DE3933285A1 - Verfahren zur kontinuierlichen erzeugung von synthesegas durch solare reformierung von methan und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Erzeugung von Synthesegas durch solare Reformierung von Methan, bei dem mit der Solarenergie ein Heizgas für die konvektive Erwärmung der Reaktionspartner auf eine hohe Temperatur erwärmt wird, und bei fehlender Solarenergie für die Erwärmung des Heizgases eine Hilfsfeuerung eingesetzt wird.

Es ist bekannt, bei der solaren Dampfreformierung von Methan in einem Reformer mit integriertem Wärmetauscher als Heizgas für den konvektiven Wärmetausch Heißluft zu verwenden. Die Solarstrahlung unterliegt periodischen Intensitätsveränderungen des Energieangebotes infolge der Tages- bzw. Jahreszeit, und nicht periodischen Intensitätsschwankungen infolge klimatischer Bedingungen. Aus diesem Grunde ist eine Hilfsfeuerung vorgesehen. Der Tag- und Nachtausgleich kann ggf. auch über Wärmespeicher erreicht werden, über die die Heißluft geführt wird.

Auch bei der CO₂-Reformierung von Methan wird Heißluft als Heizgas vorgeschlagen.

Ein Heißluftkreislauf als verfahrenstechnisch separates Zusatzsystem weist folgende Nachteile auf. Bei Leckagen aus dem Prozeßgas in den Heizluftkreislauf hinein können sich in diesem Kreislauf explosive Gemische bilden.

Um mittels der Hilfsfeuerung den Nachtzyklus zu überbrücken, ist ein zusätzlicher Wärmetauscher zwischen dem Abgas der Hilfsfeuerung und dem Heißluftkreislauf erforderlich, um die Zusatzwärme der Hilfsfeuerung in den Luftkreislauf einkoppeln zu können.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren anzugeben, das explosive Gemische vermeidet und den Nachtzyklus auf einfache Weise überbrückt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einer CO₂- Reformierung von Methan als Heizgas ebenfalls CO₂ eingesetzt wird, das durch die Hilfsfeuerung erzeugt wird und als Reaktionspartner für die CO₂-Reformierung gespeichert wird.

Leckagen von Wasserstoff oder Methan in dem mit CO₂ beaufschlagten Heizkreislauf sind sicherheitstechnisch nicht kritisch und Gegenmaßnahmen können zeitlich später erfolgen. Während des Nachtzyklus ist eine Direktheizung des Reformers möglich, und das den Reformer verlassende CO₂ wird gespeichert. Die Methanreformierung mit Kohlendioxid unter Direktheizung ist als Verfahren einfacher durchzuführen und minimiert durch den Verbrauch von Kohlendioxid in der Reformierung dessen schädliche Abgase an die Atmosphäre.

Vorzugsweise erfolgt in der Hilfsfeuerung eine Verbrennung von Methan mit Sauerstoff angereicherter Luft oder mit reinem Sauerstoff, um das Einbringen zu großer Stickstoffmengen in den Heizkreislauf zu unterbinden. Es ist möglich, daß die Hilfsfeuerung drucklos über einen Brenner oder unter Druck mit einer Brennkammer mit nachgeschalteter Gasturbine erfolgt.

Schließlich ist es auch möglich, einen Teil des Kohlendioxids als Moderatorgas der Hilfsfeuerung zuzuführen. Selbstverständlich kann überschüssiges Kohlendioxid aus dem Heizkreislauf entfernt werden.

Die Erfindung richtet sich auch auf eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art. Diese ist erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruches 54 gekennzeichnet.

Die Erfindung soll nun anhand der beigefügten Fig. näher erläutert werden.

In der Fig. ist als Reformer ein konvektiv geheizter Röhrenspaltofen 1 dargestellt, dem als Reaktionspartner CH₄ und CO₂ zugeleitet werden, um hieraus ein im wesentlichen Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthaltendes Synthesegas zu erzeugen. Der Einfachheit halber ist der Röhrenspaltofen 1 nur mit einem einzigen Spaltrohr 2 dargestellt. Zum Erwärmen der in den Röhrenspaltofen 1 eingebrachten Reaktionspartner ist ein mit Kohlendioxid gefüllter Heizkreislauf 3 vorgesehen, dessen umlaufendes Heizgas durch die auf einen Strahlungsempfänger 4 auffallende Solarenergie SE auf eine hohe Temperatur gebracht wird. Das aus dem Röhrenspaltofen 1 austretende und über Leitung 3a abgeführte CO₂ wird mittels eines Rückkühlers 5 auf die Betriebstemperatur eines der dem Strahlungsempfänger 4 vorgeschalteten Kompressors 6 heruntergekühlt, der von einem Motor 7 angetrieben wird.

Zwischen der Druckseite 5a des Kompressors 5 und dem Reaktionspartnereinlaß 1a des Röhrenspaltofen ist ein Kohlendioxidspeicher 8 über eine Leitung 8a eingeschaltet, der über eine Leitung 8b auch CO₂ an den Reformer 1 abgeben kann. Mit der Heißgasverbindungsleitung 3b zwischen Strahlungsempfänger 4 und Röhrenspaltofen 1 ist eine Gasturbinenanordnung 9, bestehend aus einer Brennkammer 10 mit nachgeschalteter Gasturbine 11 verbunden. Die Gasturbine 11 treibt einen elektrischen Generator 12 an. Der Brennkammer 10 wird ebenfalls Methan und reiner Sauerstoff einer Luftzerlegungsanlage 13 zugeleitet.

Für die Beschreibung des Betriebsablaufes der in der Fig. gezeigten Vorrichtung wird darauf aufmerksam gemacht, daß der Einfachheit halber Ventile in der Fig. nicht mit dargestellt sind.

Bei einem ausreichenden Angebot von Solarenergie wird alleine der Kohlendioxidheizkreislauf: Strahlungsempfänger 4, Verbindungsleitung 3b, Röhrenspaltofen 1, Verbindungsleitung 3a, Rückkühler 5, Kompressor 6 betrieben. Gleichzeitig wird Methan zusammen mit aus Speicher 8 abgezogenem CO₂ dem Röhrenspaltofen 1 zugeführt.

Bei Nachtbetrieb wird die Brennkammer 10 in Betrieb genommen und das entstehende Abgas, das im wesentlichen Kohlendioxid und Wasserdampf enthält, zunächst in der Gasturbine 11 entspannt und dann über die Heißgasleitung 3b dem Reformer 1 zugeleitet. Das aus dem Reformer abgezogene Kohlendioxid wird in den Speicher 8 eingebracht, in dem ein Teil gespeichert und an dem ein Teil für den Reformierungsprozeß in den Reformer 1 weitergeleitet wird.

Es ist auch möglich, daß unter gewissen Bedingungen des solaren Energieangebotes Brennkammer 10 und Strahlungsempfänger 11 gleichzeitig arbeiten.

Wie die Doppelbepfeilung der Leitung 8a zeigt, kann aus dem Kohlendioxidspeicher 8 auch Gas zur Auffüllung des Heizkreislaufes abgezogen werden, falls dies erforderlich ist.

Die von der Leitung 8a abzweigende, gestrichelt dargestellte Leitung 14 dient der Überführung von CO₂ als Moderatorgas zur Brennkammer 10, falls dies erforderlich ist. Weiterhin deutet die gestrichelte Leitung 15 an, daß überschüssiges CO₂ bei Bedarf aus dem Kreislauf freigesetzt werden kann.

Claims (5)

1. Verfahren zur kontinuierlichen Erzeugung von Synthese­ gas durch solare Reformierung von Methan, bei dem mit der Solarenergie ein Heizgas für die konvektive Er­ wärmung der Reaktionspartner auf eine hohe Temperatur erwärmt wird und bei fehlender Sonnenenergie für die Erwärmung des Heizgases eine Hilfsfeuerung eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer CO₂-Reformierung von Methan als Heizgas ebenfalls CO₂ eingesetzt wird, das durch die Hilfs­ feuerung erzeugt und als Reaktionspartner für die CO₂-Reformierung gespeichert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Hilfsfeuerung eine Verbrennung von Methan mit Sauerstoff angereicherter Luft oder mit reinem Sauerstoff erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsfeuerung drucklos über einen Brenner oder unter Druck mit einer Brennkammer mit nachgeschalteter Gasturbine erfolgt.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Kohlendioxids als Moderatorgas der Hilfsfeuerung zugeführt wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-4 mit einem Strahlungsempfänger, einem Reformer mit integriertem Wärmetauscher, einem Heizgas­ kreislauf zwischen Strahlungsempfänger und Reformer einschließlich eines Kompressors und mit einer Hilfs­ feuereinrichtung für das Erwärmen des Heizgaskreis­ laufes, dadurch gekennzeichnet, daß ein CO₂-Heizgaskreislauf (3) zwischen Strahlungs­ empfänger (4) und Reformer (1) vorgesehen ist, und daß der Auslaß der Hilfsfeuerung (9) stromauf des Strahlungsempfängers mit dem Heizkreislauf (3) ver­ bunden ist, und daß der Einlaß (8a) eines CO₂-Speichers stromab des Strahlungsempfängers mit dem Heizgaskreis­ lauf (3) verbunden, und daß der Auslaß (8b) des CO₂- Speichers mit dem Reaktionspartnereinlaß (1a) des Re­ formers verbunden ist.