem Energieinhalt des Spaltgases von ungefähr 50 kcal./Mol. Von den 66 dem ersten Energiespeicher 3 zugeleiteten Energieeinheiten werden 50 Energieeinheiten gespeichert und 16 Energieeinheiten über das Ventil 8 an die zweite Methanisierungsanlage 4 abgegeben. Diese 16 Energieeinheiten treten einerseits als Methan aus der zweiten Methanisierungsanlage 4 wieder aus und fliessen über das zunächst geöffnte Ventil 9 wieder in den Hauptkreislauf, d. h. in die von der ersten Methanisierungsanlage 2 zum Reformerofen 1 führende Leitung 15 zurück. In diese Leitung 15 werden zur Aufrechterhaltung der Bilanz aus einem zweiten Speicher 6 zusätzlich 50 Energieeinheiten in Form von Methan eingespeist, so dass in den Reformerofen 1 schliesslich die benötigte Betriebsmenge von 166 Energieeinheiten eintritt.
Die in der zweiten Methanisierungsanlage 4 erzeugte Wärmemenge wird indessen über einen Wärmetauscher 12 in den Heliumkreislauf 13 des Reformerofens 1 abgegeben und erreicht, nachdem sie mit den 150 Energieeinheiten aus der Solaranlage 5 vereinigt worden war, den Reformerofen 1 in Form von Prozesswärme. Diese Betriebsweise entspricht z. B. der Tagphase, d. h. dem Zeitraum, an dem bei Verwendung einer Solaranlage 5 diese ungefähr 150 Energieeinheiten zu liefern im Stande ist.
Beim Nachtbetrieb, d. h., wenn die Solaranlage unwirksam ist, fliessen von dieser keine Energieeinheiten in den Heliumkreislauf 13 ein. Zur Aufrechterhaltung eines Minimalbetriebes jedoch braucht der Reformerofen 1 ungefähr 50 Energieeinheiten. In diesem Betriebszustand wird zunächst der Spaltgasspeicher 3 über das Ventil 7 vom Hauptkreislauf 14 abgekoppelt, indem das Ventil 7 geschlossen wird. Die zweite Methanisierungsanlage 4 entnimmt sodann ihre Energie diesem Spaltgasspeicher 3 und erzeugt eine 50 Energieeinheiten entsprechende Wärmemenge, die dem Reformerofen ausschliesslich zufliesst. Die Ventile 9 und 11 sind ebenfalls geschlossen. Das in der zweiten Mehanisierunsanlage 4 entstehende Methan wird über das nunmehr geöffnete Ventil 10 dem Methangasspeicher 6 am unteren Strang 15 des Hauptkreislaufes zugeführt.
Entsprechend dem vorliegenden Betriebszustand werden in der ersten Methanisierungsanlage 2 dabei auch nur 50 Energieeinheiten umgewandelt.
In Fig. 2 der Zeichnung sind die der Anlage gemäss Fig. 1 entsprechenden Teile und Einrichtungen mit gleichen, jedoch um eweils 100 höheren Bezugszeichen versehen.
Der Unterschied der Ausführungsform gemäss Fig. 2 gegenüber jener der Fig. 1 besteht darin, dass dem Spaltgasspeicher 103 eine Gastrennungsanlage 120 zugeordnet ist. Die Verbindung zwischen Spaltgasspeicher 103 und Gastrennungsanlage 120 wird durch die Leitungen 119 und 126 hergestellt. Mittels dieser Gastrennungsanlage wird ein für die Methanol synthese geeignetes Gasgemisch erzeugt und über eine Leitung 22 einer Anlage 123 zur Durchführung der Methanolsynthese zugeführt. Das gebildete Methanol wird in einem Speicher 124 gespeichert.
Die verbleibenden Komponenten des Spaltgases können über eine Leitung 126 in den Spaltgasspeicher 103 zurückgeführt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, sie über eine Leitung 128 in die Leitung 114 des Kreislaufsystems zu führen. Es ist darüber hinaus auch möglich, zumindest einen Teil der verbleibenden Komponenten getrennt aus der Gastrennungsanlage 120 abzuführen und getrennt zu speichern. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein für den Wasserstoff, der über eine Leitung 129 in einen Speicher 130 gelangt. Es ist darüber hinaus auch möglich, das Restmethan aus der Gastrennungsanlage 120 in den Methanspeicher 106 zu führen.
Aus dem Speicher 124 wird das Methanol über eine Leitung 132 zur zweiten Methanisierungsanlage 104 geführt und dort zusammen mit entweder aus dem Spaltgasspeicher 103 über eine Leitung 133 zugeführten wasserstoffhaltigen Gas oder aber mit aus dem Speicher 130 über eine Leitung 134 zugeführtem Wasserstoff zu Methan umgesetzt. Der zweiten Methanisierungsanlage 104 kann - etwa im Zweit der Leitung 132 - eine besondere Stufe für die katalytische Spaltung des Methanols vorgeschaltet sein.
Die bei der Methanbildung frei werdende Wärme wird wie im Falle der Ausführungsform gemäss Fig. 1 in den Kreislauf 113 des Reformerofens 101 eingegeben.
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Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur kontinuierlichen Nutzung von Wärmeenergie durch katalytische Spaltung von Methan in einem Reformerofen, wobei das erhaltene Spaltgas durch Rohrleitungen zum Ort des Energieverbrauches transportiert und dort in einer Methanisierungsanlage unter Ableitung von Wärme zu Methan umgesetzt wird, welches über Rohrleitungen zum Reformerofen zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei überschreiten der zum Betrieb des Reformerofens (1) mindestens erforderlichen Menge an Wärmeenergie eine Teilmenge des Spaltgases in einem Speicher (3) gespeichert wird, während eine der gespeicherten Spaltgasmenge entsprechende Menge an Methan aus einem weiteren Speicher (6) zugeführt wird, und dass bei Unterschreiten der zum Betrieb des Reformerofens (1) mindestens erforderlichen Menge an Wärmeenergie bei abgekoppeltem (7) Spaltgasspeicher (3) eine zweite Methanisierungsanlage (4) aus diesem Speicher mit einer Gasmenge gespeist wird, die gross genug ist, dass die bei deren Umsetzung abgeleitete und dem Reformerofen (1) zugeführte Wärmeenergie zum Betrieb desselben ausreicht, während das dabei gebildete Methan in dem zweiten Speicher (6) gespeichert wird 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Uberschreitens der zum Betrieb des Reformerofens (1) erforderlichen Menge an Wärmeenergie die zweite Methanisierungsanlage (4) betrieben und die daraus abgeleitete Wärme dem Reformerofen (1) zugeführt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungsmittel für die Zufuhr von Wärme zum Reformerofen (1) im Kreislauf (13) geführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Speicher (103) zugeführte Spaltgas zumindest teilweise in Methanol umgewandelt und als solches gespeichert wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zeitweilig wenigstens ein Teil der dem Reformerofen (1) zugeführten Energie Solarenergie ist.