DE69630702T2 - Verfahren und System zur Wärmeübertragung mit Hilfe eines Materials für die unvermischte Verbrennung von Kraftstoff und Luft - Google Patents

Verfahren und System zur Wärmeübertragung mit Hilfe eines Materials für die unvermischte Verbrennung von Kraftstoff und Luft Download PDF

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Verfahren und Systeme zur Erzeugung von Wärme durch Oxidation von Kraftstoffen mit Luft, ohne dass der Kraftstoff mit der Luft gemischt wird, und dadurch Erzeugen eines Feuers. Sie betrifft insbesondere Verfahren und Systeme zum Erzeugen von Wärme durch Oxidieren des Kraftstoffs ohne Mischen des Kraftstoffs mit Luft, wobei die anschließende Übertragung der erzeugten Wärme eine Verbesserung derjenigen Wärmeübertragung ist, die möglich ist, wenn Feuer zur Erzeugung von Wärme verwendet wird.
  • 2. Stand der Technik
  • Das Hauptverfahren, durch das die Menschheit Brennstoff zur Erzeugung von Wärme verwendet, ist historisch gesehen Feuer. Bei vielen Anwendungen hat jedoch die Verwendung von Feuer zur Erzeugung von Wärme eine Reihe von erheblichen Nachteilen und Einschränkungen.
  • Eine dieser Einschränkungen von Feuer ist, dass Gemische von Brennstoff und Luft mehr als eine gewisse kritische Menge Brennstoff enthalten müssen, damit sie brennen. Dies ist als Zündgrenze bekannt.
  • Weitere Einschränkungen von Feuer betreffen seine Thermodynamiken, d. h. Feuer ist ein irreversibler Prozess. Energie kann zwar weder erzeugt noch zerstört werden, jedoch kann sie zur Durchführung einer nutzbringenden Arbeit weniger verfügbar werden. Ein Brennstoff enthält chemische Energie, von der ein gewisser Teil potentiell zur Durchführung einer nutzbringenden Arbeit verfügbar ist. Bei der Verbrennung eines Brennstoffs durch Feuer wird die chemische Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Der Teil dieser Wärmeenergie, der zur Durchführung von nutzbringender Arbeit potentiell verfügbar ist, ist kleiner als der Teil der chemischen Energie, der zur Durchführung der nutzbringenden Arbeit potentiell verfügbar war.
  • Ein dritter Nachteil von Feuer betrifft die Wärmeübertragung. Die Verbrennung erzeugt heiße Gase für alle Brennstoffe, die allgemein verwendet werden. Bei vielen Anwendungen muss man die Wärme aus diesen heißen Gasen gewinnen. Dies erfolgt gewöhnlich durch Hindurchleiten der heißen Gase über Wärmeübertragungsoberflächen, jedoch ist die Effizienz des Wärmeübertragungsprozesses zwischen heißen Gasen und festen Oberflächen gewöhnlich relativ niedrig. Somit benötigt man zur effizienten Wärmegewinnung große Mengen an Wärmeübertragungsoberfläche. Bei industriellen Prozessen unter Verwendung von Feuer als Wärmequelle machen die Kosten zur Bereitstellung von Wärmeübertragungsoberflächen für die Gewinnung der Wärme häufig einen Hauptteil der Gesamtverfahrenskosten aus.
  • Feuer hat auch die Eigenschaft, dass es ein starkes Phänomen ist. Damit sich eine Flamme selbst erhält, müssen große Mengen Wärme bei sehr hohen Temperaturen unter sehr hoher Wärmefreisetzung pro Einheitsvolumen freigesetzt werden. Bei vielen Anwendungen ist dies ein Nachteil, da bei diesen Anwendungen das Erwärmen in einer stärker gesteuerten Weise erforderlich ist. Bei diesen Anwendungen kommt häufig elektrisches Erwärmen zum Einsatz.
  • Es wurden eine Reihe von Alternativen für Feuer vorgeschlagen, um den einen oder anderen Nachteil von Feuer zu bewältigen. Die Zündgrenzen sind in einigen Situationen ein Problem, d. h. es gibt Industrievorgänge, die Gemische eines toxischen organischen Materials mit Luft bilden. Diese Gemische müssen in einer umweltverträglichen Art entsorgt werden, jedoch sind sie häufig unter der Zündgrenze und können somit kein Feuer unterhalten. Eine häufig verwendete Lösung für dieses Problem ist der Einsatz von katalytischer Verbrennung, wobei das Gemisch aus Luft und toxischer organischer Substanz durch einen Oxidationskatalysator geleitet wird.
  • Eine Alternative für Feuer wurde vorgeschlagen von H. J. Richter und K. F. Knoche im folgenden Artikel: Reversibility of Combustion Processes in Efficiency and Costing und in US-A-5 339 754 und in EP-A-061326 Second Law Analysis of Process 235 ACS Symposium 71–86 (R. A. Gaggioli, Hrsg., 1983). Die Lehren dieser Literaturstellen sind auf die Bereitstellung einer Verbesserung der thermodynamischen Effizienz eingeschränkt, und die Literatur lehrt keine Maßnahmen zur Verbesserung der Wärmeübertragung, noch werden diese gezeigt oder vorgeschlagen.
  • Fließbettverbrennung ist ebenfalls eine Alternative für Feuer. Bei einigen Anwendungen vermeidet die Verwendung der Fließbettverbrennung einige erhebliche Wärmeübertragungsprobleme.
  • Ein Beispiel für eine Anwendung mit erheblichen Wärmeübertragungsproblemen ist der industrielle Prozess, der als Dampfreformation bekannt ist, wobei Wasserstoff entsteht, indem Dampf und ein Kohlenwasserstoff über einen Nickelkatalysator geleitet wird. Die Dampfreformierung erfolgt gewöhnlich bei Temperaturen im Bereich von 700 bis etwa 800°C und bei Drücken in einem Bereich von etwa 7 × 105 Pa bis etwa 5 × 106 Pa (etwa 100 bis etwa 700 psig). Diese Bedingungen sind zur Verwendung von Reaktionsgefäßen aus Weichstahl oder sogar Edelstahl zu stringent. Eine Hochnickellegierung, wie Inconel, muss verwendet werden, trotz der hohen Kosten einer solchen Legierung. Darüber hinaus muss Wärme zugeführt werden, da die Reaktion stark endotherm ist. Die notwendige Wärme kann zwar leicht durch Verbrennung des Brennstoffs erzeugt werden, jedoch lässt sich diese Wärme schwer zur Bedarfsstelle übertragen, da der Katalysator in Form eines Festbetts vorliegt. Festbetten sind schlechte Wärmeleiter, und die Außenbereiche des Betts neigen dazu, die inneren Bereiche zu isolieren. Zur Erhaltung einer angemessenen Wärmeübertragungsrate in das Innere des Reaktionsgefäßes muss man sehr große Mengen eines Rohrs aus einer teuren Legierung verwenden.
  • Damit dies vermieden wird, gibt es Vorschläge im Stand der Technik, und zwar das sogenannte "adiabatische" Dampfreformieren. Der Bericht Nr. AD-A134224 der Verteidigungsabteilung "Evaluation of Adiabatic Reformer in Mixed-Gas Cycle", von der Power Systems Division of United Technologies Corporation ist ein typisches Beispiel für diese Technologie. Bei diesem Ansatz wird die für die endotherme Dampfreformierungsreaktion nötige Wärme bereitgestellt, indem etwas Luft zum Dampf-Kohlenwasserstoff-Gemisch gegeben wird, das durch den Reaktor gelangt. Der Sauerstoff in der Luft reagiert mit dem Kohlenwasserstoff, wobei Wärme freigesetzt wird. Leider ist die Verbrennung aber ein "Alles-oder-Nichts"-Prozess. Erfolgt keine Zündung, wird die erforderliche Wärme nicht freigesetzt. Kommt es zur Zündung, erfolgt die Wärmefreisetzung nicht durch den Reaktor, wo sie benötigt wird, sondern an der Zündungsstelle. Da die Wärme nicht gleichmäßig durch den Reaktor freigesetzt wird, gibt es ein schwerwiegendes Wärmeübertragungsproblem.
  • Die Vergasung von Kohle mit Wasser ist wie die Dampfreformierung eine endotherme Reaktion. Ein Vorschlag für die Verbesserung dieser endothermen Reaktion wurde von G. P. Curran, C. E. Fink und E. Gorin von der Consolidated Coal Co., im folgenden Artikel gemacht: CO2-Acceptor Gasification Process, in Fuel Gasification, 69 ACS Advances in Chemistry Series 141–164. In diesem Artikel, der für den Stand der Technik typisch ist, wird die Verwendung von CaO als Akzeptor für CO2 vorgeschlagen. Die Reaktion CO2 + CaO = CaCO3 ist stark exotherm, wodurch die durch die endotherme Vergasungsreaktion verbrauchte Wärme zur Verfügung gestellt wird. Zudem sind CO2 und CO im Gleichgewicht über die Wassergas-Verschiebungsreaktion, H2O + CO = CO2 + H2. Die Entfernung von CO2 hat folglich zudem die Wirkung, dass auch CO entfernt wird, so dass ein Gas erzeugt werden kann, das einen großen Molenbruch Wasserstoff enthält. Damit sich dieser Prozess als praktisch erweist, ist es jedoch leider notwendig, dass das CaCO3 zurück in CaO umgewandelt wird. Die Wärme, die dazu nötig ist, kann leicht erzeugt werden, indem etwas Brennstoff verbrannt wird; jedoch ist die Übertragung dieser Wärme an den Ort, wo sie benötigt wird, wiederum eine schwieriges und teures Problem.
  • Die Wärmeübertragung ist ebenfalls ein erhebliches Problem bei anderen industriellen Verfahren, wobei Festbettreaktoren zur Durchführung endothermer Reaktionen benötigt werden. Beispiele für solche Reaktionen umfassen, sind aber nicht eingeschränkt auf, die Spaltung von Ammoniak zur Herstellung von Wasserstoff/Stickstoffgemischen, die Vergasung von Biomasse, das katalytische Reformieren von Petroleum-Kohlenwasserstoffen, und die Zersetzung von Methanol.
  • Eine weitere Gruppe von Anwendungen, in denen die Wärmeübertragung ein erhebliches Problem darstellt, beinhaltet die Verwendung von Sorptionsmittel-Festbetten. Gewöhnlich wird ein Gas, das etwas verunreinigt ist, durch das Festbett geleitet, wobei die Verunreinigung durch Adsorption oder Absorption auf ein Sorptionsmittel entfernt wird. Wenn das Sorptionsmittel mit der Verunreinigung Sättigung erreicht, muss das Sorptionsmittel regeneriert werden. Dies erfolgt gewöhnlich durch Erwärmen des Festbetts zum Austreiben der Verunreinigung. Da jedoch die Außenbereiche des Betts zur Isolation der inneren Teile neigen, wird die Wärmeübertragung nicht effizient erzielt.
  • Ein weiteres Beispiel für ein technologisches Problem, für das die zur Zeit verfügbare Verbrennungs- und Wärmeübertragungstechnologie keine zufriedenstellende Lösung bietet, ist die Produktion von Schieferöl. Die Vereinigten Staaten haben riesige Reserven von Ölschiefer, d. h. Gesteinsablagerungen, die bei ausreichender Erwärmung Öl ergeben, (Enzyklopädie Naturwissenschaft und Technik Bd. 3, Verlag Moderne Industrie, München 1980, S. 3088). Kein ökonomisch verträgliches Verfahren zur Herstellung von Öl aus dieser Quelle ist derzeit verfügbar, und zwar wegen der Einschränkungen der derzeit verfügbaren Verbrennungs- und Wärmeübertragungstechnologie. Wird bspw. Schiefergestein in einer Festbettretorte untergebracht, und Wärme der Außenseite der Retorte zugeführt, isolieren die Außenschichten des Schiefergesteins die Innenschichten. Dieses führt zu unerträglich langsamen Raten der Wärmeübertragung und der Freisetzung des Öls aus dem Gestein. Im Prinzip sollte die Verwendung einer Fließbettretorte eine viel höhere Wärmeübertragungsrate bereitstellen, jedoch hat das Schiefergestein nach dem Retortenverfahren die Tendenz, zu einem feinen Pulver zu zerfallen. Dieses feine Pulver neigt dazu, aus dem Fließbett zu fliegen, so dass dessen Betrieb sehr schwierig wird.
  • Aus den vorstehenden Beispielen wird klar, dass es im Stand der Technik einen Bedarf für ein neues Verfahren zur Verbrennung von Kraftstoff gibt, das eine effizientere Wärmeübertragung ermöglicht, als mit Feuer und den derzeit verfügbaren Alternativen für Feuer möglich wäre.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Zur Veranschaulichung der Art und Weise in der die vorstehend genannten und anderen Vorteile erzielt werden, wird die oben beschriebene Erfindung eingehender anhand ihrer spezifischen Ausführungsform beschrieben, die durch die beigefügten Zeichnungen veranschaulicht wird. Unter der Voraussetzung, dass diese Zeichnungen nur eine übliche Ausführungsform der Erfindung zeigen und somit keine Einschränkung des Umfangs darstellen, wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen spezifischer und eingehender beschrieben und erläutert. Es zeigt:
  • 1 ein erfindungsgemäßes Festbett-Sorptionsmittelsystem zur Reinigung von Luft, die mit organischen Dämpfen verunreinigt ist;
  • 2 ein Katalysatorreaktorsystem zur Reinigung von Motorabgas;
  • 3 ein Festbettreaktorsystem zur Herstellung eines hochreinen Wasserstoffs zur Verwendung in Brennstoffelementen;
  • 4 ein Schieferretortensystem zur Zersetzung von organischer Substanz;
  • 5 ein Festbettreaktorsystem zur Darlegung des Nutzens einer unvermischten Verbrennung zur Erzeugung von Wasserstoff; und
  • 6 die Ergebnisse aus Experiment 9, das den Nutzen der Erfindung bei schwefelhaltigen Kraftstoffen aufzeigt.
  • EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Systeme zur effizienten Übertragung von Wärme in Verbrennungssystemen. Gemäß den erfindungsgemäßen Verfahren und Systemen wird ein Sauerstoffübertragungsmaterial für eine unvermischte Verbrennung in effizientem thermischen Kontakt mit einem Wärmeaufnehmer untergebracht. Der Begriff "Sauerstoffübertragungsmaterial für unvermischte Verbrennung" wie er in der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen verwendet wird, ist ein Material, das sich leicht reduzieren lässt, wenn es im oxidierten Zustand ist, und leicht oxidieren lässt, wenn es im reduzierten Zustand vorliegt. Das Sauerstoffübertragungsmaterial wird alternativ mit einem reduzierenden Gas zusammengebracht, damit es reduziert wird, und mit einem Gas, das molekularen Sauerstoff enthält, damit es oxidiert wird, so dass die Wärme freigesetzt und zum Wärmeaufnehmer übertragen wird. Verschiedene Konfigurationen werden zum alternativen Aussetzen des Sauerstoffübertragungsmaterials gegenüber dem Reduziergas und dem Gas mit dem molekularen Sauerstoff bereitgestellt, so dass dieses reduziert bzw. oxidiert wird. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere primär die Oxidation von Brennstoffen in Verbrennungssystemen, wobei die Wärme effizienter zu Festbettreaktoren übertragen werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft in einer Ausführungsform ein Verfahren zum Dampfreformieren von Reformierbrennstoffen zu Wasserstoff in einem Festbettreaktor, wobei die Wärme stärker in den Festbettreaktor übertragen wird. Bei einer zusätzlichen erfindungsgemäßen Ausführungsform werden Verfahren und Systeme zur Oxidation von Brennstoff in Verbrennungssystemen bereitgestellt, wobei die Wärme effizienter in ein Festbett von Sorptionsmittelmaterialen übertragen werden kann. Verbrennungsverfahren und -Systeme werden ebenfalls in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform bereitgestellt, wobei die Wärme auf einer Oberfläche erzeugt wird, und die Rate der Wärmeerzeugung auf jedem Abschnitt dieser Oberfläche genau gesteuert werden kann. Bei einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform werden Verbrennungsverfahren und -Systeme bereitgestellt, wobei Wärme innerhalb eines Volumens erzeugt wird, und die Wärmeerzeugungsrate in jedem Teil dieses Volumens genau gesteuert werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand spezifischer Beispiele der vorliegenden Erfindung in Bezug auf Festbettkatalysereaktoren, Festbettsorptionsmittelsysteme und Oberflächenheizvorrichtungen offenbart.
  • A. Massenübertragung vs. chemische Reaktionskatalyse
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Systeme zur effizienten Oxidation in einer Verbrennungsvorrichtung, wie die Zufuhr von Wärme zu einem Festbettreaktor, worin ein endothermes Verfahren durchgeführt wird. Es ist eine Eigenschaft der vorliegenden Erfindung, dass zur Oxidation von Brennstoff ein Sauerstoffübertragungsmaterial verwendet wird.
  • Massenübertragung sollte im Gegensatz zur allgemeinen chemischen Reaktionskatalyse erwogen werden, wie sie bspw. durch die Abgassteuerungssysteme veranschaulicht wird, die bei Autos zum Einsatz kommen. Das aus dem Motor tretende Abgas enthält CO und unverbrannte Kohlenwasserstoffe. Je nach dem Verhältnis von Luft zu Brennstoff, bei dem der Motor arbeitet, kann das Abgas ebenfalls Sauerstoff enthalten. Enthält es keinen Sauerstoff, wird Luft zum Abgas geleitet, das durch einen Edelmetallkatalysator geleitet wird. Die Menge an zugegebener Luft muss genau gesteuert werden. Wird zuviel kalte Luft zugeführt, wird die Temperatur des Luft/Abgas-Gemischs zu niedrig und der Katalysator kann die Reaktion nicht vollständig katalysieren. Wird dagegen zu wenig Luft zugeführt, reicht dies nicht für eine vollständige Reaktion von CO und den unverbrannten Kohlenwasserstoffen, und einige von ihnen werden unoxidiert in die Atmosphäre abgegeben.
  • Die Edelmetalle Iridium, Platin, Palladium, Rhodium und Rhenium sind einige der effizientesten Katalysatoren für die chemische Oxidationsreaktion. Diese Edelmetalle sind so effizient, dass die Edelmetallkatalysatoren gewöhnlich extrem kleine Mengen Edelmetall enthalten, d. h. Edelmetallkatalysatoren, die nur 0,01 Gew.-% Edelmetall oder weniger enthalten, sind üblich. Wird somit Luft und Abgas durch einen Edelmetallkatalysator geleitet, fördert das Edelmetall die Oxidationsreaktion, speichert jedoch keine signifikante Menge Sauerstoff, da für eine Speicherung nicht genug davon vorhanden ist. Ist in einem bestimmten Fall die zugeführte Luft für eine vollständige Verbrennung nicht angemessen, ist die Verbrennung unvollständig.
  • Im Gegensatz zu chemischen Reaktionskatalysatoren erleichtert ein Sauerstoffübertragungsmaterial die Massenübertragung eines Reaktanten, welches ein vollkommen anderer Wirkungstyp ist. Die vorliegende Erfindung verwendet ein Sauerstoffübertragungsmaterial zur Oxidation von Brennstoff in verschiedenen Verbrennungssystemen, d. h. die vorliegende Erfindung verwendet einen Katalysator für unvermischte Verbrennung.
  • Die für die vorliegende Erfindung bevorzugten leicht oxidierbaren/leicht reduzierbaren Materialien umfassen Silber/Silberoxid, Kupfer/Kupferoxid, Eisen/Eisenoxid, Kobalt/Kobaltoxid, Wolfram/Wolframoxid, Mangan/Manganoxid, Molybdän/Molybdänoxid, Strontiumsulfid/Strontiumsulfat, Bariumsulfid/Bariumsulfat und Gemische davon. Der bevorzugte Temperaturenbereich für jedes leicht oxidierbare Material/leicht reduzierbare Material reicht von etwa 200°C bis etwa 700°C für Silber/Silberoxid; von etwa 200°C bis etwa 1000°C für Kupfer/Kupferoxid; von etwa 500°C bis etwa 1200°C für Eisen/Eisenoxid, Kobalt/Kobaltoxid, Nickel/Nickeloxid und Gemische davon; von etwa 800°C bis etwa 1300°C für Wolfram/Wolframoxid, Mangan/Manganoxid, Molybdän/Molybdänoxid und Gemische davon; und von etwa 600°C bis etwa 1200°C für Strontiumsulfid/Strontiumsulfat, Bariumsulfid/Bariumsulfat, und Gemische davon.
  • Bei einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen befindet sich das Sauerstoffübertragungsmaterial auf einem porösen Keramikträger. Die poröse Keramik wird vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid und Gemischen davon. Die bevorzugte poröse Keramik ist Aluminiumoxid.
  • B. Zufuhr von Wärme zu Festbettsorptionsmittelsystemen.
  • Eine große Vielzahl kommerzieller Aktivitäten im kleinen Maßstab erzeugt auch Ströme von Luft, die mit flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) verunreinigt sind. Diese umfassen chemische Reinigung, Fisch-Konservenfabriken, Kaffeeröstereien, Tierstoffverwertung, Fleischräuchereien, Düngemittelverarbeitung, Lackhersteller und viele andere. Die Freisetzung dieser VOCs in die Atmosphäre trägt zur Verschmutzung im Allgemeinen und zum photochemischen Smog im Besonderen bei. Erfindungsgemäß können diese Arbeitsschritte im kleinen Maßstab leicht die VOCs entfernen, indem die verunreinigte Luft durch ein Bett eines Sorptionsmittels, wie granulierte Aktivkohle, geleitet wird. Sobald das Sorptionsmittelbett mit den VOCs gesättigt wird, ist eine Regeneration vonnöten. Für Arbeitsschritte im kleinen Maßstab bietet der Stand der Technik kein Regenerationsverfahren, das nicht übermäßig teuer ist.
  • Eine erfindungsgemäße Ausführungsform, die mit den vorher beschriebenen kleinen kommerziellen Arbeitsschritten besonders geeignet ist, ist ein Festbettsorptionsmittelsystem zur Oxidation einer organischen Verbindung. Wie in 1 gezeigt ist, umfasst diese Ausführungsform einen Behälter 10, der ein Sorptionsmittelbett 12 umgibt und einen gewöhnlich bei 14 gezeigten Gaseinlass, einen gewöhnlich bei 16 gezeigten Auslass mit niedrigem Strömungswiderstand, und einen gewöhnlich bei 18 gezeigten Auslass mit hohem Strömungswiderstand, hat. Das Bett 12 enthält ein Sorptionsmittel, wie granulierte Aktivkohle, die mit einem Sauerstoffübertragungsmaterial, wie Kupferoxid, gemischt ist. Das Sauerstoffübertragungsmaterial befindet sich vorzugsweise auf einem porösen Keramikträger, wie einem Aluminiumoxid mit großer Oberfläche. Der Behälter 10 ist ebenfalls mit der Isolation 20 bedeckt.
  • Der Gaseinlass 14, der Auslass 16 mit niedrigem Strömungswiderstand und der Auslass 18 mit hohem Strömungswiderstand kommunizieren mit Bett 12. Der Gaseinlass 14 umfasst vorzugsweise einen Einlassdurchgang 22 in Kommunikation mit einer porösen Metalleinlassplatte 24. Der Auslass 16 mit niedrigem Strömungswiderstand ist so konfiguriert, dass große Volumina Gas durch den Auslass 16 mit niedrigem Strömungswiderstand gelangen, und zwar mit einem relativ niedrigen Druckabfall. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Auslass mit niedrigem Strömungswiderstand eine poröse Metallauslassplatte 26, die am gegenüberliegenden Ende von Bett 12 relativ zur porösen Metalleinlassplatte 24 und in Kommunikation mit dem Auslassdurchgang 28 positioniert ist. Der Auslass 16 mit niedrigem Strömungswiderstand hat ebenfalls ein Ventil 30, mit dem der Auslass 16 mit niedrigem Strömungswiderstand geschlossen wird, und das den Gasstrom durch den Auslass 16 mit niedrigem Strömungswiderstand verhindert. Bei offenem Ventil 30 strömt Luft, die mit organischen Dämpfen verunreinigt ist, durch die poröse Metalleinlassplatte 24 nach unten durch Bett 12 und nach außen durch eine poröse Metallauslassplatte 26. Das Adsorptionsmittel fängt die Dämpfe ein, und saubere Luft fließt aus dem Bett 12. Die Größe von Bett 12 ist so gewählt, dass seine Adsorptionskapazität etwas größer als die Menge der Verunreinigungen ist, die während eines normalen Tagesbetriebs eintreten.
  • Der Auslass 18 mit hohem Strömungswiderstand hat eine Heizvorrichtung zum Erwärmen des Sauerstoffübertragungsmaterials, wenn es sich im oxidierten Zustand befindet. Die Heizvorrichtung initiiert eine Reaktion zwischen dem Sauerstoffübertragungsmaterial und der organischen Verbindung. Die Wärme wird auf das Sorptionsmittel übertragen, das als Wärmeaufnehmer wirkt, und das zumindest partiell mit einer organischen Verbindung gesättigt ist.
  • Ein Beispiel für eine Heizvorrichtung im erfindungsgemäßen Rahmen ist eine elektrische Heizvorrichtung 32. Die elektrische Heizvorrichtung 32 ist eine Hohlzylinderheizvorrichtung, die vorzugsweise außen leicht mit Isolierung 20 umwickelt ist. Das Innere des Abschnitts des Auslasses 18 mit hohem Strömungswiderstand, das durch den Elektroheizer 32 erwärmt wird, ist mit einem Sauerstoffübertragungsmaterial, wie CuO, auf Aluminiumoxid gefüllt. Da der Auslass 18 mit hohem Strömungswiderstand einen viel größeren Strömungswiderstand als die poröse Metallauslassplatte 26 hat, gelangt fast der gesamte Strom durch die poröse Metallauslassplatte 26. Am Ende des Tagesbetriebs wird jedoch die Heizvorrichtung 32 angeschaltet und das Ventil 30 geschlossen. Das Sauerstoffübertragungsmaterial im elektrischen Heizgerät 32 wird schneller heiß als das Gemisch aus Adsorptionsmittel und Massenübertragungskatalysator, der das Heizgerät 32 umgibt, da die Isolierung 20 das Heizgerät 32 sowie den Behälter 10 umgibt. Nach dem Warmwerden des Sauerstoffübertragungsmaterials in Heizvorrichtung 32 wird der Abschnitt des umgebenden Betts 12, der sich in unmittelbarer Nähe von Heizvorrichtung 32 befindet, ebenfalls warm. Das Adsorptionsmittel setzt die eingefangene Verunreinigung frei, die das Sauerstoffübertragungsmaterial sofort zu CO2 und Wasser oxidiert. Dies setzt mehr Wärme frei, was die umgebenden Bereiche des Betts erwärmt, so dass mehr organische Substanzen freigesetzt werden, die oxidieren, was noch mehr Wärme freisetzt.
  • Wenn sich der warme Bereich von Bett 12 ausdehnt, werden CO2 und Wasserdampf erzeugt und strömen durch die Heizvorrichtung 32 nach außen. Jegliche organische Substanz, die dieses CO2 und Wasserdampf enthalten kann, wird durch den Massenübertragungskatalysator in Heizvorrichtung 32 oxidiert. Somit wird Bett 1 regeneriert, ohne dass adsorbierte organische Substanz entweichen kann.
  • C. Zufuhr von Wärme zum Kaltstart
  • Bei einer weiteren Ausführungsform ist die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Zufuhr von Startwärme. Viele Vorrichtungen und Systeme haben Probleme bei Kaltstarts, insbesondere solche Vorrichtungen und Systeme, die eine minimale Temperatur für einen zufriedenstellenden Betrieb benötigen. Sobald diese Vorrichtungen und Systeme laufen, wird die Mindesttemperatur für einen zufriedenstellenden Betrieb aufrechtgehalten, jedoch kann der Start dieser Vorrichtungen und Systeme von anfänglichen Kaltbedingungen schwierig sein und zu niedrigen Anfangseffizienzen führen.
  • Somit ist es bspw. schwierig, Ottomotoren und Dieselmotoren bei kaltem Wetter zu starten. In arktischen Bereichen kann die Schwierigkeit des Motorenstarts nach Abkühlen auf Umgebungstemperaturen ein schweres Problem werden.
  • Ein weiteres Beispiel betrifft das Katalysatorreaktorsystem, das zur Reinigung von Motorabgas zur Reduktion der Emission von Luftverschmutzung von Kraftfahrzeugen, insbesondere Autos, verwendet wird. Ein Großteil der Kraftfahrzeuge in den Vereinigten Staaten ist mit "Dreiwege"-Katalysatoren ausgestattet, die NOx zu Stickstoff reduzieren und CO und Kohlenwasserstoffe zu CO2 und Wasser oxidieren. Diese Dreiwegekatalysatoren wurden entwickelt, und zwar mit Keramikwaben und kugelförmigen Keramikperlen. In beiden Fällen werden die äußersten Oberflächen mit einer Grundierung aus hochporösem Aluminiumoxid mit großer Oberfläche beschichtet. Die Dreiwegekatalysatoren verwenden zwar Edelmetalle, jedoch sind die verwendeten Mengen recht klein, da sich das Edelmetall nur in dieser dünnen Oberflächenschicht befinden. Dies hat den Vorteil, dass die Zeit, die erforderlich ist, damit die Schmutzstoffe zum Edelmetall diffundieren, recht kurz ist.
  • Sobald das Dreiwegekatalysatorsystem seine normale Betriebstemperatur erreicht, entfernt es Schmutzstoffe sehr effizient, jedoch ist es in den ersten ein bis zwei Minuten nach dem anfänglichen Anlaufen, wenn die Temperatur des Systems viel kleiner als seine normale Betriebstemperatur ist nicht sehr wirksam. Die Eliminierung signifikanter Reduktionen dieser "Kaltstart"-Emissionen stellt eine signifikante Verbesserung dar, da "Kaltstart"-Emissionen für bis zu 75% der gesamten Luftverschmutzungen verantwortlich sind, die von Autos abgesondert werden.
  • Bei dieser Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung Verfahren und Systeme zur Bereitstellung von Wärme zur Vereinfachung des Problems der Kaltstart-Vorrichtungen und Systeme bereit. Das Sauerstoffübertragungsmaterial ist ein leicht reduzierbares Metalloxid/leicht oxidierbares Metall, das auf einem Träger mit großer Oberfläche, wie Aluminiumoxid, gehalten wird. Metalle mit großer Oberfläche, wie Kupfer, Eisen, und Nickel werden leicht oxidiert, selbst bei sehr niedrigen Anfangstemperaturen, und diese Oxidation setzt große Mengen Wärme frei. Zum Starten eines Systems, bei dem Kaltstart ein Problem ist, platziert man das Sauerstoffübertragungsmaterial in Form von leicht oxidierbarem Metall an eine Stelle, so dass dieses in gutem thermischem Kontakt mit dem Teil des Systems oder der Vorrichtung steht, die Wärme benötigt. Beim Anlaufen wird Luft durch das Sauerstoffübertragungsmaterial geleitet, so dass das Metall zum Metalloxid oxidiert wird und die notwendige Wärme erzeugt wird. Sobald das System oder die Vorrichtung zufriedenstellend arbeiten, wird der Kraftstoff durch den Katalysator für unvermischte Verbrennung geleitet, wodurch er für den nächsten Gebrauch zurück in den metallischen Zustand reduziert wird.
  • In der 2 ist eine Ausführungsform eines Katalysatorreaktorsystems veranschaulicht, die das Problem des Kaltstarts von Dreiwegekatalysatoren bewältigt, indem der Dreiwegekatalysator mit einem Sauerstoffübertragungsmittel in einem Katalysator 52 gemischt wird. Wenn der Fahrer den Schlüssel zum Starten des Autos dreht, gäbe es eine Verzögerung, bevor der Motor startet, aber eine Luftblasvorrichtung zum Blasen von Luft durch das Gemisch aus Dreiwegekatalysator und Sauerstoffübertragungsmaterial kann sofort mit dem Blasen von Luft beginnen. Ein Beispiel für eine geeignete Luftblasvorrichtung ist eine Luftpumpe 54. Das Sauerstoffübertragungsmaterial wird sofort warm, und da es in engem Kontakt mit dem Dreiwegekatalysator steht, wird diese Wärme rasch mit dem Dreiwegekatalysator geteilt. Nach dem Starten des Motors (nicht gezeigt), wird der Dreiwegekatalysator hinreichend warm, und er kann die Abgase umwandeln, die von einem Abgaseingang 56 erhalten werden, und das umgewandelte Gas durch einen Abgasausgang 58 freisetzen, so dass die Verschmutzung erheblich verringert ist.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform übt ein einzelnes Katalysatorteilchen beide Funktionen eines Dreiwegekatalysators und eines Sauerstoffübertragungsmaterials aus. Bei dem Katalysatorteilchen befindet sich ein Edelmetall vollständig in einer dünnen Grundierung auf der äußersten Oberfläche jedes Katalysatorteilchens, ähnlich einem typischen Dreiwegekatalysator. Das Teilchen ist jedoch ebenfalls porös und hält ein feinverteiltes Basismetall im Inneren. Da das Edelmetall Reaktionen katalysiert, die innerhalb von Millisekunden nahezu beendet sind, wohingegen die Oxidation von Kupfer in einigen wenigen sec erfolgt, kann ein einzelnes Katalysatorteilchen mit dem Edelmetall auf seiner äußersten Oberfläche und mit dem Basismetall im Inneren zufriedenstellend als Dreiwegekatalysator und Sauerstoffübertragungsmaterial arbeiten.
  • Nach dem Anlaufen muss das Sauerstoffübertragungsmaterial zurück in den metallischen Zustand reduziert werden. Dies kann mit Maßnahmen erfolgen, die dem Fachmann bekannt sind, und zwar entweder während des Normalbetriebs des Autos, oder als Teil des Abschaltbetriebs.
  • D. Zufuhr von Wärme zu Festbettreaktorsystemen
  • Es gibt viele industrielle Prozesse, bei denen es nötig ist, Wärme zu einem Festbettreaktor eines Festbettreaktorsystems zu leiten. Feuer ist ein unbefriedigendes Verfahren zur Erzeugung dieser Wärme, da die Übertragung von Wärme aus dem Äußeren eines Festbetts ins Innere ein langsamer und schwieriger Prozess ist. Für einige dieser industriellen Prozesse ist es jedoch einfach, ein Sauerstoffübertragungsmaterial in das Festbett zu mischen. Dies ermöglicht, dass die Wärme dort erzeugt wird, wo sie benötigt wird und vermeidet somit die Probleme der Wärmeübertragung.
  • Ein Beispiel, bei dem eine unvermischte Verbrennung vorteilhaft verwendet wird, ist bei der Produktion von Wasserstoff. Im Fachgebiet ist bekannt, dass jeder einer Reihe von Katalysatoren, einschließlich aber nicht eingeschränkt auf Nickel und Edelmetalle, die auf Aluminiumoxid gehalten werden, zur Katalyse der Reaktion von Kohlenwasserstoffen mit Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff verwendet werden kann. Dieses Verfahren der Wasserstoffproduktion hat jedoch zwei Probleme. Erstens gibt es die Schwierigkeit, dass der erzeugte Wasserstoff nicht rein ist, sondern im Gleichgewicht mit CO, CO2 und H2O steht, und zwar über die Reaktion CO + H2O = CO2 + H2. Zweitens gibt es das Problem, dass die Reaktion stark endotherm ist und ihr daher Wärme zugeführt werden muss. Eines der im Stand der Technik verwendeten Verfahren zur Zufuhr der notwendigen Wärme, die beteiligt ist, damit die Reaktion auf der Innenseite der mit Katalysator gefüllten Metallrohre stattfindet, während heiße Gase von einem Feuer über der Außenseite dieser Rohre geleitet werden. Dieser Ansatz hat jedoch den Nachteil, dass die Rohre sehr hohe Temperaturen aushalten müssen und somit aus relativ teuren Materialien bestehen müssen. Da große Mengen dieser teuren Rohre erforderlich sind, damit angemessene Raten der Wärmeübertragung erzielt werden, sind die Gesamtkosten für diesen Ansatz recht hoch.
  • CaO wurde bei der Wasserstoffproduktion verwendet, um den Bedarf an Wärme und das ungewünschte Kohlendioxid-Nebenprodukt zu vermeiden. CaO hat den Vorteil, dass es mit CO2 unter Bildung von CaCO3 reagieren kann. Diese Entfernung von CO2 treibt das Gleichgewicht auf die rechte Seite, so dass die Produktion von nahezu reinem Wasserstoff ermöglicht wird. Da die Bildung von CaCO3 stark exotherm ist, kann darüber hinaus die Wärme, die sie erzeugt, die Wärme bereitstellen, die für die Reaktion von Wasser und Kohlenwasserstoff benötigt wird.
  • Die Verwendung von CaO stellte eine zufriedenstellende Lösung für beide Probleme dar, jedoch erbrachte es ein neues Problem: wie soll man das CaCO3 wieder zurück in CaO umwandeln. Die Zersetzung von CaCO3 zu CaO und CO2 erfordert die Zufuhr großer Wärmemengen, was bei einem zufriedenstellenden Verfahren des Standes der Technik nicht erzielt wurde.
  • Die Verwendung von unvermischter Verbrennung löst jedoch dieses Problem. Die 3 zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Ausführungsform für die Verwendung der unvermischten Verbrennung zur Erzeugung von Wasserstoff für Brennstoffzellen. Eine Zufuhr 60 liefert einen fließenden Dampfstrom und einen flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoff bei einem Druck über etwa 5 × 105 Pa (60 psig) zu einem Vierwegeventil 62. Das Kohlenwasserstoff- oder Reduziergas kann ein Naturgas, ein reduzierendes Gas, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Dieselbrennstoff und Düsenkraftstoff, eine Emulsion aus einem Kohlenwasserstoff in Wasser, oder Kohlenmonoxid sein. Dieses Vierwegeventil leitet wiederum diesen fließenden Strom in das Obere des Reaktors 64. Der Reaktor 64 ist mit der Isolierung 66 bedeckt und hat einen Hauptabschnitt 68 und einen kleineren Abschnitt 70. Sowohl Hauptabschnitt 68 und der kleinere Abschnitt 70 enthalten ein Gemisch aus 2 Materialien. Der Wärmeaufnehmer ist ein CO2-Akzeptor, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus kalziniertem Kalkstein, kalziniertem Dolomit, und thermisch zersetzten Salzen von Calciumoxid auf einem porösen Keramikträger. Das andere Material befindet sich ebenfalls auf einem porösen Keramikträger und ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Kupfer/Kupferoxid, Eisen/Eisenoxid, Nickel/Nickeloxid, Kobalt und Kobaltoxid und Gemischen davon. Die bevorzugte Kombination ist CaO/CaCO3 und Ni/NiO auf porösem Aluminiumoxid.
  • Die Bedingungen sind so eingestellt, dass die Temperatur in einem Hauptabschnitt 68 im Bereich von etwa 600°C bis etwa 800°C liegt. Der Dampf und der Kohlenwasserstoff reagieren und bilden Wasserstoff über eine endotherme chemische Reaktion. Diese Reaktion verläuft nahezu vollständig, da CaO mit CO2 reagiert und CaCO3 bildet. Die Entfernung von CO2 und CO ist jedoch nicht ganz vollständig, da der Gleichgewichtsdruck von CO2 über CaO/CaCO3 einen endlichen Wert hat, wenn die Temperatur im Bereich von etwa 600°C bis etwa 800°C ist.
  • Da der unreine Wasserstoff den Hauptabschnitt 68 verlässt, wird flüssiges Wasser aus einer Flüssigwasserzufuhr 72 über eine Pumpe 74 und ein Dreiwegeventil 76 dazugefügt. Das Verdampfen von diesem flüssigen Wasser kühlt den unreinen Wasserstoff und hält die Temperatur in einem kleineren Bereich 70 unter etwa 600°C und am stärksten bevorzugt in einem Bereich von etwa 200°C bis etwa 550°C. Der Gleichgewichtsdruck von CO2 über CaO/CaCO3 hat einen niedrigeren Wert, wenn die Temperatur im Bereich von etwa 200°C bis etwa 550°C ist, als wenn sie in einem Bereich von etwa 600°C bis etwa 800°C liegt. Folglich wird der unreine Wasserstoff im Wesentlichen rein, wenn er durch den kleineren Abschnitt 70 gelangt. Der gereinigte Wasserstoff verlässt den Reaktor 64 über ein zweites Vierwegeventil 78, gelangt durch einen Nichtmisch-Brenner 80, eine Wärmegewinnungsvorrichtung 82 und eine Wasserentfernungsvorrichtung 84. Der gereinigte Wasserstoff gelangt dann zu einer Brennstoffzelle.
  • Bei der Bildung von Wasserstoff in Hauptabschnitt 68 und seiner Reinigung im kleineren Abschnitt 70 wurde NiO zu Ni reduziert. Es ist ebenfalls im Rahmen der vorliegenden Erfindung, einen beliebigen Edelmetallkatalysator zu verwenden.
  • Der Reaktor 64 produziert zwar Wasserstoff, jedoch wird CaCO3 in einem zweiten Reaktor 86 zurück zu CaO umgewandelt. Kraftstoffzellen arbeiten gewöhnlich bei superatmosphärischen Drücken, gewöhnlich in einem Bereich von etwa 1 × 105 bis etwa 3 × 105 Pa (etwa 15 bis etwa 45 psig) Das Gas, das von der Anodenseite einer Brennstoffzelle stammt, hat einen Sauerstoffgehalt ungleich Null, es ist jedoch verglichen mit Luft sauerstoffarm. Somit liefert die Brennstoffzelle sauerstoffarme Pressluft zu einer Zufuhr für sauerstoffarme Pressluft 88. Diese sauerstoffarme Luft gelangt durch das Vierwegeventil 62 zu einem zweiten Reaktor 86. Der zweite Reaktor 86 ist mit der Isolierung 90 bedeckt und hat einen Hauptabschnitt 92 und einen kleineren Abschnitt 94. Der Hauptabschnitt 92 und der kleinere Abschnitt 94 enthalten ein Gemisch aus zwei Katalysatoren, CaO/CaCO3 und Ni/NiO auf porösem Aluminiumoxid. Die Oxidation von Ni zu NiO erzeugt Wärme, die durch die Zersetzung von CaCO3 zu CaO und CO2 verbraucht wird, wobei das CO2 dann über ein Vierwegeventil 78 aus dem Reaktor 86 entlassen wird.
  • Die durch Oxidation des Sauerstoffübertragungsmaterial mit der sauerstoffarmen Pressluft freigesetzte Wärme wird ebenfalls durch die sauerstoffarme Pressluft zurückgehalten. Die sauerstoffarme Pressluft wird mit einem zusätzlichen Sauerstoffübertragungsmaterial in dem Nichtmisch-Brenner 96 ebenfalls durch Oxidation jeglicher Restgase, die molekularen Wasserstoff enthalten, erwärmt und dann ausgetrieben, indem sie durch eine Gasturbine, wie einen Turboexpander 98, getrieben wird, so dass Energie erzeugt wird. Die Energie treibt einen Turbokompressor an, der Pressluft erzeugt.
  • Die Raten des Dampfstroms, Kohlenwasserstoffs und sauerstoffarmer Luft werden wechselseitig eingestellt. Dieses Einstellen erfolgt derart, dass die Zersetzung von CaCO3 im Reaktor 86 nahezu vollständig verläuft, wobei die Umwandlung von CaO zu CaCO3 in Reaktor 30 ebenfalls fast vollständig verläuft. Sind die Reaktionen beendet, werden die Vierwegeventile 62 und 78 und das Dreiwegeventil 76 jeweils umgeschaltet.
  • Erfolgt das Ventilschalten, enthält der Reaktor Wasserstoffgas. Die sauerstoffarme Luft treibt den Wasserstoff aus dem Reaktor 64 durch das Vierwegeventil 78 und durch einen Nichtmisch-Brenner 96 zu einem Turboexpander 98. Wenn der Wasserstoff durch den Nichtmisch-Brenner 96 gelangt, wird er zu Wasser oxidiert. Die so erzeugte Wärme steigert die Arbeitsfähigkeit des Turboexpanders 98.
  • Beim Schalten der Ventile enthält der Reaktor 86 entsprechend sauerstoffarme Luft. Der Dampf und Kohlenwasserstoff, welche in den Reaktor 86 eintreten, treiben die sauerstoffarme Luft aus dem Reaktor 86 durch das Vierwegeventil 78 und durch den Nichtmisch-Brenner 80. Die sauerstoffarme Luft enthält zwar etwas Luft, jedoch ist die Menge dieses Sauerstoffs im zeitlichen Mittel klein verglichen mit der Menge Wasserstoff, die durch den Nichtmisch-Brenner 80 gelangt. Die durch die Reduktion dieser kleinen Menge Sauerstoff erzeugte Wärme wird zu der Wärme gefügt, die die Wärmegewinnungsvorrichtung 82 gewinnen kann. Die Entfernung dieser kleinen Menge Sauerstoff durch den Nichtmisch-Brenner 80 reinigt den Wasserstoff, der zur Brennstoffzelle gelangt.
  • Wärme ist erforderlich, um die erfindungsgemäße Ausführungsform, die in 3 gezeigt ist, zu starten, wenn sie erstmalig genutzt wird. Wärme kann auf eine Vielzahl von Wegen zugeführt werden, die der Fachmann kennt. Eine Anlauf-Heizvorrichtung 100 und eine zweite Anlauf-Heizvorrichtung 102 können bspw. die notwendige Anlaufwärme bereitstellen. Wird die in 4 gezeigte erfindungsgemäße Ausführungsform abgeschaltet und nach dem Gebrauch abkühlen gelassen, kann das Abschaltverfahren beide Reaktoren 64 und 86 zur Produktion von Wasserstoff beinhalten. Wird das System neuerlich gestartet, enthalten beide Reaktoren Ni und CaCO3. Die Oxidation von feinteiligem Nickelmetall erfolgt leicht bei Raumtemperatur und ist stark exotherm. Somit erwärmt das bloße Hindurchleiten von Luft durch einen Reaktor und dann durch den anderen beide auf Betriebstemperatur.
  • Die Techniken, die zum Erwärmen endothermer Reaktionen verwendet werden, die bei der Dampfreformation eines Kohlenwasserstoffs zur Erzeugung von Wasserstoff auftreten, können ebenfalls bei anderen endothermen Reaktionen verwendet werden, wie die Dampfreformierung eines Kohlenwasserstoff-Kraftstoffs zur Erzeugung von Wasserstoff, die Zersetzung von Ammoniak zu Wasserstoff und Stickstoff, die Reformierung von Petroleum-Kohlenwasserstoffen und die Zersetzung von Methanol.
  • E. Zufuhr von Wärme zu einem Ölschiefer-Retortensystem
  • Im Stand der Technik kennt man die Gewinnung von Öl aus Ölschiefer durch Retortenverfahren, d. h. durch Erwärmen des Schiefergesteins, so dass die organische Substanz, die es enthält, zu Gasen; Öldämpfen und Kohle zersetzt wird. Die 4 zeigt ein Ölschiefer-Retortensystem, wobei Schiefergestein über einen Einlass 106 in ein Retortenbett 104 gelangt, und in thermischem Kontakt mit einem Sauerstoffübertragungsmaterial in einer Bettretorte 104 untergebracht wird. Wärme wird zugeführt, indem das Gas, die Öldämpfe oder Gemische davon das Sauerstoffübertragungsmaterial kontaktieren können, wodurch Oxidation erfolgt. Diese Oxidation erzeugt CO2. CaO ist vorzugsweise vorhanden und in einem thermischen Kontakt mit dem Ölschiefer, wodurch die Wärme, die von der exothermen Reaktion CaO + CO2 = CaCO3 freigesetzt wird, zur Erwärmung des Ölschiefers beiträgt.
  • Der Massenübertragungskatalysator ist vorzugsweise Cu/CuO.
  • ERFINDUNGSGEMÄSSE BEISPIELE
  • Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Verwendung eines Materials, das im reduzierten Zustand leicht oxidiert wird, und das im oxidierten Zustand leicht reduziert wird, als Maßnahme zur Oxidation von Kraftstoff und effizientes Zuführen der so erzeugten Wärme zu einer Nutzanwendung. Diese Beispiele sollen lediglich beispielhaft die Verwendung der Erfindung veranschaulichen und sollten nicht als Einschränkung des erfindungsgemäßen Rahmens aufgefasst werden.
  • Beispiel 1
  • Das in 5 gezeigte System sollte im Labormaßstab die Vorteile und Grenzen der vorliegenden Erfindung zur Erzeugung von Wasserstoff aufzeigen. Bei dieser Versuchsanordnung wird ein Reaktor 110 in einem Dreizonen-Elektroofen 112 gehalten. Der Reaktor 110 erhält Wasser in seinen oberen Bereich aus einer Wasserzufuhr 120 über eine Pumpe 122 und durch ein Dreiwegeventil 124. Ein Kohlenwasserstoff wird im Oberteil des Reaktors 110 durch eine Kraftstoffzufuhr 114 über eine Pumpe 116 und durch ein Dreiwegeventil 118 aufgenommen.
  • Der Reaktor 110 hatte ein Innenvolumen von 0,500 dm3 (500 cm3) und enthielt ein Gemisch aus 131,5 g CaCO3, das zu CaO kalziniert wurde, und 223 g von 21,1 Gew.-% Nickeloxid auf einem Aluminiumoxid mit großer Oberfläche. Das Wasser und der flüssige Kohlenwasserstoff tröpfelten nach unten und verdampften in Reaktor 110. Der Kohlenwasserstoff reagierte mit dem NiO und reduzierte es zu Ni. Das Ni diente wiederum als Katalysator für die Dampfreformierung des Kohlenwasserstoffs und Wasser zu einem Gemisch von CO, H2 und CO2. Diese Reaktion ist zwar stark endotherm, jedoch ist die Reaktion von CaO mit CO2 unter Bildung von CaCO3 stark exotherm. Die Exothermie der letzteren Reaktion glich die Exothermie der ersteren aus, und die Gesamtreaktion war leicht auf der exothermen Seite der Thermoneutralen.
  • Wegen der Wasserverschiebungsreaktion CO + H2O = H2 + CO2 war CO im Gleichgewicht mit CO2. Folglich entfernte die Entfernung von CO2 durch die Umsetzung mit dem CaO ebenfalls CO, was das System zur Produktion von Wasserstoff verschob, der, bezogen auf eine Trockenbasis, relativ rein war.
  • Der so erzeugte Wasserstoff verließ den Reaktor über ein Dreiwegeventil 126, gelangte durch einen Staudruckregler 128 und zu einem Auslass über ein Dreiwegeventil 130. Proben des Wasserstoffs für die Gaschromatographieanalyse wurden entnommen, indem das Dreiwegeventil 130 so geschaltet wurde, dass der Wasserstoff durch das Ventil 132 in die Gaszelle 134 strömte.
  • Während der Erzeugung von Wasserstoff strömte druckarme Luft durch das Rotameter 136, Dreiwegeventil 138 und gelangte zum Auslass. In periodischen Zeitabständen schaltete ein Timer 140 die Dreiwegeventile 118, 124, 126 und 138. Dies bewirkte, dass die Ströme von Brennstoff und Wasser aus den Pumpen 116 und 122 zu den Zufuhren 114 und 120 zurückkehrten und der Strom der druckarmen Luft durch den Reaktor 110 gelangte, über Ventil 126 austrat und über das Dreiwegeventil 142 zum Auslass gelangte. Proben für die Gaschromatographieanalyse der den Reaktor verlassenden Luft wurden durch Schalten des Dreiwegeventils 142 entnommen, so dass die Luft durch Ventil 144 in die Gaszelle 146 strömte.
  • Das Leiten der Luft durch den Reaktor bewirkte, dass das Nickel zum Nickeloxid oxidierte und sich CaCO3 zu CaO und CO2 zersetzte. Da ersteres eine stark exotherme Reaktion ist, ermöglicht die dabei entstandene Wärme, dass die letztere starke endotherme Reaktion stattfinden kann.
  • Beispiel 2
  • Wasserstoff wurde in dieser Serie von Experimenten produziert, indem das in 5 gezeigte System leicht modifiziert wurde. Das System wurde modifiziert, indem die Dosierpumpe 116 und die Quelle 114 für flüssigen Brennstoff gegen ein Rotameter und einen Zylinder mit Kohlenmonoxidgas ersetzt wurden, damit Kohlenmonoxid durch Dampfreformierung umgewandelt wurde. Der Reaktor wurde vorkonditioniert, indem Luft durch einen Reaktor über Nacht bei 700°C geleitet wurde. Die Versuchsbedingungen beinhalteten eine Temperatur von 700°C und einen Druck von 4 × 105 Pa (4 atm). Die Einlassrate für CO betrug 1,0 mmol/sec (0,060 mol/min) und die Einlassrate des flüssigen Wassers betrug 3,98 × 10–5 dm3/sec (2,39 cm3/min). Die Proben wurden in 5 min-Intervallen gemessen.
  • Die Ergebnisse dieser Versuchsreihe sind in der Tabelle 1 gezeigt. Die Tabelle 1 zeigt die Gaschromatographieanalyse auf Trockenbasis der den Reaktor verlassenden Gase. Tabelle 1 enthält auch eine Spalte mit der Überschrift ΣCO/CaO, die das Verhältnis der Anzahl Mole CO-Einlass in den Reaktor, dividiert durch die Anzahl Mole des anfangs vorhandenen CaO angibt. Der Tabelle 1 zufolge war der Prozentsatz Wasserstoff im Ausgangsgas zu Beginn relativ hoch. Mit fortlaufender Reaktion näherte sich ΣCO/CaO jedoch 1, und die Fähigkeit des verbleibenden CaO zum Einfangen von CO2 sank. Folglich sank der Prozentsatz an Wasserstoff im Ausgangsgas. Dies zeigt die Notwendigkeit, das CaO periodisch zu regenerieren.
  • Tabelle 1
    Figure 00230001
  • Beispiel 3
  • Nach Beendigung der Reihe von Experimenten in Beispiel 2 wurde das in 5 gezeigte System wieder modifiziert, um Methan einem Dampfreforming zu unterwerfen. Der in Beispiel 2 verwendete Kohlenmonoxid-Zylinder wurde mit einem Methanzylinder ersetzt, und das CaO wurde regeneriert. Der Reaktor wurde durch strömende Luft durch den Reaktor bei einer Temperatur von 700°C bei 0,1 dm3/sec (6 l/min) für 3,5 Std. vorkonditioniert. Die Versuchsbedingungen beinhalteten eine Temperatur von 700°C und einen Druck von 7 × 105 Pa (7 atm). Die Einlassrate von CH4 war 0,03607 dm3/sec (2164 cm3/min), und die Einlassrate des flüssigen Wassers betrug 2,5 × 10–5 dm3/sec (1,5 cm3/min). Das Ergebnis dieses Experimentes zeigt, dass sich die vorliegende Erfindung auch zur Umwandlung von Methan in Wasserstoff eignet.
  • Tabelle 2
    Figure 00230002
  • Beispiel 4
  • Das in 5 gezeigte System wurde wieder modifiziert, um den Dieselkraftstoff einer Dampfreformierung zu unterwerfen. Das CaO wurde regeneriert, und der Dieselkraftstoff wurde einer Dampfreformierung unterworfen, wobei die in Tabelle 3 gezeigten Ergebnisse erhalten wurden. Die Versuchsbedingungen beinhalteten eine Temperatur von 700°C und einen Druck von 8 × 105 Pa (8 atm). Die Einlassrate für den Dieselkraftstoff war 1,85 × 10–5 dm3/sec (1,11 cm3/min), und die Einlassrate des flüssigen Wassers war 2,5 × 10–5 dm3/sec (1,5 cm3/min) Die Proben wurden in den in Tabelle 3 angegebenen Intervallen gemessen.
  • Die Ergebnisse dieses Experimentes zeigen, dass die vorliegende Erfindung ebenfalls zur Umwandlung von Dieselkraftstoff in Wasserstoff geeignet ist. Der Prozentsatz von Wasserstoff in den Gasen, die aus dem Reaktor gelangen war anfangs hoch, sank jedoch, als das CaO abgegeben wurde, wie bei der Verwendung von Methan der Fall war.
  • Tabelle 3
    Figure 00240001
  • Beispiel 5
  • Eine Reihe von Experimenten wurde mit dem in 5 gezeigten System durchgeführt, um CaCO3 zurück zu CaO umzuwandeln, indem Luft durch den Reaktor geleitet wurde. Der Reaktor wurde nicht für diese Reihe von Experimenten vorkonditioniert. Die Versuchsbedingungen umfassten eine Temperatur von 700°C und einen Druck von 1 × 105 Pa (1 atm). Die Eingangsrate für Luft betrug 5,3 × 10–3 dm3/sec (320 cm3/min). Ein Feuchtigkeitstestmessgerät wurde zum Messen des Gesamt-Gasvolumens, das aus dem Reaktor trat, verwendet, und der CO2-Gehalt dieses Gases wurde in Intervallen durch Gaschromatographie bestimmt.
  • Die Ergebnisse in Tabelle 4 zeigen, dass die Regeneration des CaO aufgrund der durch die Oxidation von Ni bereitgestellten Wärme ein schnelles Verfahren ist, da das CO2 zu Beginn des Verfahrens in großen Mengen aus dem Reaktor trat und dann stark abnahm.
  • Tabelle 4
    Figure 00250001
  • Beispiel 6
  • Ein weiteres Experiment mit dem Aufbau von 5 erfolgte bei 700°C, 8 × 105 Pa (8 atm) und mit Eingängen in den Reaktor von kommerziellem Dieselkraftstoff bei 1,85 × 10–5 dm3/sec (1,11 cm3/min) und von flüssigem Wasser bei 2,5 × 10–5 dm3/sec (1,5 cm3min). Eine Probe wurde nach 13 min entnommen und mit einem Kitawa-Gasdetektorrohr analysiert. Nach dem Durchgang eines empfohlenen Volumens Probengas für 1 bis 30 ppm Empfindlichkeit gegenüber H2S war keine Färbung sichtbar. Das zehnmalige Bestehen des empfohlenen Probengasvolumens konnte keine sichtbare Färbung hervorrufen. Dieses vollständige Fehlen einer Färbung zeigt, dass ein kommerzieller Dieselkraftstoff Wasserstoff mit einer H2S-Konzentration von weniger als 0,1 ppm ergab.
  • Beispiel 7
  • Es erfolgte ein weiteres Experiment, wobei ein Dieselkraftstoff bei 1,85 × 10–5 dm3/sec (1,11 cm3/min), flüssiges Wasser bei 2,5 × 10–5 dm3 (1,5 cm3/min) und Luft bei 0,101 dm3/sec (6050 cm3/min) alternativ durch den Reaktor für Zeitspannen von 10 min und 30 min für insgesamt 96 Std. geführt wurden. Die Reaktortemperatur während dieser Zeit betrug 700°C. Ein Experiment erfolgte dann bei 700°C, wobei Luft bei 0,101 dm3/sec (6050 cm3/min) 30 min durch den Reaktor geleitet wurde, wonach Dieselbrennstoff bei 1,85 × 10–5 dm3/sec (1,11 cm3/min) und flüssiges Wasser bei 2,5 × 10–5 dm3/sec (1,5 cm3/min) und bei einem Druck von 8 atm durch den Reaktor geleitet wurden. Die Gaschromatographieanalyse der aus dem Reaktor tretenden Gase zeigte, dass sie zu 93,8% aus Wasserstoff bestanden. Dieses Ergebnis zeigt, dass der Katalysator für eine erhebliche Anzahl von Zyklen verwendet werden kann.
  • Beispiel 8
  • Bei einer weiteren Reihe von Experimenten wurde kommerzieller Dieselkraftstoff ohne Zusatz von Thiophen und mit genug zugesetztem Thiophen verwendet, so dass ein Schwefelgehalt von 2000 Gew.-ppm erzeugt wurde. Die Experimente erfolgten dann mit diesen Dieselkraftstoffen, wobei der Kraftstoff und Wasser bei 1,85 × 10–5 dm3 (1,11 cm3/min) bzw. 2,5 × 10–5 dm3/sec (1,5 cm3/min) bei einer Reaktortemperatur von 700°C und einem Druck von 8 × 105 Pa (8 atm) in den Reaktor eingeführt wurden. Die Ausgangsgase wurden mit einem Gaschromatographen auf H2, CH4, CO und CO2 und mit Kitagawa-Detektorröhren auf H2S analysiert. Die Ergebnisse dieser Experimente sind in der Tabelle 5 gezeigt. Dies veranschaulicht, dass die vorliegende Erfindung Wasserstoff mit einem sehr niedrigen H2S-Gehalt produzieren kann, selbst, wenn der Eingangskraftstoff einen hohen Schwefelgehalt hat. Dies ist ein Hauptvorteil, da Wasserstoff, der in den Kraftstoffzellen verwendet werden soll, einen sehr niedrigen N2S-Gehalt aufweisen muss.
  • Tabelle 5
    Figure 00260001
  • Beispiel 9
  • Nach den in Beispiel 8 durchgeführten Experimenten wurde der in 5 gezeigte Aufbau für ein weiteres Experiment modifiziert. Die aus dem Reaktor kommenden Gase wurden zu einem Thermoelectron Pulsed Fluorescent SO2-Analysegerät und einem Teledyne O2-Messgerät gesendet. Die Luft wurde durch den Reaktor bei einer Geschwindigkeit von 0,101 dm3/sec (6050 cm3/min), 700°C und 1 × 105 Pa (1 atm) geleitet. Die 7 zeigt die aufgezeichneten Ausgänge der SO2- und O2-Analysegeräte. Dies zeigt, dass bei Einsatz der vorliegenden Erfindung zur Herstellung von Wasserstoff aus einem schwefelhaltigen Kraftstoff, der Schwefel in dem Kraftstoff während des Wasserstoffproduktionsschritts des Zyklus im Reaktor gehalten wird und während des Regenerationsschritts als SO2 entlassen wird.
  • Beispiel 10
  • Bei diesem Experiment wurde der in 5 gezeigte Aufbau so modifiziert, dass die aus dem Reaktor tretenden Gase in einen zweiten Reaktor gesendet wurden. Dieser zweite Reaktor wurde bei 510°C und 8 × 105 Pa (8 atm) betrieben und diente der weiteren Reinigung des im ersten Reaktor erzeugten Wasserstoffs. Diesel-Kraftstoff mit 2000 Gew.-% Schwefel wurde in den ersten Reaktor bei 1,85 × 10–5 dm3/sec (1,11 cm3/min) und Wasser bei 2,5 × 10–5 dm3/sec (1,5 cm3/min) eingeleitet. Die Messung der aus dem zweiten Reaktor tretenden Gase mit einer Kitagawa-Gasdetektorröhre zeigte kein nachweisbares H2S, d. h. weniger als 1,0 ppm. Die Messung mit einem Thermoelectron Gas Filter Correlation CO-Analysegerätes zeigte, dass nur 23,4 ppm CO in den Gasen nach dem Durchtritt durch den Reinigungsreaktor verblieb. Dies veranschaulicht, dass der Durchtritt des in einer Reaktionszone bei einer höheren Temperatur erzeugten Wasserstoffs durch eine Reaktionszone bei einer niedrigeren Temperatur die Reinheit des Wasserstoffs stark verbessern kann. Da einige Arten von Brennstoffzellen kein CO oder H2S aushalten, wenn ihre Konzentrationen nicht auf sehr niedrigen Werten gehalten werden, ist dies ein wichtiger Fortschritt auf diesem Fachgebiet.

Claims (37)

  1. Verfahren zur Erzeugung von Wärme innerhalb eines Reaktors zur Durchführung eines endothermen Prozesses in dem Reaktor, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: (a) Vorsehen eines Festbetts in einem Reaktor, wobei das Festbett ein Gemisch aus einem Sauerstoffübertragungs-material für die unvermischte Verbrennung von Brennstoff und Luft und einem Wärmeaufnehmer umfasst, wobei das Sauerstoffübertragungsmaterial ein Material ist, welches einen oxidierten Zustand und einen reduzierten Zustand aufweist, das Sauerstoff-übertragungsmaterial im reduzierten Zustand leicht oxidierbar ist, um den oxidierten Zustand zu bilden, und im oxidierten Zustand leicht reduzierbar ist, um den reduzierten Zustand zu bilden; und (b) abwechselndes Inkontaktbringen des Sauerstoff-übertragungsmaterials in dem Festbett mit: (i) einem reduzierenden Gas, um das Sauerstoff-übertragungsmaterial in dem oxidierten Zustand zu dem reduzierten Zustand zu reduzieren, und so das reduzierende Gas zu oxidieren; und (ii) einem oxidierenden Gas, das molekularen Sauerstoff enthält, um das Sauerstoffübertragungsmaterial in dem reduzierten Zustand zu dem oxidierten Zustand zu oxidieren, und so molekularen Sauerstoff aus dem oxidierden Gas zu entfernen, und Erzeugen von Wärme in dem Reaktor und Übertragen der Wärme auf den Wärmeaufnehemer.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Sauerstoff enthaltende Gas aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Luft, mit Verbrennungsprodukten vermischter Luft und Luft, aus der ein Teil des Sauerstoffs entfernt wurde, besteht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Sauerstoff-übertragungsmaterial aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Silber/Silberoxid, Kupfer/Kupferoxid, Eisen/Eisenoxid, Kobalt/Kobaltoxid, Wolfram/Wolframoxid, Mangan/Manganoxid, Molybdän/Molybdänoxid, Strontiumsulfid/Strontiumsulfat, Bariumsulfid/Bariumsulfat und Gemischen hiervon besteht.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Sauerstoff-übertragungsmaterial Silber/Silberoxid ist, und während des Reduktionsschritts eine Temperatur in einem Bereich von ungefähr 200°C bis ungefähr 700°C aufweist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Sauerstoff-übertragungsmaterial Kupfer/Kupferoxid ist, und während des Reduktionsschritts eine Temperatur in einem Bereich von ungefähr 200°C bis ungefähr 1000°C aufweist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Sauerstoff-übertragungsmaterial während des Reduktionsschritts eine Temperatur in einem Bereich von ungefähr 500°C bis ungefähr 1200°C aufweist, und aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Eisen/Eisenoxid, Kobalt/Kobaltoxid, Nickel/Nickeloxid und Gemischen davon besteht.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Sauerstoff-übertragungsmaterial während des Reduktionsschritts eine Temperatur in einem Bereich von ungefähr 800°C bis ungefähr 1300°C aufweist, und aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Wolfram/Wolframoxid, Mangan/Manganoxid, Molybdän/Molybdän-oxid und Gemischen davon besteht.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Sauerstoff-übertragungsmaterial während des Reduktionsschritts eine Temperatur in einem Bereich von ungefähr 600°C bis ungefähr 1200°C aufweist, und aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Strontiumsulfid/Strontiumsulfat, Bariumsulfid/Bariumsulfat und Gemischen davon besteht.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Sauerstoff-übertragungsmaterial während des Reduktionsschritts eine Temperatur in einem Bereich von 500°C bis ungefähr 1200°C aufweist, und Nickel/Nickeloxid, welches von einer porösen Keramik getragen wird, umfasst.
  10. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Sauerstoff-übertragungsmaterial von einer porösen Keramik getragen wird, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid und Gemischen davon besteht.
  11. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Sauerstoff-übertragungsmaterial von Aluminiumoxid getragen wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Festbett ein Sorbensmaterial enthält.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Sorbensmaterial ein Sorbens für Kohlenstoffdioxid ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Sorbens ein Sorbens für Wasser ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Sorbens ein Sorbens für organischen Dampf ist.
  16. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Sorbens Calciumoxid umfasst.
  17. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Reaktor weiterhin folgendes umfasst: einen Gaseinlass in Verbindung mit dem Festbett; einen Auslass mit niedrigem Strömungswiderstand in Verbindung mit dem Festbett, wobei der Auslass mit niedrigem Strömungswiderstand so ausgelegt ist, dass große Gasvolumina mit einem relativ niedrigen Druckabfall durch diesen strömen können, und ein Ventil zum Schließen des Auslasses mit niedrigem Strömungswiderstand und zur Verhinderung des Strömens von Gas dadurch beinhaltet; und einen Auslass mit großem Strömungswiderstand in Verbindung mit dem Festbett, welcher eine Heizeinrichtung zum Erhitzen des Sauerstoffübertragungsmaterials im oxidierten Zustand beinhaltet.
  18. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Sauerstoff-übertragungsmaterial aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Strontiumsulfid/Strontiumsulfat, Bariumsulfid/Bariumsulfat und Gemischen davon besteht.
  19. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die endotherme Reaktion die Zersetzung von Ammoniak zu Wasserstoff und Stickstoff ist.
  20. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die endotherme Reaktion das Reformen von Mineralöl-Kohlenwasserstoffen ist.
  21. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die endotherme Reaktion die Zersetzung von Methanol ist.
  22. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die endotherme Reaktion das Dampfreformen eines Kohlenwasserstoffs zur Erzeugung von Wasserstoff ist, wobei das Sauerstoffübertragungs-material Nickel/Nickeloxid auf Aluminiumoxid umfasst, und eine Temperatur während des Reduktionsschritts in dem Bereich von ungefähr 500°C bis ungefähr 1200°C aufweist, wobei das Festbett CaO als einen CO2-Akzeptor enthält, und wobei Schwefel des Kohlenwasserstoffs während der Wasserstoffproduktion in dem Reaktor zurückgehalten wird, und während des Oxidationsschritts als SO2 aus dem Reaktor entfernt wird.
  23. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die endotherme Reaktion das Dampfreformen eines Kohlenwasserstoffbrennstoffs zur Erzeugung von Wasserstoff ist.
  24. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die endotherme Reaktion die Zersetzung eines CO2-Akzeptors ist, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus calciniertem Kalkstein, calciniertem Dolomit und thermisch zersetzen Salzen von Calciumoxid auf einem porösen Keramikträger besteht, wobei das Sauerstoffübertragungsmaterial von einer porösen Keramik getragen wird und aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Kupfer/Kupferoxid, Eisen/Eisenoxid, Nickel/Nickel-oxid, Kobalt/Kobaltoxid und Gemischen davon besteht.
  25. Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Sauerstoff-übertragungsmaterial und der CO2-Akzeptor während des Reduktionsschritts eine Temperatur in einem Bereich von ungefähr 600°C bis ungefähr 800°C aufweisen und unter einem Druck von etwa 4 × 105 Pa (60 psig) stehen.
  26. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Festbett in dem Reaktor einen Edelmetallkatalysator enthält.
  27. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Sauerstoff-übertragungsmaterial Nickel/Nickeloxid ist.
  28. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das reduzierende Gas ein Naturgas ist.
  29. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das reduzierende Gas durch Verdampfen eines Kohlenwasserstoffs hergestellt wird.
  30. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das reduzierende Gas durch Verdampfen einer Flüssigkeit hergestellt wird, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Dieselbrennstoff und Düsenkraftstoff besteht.
  31. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das reduzierende Gas durch Verdampfen einer Emulsion eines Kohlenwasserstoffs in Wasser hergestellt wird.
  32. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Reaktor einen Hauptbereich und einen kleineren Bereich beinhaltet, wobei die Temperatur in dem Hauptbereich in einem Bereich von ungefähr 600°C bis ungefähr 800°C liegt, und die Temperatur in dem kleineren Bereich weniger als ungefähr 600°C beträgt, wobei ein Gas, das den kleineren Bereich verlässt im Wesentlichen gereinigt ist.
  33. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das molekularen Sauer-stoff enthaltende Gas sauerstoffverarmte komprimierte Luft aus einer Brennstoffzelle ist, und wobei ein Wärmeaufnehmer, umfassend CaCO3, mit dem Sauerstoffübertragungsmaterial vermischt wird, wobei die Wärme, die durch Oxidieren des Sauerstoffübertragungsmaterials mit der sauerstoffverarmten komprimierten Luft freigesetzt wird, auch durch die sauerstoffverarmte komprimierte Luft gespeichert wird, wobei das Verfahren weiterhin die Schritte umfasst: Erhitzen der sauerstoffverarmten komprimierten Luft durch Oxidieren jeglicher, molekularen Wasserstoff enthaltender Restgase mit einem zusätzlichen Sauerstoffübertragungs-material; Führen der sauerstoffverarmten komprimierten Luft durch einen Turboexpander zur Erzeugung von Energie; und Antreiben eines Turbokompressors mit der Energie des Turboexpanders, um komprimierte Luft zu erzeugen.
  34. System zur Erzeugung von Wärme innerhalb eines Reaktors zur Durchführung eines endothermen Prozesses in dem Reaktor, wobei das System umfasst: (a) ein Festbett in einem Reaktor, wobei das Festbett ein Gemisch aus einem Sauerstoffübertragungsmaterial für die unvermischte Verbrennung von Brennstoff und Luft und einem Wärmeaufnehmer umfasst, wobei das Sauerstoffübertragungsmaterial ein Material ist, welches einen oxidierten und einen reduzierten Zustand aufweist, wobei das Sauerstoffübertragungsmaterial im reduzierten Zustand leicht zur Bildung des oxidierten Zustands oxidierbar ist, und im oxidierten Zustand leicht zur Bildung des reduzierten Zustands reduzierbar ist; und (b) eine Einrichtung zum abwechselnden Inkontaktbringen des Sauerstoffübertragungsmaterials in dem Festbett mit: (i) einem reduzierenden Gas, um das Sauerstoff-übertragungsmaterial in dem oxidierten Zustand zu dem reduzierten Zustand zu reduzieren und so das reduzierende Gas zu oxidieren; und (ii) einem oxidierenden Gas, welches molekularen Sauerstoff enthält, um das Sauerstoffübertragungs-material in dem reduzierten Zustand zu dem oxidierten Zustand zu oxidieren, und so molekularen Sauerstoff aus dem oxidierten Gas zu entfernen, und um Wärme an den Wärmeaufnehmer zur Verwendung in der Durchführung des endothermen Prozesses abzugeben.
  35. System nach Anspruch 34, wobei das oxidierende Gas aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Luft, mit Verbrennungs-produkten vermischter Luft und Luft, aus der ein Teil des Sauerstoffs entfernt wurde, besteht.
  36. System nach Anspruch 34, wobei das Sauerstoffübertragungsmaterial aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Silber/Silberoxid, Kupfer/Kupferoxid, Eisen/Eisenoxid, Kobalt/Kobaltoxid, Wolfram/Wolframoxid, Mangan/Manganoxid, Molybdän/Molybdänoxid, Strontiumsulfid/Strontiumsulfat, Bariumsulfid/Bariumsulfat und Gemischen davon besteht.
  37. Verfahren nach einem der Ansprüchen 1 bis 3, wobei das Sauerstoffübertragungsmaterial in dem gesamten Volumen des Reaktors in der Form einer Vielzahl von Sauerstoff-übertragungsmaterialteilchen, zusammen mit einer Vielzahl von Wärmeaufnehmerteilchen, verteilt ist.
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