EP2207616B1

EP2207616B1 - Vorrichtung zur erzeugung von brennbarem produktgas aus kohlenstoffhaltigen einsatzstoffen

Info

Publication number: EP2207616B1
Application number: EP09763905A
Authority: EP
Inventors: Georg Gallmetzer; Felix Nelles; Martin Kröner
Original assignee: Highterm Research GmbH
Current assignee: Highterm Research GmbH
Priority date: 2008-11-18
Filing date: 2009-11-18
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2029-11-18
Also published as: ATE518589T1; CA2743075A1; US20110259556A1; WO2010057919A1; BRPI0921897A2; EP2207616A1; CN102215948A; CA2743075C

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von brennbarem Produktgas aus kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen durch allotherme Wasserdampfvergasung nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.
Die druckaufgeladene allotherme Wasserdampfvergasung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen erfordert Wärmezufuhr in die Vergasungskammer auf einem Temperaturniveau von ca. 800-900°C. Bei dem sogenannten Heatpipe-Reformer, wie aus der EP 1 187 892 B1 bekannt ist, werden in einer Druck aufgeladenen Wirbelschichtvergasungskammer durch allotherme Wasserdampfvergasung Brenngas aus den zu vergasenden kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen erzeugt. Die hierfür notwendige Wärme wird aus einer Wirbelschichtfeuerung mittels einer Wärmeleitrohranordnung in den Vergaser bzw. Reformer geleitet. Aufgrund der geraden und rohrförmigen Bauweise von Wärmerohren werden bei dem aus der EP 1 187 892 B1 bekannten Heatpipe-Reformer Brennkammer und Reformer/Vergasungskammer übereinander angeordnet. Der Druckbehälterboden ist Aufgrund der hohen Temperaturen in der Brennkammer besonderen Belastungen ausgesetzt. Noch dazu wird der Boden durch eine Vielzahl von WärmerohrDurchführungen geschwächt. Die Abdichtung der Durchführungen stellt ebenfalls ein Problem dar.
Bei den genannten Betriebsbedingungen diffundiert Wasserstoff durch den Metallmantel der Wärmerohre in das Innere des Wärmerohrs ein und sammelt sich im Bereich des Kondensators bzw. der Wärme abgebenden Seite. Im Bereich dieses Wasserstoffpolsters erfolgt kein Wärmeübergang mehr, so dass sich die durch das Wärmerohr übertragene Wärmeleistung verringert. Um diese Wasserstoffpolster zu vermeiden, ist es bekannt, das Eindiffundieren von Wasserstoff durch Beschichtungen der Wärmerohre oder durch Trennung von Vergasungs- und Wärmeübergangszone im Vergaser zu verhindern bzw. zu vermindern. Nach einem anderen Ansatz wird die Ausdiffusion von Wasserstoff durch erhöhten Innendruck und Spülkappen erhöht. Hierzu wird auf die DE 102006016005 A1 verwiesen.
Aus der EP 415231 A2 ist ein Wärmerohr mit einer zylindrischen Außenhülle bekannt, bei dem konzentrisch im Inneren der zylindrischen Außenhülle ein Steigrohr für dampförmiges Arbeitsmittel angeordnet ist. Aufgrund der Ineinanderschachtelung von Steigrohr und Außenhülle, kann nicht verhindert werden, dass auch in der eigentlichen Kondensatleitung dampförmiges Arbeitsmittel strömt.
Ausgehend von der EP 1 187 892 B1 ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Schwächung des Vergaserdruckbehälters durch die Vielzahl von Wärmerohrdurchführungen zu vermindern.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruch 1.
Bei herkömmlichen rohrförmigen Wärmerohren, wie sie beispielsweise aus der EP 415231 A2 bekannt sind, ist sowohl die Leitung für flüssiges Wärmeträgermedium als auch für dampfförmiges Wärmeträgermedium in der gemeinsamen Rohrhülle angeordnet. Dadurch, dass bei der vorliegenden Erfindung Loop-Wärmerohre eingesetzt werden, bei denen das flüssige Wärmeträgermedium räumlich getrennt von dem dampfförmigen Wärmeträgermedium geführt wird, lässt sich die Zahl der Durchführungen auf zwei reduzieren, nämlich eine Flüssigkeitsleitung und eine Dampfleitung. Wenn eine Mehrzahl von solchen Loop-Wärmerohren eingesetzt wird, können deren getrennt verlaufenden Dampf- und Flüssigkeitsleitungen im Vergaserdruckbehälter zu einer gemeinsamen Dampf- bzw. Flüssigkeitsleitung zusammengefasst werden, die dann den Vergaserdruckbehälter durchsetzen. Außerhalb des Vergaserdruckbehälters können dann die beiden gemeinsamen Leitungen wieder auf gespalten werden. Damit kann die Zahl der Durchführungen aus bzw. in den Vergaserdruckbehälter erheblich bis auf minimal zwei reduziert werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die räumliche Trennung von Dampf- und Flüssigkeitsleitung der Loop-Wärmerohre eine größere Designfreiheit entsteht. Vergaser bzw. Reformer und externe Wärmequelle können völlig unabhängig voneinander angeordnet und optimiert werden.
Durch die getrennte Führung von Dampf- und Flüssigkeitsleitung kann der Verlauf der Dampfleitung hinsichtlich der Anordnung einer Wasserstoff-Abscheideeinrichtung optimiert werden - Anspruch 2.
Die vorteilhaften Ausgestaltungen der Ansprüche 3 und 4 beziehen sich auf unterschiedliche Bauformen für Loop-Wärmerohre mit getrennt verlaufender Dampf- und Flüssigkeitsleitung.
Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 5 erfolgt die Wärmeübertragung von der externen Wärmequelle in den Vergaser durch zwei physikalisch getrennte in Reihe geschaltete Wärmeträgerkreisläufe mit Phasenwechsel. Auf diese Weise kann der erste Wärmeträgerkreislauf bzw. das zugehörige Wärmerohr hinsichtlich der Wärmeaufnahme in der Wärmequelle optimiert werden, während der zweite Wärmeträgerkreislauf bzw. das zugehörige Wärmerohr hinsichtlich der Wärmeabgabe in dem Vergaser optimiert werden kann.
Als besonders geeignete Kombination haben sich Loop-Wärmerohre mit getrennt verlaufender Dampf- und Flüssigkeitsleitung für die erste Stufe zur Aufnahme der Wärme in der Wärmequelle und gepulste Loop-Wärmerohre mit gemeinsamer Dampf/Flüssigkeitsleitung für die Abgabe der Wärme im Vergaser herausgestellt - Anspruch 6 und 7.
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 10 werden zum einen die Pyrolysereste aus dem Vergaser thermisch verwertet und zum anderen kann dadurch die vollständige Brennstoffzufuhr in die Wirbelschicht-Brennkammer erfolgen. Eine zusätzliche Zuführung von Brennstoff in die Wirbelschicht-Brennkammer ist mit Ausnahme des Anfahrens nicht mehr notwendig.
Aufgrund der hohen Betriebstemperaturen eigenen sich besonders Alkalimetalle und deren Legierungen, z. B. Na, K, NaK, als Wärmeträgermedium in den Loop-Wärmerohren.
Die übrigen Unteransprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergaben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Zeichnung.
Es zeigt

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Highterm-Reformers gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine schematisch Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung im Highterm-Reformer;
Fig. 3 eine erste Ausführungsform des Hochtemperatur-Wärmeträgerkreislaufes im Highterm-Reformer in Form eines mittels Kapillarstruktur gepulsten Loop-Wärmerohrs, CPL;
Fig. 4 eine zweite Ausführungsform des Hochtemperatur-Wärmeträgerkreislaufes in Form eines Loop-Wärmerohrs, LHP;
Fig. 5 das Druck-Temperatur-Zustandsdiagramm zu dem LHP nach Fig. 4;
Fig. 6 eine zweite Ausführungsform des Highterm-Reformers gemäß der vorliegenden Erfindung mit zwei physikalisch getrennten Wärmeträgerkreisläufen;
Fig. 7 ein gepulstes Loop-Wärmerohr, CLPHP, wie es in dem Highterm-Reformer nach Fig. 7 als zweiter Wärmeträgerkreislauf verwendet wird;
Fig. 8 eine beispielhafte Ausgestaltung der Wasserstoff-Abscheideeinrichtung Highterm-Reformers;
Fig. 9 eine dritte Ausführungsform des Highterm-Reformers gemäß der vorliegenden Erfindung mit Vergaser und Brennkammer in einem gemeinsamen Behälter; und
Fig. 10 eine dritte Ausführungsform des Hochtemperatur-Wärmeträgerkreislaufes in Form von Tauch-Loop-Wärmerohren.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Highterm-Reformes gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Highterm-Refomer umfasst einen druckaufgelandenen Vergaser bzw. Reformer 2 und eine externe Wärmequelle in Form einer Brennkammer 4. Der Vergaser 2 umfasst einen Vergaserdruckbehälter 6, ein Zuführeinrichtung 8 für Brennstoff, eine Wasser bzw. Wasserdampfzuführung 10 und eine Produktgasableitung 12. Bei einer Temperatur von 800°C bis 900°C wird durch allotherme Wasserdampfvergasung aus kohlenstoffhaltigen Brennstoffen in bekannter Weise Produktgas erzeugt. Der Vergaser 2 und die externe Wärmequelle 4 sind über einen Wärmeträgerkreislauf bzw. einem Loop-Wärmerohr 14 miteinander verbunden. Der Wärmeträgerkreislauf bzw. das Loop-Wärmerohr 14 umfassen eine Wärme aufnehmende Seite 16 und eine Wärme abgebende Seite 18, die über eine Dampfleitung 20 für dampfförmiges Wärmeträgermedium und eine Flüssigkeitsleitung 22 für flüssiges Wärmeträgermedium miteinander verbunden sind. Über eine Schleuse 24 ist der Vergaser 2 mit der Wärmequelle 4 verbunden. Über die Schleuse 24 werden Pyrolysereste aus dem Vergaser 2 der Brennkammer 4 als Brennstoff zugeführt. Die Brennkammer 4 weist noch eine Luftzuführung 26 und einen Rauchgasabzug 28 auf. In die Flüssigkeitsleitung 22 ist zwischen Vergaser 2 und Brennkammer 4 eine Wasserstoff-Abscheideeinrichtung 30 angeordnet.
Durch Verbrennung der Pyrolyserreste aus dem Vergaser 2 und/oder durch Verbrennung von zusätzlichem Brennstoff wird in der Brennkammer 4 Wärme erzeugt, die durch die Wärme aufnehmende Seite 16 des Loop-Wärmerohrs 14 dadurch aufgenommen wird, dass das über die Flüssigkeitsleitung 22 zugeführtes flüssiges Wärmeträgermedium verdampft. Das dampfförmige Wärmeträgermedium strömt über die Dampfleitung 20 in den Vergaser, kondensiert in der Wärme abgebenden Seite 18 des Loop-Wärmerohrs 14 und stellt dadurch die für die allotherme Wasserdampfvergsung notwendige Hochtemperaturwärme Wärme bereit. Das verflüssigte Wärmeträgermedium wird über die Flüssigkeitsleitung 22 zusammen mit im Vergaser in den Wärmeträgerkreislauf 14 eindiffundiertem Wasserstoff der Wasserstoff-Abscheideeinrichtung 30 zugeführt. Durch die Wasserstoff-Abscheideeinrichtung 30 wird der Wasserstoff und auch andere Fremdstoffe von dem flüssigen Wärmeträgermittel abgetrennt und das verbleibende flüssige Wärmeträgermedium wird wieder der Brennkammer 4 zugeführt, so dass der Wärmeträgerkreislauf geschlossen ist. Aufgrund der hohen Temperaturen werden Alkalimetalle oder Legierungen davon, z. B. Na, K oder NaK, verwendet.
Fig. 2 zeigt schematisch eine erste, konkrete Ausführungsform der Erfindung, wobei für einander entsprechende Komponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet werden. Die Brennkammer 4 ist eine Wirbelschicht-Brennkammer mit zirkulierender Wirbelschicht 32. Die Brennkammer 4 umfasst ein Steigrohr 34, einen Zyklon 36 sowie eine Schleuse 38 und ein Fliesbett 40, die zurück in das Steigrohr 34 führen. Die Wärme aufnehmende Seite 16 des Loop-Wärmerohrs 14 umfasst einen ersten und einen zweiten Rohrbündelwärmetauscher 42 und 44, die in Reihe geschaltet sind und in denen das flüssige Wärmeträgermedium durch Aufnahme von Wärme verdampft wird. Die Wärme abgebende Seite 18 umfasst einen dritten Rohrbündelwärmetauscher 46 in dem das dampfförmige Wärmetauschermedium durch Abgabe der zuvor aufgenommenen Wärme wieder kondensiert.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 hat die Brennkammer 4 im Vergleich zum sogenannten Heatpipe-Reformer nach der EP 1 187 892 B1 keinerlei Einschränkung in der Bauweise und Betriebsweise. Somit können sämtliche konstruktive und betriebliche Parameter optimal an die Anforderungen der Hochtemperatur-Wärmebereitstellung angepasst werden. Der Einsatz der zirkulierenden Wirbelschicht 32 hat den Vorteil der optimalen Verbrennung im Steigrohr 34 und der optimalen und Material-schonenden Wärmeauskopplung aus dem Fließbett 40- erster Rohrbündelwärmetauscher 42 - und über Membranwände- zweiter Rohrbündelwärmetauscher 44 - in der turbulenten Bodenzone des Steigrohres 34. Hinsichtlich des genauen Aufbaus der Brennkammer 4 mit zirkulierender Wirbelschicht 32 wird auf "Handbook of Fludization and Fluid-Particle Systems", von Wen-Ching Yang, ISBN: 0-8247-0259-X, verwiesen.
Auch der Reformer bzw. Vergaser 2 kann ohne Einschränkungen im Hinblick auf die Brennkammer 4 konzipiert werden, da Brennkammer 4 und Vergaser 2 nicht wie bei dem Heatpipe-Reformer in einem gemeinsamen Behälter angeordnet sind. Die Durchführung der Hochtemperatur-Dampf- und Flüssigkeitsleitung 20, 22 wird an konstruktiv günstige Stellen Vergaserdruckbehälters 6 verlegt. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 werden die Flüssigkeitsleitung 22 und die Dampfleitung 20 seitlich aus dem tonnenförmigen Vergaser 2 geführt. Deckel und Boden des Vergaserdruckbehälters 6 sind frei von der Vielzahl an Heatpipe-Durchführungen, wie sie aus dem Heatpipe-Reformer bekannt sind. Es gibt lediglich Schwächungen durch die Wasserdampfzuführung 10 und die Brennstoffzufuhr 8, sowie Produktgasableitung 12 und Schleuse 24 zum Abführen von Pyrolyserückständen.
Durch eine innen liegende thermische Isolierung des Vergaserdruckbehälters 6 kann die Reaktionstemperatur in dem Vergaser wesentlich höher sein als die Temperaturen an der Wand des Vergaserdruckbehälters. Dadurch werden auch bei Einsatz kostengünstigerer Werkstoffe mit geringeren Wandstärken stabile Konstruktionen erreicht.
Die Pyrolysereste des Vergasers 2 können über die Schleuse 24 direkt in der Brennkammer 4 verwertet werden. Bei günstiger Prozessführung reichen die Pyrolysereste aus, um den Brennstoffbedarf der Brennkammer 4 zu decken. Produktgas-Leckageströme über die Schleuse 24 können in der Brennkammer 4 sicher und vollständig abgebrannt werden.
Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsform des Hochtemperatur-Wärmeträgerkreislaufes im Highterm-Reformer in Form eines mittels Kapillarstruktur gepumptes Loop-Wärmerohr 500 (Capillary Pumped Loop CPL), wie es aus der Veröffentlichung, Heat Pipe Science and Technology, Amir Fahgri, 1995, Seite 583 bekannt ist. Die CPL 500 umfasst eine Wärme aufnehmende Seite bzw. einen Verdampfer 516 und eine Wärme abgebende Seite bzw. einen Kondensator 518. Verdampfer 516 und Kondensator 518 sind über eine Dampfsammelleitung 520 für dampfförmiges Wärmeträgermedium und eine Flüssigkeitssammelleitung 522 für flüssiges Wärmeträgermedium miteinander verbunden. Dampfsammelleitung 520 und Flüssigkeitssammelleitung 522 verlaufen räumlich getrennt voneinander. Sowohl der Verdampfer 516 als auch der Kondensator 518 bestehen aus mehreren identischen und parallel geschalteten Verdampfer- 524 bzw. Kondensatorelementen 526. Die Verdampferelemente 524 weisen eine Kapillarstruktur 528 auf, über die flüssiges Wärmeträgermedium durch Aufnahme von Wärme verdampft wird. In den Kondensatorelementen 526 kondensiert das Wärmeträgermedium unter Abgabe von Wärme wieder.
Die Flüssigkeitssammelleitung 522 ist über eine Ausgleichsleitung 530 mit einem Ausgleichsbehälter 532 verbunden. Der Ausgleichsbehälter 532 sorgt für einen stetigen Füllstand in der Flüssigkeitssammelleitung 522. Das flüssige strömt aufgrund eines geringen Temperaturgefälles und damit auch Druckgefälles in die Flüssigkeitsammelleitung 522 zurück. Die im Verdampfer 516 (Brennkammer 4) aufgenommene Verdampfungsenthalpie wird somit wieder im Kondensator 518 (Vergaser 2) abgegeben.
In die Flüssigkeitssammelleitung 522 wird die Wasserstoff-Abscheideeinrichtung integriert (in Fig. 3 nicht eingezeichnet).
Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform des Hochtemperatur-Wärmeträgerkreislaufes im Highterm-Reformer in Form eines Loop-Wärmerohr 600 (Loop Heat Pipe LHP), wie es aus der Veröffentlichung, Heat Pipe Science and Technology, Amir Fahgri, 1995, Seite 586 bekannt ist. Das LHP 600 umfasst eine Wärme aufnehmende Seite bzw. einen Verdampfer 616 und eine Wärme abgebende Seite bzw. einen Kondensator 618. Verdampfer 616 und Kondensator 618 sind über eine Dampfleitung 620 für dampfförmiges Wärmeträgermedium und eine Flüssigkeitsleitung 622 für flüssiges Wärmeträgermedium miteinander verbunden. Dampfleitung 620 und Flüssigkeitsleitung 622 verlaufen räumlich getrennt voneinander. Im Verdampfer 616 ist eine Kapillarstruktur 628 angeordnet, durch die flüssiges Wärmeträgermedium durch Aufnahme von Wärme verdampft wird. In dem Kondensator 618 kondensiert das Wärmeträgermedium unter Abgabe von Wärme wieder.
Im Zustand 1 - Fig. 5 - befindet sich das Wärmeträgermedium im flüssig-Dampf-Gleichgewicht (f-d-GGW) und wird in Zustand 2 im Verdampfer 616 überhitzt. Vom Zustand 2 nach 3 sinkt der Druck aufgrund von Strömungsverlusten. Zustand 3 über 4 nach 5 zeigt die vollständige Kondensation inkl. Unterkühlung des Kondensats (Zustand 5). Im Zustand 6 befindet sich das Wärmeträgermedium im oberen Bereich des Verdampfers 616 und wird durch den Verdampfer 616 auf Zustand 7 erwärmt (f-d-GGW) und im unteren Bereich des Verdampfer 616 dann auf die Temperatur 8 überhitzt. Für die bestimmungsgemäße Funktion der LHP 600 ist es notwendig, dass die Kapillardruckdifferenz in der Kapillarstruktur 628 größer als die Summe der Druckverluste von der Dampf- und Flüssigkeitsströmung, der Kapillarstruktur 628 und dem hydrostatischem Druck ist. D. h. es muss gelten: $(Δ p_{cap}) {}_{\max}\geq Δ p_{υ} + Δ p_{ℓ} + Δ p_{ω} + Δ p_{g} .$
Ein derartiges Loop-Wärmerohr ist auch aus der WO/2003/054469 bekannt.
Fig. 6 zeigt eine zweite Ausführungsform des Highterm-Reformers gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem zweistufigen Hochtemperatur-Wärmeträgerkreislauf 700. Der Hochtemperatur-Wärmeträgerkreislauf 700 umfasst einen primären Wärmeträgerkreislauf 701 und einen sekundären Wärmeträgerkreislauf 702. Der primäre Wärmeträgerkreislauf 701 umfasst eine Wärme aufnehmende Seite 716 und eine Wärme abgebende Seite 718. Die Wärme aufnehmende Seite 716 und die Wärme abgebende Seite 718 sind über eine Dampfleitung 720 für dampfförmiges Wärmeträgermedium und über eine Flüssigkeitsleitung 722 für flüssiges Wärmeträgermedium miteinander verbunden. Dampfleitung 720 und Flüssigkeitsleitung 722 verlaufen räumlich getrennt voneinander. Die Wärme abgebende Seite 716 ist in der Brennkammer angeordnet und die Wärme abgebende Seite 718 ist im Vergaser angeordnet. Der primäre Wärmeträgerkreislauf 701 kann durch die Loop-Wärmerohre 500 und/oder 600 in Fig. 3 und 4 realisiert werden.
Der sekundäre Wärmeträgerkreislauf 702 wird durch ein gepulstes Loop-Wärmerohr (Closed Loop Pulsating Heat Pipe, CLPHP) realisiert, wie es in Fig. 7 dargestellt ist. Das CLPHP 702 weist eine Wärme aufnehmende Seite 736 und eine Wärme abgebende Seite 738 auf. Die Wärme aufnehmende Seite 736 und die Wärme abgebende Seite 738 sind über eine geschlossene, mäanderförmig verlaufende Dampf/Flüssigkeitsleitung 740 miteinander verbunden. Sowohl die Wärme abgebende Seite 736 als auch die Wärme abgebende Seite der CLPHP 702 ist in dem Vergaserdruckbehälter 706 angeordnet. Die Wärme aufnehmende Seite 736 des CLPHP 702 ist in die Wärme abgebende Seite 718 des primären Wärmeträgerkreislaufes 701 integriert.
Bei geschlossenen gepulsten Loop-Wärmerohr 702 wird das Wärmeträgermedium abwechselnd über die Dampf/Flüssigkeitsleitung 740 vom Verdampfer 736 in den Kondensator 738 geleitet. Durch eine Temperaturdifferenz entsteht eine Druckdifferenz, die das ganze System gepulst strömen lässt. Dadurch wird es möglich Wasserstoffpolster und andere Inertgase konvektiv abzutransportieren und an geeigneter Stelle, z. B. an der Oberseite des Kondensators 738 über eine Entgasung 730 abzuziehen.
Nachfolgend wird anhand von Fig. 8 eine beispielhafte Ausführungsform Wasserstoff-Abscheideinrichtung bzw. Entgasungseinrichtung 30, 730, 830 beschreiben. Ein Vorteil des zweifachen Wärmeträgerkreislaufes besteht darin, dass durch die Entkopplung des pulsierenden sekundären Wärmeträgerreislaufs von der Brennkammer 4 bei Leckagen weniger Wärmträgermedium austreten kann.
Fertigungstechnisch bedingt kann sich im Alkali-Flüssig-Dampf-Kreislauf Inertgas befinden. Während des Betriebs diffundiert Wasserstoff in den Kreislauf ein. Die Folgen einer Ansammlung von Inertgasen im System sind vielfältig und wirken sich je nach Kreislauf-System (CPL, LHP,...) unterschiedlich stark aus:

Ansammlungen von Inertgasen können zur Beeinträchtigung des bestimmungsgemäßen Betriebs führen. Beispielsweise führen Inertgasansammlungen in Rohrkrümmungen zur Unterbrechung der Strömung und damit zur Unterbrechung der Wärmeübertragung. Eine lokale Überhitzung im Verdampferteil könnte die Folge sein.
Eine permanente Eindiffusion von Wasserstoff führt zu einem steigenden Gesamtdruck im System. Dadurch kann, je nach System, auch der Dampfdruck von Alkali-Metall beeinflusst werden und damit auch die Verdampfungstemperatur. Mit Hilfe einer Entgasungsvorrichtung könnte es möglich sein die Verdampfungstemperatur des Alkali-Metall-Kreislaufs zu beeinflussen.

Die Entgasungsvorrichtung bzw. Wasserstoff-Abscheideeinrichtung 30 für einen Alkalimetall flüssig-Dampfkreislauf muss daher folgende Randbedingungen erfüllen:

1. Die Medienberührenden Armaturen müssen beständig gegen Alkalimetalle, Wasserstoff und ggf. Alkalihydroxide (Laugen) sein. Desweiteren müssen die Armaturen Temperaturbeständig sein.
2. Absperr-Armaturen und (Überdruck-)Ventile müssen über einen großen Temperaturbereich vakuumdicht sein.
3. Die Entgasungsvorrichtung muss gewährleisten, dass kein Wärmeträgermedium (Alkalimetall) ausgeschleust wird. Daher muss eine zuverlässige Gas-Flüssig-Trennung gesichert sein. Folglich muss auch eine Kondensatableitung vorgesehen werden.
4. Je nach eingesetztem Wärmeübertragermedium muss dessen Erstarrung im Entgasungsbereich vermieden werden.

Fig. 8 zeigt einen beispielhaften Aufbau der Wasserstoff-Abscheideeinrichtung 30 wie sie in den verschiedenen Ausführungsformen des Highterm-Reformers eingesetzt werden kann. Die Wasserstoff-Abscheideeinrichtung 30 in der Flüssigkeitsleitung 22, 522, 622, 722 umfasst einen Sammelbehälter 300 in dem sich ein Flüssigkeitspegel eingestellt ist. Der Sammelbehälter 300 weist einen Gasdom 302 auf, in dem sich dampfförmiges Wärmeträgermedium befindet und in dem sich Wasserstoff und andere Inertgase sammeln. Aus diesem Gasdom 302 zweigt eine Stichleitung 304 ab, die in einen Bereich mit tieferen Temperaturen führt in einer Schleuseneinrichtung 306 endet. Dadurch können für die Ventile 308, 310, 312, 314 beispielsweise Materialien wie EPDM (bis ca. 150°C) etc. eingesetzt werden. Die Temperatur der Stichleitung 304 ist ausschlaggebend für den Dampfdruck des Wärmeträgermediums. Eine lange Stichleitung 304 führt daher zu einer Inertgas-Wärmeträger-Trennung. Die Temperatur der Stichleitung 304 darf nicht unterhalb der Erstarrungstemperatur des Wärmeträgermediums liegen, um ein Verstopfen der Stichleitung 304 zu verhindern.
Durch die Entgasung ist eine Druck und damit auch eine Temperaturregelung möglich. Die Drucksensitivität des Systems ist, wie bereits erwähnt, stark von dem Kreislaufsystem abhängig.
Die Schleuseneinrichtung 306 zur Entgasung besteht aus 4 Ventilen 308, 310, 312, 314 wobei jeweils das erste und zweite Ventile 308, 310 und das dritte und vierte Ventil , 312, 314 in Reihe und die zwei Reihenpaare 308, 310 und 312, 314 parallel geschaltet sind. Durch die Parallelschaltung ergibt sich ein redundantes Schleusensystem. Das Entgasungssystem bzw. die Wasserstoff-Abscheideeinrichtung 30 sollte möglichst an der kühlsten Stelle des Wärmeträgerkreislaufes installiert werden. Eine Vakuumpumpe - nicht dargestellt - erzeugt bei geschlossenem Ventil 308 oder 312 und geöffnetem Ventil 310 oder 314 ein Vakuum, dann wird Ventil 310 oder 314 geschlossen und Ventil 308 bzw. 312 geöffnet und wieder geschlossen. Daraufhin beginnt dieser Zyklus erneut. Auf diese Weise wird Wasserstoff und andere Inertgase aus dem Wärmeträgerkreislauf ausgeschieden.
Fig. 9 zeigt eine dritte Ausführungsform des Highterm-Reformers mit einer Wirbelschicht-Brennkammer 804 und einem Vergaser bzw. Reformer 802. Der Vergaser 802 umfasst einen Vergaserdruckbehälter 806, der zusammen mit der Wirbelschicht-Brennkammer 804 in einem gemeinsamen Reaktorbehälter 805 angeordnet ist. Als Hochtemperatur-Wärmekreislauf zur Übertragung der Wärme aus der Wirbelschicht-Brennkammer 802 in den Vergaser 804 wird eine Loop-Wärmerohre-Einrichtung 814 mit einer Mehrzahl von Loop-Wärmerohren gemäß den Figuren 3 und 4 eingesetzt. Die Mehrzahl der Loop-Wärmerohren werden zu einer Verdampfer-Batterie 816 und einer Kondensator-Baterie 818 zusammengesetzt. Kondensator-Baterie 818 und Verdampferbatterie 816 sind über eine einzige Dampfleitung 820 und über eine einzige Flüssigkeitsleitung 822 miteinander verbunden. Die Verdampfer-Batterie 816 ist in der Wirbelschicht-Brenkammer 804 und die Kondensator-Batterie 818 ist in dem Vergaserdruckbehälter 805 angeordnet. Über ein Entgasungs- und Befüllrohr 830, das aus der Kondensator-Batterie 818 aus dem Vergaserdruckbehälter 806 und den gemeinsamen Reaktorbehälter 805 herausführt, werden Wasserstoff und andere Inertgase abgezogen. Gleichzeitig erfolgt über das Entgasungs- und Befüllrohr 830 die Befüllung der Loop-Wärmerohr-Einrichtung 814 mit Wärmeträgermedium. Der Vorteil dieser dritten Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die Loop-Wärmerohr-Einrichtung 814 in ein bestehendes Reaktordesign integriert werden kann.
Fig. 10 zeigt eine alternative Ausgestaltung eines Wärmerohrs in Form eines sogenannten Tauch-Wärmerohrs 900. Das Tauch-Wärmerohr 900 besteht aus einem Außenrohr 902 mit einem offenen Ende 904 und mit einem geschlossenen Ende 906. Inn dem Außenrohr 902 ist ein beidseitig offenes Innenrohr 908 angeordnet, das ein erstes offenes Ende 910 und ein zweites offenes Ende 912 aufweist. Über das offene Ende 904 des Außenrohres 902 strömt dampfförmiges Wärmeträgermedium ein und kondensiert auf dem Weg nach unten zum geschlossenen Ende 906 des Außenrohres 902. Das kondensierte Wärmeträgermittel strömt durch das erste offene Ende 910 des Innenrohres 908 wieder nach oben und wird über das zweite offene Ende 912 des Innenrohres 908 aus dem Tauch-Wärmerohr 900 abgeführt. Ein entsprechendes Druckgefälle ist notwendig um das Wärmeträgermedium-Kondensat wieder aufwärts zu fördern. Die Zuführung von dampfförmigem Wärmeträgermedium über das offene Ende 904 des Außenrohres 902 und die Ableitung des flüssigen Wärmeträgermediums über das zweite offene Ende 912 des Innenrohres erfolgt quer zur Längserstreckung von Außen- und Innenrohr 902, 908.
Durch das vorstehend beschrieben Tauch-Wärmerohr 900 können mäanderförmige Wärmeübertrager-Rohrführungen vermieden werden, die in Wirbelschichten, insbesondere im Vergaser problematisch sind, da sie den Aufbau und die Schichtung der Wirbelschicht stören.

Bezugszeichenliste

2: druckaufgelandener Vergaser bzw. Reformer
4: Wärmequelle bzw. Brennkammer
6: Vergaserdruckbehälter
8: Zuführeinrichtung für Brennstoff
10: Wasser- bzw. Wasserdampfzuführung
12: Produktgasableitung
14: Hochtemperatur-Wärmeträgerkreislauf bzw. Loop-Wärmerohr
16: Wärme aufnehmende Seite von 14
18: Wärme abgebende Seite von 14
20: Dampfleitung
22: Flüssigkeitsleitung
24: Schleuse für Pyrolysereste
26: Luftzuführung
28: Rauchgasabzug.
30: Wasserstoff-Abscheideeinrichtung
32: zirkulierende Wirbelschicht
34: Steigrohr
36: Zyklon
38: Schleuse
40: Fließbett
42: erster Rohrbündelwärmetauscher
44: zweiter Rohrbündelwärmetauscher
46: dritter Rohrbündelwärmetauscher

300: Sammelbehälter von 30
302: Gasdom
304: Stichleitung
306: Schleuseneinrichtung
308: erstes Ventil
310: zweites Ventil
312: drittes Ventil
314: viertes Ventil

500: mittels Kapillarstruktur gepumptes Loop-Wärmerohr
516: Wärme aufnehmende Seite bzw. Verdampfer von 500
518: Wärme abgebende Seite bzw. Kondensator von 500
520: Dampfsammelleitung
522: Flüssigkeitssammelleitung
524: Verdampferelement
526: Kondensatorelement
528: Kapillarstruktur von 524
530: Ausgleichsleitung
532: Ausgleichsbehälter

600: Loop-Wärmerohr, LHP
616: Wärme aufnehmende Seite bzw. Verdampfer von 600
618: Wärme abgebende Seite bzw. Kondensator von 600
620: Dampfleitung
622: Flüssigkeitsleitung
628: Kapillarstruktur von 616

700: zweistufiger Hochtemperatur-Wärmeträgerkreislauf
701: primärer Wärmeträgerkreislauf
702: sekundärer Wärmeträgerkreislauf, gepulstes Loop-Wärmerohr, CLPHP
706: Vergaserdruckbehälter
716: Wärme aufnehmende Seite von 701
718: Wärme abgebende Seite von 701
720: Dampfleitung
722: Flüssigkeitsleitung
730: Entgasungseinrichtung
736: Wärme aufnehmende Seite bzw. Verdampfer von 702
738: Wärme abgebende Seite bzw. Kondensator von 702
740: Dampf/Flüssigkeitsleitung

802: Vergaser bzw. Reformer
804: Wirbelschicht-Brennkammer
805: gemeinsamer Reaktorbehälter
806: Vergaserdruckbeälter
814: Loop-Wärmerohr-Einrichtung
816: Verdampfer-Batterie
818: Kondensator-Batterie
820: Dampfleitung
822: Kondensatleitung
830: Entgasungs- und Befüllrohr
900: Tauch-Wärmerohr
902: Außenrohr
904: offenes Ende von 902
906: geschlossenes Ende von 902
908: Innenrohr
910: erstes offenes Ende von 908
912: zweites offenes Ende von 908

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung von brennbarem Produktgas aus kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen durch allotherme Wasserdampfvergasung, mit
- einem druckaufgeladenen Vergaser (2), der einen Vergaserdruckbehälter (6), eine Zuführeinrichtung (8) für die kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe, eine Wasserdampfzuführung (10) und eine Produktgasableitung (12) umfasst,

- einer externen Wärmequelle (4), und

- einer Wärmetransporteinrichtung (14) mit einer Mehrzahl von Wärmerohren durch die Wärme durch ein einen Phasenwechsel durchlaufendes Wärmeträgermedium aus der externen Wärmequelle (4) in den Vergaser (2) transportiert wird,
wobei die Wärmerohre (14) eine Wärme abgebende Seite (18), die in dem Vergaser (2) angeordnet ist, und eine Wärme aufnehmende Seite (16), die in der externen Wärmequelle (4) angeordnet ist, umfassen,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mehrzahl der Wärmerohre (14) Loop-Wärmerohre (500; 600; 701, 702; 814) sind, deren Wärme aufnehmende (16; 516; 616; 716; 816) und Wärme abgebende Seiten (18; 518; 618; 738; 818) über eine Flüssigkeitsleitung (22; 522; 622; 722; 822) für flüssiges Wärmeträgermedium und über eine Dampfleitung (20; 520; 620; 720; 820) für dampfförmiges Wärmeträgermedium miteinander verbunden sind, dass die Flüssigkeits- und Dampfleitungen einzelner Loop-Wärmerohre (500; 600; 701, 702; 814) zu gemeinsamen Flüssigkeits- und Dampfleitungen (22; 522; 622; 722; 822; 20; 520; 620; 720; 820) zusammengefasst sind und
dass die gemeinsamen Flüssigkeitsleitungen (22; 522; 622; 722; 822) und die gemeinsamen Dampfleitungen (20; 520; 620; 720; 820) räumlich getrennte Leitungen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Flüssigkeitsleitungen (22; 522; 622; 722; 822) der Loop-Wärmerohre (500; 600; 701, 702; 814) eine Wasserstoff-Abscheideeinrichtung (30; 532; 730; 830) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetransporteinrichtung (14) wenigstens ein mittels Kapillarstruktur (528; 628) gepumptes Loop-Wärmerohr (500; 600; 701)umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetransporteinrichtung (14) wenigstens ein Tauch-Loop-Wärmerohr (900) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Wärmetransporteinrichtung (14) wenigstens ein erstes Loop-Wärmerohr (701) umfasst, das eine Dampfleitung (720) für dampfförmiges Wärmeträgermedium und eine Flüssigkeitsleitung (722) für flüssiges Wärmeträgermedium aufweist, wobei Dampf- und Flüssigkeitsleitung räumlich getrennt voneinander angeordnet sind,
dass die Wärmetransporteinrichtung (14) wenigstens ein zweites Wärmerohr (702) aufweist,
dass die beiden Wärmerohre (701, 702) jeweils eine Wärme abgebende Seite (718, 738) und eine Wärme aufnehmende Seite (716, 736) aufweisen,
dass die Wärme aufnehmende Seite (716) des wenigstens einen ersten Loop-Wärmeohrs (701) in der externen Wärmequelle (4) angeordnet ist, und
dass die Wärme abgebende Seite (718) des wenigstens einen ersten Loop-Wärmerohrs (701) thermisch in die Wärme aufnehmende Seite (736) des wenigstens einen zweiten Wärmerohrs (702) integriert ist, und
dass die Wärme abgebende Seite (738) des wenigstens einen zweiten Wärmerohrs (702) in dem Vergaserdruckbehälter (706) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine zweite Wärmerohr (702) ein gepulstes Loop-Wärmerohr ist, das eine gemeinsame Dampf/Flüssigkeitsleitung (740) aufweist und das in dem Vergaserdruckbehälter (706) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Dampf/Flüssigkeitsleitung (740) mäanderförmig ausgebildet ist, dass die Wärme abgebende Seite (738) des gepulsten Loop-Wärmerohrs (702) im oberen Bereich des Vergaserdruckbehälters (706) angeordnet ist, und dass die Wärme aufnehmende Seite (736) im Bodenbereich des Vergaserdruckbehälters (706) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Wärmequelle (4) eine Wirbelschicht-Brennkammer ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergaser (2) als Wirbelschicht-Vergaser ausgelegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergaserdruckbehälter (6) über eine Schleuse (24) für Pyrolysereste mit der Wirbelschicht-Brennkammer (4) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass Wirbelschicht-Vergaser (802) und Wrbelschicht-Brennkammer (804) in einem gemeinsamen Behälter (805) angeordnet sind.