EP4048630A1 - Method for producing highly pure hydrogen by coupling pyrolysis of hydrocarbons with electrochemical hydrogen separation - Google Patents

Method for producing highly pure hydrogen by coupling pyrolysis of hydrocarbons with electrochemical hydrogen separation

Info

Publication number
EP4048630A1
EP4048630A1 EP20789174.8A EP20789174A EP4048630A1 EP 4048630 A1 EP4048630 A1 EP 4048630A1 EP 20789174 A EP20789174 A EP 20789174A EP 4048630 A1 EP4048630 A1 EP 4048630A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
hydrogen
bed
pyrolysis
carbon
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20789174.8A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Carsten HENSCHEL
Andreas Fuessl
Otto Machhammer
Sigmar Braeuninger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BASF SE
Original Assignee
BASF SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BASF SE filed Critical BASF SE
Publication of EP4048630A1 publication Critical patent/EP4048630A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/22Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds
    • C01B3/24Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds of hydrocarbons
    • C01B3/28Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds of hydrocarbons using moving solid particles
    • C01B3/30Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds of hydrocarbons using moving solid particles using the fluidised bed technique
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/32Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by electrical effects other than those provided for in group B01D61/00
    • B01D53/326Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by electrical effects other than those provided for in group B01D61/00 in electrochemical cells
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/22Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds
    • C01B3/24Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds of hydrocarbons
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C01B3/501Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by diffusion
    • C01B3/503Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by diffusion characterised by the membrane
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/05Preparation or purification of carbon not covered by groups C01B32/15, C01B32/20, C01B32/25, C01B32/30
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01Products
    • C25B1/02Hydrogen or oxygen
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2256/00Main component in the product gas stream after treatment
    • B01D2256/16Hydrogen
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0266Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a decomposition step
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0266Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a decomposition step
    • C01B2203/0272Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a decomposition step containing a non-catalytic decomposition step
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0283Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a CO-shift step, i.e. a water gas shift step
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0405Purification by membrane separation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465Composition of the impurity
    • C01B2203/048Composition of the impurity the impurity being an organic compound
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06Integration with other chemical processes
    • C01B2203/066Integration with other chemical processes with fuel cells
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0811Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0833Heating by indirect heat exchange with hot fluids, other than combustion gases, product gases or non-combustive exothermic reaction product gases
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0861Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by plasma
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0872Methods of cooling
    • C01B2203/0883Methods of cooling by indirect heat exchange
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02CCAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
    • Y02C20/00Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/30Capture or disposal of greenhouse gases of perfluorocarbons [PFC], hydrofluorocarbons [HFC] or sulfur hexafluoride [SF6]
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology

Definitions

  • the present invention includes a process for the production of hydrogen, which is characterized in that in a first stage hydrocarbons are decomposed into solid carbon and into a hydrogen-containing, gaseous product mixture, the hydrogen-containing, gaseous product mixture, which has a composition with regard to the main components CH4 , N2 and H2 from 20 to 95% by volume of H2 and 80 to 5% by volume of CH4 and / or N2, is discharged from the first stage at a temperature of 50 to 300 ° C and at a temperature, which differs from this outlet temperature by a maximum of 100 ° C, is fed into an electrochemical separation process and in this second stage the hydrogen-containing product mixture in the electrochemical separation process at a temperature of 50 to 200 ° C in hydrogen with a purity of> 99 , 99 vol .-% and a remaining residual gas mixture is separated.
  • Hydrogen offers the desired prerequisites to become a key factor for the energy supply of the future.
  • the transport sector in particular is facing the great challenge of becoming more climate-friendly. In Germany, traffic is responsible for almost 20 percent of total CO2 emissions, a good half of which is accounted for by private transport.
  • the transport sector can reduce its dependence on petroleum-based fuels.
  • hydrogen is being introduced as a new fuel that does not produce any local pollutants when used with fuel cell technology.
  • Hydrogen is currently mainly produced locally in comparatively large Steam-Methane Reforming (SMR) production units and the hydrogen is separated from the gas mixtures produced by means of pressure swing adsorption.
  • the pressure swing adsorption technology is limited to hydrogen-rich gases (depending on the accompanying gases, preferably> 50% by volume); Furthermore, only 70 to 85% of the hydrogen is separated off, the remaining hydrogen being required for the desorption of the accompanying components.
  • the separated hydrogen is liquefied or compressed and by means of appropriate Transport vehicles with high pressure tanks (500 bar) brought to the place where it is needed, for example a hydrogen filling station.
  • electrolysis is a membrane process and, because of its low economy-of-scale (cost advantages due to the size of the company), is more suitable for small systems than for large ones.
  • the reason for the limited economy-of-scale is the direct dependence of the capacity on the electrochemically active surface, which in turn translates into a corresponding number of membrane-electrode units and stacks.
  • the electrolytic splitting of water into hydrogen and oxygen requires at least 6 times as much energy as the thermal splitting of hydrocarbons into hydrogen and carbon. In the case of electrolysis, this energy must be made available in the form of electricity. Even with a small carbon footprint of the electricity generated, electrolysis hydrogen is associated with a higher carbon footprint than pyrolysis hydrogen [O. Machhammer, A. Bode, W. Hormuth, “Financial and Ecological Evaluation of Hydrogen Production Processes on Large Scale”, Chem. Ing. Tech. 2015, 87, no. 4, 409]
  • system factor In world-scale systems, the system factor is in the order of three. Will the production capacity be reduced by the If the system concept remains the same and smaller machines and devices are used, the system factor can increase to 10.
  • Pyrolysis is a thermal process with the help of which hydrogen and high-purity carbon can be produced from hydrocarbons (e.g. from natural gas) with a low carbon footprint. Pyrolysis is a thermal equilibrium process that requires energy. Since the number of moles in the gas phase increases with the conversion, the conversion is higher the higher the temperature and the lower the H2 partial pressure. The pyrolysis of hydrocarbons therefore takes place at high temperatures in the range of 800 and 1600 ° C; in the case of high-temperature plasma processes even more.
  • the carbon (pyrolysis carbon) is obtained in a highly pure form and can be used in high-price segments, e.g. as electrode material or as a preliminary product for the production of graphite for Li-ion batteries.
  • a gaseous heat transfer medium is proposed in WO2013 / 004398A2. This is preferably an H2 or N2-rich gas that is heated in an external combustion chamber and introduced into the pyrolysis zone.
  • US2982622 describes a resistance heated fluidized bed process.
  • the electrical conductivity of carbon is used to resistively heat a fluidized bed made of carbon particles.
  • the process is implemented in a moving bed reactor, with the solid particles following gravity from top to bottom and the natural gas to be split being passed through the reactor from bottom to top.
  • WO2018 / 083002 A1 describes a cyclical mode of operation with a combination of a reactor and a regenerator. Carrier particles are cycled through the reactor.
  • the regenerator is filled with inert material.
  • the reactor and regenerator are connected to one another via a combustion chamber in which part of the pyrolytically generated hydrogen is burned with air or O2 to cover the required energy. With this current conduction, all products leave the apparatus in a cooled state.
  • thermocatalytic decomposition of methane [Smolinka, T .; Günther, M. (Fraunhofer ISE); Garche, J. (FCBAT): NOW study “Stand und Development potential of water electrolysis for the production of hydrogen from renewable energies ", revision of 05.07.2011], the purely thermal decomposition of methane in liquid metals [AM Bazzanella, F. Ausfelder," Low carbon energy and feedstock for the European chemical industry ”, DECH EM A-Technology study, June 20172]
  • the electrochemical hydrogen separation (EHS) is an electrochemical process that relies on the transport of protons (H + ions) through ion-conductive membranes and represents a new application of fuel cell technology (see WO 2016/50500 and WO 2010/115786).
  • the hydrogen-containing mixture enters the anodic chamber, where it is oxidized to protons and electrons.
  • An electrical power supply provides the driving force to transport the protons through the catalyzed membrane, where they combine to form "new" hydrogen at the cathode (also known as "developing the hydrogen” at the electrode) Protons are transported, the other components of the gas mixture remain in the exhaust system.
  • the EHS is therefore able to produce hydrogen with a high degree of purity (> 99.99% H2).
  • This high degree of purity as is necessary for fuel cells, for example other H2 separation processes, e.g. cryogenic gas separation (cold box), pressure swing adsorption (PSA), temperature swing adsorption (TSA) and conventional membrane separation technology with hydrogen-selective metal membranes (e.g. palladium, palladium alloys), only with very expensive.
  • Adsorption processes such as PSA or TSA are based, among other things, on the effect that substances can be adsorbed better the easier they condense. Since hydrogen has the lowest tendency to condense of all gases, all gas components are adsorbed in front of it, i.e. separated from the gas flow. This relationship between condensation or temperature and adsorption tendency explains why it is easier to separate C02 or CH4 from H2 than 02 or N2.
  • the sequence of the boiling temperatures at ambient pressure is: C02 (-78 ° C), CH4 (-162 ° C), 02 (-183 ° C), N2 (-196 ° C), H2 (-252 ° C).
  • the concentration of the accompanying hydrogen components in the pyrolysis product flow is low (e.g. ⁇ approx. 25 mol%) and the accompanying components are easily adsorbed in the product flow (eg CH4), hydrogen can then be obtained economically from this product stream with the help of the two separation technologies PSA or TSA in a purity of up to 99.9%.
  • the EHS is the more economical separation method.
  • the EHS process is a surface process, as the membrane area of a single cell is limited to 25 to 3000 cm 2 .
  • An increase in capacity can only be achieved by increasing the number of cells. This means that a plant with a large capacity is specifically not significantly cheaper than a plant with a small capacity. In other words: the EHS only has a small economy-of-scale. For the profitability of the EHS, it is also irrelevant how well the accompanying components can be condensed.
  • the challenge for the future lies, among other things, in the development of small, flexible and cost-effective systems that can be installed directly on site, e.g. B. installed at the hydrogen filling station, short-term and possibly transient high-purity hydrogen, especially with a low CO2 footprint, can be generated.
  • a process concept is therefore sought that, despite a small production capacity, has a small system factor and thus has a low specific investment. Furthermore, the process concept should accommodate as many process steps as possible in a few apparatuses and have the lowest possible specific heat transfer capacity.
  • Process for the production of hydrogen characterized in that in a first stage hydrocarbons are decomposed into solid carbon and into a hydrogen-containing, gaseous product mixture, the hydrogen-containing, gaseous product mixture, which has a composition with regard to the main components CH4, N2 and H2 from 20 to 95% by volume of H2 and 80 to 5% by volume of CH4 and / or N2, is discharged from the first stage at a temperature of 50 to 300 ° C and at a temperature that is at most 100 ° C from This exit temperature differs, is fed into an electrochemical separation process and in this second stage the hydrogen-containing product mixture in the electrochemical hydrogen separation membrane process at a temperature of 50 to 200 ° C in hydrogen with a purity of> 99.99% and a remaining residual gas mixture is separated.
  • the hydrogen-containing product mixture is advantageously fed to the anodic side of a membrane-electrode arrangement, then at least part of the hydrogen contained in the product gas is electrochemically separated by means of the membrane-electrode arrangement, with at least one on the anodic side of the membrane Part of the hydrogen is oxidized to protons on an anode catalyst and the protons are reduced to hydrogen after crossing the membrane on the cathode side on the cathode catalyst.
  • Low-cost methane pyrolysis is more productive than the use of decentralized electrolysis, mini-SMR or central H2 production in world-scale systems in conjunction with transport to the gas station.
  • Low-cost pyrolysis is to be understood as a pyrolysis which, due to the combination with an EHS, is subject to lower process-related constraints than a stand-alone pyrolysis.
  • the methane conversion can be lower, preferably 30% to 99.9%, particularly preferably 65% to 99.0%, in particular 85% to 98%.
  • the pyrolysis can be carried out at lower temperatures, preferably from 650 to 1200 °, particularly preferably from 750 to 1100 ° C., preferably from 800 to 1100 ° C., preferably from 900 to 1050 ° C., in particular from 950 to 1050 ° C., higher pressures , preferably at 1 to 30 bar, particularly preferably at 1 to 10 bar, in particular at 1 to 5 bar and / or with shorter residence times of advantageously 1 s-5 min, preferably 1-30 s, in particular 1-5 s become.
  • the reaction temperature is preferably from 1100 to 1200 ° C and the residence time from 1 to 5 s or the reaction temperature from 1000 to 1100 ° C and the residence time from 5 s to 30 s or the reaction temperature from 900 to 1000 ° C and the Residence time at 30 s to 1 minute or the reaction temperature at 750 to 900 ° C and the residence time at 1 to 5 minutes.
  • methane content in the product gas of the pyrolysis has no major influence on the economic efficiency makes it easier to promote the cycle for the pyrolysis carbon, which is necessary for the integration of heat.
  • Methane natural gas
  • leaks between the process areas in the pyrolysis apparatus only play a subordinate role.
  • EHS electrochemical hydrogen separation membrane process
  • the (thermal) decomposition of hydrocarbons to solid carbon and hydrogen-containing, gaseous product mixture all pyrolysis processes known to those skilled in (thermal) decomposition technology can be used.
  • the energy required for the decomposition is preferably made available autothermally, via low-temperature plasma and / or with the aid of electrical resistance heating.
  • the form of the energy input is responsible for the variable costs of thermal decomposition.
  • the sub-stoichiometric combustion of hydrocarbons with air is more favorable in this context than the sub-stoichiometric combustion with pure oxygen or the use of electric current, since some of the hydrocarbons are reformed to CO and not pyrolyzed to carbon.
  • atmospheric nitrogen (N2) in the gas flow lowers the partial pressure of the hydrogen and thereby increases the equilibrium conversion.
  • the hydrogen-containing, gaseous product mixture formed during the decomposition of hydrocarbons advantageously has the following composition with regard to the two main components CH4, N2 and H2 in% by volume: 10 to 99% by volume of H2 and 90 to 1% by volume are advantageous CH4 and / or N2, preferably 20 to 95% by volume of H2 and 80 to 5% by volume of CH4 and / or N2, preferably 40 to 90% by volume of H2 and 60 to 10% by volume of CH4 and / or N2, preferably 65 to 90% by volume of H2 and 35 to 10% by volume of CH4 and / or N2, preferably 80 to 90% by volume of H2 and 20 to 10% by volume of CH4 and / or N2.
  • the pyrolysis carbon is mainly deposited as a compact layer on the carrier surface. If the carrier surface is hotter than the gas volume, this mechanism is reinforced.
  • soot is formed, i.e. a large number of very small pyrolysis carbon particles that can block the entire reactor volume in extreme cases. Soot formation is increased by high gas temperatures and pressures. If soot is formed, for reasons of good heat integration it should be separated from the gas stream at the reaction temperature if possible, for example by: cyclones, filters and / or beds.
  • debris acts like depth filters.
  • the pyrolysis carbon covers the surfaces of the bulk particles and closes the intermediate volumes over time. If the pressure loss over the bed becomes too great, the bed must be replaced with fresh, unoccupied particles.
  • a thermal decomposition of hydrocarbons operated with the aid of low-temperature plasma is known to the person skilled in the art of low-temperature plasma technology and, for example, in “Methane Conversion in Low-Temperature Plasma” by Pushkarev et al in High Energy Chemistry, 2009, Vol. 43, No. 3, pages 156-162.
  • thermal pyrolysis requires high reaction temperatures (> 1000 ° C).
  • the energy required to warm up the gas flow used is in the order of magnitude of the pyrolysis reaction enthalpy. Therefore, the highest possible heat integration is advantageous, so that, for example, the cooling of the hot product streams is used to heat the feed streams.
  • a regenerative heat exchange is advantageous because it opens up the possibility of removing the pyrolysis carbon from the process at the same time as the heat exchange.
  • the temperatures of the pyrolysis process are advantageously between 1000 and 1600.degree. C., in particular between 1100 and 1300.degree.
  • the pressure of the pyrolysis process is preferably 1 to 10 bar, in particular 1 to 5 bar.
  • the thermal conversion is advantageously carried out in the presence of solid support materials, preferably heat transfer materials, on which the carbon formed in the splitting reaction of the hydrocarbons is mainly deposited, in particular greater than 90% of the maximum pyrolysable carbon content.
  • solid supports can be used for regenerative heat integration.
  • the thermal decomposition can advantageously be carried out in a fixed bed, fluidized bed or moving bed reactor, the term “fluidized bed” also being understood to mean a production bed if the solid reactor contents in the reaction zone are at least partially fluidized and above and / or below the Reaction zone the solid contents of the reactor are moving, but no longer fluidized.
  • the carrier is preferably passed through the reaction space as a moving bed, the hydrocarbons to be decomposed being passed in countercurrent to the carrier.
  • the reaction space is advantageously designed as a vertical shaft, possibly as a conical shaft, so that the Movement of the moving bed comes about solely under the action of gravity.
  • the Wan derbett is advantageously homogeneous and evenly flow through.
  • the support materials of this reaction bed are advantageously temperature-resistant in the range from 1000 to 1800.degree. C., preferably from 1300 to 1800.degree. C., particularly preferably from 1500 to 1800.degree. C., in particular from 1600 to 1800.degree.
  • Ceramic carrier particles in particular materials according to DIN EN 60 672-3 such as alkali aluminum silicates, magnesium silicates, titanates, alkaline earth aluminum silicates, aluminum and magnesium silicates, mullite, aluminum oxide, magnesium oxide and / or zirconium oxide are advantageous as temperature-resistant carrier materials .
  • non-standardized ceramic high-performance materials such as quartz glass, silicon carbide, boron carbide and / or nitrides can serve as temperature-resistant carrier materials. These heat transfer materials can have different expansion capacities compared to the carbon deposited on them.
  • a carbon-containing granulate is understood to mean a material which advantageously consists of solid grains.
  • the carbon-containing granules are advantageously spherical.
  • the granulate advantageously has a grain size, ie an equivalent diameter, which can be determined by sieving with a certain mesh size, of 0.05 to 100 mm, preferably 0.1 to 50 mm, more preferably 0.2 to 10 mm, in particular 0, 5 to 5 mm.
  • a large number of different carbon-containing granules can be used.
  • Such granules can consist predominantly of coal, coke, coke breeze and / or mixtures thereof, for example.
  • the carbon-containing granulate can contain 0 to 15% by weight based on the total mass of the granulate, preferably 0 to 5% by weight, of metal, metal oxide and / or ceramic.
  • the ATP is advantageously carried out at temperatures between 500.degree. C. and 1500.degree. C., preferably between 600.degree. C. and 1300.degree. C., particularly preferably between 700.degree. C. and 1200.degree.
  • the pressures are advantageously between 1 and 10 bar, preferably between 1 and 5 bar and particularly preferably between 1 and 3 bar.
  • the temperature can advantageously be lower and thus the turnover can be lower and air can advantageously be used instead of expensive pure oxygen, because neither a high methane content nor a high N2 content in the pyrolysis product gas reduces the profitability of the EHS in contrast to PSA.
  • the temperature is from 650 to 1200 °, preferably from 750 to 1100 ° C, in particular from 800 to 1000 ° C.
  • the pressure is from 1 to 30 bar, particularly preferably from 1 to 10 bar, in particular from 1 to 5 bar.
  • Suitable carrier materials are e.g. ceramic carrier particles, in particular materials according to DIN EN 60 672-3 such as alkali aluminum silicates, magnesium silicates, titanates, alkaline earth aluminum silicates, aluminum and magnesium silicates, mullite, aluminum oxide, magnesium oxide and / or zirconium oxide.
  • non-standardized high-performance ceramic materials such as quartz glass, silicon carbide, boron carbide and / or nitrides can serve as temperature-resistant carrier materials. These heat transfer materials can have different expansion capacities compared to the carbon deposited on them.
  • the use of carbonaceous material as granules is particularly preferred.
  • a carbon-containing granulate is to be understood as a material which advantageously consists of solid grains.
  • the carbon-containing granules are advantageously spherical.
  • the granulate advantageously has a grain size, ie an equivalent diameter, which can be determined by sieving with a certain mesh size, of 0.05 to 100 mm, preferably 0.1 to 50 mm, more preferably 0.2 to 10 mm, in particular 0, 5 to 5 mm.
  • a large number of different carbon-containing granules can be used.
  • Such granules can consist predominantly of coal, coke, coke breeze and / or mixtures thereof, for example.
  • the carbon-containing granulate can contain 0 to 15% by weight based on the total mass of the granulate, preferably 0 to 5% by weight, of metal, metal oxide and / or ceramic.
  • the ATP offers the best prerequisites for low-cost pyrolysis in combination with the EHS:
  • the energy input takes place advantageously through combustion of the educt or product gases with air. This means that neither expensive electricity nor expensive pure oxygen is required for the input of energy needed.
  • a reactor concept is proposed that is based on a revolver principle (FIG. 2).
  • a vertically standing drum (1) which continues to rotate in sections in cycles, is divided into 4 segments (2a-d), for example, by dividing walls that are arranged in a star shape and have good heat-insulating properties.
  • the segments are advantageously open at the bottom and closed at the top by a plate (3) which contains one hole per segment (3a-d).
  • a stationary plate 4 with only 3 holes (4a-c) in the same shape and position as (3a-c) is advantageously located above plate 3.
  • Segment (2d) is advantageously closed at the top because a hole (4d) is missing in this cycle.
  • the holes (4c) and (4b) are advantageously connected via a tube (5, shown dotted), in which the device for the energy input (6c, shown as a lightning bolt) can advantageously be located.
  • the energy input can alternatively also take place in that a hot gas is generated outside the tube in, for example, a burner (6a) or in a plasma generator (6b), which gas is then advantageously introduced into the tube 5.
  • a tube (7, also shown dotted) advantageously opens into hole (4a) which is above hole (3a).
  • Particles (P1) also called carrier material, are advantageously fed to segment (2a) through pipe (7), which act as depth filters for separating the pyrolysis carbon and / or as regenerators for heat integration.
  • the segments (2a-c), which are advantageously open at the bottom and rotate in sections, are advantageously closed at the bottom by a fixed plate (8) to such an extent that advantageously no particles can get into the space (9) below.
  • Plate (8) advantageously only has a corresponding opening (8d) for segment (2d).
  • the particles (P2) can advantageously pass from segment (2d) into the space (9) below.
  • Plate (8) advantageously has pipe feeds (10b and 10c, shown dotted) under the two segments (2b) and (2a). These pipe feeds are advantageously designed in such a way that, although gases can flow into the segments, no particles can get into the pipes from the segments. This can be achieved, for example, with a close-meshed screen mesh. From pipe (10b) cold pyrolysis product gas (G4) is advantageously withdrawn from segment (2b) and cold feed gas (G1) advantageously flows through pipe (10c) into segment (2c).
  • the individual segments (2a-d) are drawn in a linear row in order to illustrate what is happening in the individual segments at any point in time.
  • a dark background means that the segment or the particles in it are cold.
  • a light background means that the segment or the particles in it are hot.
  • the transitions from dark to light or light to dark represent moving temperature fronts.
  • the arrows (Tb) and (Tc) indicate the direction of migration of the temperature fronts.
  • Segment (2a) is located under the pipe (7) and is filled with fresh particles (P1). • In segment (2b) the hot reaction gas (G3) is passed from the pipe (5), which heats the fresh and still cold particles to the reaction temperature.
  • the hot reaction gas (G3) can contain pyrolysis soot formed as soon as it enters segment (2c). According to the invention, the greater part of the pyrolysis reaction takes place in segment (2b).
  • Segment (2d) is located above the opening (8d) so that the cooled particles (P2) loaded with pyrolysis C can fall into the chamber (9) below in order to be discharged from there.
  • the drum remains in one position as long as the particle bed in segment (2c) needs to be cooled down. Then one cycle is over and the drum rotates one segment further. The segment that was in the previous cycle (2a) becomes segment (2b) etc. in the new cycle. It is assumed that the time for filling segment (2a) and emptying segment (2d) is shorter than cooling the particle bed in the segment (2c).
  • reaction heat input to cover the heat of reaction
  • separation of the pyrolysis carbon heat recovery (heating of the natural gas and cooling of the pyrolysis carbon) .
  • a thermal decomposition of hydrocarbons operated with the aid of resistance heating is known to those skilled in the art of thermal decomposition technology and, for example, in CH 409890, US 2982622, the international patent application No.
  • two electrodes are installed in the beds, between which the beds act as an electrical resistor and heat up when the current is passed through due to the electrical transmission losses.
  • the flow of current can take place both transversely to the directions of flow of the beds as well as along them. Since all conversion processes require energy, it can be advantageous to design the pyrolysis stage of the process according to the invention as a hybrid process so that it can also be operated with excess electricity obtained from renewable sources (see WO 2014/090914, European patent application with the number 19178437.0).
  • the technology of electrochemical hydrogen separation is based on ion transport membranes that selectively conduct protons (H +). These membranes are known from other applications such as electrodialysis, fuel cells and water electrolysis.
  • the structure for hydrogen separation is largely identical to a fuel cell structure.
  • the core of the EHS system is the membrane electrode assembly (MEA).
  • MEA membrane electrode assembly
  • the EHS system separates the hydrogen from gas mixtures.
  • the technology of electrochemical hydrogen separation is described, for example, in WO 2016/50500 and WO 2010/115786.
  • the usual compounds and elements known to the person skilled in the art can be used as the catalytically active material, which can catalyze the dissociation of molecular hydrogen in atomic hydrogen, the oxidation of hydrogen to protons and the reduction of protons to hydrogen.
  • the catalytically active material can catalyze the dissociation of molecular hydrogen in atomic hydrogen, the oxidation of hydrogen to protons and the reduction of protons to hydrogen.
  • Pd, Pt, Cu, Ni, Ru, Fe, Co, Cr, Mn, V, W, tungsten carbide, Mo, molybdenum carbide, Zr, Rh, Ru, Ag, Ir, Au, Re, Y, Nb and alloys are suitable and mixtures thereof, Pt is preferred according to the invention.
  • the catalytically active materials can also be in a supported form; carbon is preferably used as the support.
  • the amount of the catalytically active material of the cathode catalyst is 0.1 mg / cm2 to 2.00 mg / cm2, preferably 0.1 mg / cm2 to 1 mg / cm2, based on the total area of the anode and cathode.
  • the membrane used according to the invention selectively conducts protons, that is to say in particular that it is not electron-conducting.
  • all materials known to the person skilled in the art can be used for the membranes, from which proton-conducting membranes can be formed.
  • selectively proton-conducting membranes, as they are known from fuel cell technology, can be used according to the invention.
  • Suitable polymers are sulfonated polyether ketones (S-PEEK), sulfonated polybenzoimidazoles (S-PBI) and sulfonated fluorocarbon polymers (e.g. NAFION®). Furthermore, perforated polysulfonic acids, styrene-based polymers, poly (arylene ethers), polyimides and polyphosphazenes can be used.
  • Membranes made from polybenzamidazoles are very particularly preferably used, in particular MEAs based on polybenzimidazole and phosphoric acid, such as those marketed, for example, under the name Celtec-P® by BASF SE.
  • the operating conditions of the EHS system depend heavily on the MEA selected.
  • Celtec ® technology it is advantageous to use a voltage of 0.1 to 0.4V and a current of 0.2 to 1 A / cm 2 .
  • the separation of the H2 is not based on differential pressure, but on electrochemistry.
  • the EHS can therefore advantageously be operated without pressure. As long as there is no differential pressure between anode and cathode, a higher pressure is advantageous, which leads to a higher separation rate.
  • the hydrogen content in the hydrogen-containing product gas from stage 1, the pyrolysis stage is advantageously in the range from 1% by volume to 99% by volume, preferably 5% to 95% by volume, preferably 10 to 95% by volume , preferably 20 to 95% by volume, preferably 40 to 90% by volume, in particular 65 to 90% by volume, hydrogen.
  • the hydrogen separation rate is typically between 60% and 99%, preferably 70 to 95%, in particular 80% to 90%, the higher the separation rate, the higher the electrical energy requirement of an EHS.
  • the water content in the hydrogen-containing feed gas is advantageously in the range from 0.5 to 50%, preferably 0.5 to 5%, in particular 0.5 to 1%.
  • the current density is advantageously 0.1 to 1 A / cm 2 , preferably 0.2 to 0.7 A / cm 2 , in particular 0.2 to 0.5 A / cm 2 .
  • the voltage is advantageously 1 to 1000 mV, preferably 100 to 800 mV, in particular 150 to 350 mV.
  • These electrochemical hydrogen separation systems are operated at temperatures advantageously from 50 to 200.degree. C., preferably from 120 to 200.degree. C., preferably from 150 to 180.degree. C., in particular from 160 to 175.degree.
  • the pressure is advantageously from 0.5 to 40 bar, preferably from 1 to 10 bar, in particular from 1 to 5 bar.
  • the pressure difference between the anodic and the cathodic side is advantageously less than 1 bar, preferably less than 0.5 bar.
  • This mode of operation enables a high tolerance to gas contamination, e.g. CO (3%) and H2S (15 ppm) to be achieved.
  • This comparatively low temperature enables relatively quick and material-friendly switching on and off, an advantage especially for non-continuous operation in decentralized systems with fluctuating hydrogen sales, e.g. B. in gas stations.
  • the active area of the membrane electrode unit is advantageously in the range from 5 cm 2 to 20,000 cm 2 , preferably 25 to 10,000 cm 2 , in particular 150 to 1000 cm 2
  • the thickness of the membrane-electrode unit is advantageously in the range from 250 to 1500 ⁇ m, preferably 600 to 1000 ⁇ m.
  • a hydrogen separation stack consisting of end plates, bipolar plates, seals and membrane-electrode units separates with a volume of 1 m 3 advantageously separates 100 to 200 Nm 3 / h hydrogen and is therefore significantly smaller than systems with physical hydrogen separation.
  • the energy consumption is typically between 3 and 7 kWh / kg H2 - depending on the gas composition and the selected separation rate.
  • the purity of the hydrogen generated can be very high, typically greater than 99.9%, preferably greater than 99.95%, in particular greater than 99.99%.
  • the decomposition of the hydrocarbons and the electrochemical separation are advantageously carried out at the same pressure level. Both stages, thermal decomposition and electrochemical separation, are advantageously carried out at an absolute pressure of 1 bar to 30 bar. The pressure difference between the two stages is advantageously in the range from 0.001 bar to 5 bar.
  • the hydrogen-containing product mixture is advantageously introduced into the process stage of electrochemical separation at the same temperature level that it has after the process stage of decomposition.
  • the hydrogen-containing product mixture advantageously has a temperature of from 20 to 400 ° C., preferably from 50 to 300 ° C., preferably from 80 to 250 ° C., preferably from 100 to 200 ° C., in particular from 120 to 180 ° C., after the decomposition process stage ° C and is advantageously discharged from the first stage at this temperature (exit temperature).
  • the cooling of the hot product-containing gas from the reaction temperature to these exit temperatures can take place, for example, in a fixed bed.
  • the hydrogen-containing product mixture is fed into the electrochemical separation process at a temperature which advantageously differs by a maximum of 100 ° C., preferably a maximum of 50 ° C., in particular a maximum of 25 ° C., from this outlet temperature.
  • the residual gas mixture remaining after the electrochemical separation process is advantageously at least partially recirculated into the first stage, the pyrolysis reaction.
  • 99.99 to 90%, preferably 99.95 to 95%, preferably 99.9 to 98%, in particular 99.8 to 99% of the remaining residual gas amount is recirculated into the first stage.
  • the residual gas that is not recirculated is advantageously discharged as purge gas.
  • 0.01 to 10%, preferably 0.05 to 5%, particularly preferably 0.1 to 2%, in particular 0.2 to 1% of the remaining amount of gas are discharged as purge gas.
  • the ratio of feed (hydrocarbons) to cycle gas (residual gas mixture) in the first stage in kg / kg is advantageously 0.01: 1 to 1: 5, preferably 0.03: 1 to 1: 2, in particular 0.05: 1 to 1 :1.
  • One or more of the following process steps can optionally precede the EHS: heat integration, reforming of NH3 to N2 and H2, hydrogenation of multiple bonds, water gas shift (WGS). If several of the intermediate steps mentioned are installed, the hydrogen-containing, gaseous product mixture from the thermal decomposition is advantageously first reformed before the hydrogenation and / or the water-gas shift takes place.
  • a process stage is advantageously installed upstream of the EHS, in which the basic components are removed from the product gas stream.
  • NH3 can be reformed using catalysts known to those skilled in the art.
  • This selective ammonia reforming (SAR) can be designed very easily in terms of equipment (see e.g. NOx reduction in car exhaust with AdBlue).
  • the removal of ammonia is recommended for values of typically above 1 ppm, preferably above 10 ppm and in particular above 25 ppm.
  • CH compounds with multiple bonds are adsorbed by the EHS catalyst and thereby reduce its activity.
  • the pyrolysis product gas contains more than 10 mol ppm CH compounds with multiple bonds
  • a hydrogenation process is preferred in which the multiple bonds with part of the water hydrogen contained in the product gas is hydrogenated to single bonds with catalysts known to those skilled in hydrogenation technology, which are no longer a catalyst poison for the EHS.
  • CH multiple bonds are recommended for values of typically over 1000 ppm, preferably over 5000 ppm and in particular over 10000 ppm.
  • Carbon monoxide is also adsorbed by the EHS catalyst, thereby reducing its activity. So if carbon monoxide is formed during the energy input for the pyrolysis and the pyrolysis product gas contains more than 3% CO, then this carbon monoxide, which is harmful to the EHS catalyst, is advantageous before entering the EHS at low temperatures ( ⁇ 400 ° C) with the help of the also im Combustion water present in the product gas stream - or if required - can be converted to further hydrogen and carbon dioxide with the aid of externally supplied water vapor and a WGS catalyst known to those skilled in the water gas shift technology. In contrast to carbon monoxide, carbon dioxide is not a catalyst poison for the EHS.
  • the removal of CO is recommended when the proportion in the gas stream is typically more than 0.5% by volume and particularly preferably more than 1% by volume, in particular more than 3% by volume.
  • the hydrogen present after the electrochemical separation can be fed to a hydrogen car in accordance with the current state of the art.
  • the process was calculated for an H2 capacity of 1000 kg / d or 42 kg / h.
  • the value is based on the currently discussed the largest H2 filling stations.
  • the future-oriented electricity mix forecast for 2030 for the EU27 was used with 19% nuclear, 33% fossil and 48% renewable energy.
  • the data are taken from [7] and represent a European average. This results in a carbon footprint of 190 kg C02 / MWh ei. for the electricity mix in EU 27 in 2030.
  • the filling station is connected to a 25 bar natural gas network.
  • the efficiency of the overall system which works at atmospheric pressure and 80 ° C, is 68%. This corresponds to a specific electrical energy consumption of 48.4 kWh / kg H2. If the H2 is compressed from 1 bar to 20 bar, there is another 1.6 kWh / kg H2.
  • the specific electrical energy requirement is therefore a total of 50.0 kWIWkg H2.
  • the specific carbon footprint is then 9.50 kg C02 / kg H2.
  • the specific investment is € 3070 a / 1 H2.
  • the natural gas has the following composition in% by weight: 88.7% CH4, 4.7% C2H6, 3.9% C3H8, 1.3% N2 and 1.3% C02.
  • the specified electricity requirement not only covers the actual requirement of the process, but also the natural gas compression from 7 to 22 bar before the process and the H2 compression after the process from 21 bar to 207 bar.
  • the data given results in an electricity requirement of 0.2 kWh ei / kg H2.
  • the specific investment of a mini-SMR is 12,100 € a / 1 H2.
  • the numbers given in [9] were used; Operating parameters and heat transfer rates are specified and the unknown heat transfer rate for the reformer is thus determined. It is then 8.9 kW per kg H2 / h.
  • the Mini-SMR therefore needs per kg H2:
  • the H2 is brought in 500 bar containers on trailers across the street to the petrol stations and these containers are emptied at the petrol station to 21 bar before they are transported back to the world-scale facility.
  • the H2 must be compressed from 20 to 500 bar at the world-scale system [5]. 1.6 kWh / kg H2 must be used for this.
  • this high pressure in the container has an advantageous effect when compressing at the gas station to the final pressure of, for example, 950 bar the refueling of the cars.
  • the specific investment for compression is 430 € a / 1 H2.
  • a 401 tanker truck can transport a maximum of 1344 kg H2 [5] which are emptied at the filling station up to a pressure of 21 bar. 54 kg of H2 then remain in the container and are then returned to the world-scale plant.
  • the tube trailer variant requires per kg H2:
  • a combination of an autothermally operated pyrolysis (ATP) and an EHS was calculated as an example.
  • the advantage of this combination is a low consumption of electricity and natural gas as well as a low heat transfer rate.
  • Natural gas is pre-cleaned. This can be done, for example, as described in [9], by catalytic desulphurisation.
  • the rest of the natural gas is mixed with 227 kg / h of cycle gas in a jet pump.
  • the pre-pressure of the natural gas is used in the jet pump to compress the cycle gas from 1.0 to 1.5 bar.
  • the feed gas enters the bed of segment (2c) at 28 ° C and is heated to 1000 ° C therein.
  • the bulk cools down in the process.
  • a temperature front is created that moves from bottom to top. 199 kW are transferred thermally.
  • the hot reaction gas heats the bed in segment (2b) and cools down in the process. 199 kW are also thermally transferred there.
  • a combination of pyrolysis operated with a low temperature plasma (NT plasma) and an EHS was calculated as an example.
  • the task of the plasma is to increase the reaction speed.
  • the advantage of this combination lies in the relatively low process temperatures and the absence of CO, which has a positive effect on the energy requirements of the EHS.
  • Natural gas is pre-cleaned. This can be done, for example, as described in [9], by catalytic desulphurisation.
  • the feed gas (373 kg / h) enters the bed of segment (2c) at 28 ° C and is heated to 700 ° C therein.
  • the bulk cools down in the process. This creates a temperature front that moves from bottom to top. Thereby 244 kW are thermally transferred.
  • segment (2c) After exiting segment (2c), the gas molecules are excited e.g. by pulsed microwaves in a low-temperature plasma device and then passed into segment (2b).
  • the hot reaction gas heats the bed in segment (2b) and cools down to 160 ° C. in the process. Thereby, 244 kW are also transferred thermally.
  • the cooled product gas to 160 ° C (248 kg / h) is passed into a EHS, s are separated from the product gas electrochemically in the 91% of the ge formed H2 '. This requires an electrical output of 102 kW.
  • the NT plasma & EHS process produces 3.0 kg of high-purity pyrolysis C per kg of H2 and requires:
  • a combination of electrically heated pyrolysis, in which the pyrolysis C bed acts as resistance heating (WH pyrolysis) and an EHS was calculated as an example.
  • the principle of WH pyrolysis is described in US2982622, for example.
  • the advantage of this combi nation lies in the simplicity of the reactor and the design-related possible higher operating pressures, which leads to smaller reactor dimensions and a subsequent lower compression effort for H2.
  • the absence of CO has a positive effect on the energy requirements of the EHS.
  • WH pyrolysis with EHS a gas circuit with a high proportion of H2 can be built up.
  • the higher H2 level reduces soot formation and also lowers the energy requirement in the EHS.
  • the circulation of gas opens up new possibilities for conveying the pyrolysis C circuit (e.g. pneumatic conveyance) and enables better heat integration.
  • Natural gas is pre-cleaned. This can be done, for example, as described in [9], by catalytic desulphurisation.
  • 167 kg / h of purified natural gas at a pressure level of 25 bar are fed to the process at ambient temperature (25 ° C) and mixed with 68 kg / h of cycle gas in a jet pump.
  • the pre-pressure of the natural gas is used in the jet pump to compress the cycle gas from 5.0 to 5.2 bar.
  • the methane fission product gas flows upwards and warms up the recirculated particles that slide downwards. In return, the product gas cools down.
  • the degree of heat integration can be controlled by the amount of cycle gas. With this countercurrent heat exchange, 315 kW are thermally transferred
  • the cooled product gas to 160 ° C (110 kg / h) is passed into a EHS, s are separated from the product gas electrochemically in the 50% of the ge formed H2 '. For this, a specific electrical power of 63 kW is ei necessary.
  • the remaining anode off-gas (68 kg / h) is recirculated. In order to prevent a build-up of inert components, 0.1 kg / h are withdrawn from the cycle gas.
  • the WH pyrolysis & EHS process produces 3.0 kg of high-purity pyrolysis C per kg of H2 and therefore requires:
  • the increased consumption of natural gas in the process concepts according to the invention is offset by the additional extraction of high-purity carbon. This increases the raw material yield and thus added value.
  • the process concepts according to the invention also have only 1/5-el to 1/9-el of the power requirement of a water electrolysis.
  • a small amount of electricity is particularly important with regard to the expansion of renewable energies that will be necessary in the future, as mobility here is in competition with other energy consumers.

Abstract

The present invention relates to a method for producing hydrogen, which method is characterized in that: in a first stage, hydrocarbons are decomposed into solid carbon and a hydrogen-containing gaseous product mixture; the hydrogen-containing gaseous product mixture, which has a composition, with respect to the main components CH4, N2 and H2, of 20 to 95 vol% H2 and 80 to 5 vol% CH4 and/or N2, is removed from the first stage at a temperature of 50 to 300 °C and is fed, at a temperature that differs from this exit temperature by at most 100 °C, into an electrochemical separation process; and in this second stage, the hydrogen-containing product mixture is separated, in the electrochemical separation process at a temperature of 50 to 200 °C, into hydrogen having a purity of > 99.99 % and a remaining residual gas mixture.

Description

Verfahren zur Herstellung von hochreinem Wasserstoff durch Kopplung einer Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen mit einer elektrochemischen Wasserstoffabtrennung Process for the production of high-purity hydrogen by coupling a pyrolysis of hydrocarbons with an electrochemical hydrogen separation
Beschreibung description
Die vorliegende Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff, das dadurch gekennzeichnet ist, dass in einer ersten Stufe Kohlenwasserstoffe in festen Kohlenstoff und in ein wasserstoffhaltiges, gasförmiges Produktgemisch zersetzt werden, das wasserstoff haltige, gasförmige Produktgemisch, das eine Zusammensetzung bezüglich der Hauptkompo nenten CH4, N2 und H2 von 20 bis 95 Vol.-% H2 und 80 bis 5 Vol.-% CH4 und/oder N2 auf weist, mit einer Temperatur von 50 bis 300°C aus der ersten Stufe ausgetragen wird und mit ei ner Temperatur, die sich maximal um 100°C von dieser Austritts-Temperatur unterscheidet, in ein elektrochemisches Trennverfahren zugeführt wird und in dieser zweiten Stufe das wasser stoffhaltige Produktgemisch in dem elektrochemischen Trennverfahren bei einer Temperatur von 50 bis 200°C in Wasserstoff mit einer Reinheit von >99,99 Vol.-% und einem verbleibenden Restgasgemisch aufgetrennt wird. The present invention includes a process for the production of hydrogen, which is characterized in that in a first stage hydrocarbons are decomposed into solid carbon and into a hydrogen-containing, gaseous product mixture, the hydrogen-containing, gaseous product mixture, which has a composition with regard to the main components CH4 , N2 and H2 from 20 to 95% by volume of H2 and 80 to 5% by volume of CH4 and / or N2, is discharged from the first stage at a temperature of 50 to 300 ° C and at a temperature, which differs from this outlet temperature by a maximum of 100 ° C, is fed into an electrochemical separation process and in this second stage the hydrogen-containing product mixture in the electrochemical separation process at a temperature of 50 to 200 ° C in hydrogen with a purity of> 99 , 99 vol .-% and a remaining residual gas mixture is separated.
Wasserstoff: Hydrogen:
Wasserstoff bietet die gewünschten Voraussetzungen, zum Schlüsselfaktor für die Energiever sorgung der Zukunft zu werden. Insbesondere der Verkehrssektor steht vor der großen Heraus forderung, klimafreundlicher zu werden. In Deutschland ist der Verkehr für fast 20 Prozent des C02-Gesamtausstoßes verantwortlich, gut die Hälfte davon entfällt dabei auf den Individualver kehr. Hydrogen offers the desired prerequisites to become a key factor for the energy supply of the future. The transport sector in particular is facing the great challenge of becoming more climate-friendly. In Germany, traffic is responsible for almost 20 percent of total CO2 emissions, a good half of which is accounted for by private transport.
Mit der Einführung der Elektromobilität, zu der batterie-elektrische und brennstoffzellen-elektri- sche Fahrzeuge zählen, kann der Verkehrssektor seine Abhängigkeit von erdölbasierten Kraft stoffen reduzieren. Im Verkehrssektor wird mit Wasserstoff ein neuer Treibstoff eingeführt, der bei Verwendung mit Brennstoffzellen-Technologie lokal keine Schadstoffe produziert. With the introduction of electromobility, which includes battery-electric and fuel-cell-electric vehicles, the transport sector can reduce its dependence on petroleum-based fuels. In the transport sector, hydrogen is being introduced as a new fuel that does not produce any local pollutants when used with fuel cell technology.
Je nachdem, aus welchem Ausgangsstoff und welchem Prozess der Wasserstoff erzeugt wird, weist er unterschiedliche Reinheitsstufen auf. Um Wasserstoff in Brennstoffzellen-Anwendun- gen nutzen zu können, wird er in einer sehr hohen Qualität (99,97%, festgelegt in der ISO FDIS 14687-2) hergestellt, da Verunreinigungen Auswirkungen auf Katalysatoren und Membranen ha ben. Depending on which raw material and which process the hydrogen is produced from, it has different purity levels. In order to be able to use hydrogen in fuel cell applications, it is produced in a very high quality (99.97%, specified in ISO FDIS 14687-2), since impurities have an impact on catalysts and membranes.
Wasserstoff wird gegenwärtig überwiegend dezentral in vergleichsweise großen Steam-Me- thane Reforming (SMR) Produktionseinheiten produziert und der Wasserstoff wird mittels Druckwechseladsorption aus den produzierten Gasgemischen getrennt. Die Technologie der Druckwechseladsorption ist auf wasserstoffreiche Gase beschränkt (in Abhängigkeit von den Begleitgasen von bevorzugt > 50 Vol%); ferner wird nur 70 bis 85% des Wasserstoffes abge trennt, wobei der restliche Wasserstoff für die Desorption der Begleitkomponenten benötigt wird. Der abgetrennte Wasserstoff wird verflüssigt oder verdichtet und mittels entsprechender Transportfahrzeuge mit Hochdruckbehältern (500 bar) an den Ort gebracht, wo er benötigt wird, beispielsweise einer Wasserstofftankstelle. Hydrogen is currently mainly produced locally in comparatively large Steam-Methane Reforming (SMR) production units and the hydrogen is separated from the gas mixtures produced by means of pressure swing adsorption. The pressure swing adsorption technology is limited to hydrogen-rich gases (depending on the accompanying gases, preferably> 50% by volume); Furthermore, only 70 to 85% of the hydrogen is separated off, the remaining hydrogen being required for the desorption of the accompanying components. The separated hydrogen is liquefied or compressed and by means of appropriate Transport vehicles with high pressure tanks (500 bar) brought to the place where it is needed, for example a hydrogen filling station.
Angedacht werden als Alternative Wasserstoff-Pipeline-Netze, in denen der Wasserstoff auf un terschiedlichen Druckniveaus transportiert wird. Derartige Pipeline-Netze weisen jedoch sehr hohe Infrastrukturkosten auf und erfordern darüber hinaus aufwändige Genehmigungsverfah ren, weswegen eine Realisierung in der nahen Zukunft eher unwahrscheinlich erscheint. As an alternative, hydrogen pipeline networks are being considered, in which the hydrogen is transported at different pressure levels. However, such pipeline networks have very high infrastructure costs and also require complex approval procedures, which is why implementation in the near future appears rather unlikely.
Angedacht wird ferner, Wasserstoff dezentral in kleineren Produktionseinheiten, wie beispiels weise mittels Elektrolyse oder Steam-Reforming, zu produzieren und auf diese Weise den Transportweg zu verkürzen oder gänzlich zu eliminieren. It is also contemplated to produce hydrogen decentrally in smaller production units, for example by means of electrolysis or steam reforming, and in this way to shorten or completely eliminate the transport route.
Die Elektrolyse ist wie das elektrochemischen Wasserstoffabtrenn-Membranverfahren (EHS) ein Membranverfahren und wegen der geringen economy-of-scale (Kostenvorteile aufgrund der Betriebsgröße) für kleine Anlagen besser geeignet als für große. Der Grund für die begrenzte economy-of-scale ist die direkte Abhängigkeit der Kapazität von der elektrochemisch aktiven Fläche, die sich wiederum übersetzt in eine entsprechende Anzahl von Membran-Elektroden- Einheiten und Stacks. Die elektrolytische Spaltung von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff benötigt mindestens 6 Mal so viel Energie wie die thermische Spaltung von Kohlenwasserstof fen zu Wasserstoff und Kohlenstoff. Diese Energie muss im Fall der Elektrolyse in Form von elektrischem Strom zur Verfügung gestellt werden. Selbst bei kleinem Carbon Footprint des er zeugten Stroms ist der Elektrolyse-Wasserstoff wegen des hohen Stromverbrauches mit einem höheren Kohlenstoff-Fußabdruck (carbon footprint) verbunden als der Pyrolyse-Wasserstoff [O. Machhammer, A. Bode, W. Hormuth, „Financial and Ecological Evaluation of Hydrogen Produc tion Processes on Large Scale“, Chem. Ing. Tech. 2015, 87, No. 4, 409] Like the electrochemical hydrogen separation membrane process (EHS), electrolysis is a membrane process and, because of its low economy-of-scale (cost advantages due to the size of the company), is more suitable for small systems than for large ones. The reason for the limited economy-of-scale is the direct dependence of the capacity on the electrochemically active surface, which in turn translates into a corresponding number of membrane-electrode units and stacks. The electrolytic splitting of water into hydrogen and oxygen requires at least 6 times as much energy as the thermal splitting of hydrocarbons into hydrogen and carbon. In the case of electrolysis, this energy must be made available in the form of electricity. Even with a small carbon footprint of the electricity generated, electrolysis hydrogen is associated with a higher carbon footprint than pyrolysis hydrogen [O. Machhammer, A. Bode, W. Hormuth, “Financial and Ecological Evaluation of Hydrogen Production Processes on Large Scale”, Chem. Ing. Tech. 2015, 87, no. 4, 409]
Eine weitere Möglichkeit, Wasserstoff dezentral in einer Kleinanlage herzustellen, ist die Minia turisierung des für Großanlagen entwickelten Dampfreformier-Prozesses (oder: Steam-Methane Reforming (SMR)). Eine solche Kleinanlage unterscheidet sich hinsichtlich der Anzahl an Ma schinen und Apparaten nicht von einer world-scale Anlage. Es sind lediglich die Maschinen und Apparate kleiner ausgeführt. Der spezifische Verbrauch an Einsatzstoffen und Energien sowie an Wärmeübertragungsleistung ist aber annähernd gleich. Die Wärmeübertragungsleistung ist für die wirtschaftliche Bewertung eines Prozesses insofern interessant, da die Investitionskos ten für Chemieanlagen direkt mit dieser Wärmeübertragungsleistung korrelieren (siehe Lange J.-P., Fuels and Chemicals: manufacturing guidelines for understanding and minimizing the pro- duction costs, CATECH, Volume 5, no. 2, 2001). Another option for decentralized production of hydrogen in a small plant is the miniaturization of the steam reforming process developed for large plants (or: Steam-Methane Reforming (SMR)). Such a small system does not differ in terms of the number of machines and devices from a world-scale system. Only the machines and devices are made smaller. However, the specific consumption of raw materials and energies as well as heat transfer capacity is approximately the same. The heat transfer capacity is interesting for the economic evaluation of a process insofar as the investment costs for chemical plants correlate directly with this heat transfer capacity (see Lange J.-P., Fuels and Chemicals: manufacturing guidelines for understanding and minimizing the production costs, CATECH, Volume 5, no.2, 2001).
Werden Verfahrenskonzepte von Großanlagen angelegt, führt das meist zu hohen spezifischen Investitionskosten bei dezentralen Kleinanlagen. Die Investitionskosten für eine Gesamtanlage macht das Vielfache der Summe aller Kosten für die Einzelapparate aus. Der Multiplikator, der dieses Vielfache quantifiziert, wird Anlagenfaktor genannt. Bei world scale-Anlagen liegt der An lagenfaktor in der Größenordnung von drei. Wird die Produktionskapazität reduziert, indem das Anlagenkonzept gleichbleibt und kleinere Maschinen und Apparate verwendet werden, dann kann der Anlagenfaktor auf 10 steigen. If process concepts are created for large systems, this usually leads to high specific investment costs for decentralized small systems. The investment costs for a complete system are many times the sum of all costs for the individual devices. The multiplier that quantifies this multiple is called the system factor. In world-scale systems, the system factor is in the order of three. Will the production capacity be reduced by the If the system concept remains the same and smaller machines and devices are used, the system factor can increase to 10.
Stand der Technik Pyrolyse: State of the art pyrolysis:
Die Pyrolyse ist ein thermischer Prozess, mit dessen Hilfe Wasserstoff und hochreiner Kohlen stoff aus Kohlenwasserstoffen (z.B. aus Erdgas) mit geringem Carbon Footprint hergestellt wer den kann. Die Pyrolyse ist ein thermischer Gleichgewichtsprozess, der Energie benötigt. Da sich die Mol-Zahl in der Gasphase mit dem Umsatz erhöht, ist der Umsatz umso höher, je höher die Temperatur und je geringer der H2-Partialdruck ist. Die Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen erfolgt daher bei hohen Temperaturen im Bereich von 800 und 1600°C; im Fall von Hochtempe ratur-Plasmaverfahren sogar noch darüber. Der Kohlenstoff (Pyrolyse-Kohlenstoff) fällt in hoch reiner Form an und kann in Hochpreissegmenten verwendet werden, z.B. als Elektrodenmate rial oder als Vorprodukt für die Erzeugung von Graphit für Li-Ionen Batterien. Pyrolysis is a thermal process with the help of which hydrogen and high-purity carbon can be produced from hydrocarbons (e.g. from natural gas) with a low carbon footprint. Pyrolysis is a thermal equilibrium process that requires energy. Since the number of moles in the gas phase increases with the conversion, the conversion is higher the higher the temperature and the lower the H2 partial pressure. The pyrolysis of hydrocarbons therefore takes place at high temperatures in the range of 800 and 1600 ° C; in the case of high-temperature plasma processes even more. The carbon (pyrolysis carbon) is obtained in a highly pure form and can be used in high-price segments, e.g. as electrode material or as a preliminary product for the production of graphite for Li-ion batteries.
Zur Realisierung dieser hohen Temperaturen in Pyrolyseverfahren und in der Koksherstellung gibt es im Stand der Technik unterschiedliche Lösungen: There are different solutions in the prior art for realizing these high temperatures in pyrolysis processes and in coke production:
In DE 600 16 59 T, US 3,264,210 und CA 2345950 werden in unterschiedlicher Weise oxidati ven Verfahren als Wärmequelle genutzt. In DE 600 16 59 T, US 3,264,210 and CA 2345950 oxidati ven processes are used as a heat source in different ways.
In US 2,389,636, US 2,600,07, US 5,486,216 und in US 6,670,058 wird die Nutzung der festen Schüttung als Wärmeträger beschrieben. US 2,389,636, US 2,600,07, US 5,486,216 and US 6,670,058 describe the use of the solid bed as a heat carrier.
In W02013/004398A2 wird ein gasförmiger Wärmeträger vorgeschlagen. Dieser ist vorzugs weise ein H2- oder N2-reiches Gas, das in einer externen Brennkammer aufgeheizt und in die Pyrolysezone eingeleitet wird. A gaseous heat transfer medium is proposed in WO2013 / 004398A2. This is preferably an H2 or N2-rich gas that is heated in an external combustion chamber and introduced into the pyrolysis zone.
In US 2,799,640, US 3,259,565 und DE 1 266273 wird eine elektrische Wärmequelle verwen det. US2982622 beschreibt ein widerstandsbeheiztes Fließbettverfahren. Dabei wird die elektri sche Leitfähigkeit von Kohlenstoff genutzt, um ein Fließbett aus Kohlenstoffpartikeln resistiv zu beheizen. Das Verfahren ist in einem Wanderbettreaktor umgesetzt, wobei die Feststoffparti keln der Gravitation folgend von oben nach unten und das zu spaltende Erdgas von unten nach oben durch den Reaktor geleitet werden. In US 2,799,640, US 3,259,565 and DE 1 266273 an electrical heat source is used. US2982622 describes a resistance heated fluidized bed process. The electrical conductivity of carbon is used to resistively heat a fluidized bed made of carbon particles. The process is implemented in a moving bed reactor, with the solid particles following gravity from top to bottom and the natural gas to be split being passed through the reactor from bottom to top.
WO2018/083002 A1 beschreibt eine zyklische Fahrweise mit einer Kombination aus einem Re aktor und einem Regenerator. Durch den Reaktor werden Trägerpartikel getaktet geleitet. Der Regenerator ist mit inertem Material gefüllt. Reaktor und Regenerator sind über eine Brennkam mer miteinander verbunden, in der ein Teil des pyrolytisch erzeugten Wasserstoffs mit Luft oder 02 zur Deckung des benötigten Energiebedarfs verbrannt wird. Durch diese Stromführung ver lassen alle Produkte die Apparate im abgekühlten Zustand. WO2018 / 083002 A1 describes a cyclical mode of operation with a combination of a reactor and a regenerator. Carrier particles are cycled through the reactor. The regenerator is filled with inert material. The reactor and regenerator are connected to one another via a combustion chamber in which part of the pyrolytically generated hydrogen is burned with air or O2 to cover the required energy. With this current conduction, all products leave the apparatus in a cooled state.
In DE 2420579 wird ein Verfahren beschrieben, das auf einem induktiv beheizten Kohlenstoff bett basiert. DE 2420579 describes a method based on an inductively heated carbon bed.
In DE 69208686 T, WO 2018/165483 und WO 2016/126599 wird die Verwendung eines Plas mabrenners beschrieben. In DE 69208686 T, WO 2018/165483 and WO 2016/126599 the use of a plasma burner is described.
Andere Entwicklungsansätze enthalten entweder die thermokatalytische Zersetzung von Me than [Smolinka, T.; Günther, M. (Fraunhofer ISE); Garche, J. (FCBAT): NOW-Studie "Stand und Entwicklungspotenzial der Wasserelektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff aus regenerati ven Energien", Revision vom 05.07.2011], die rein thermische Zersetzung von Methan in flüssi gen Metallen [A.M. Bazzanella, F. Ausfelder, “Low carbon energy and feedstock for the Euro pean Chemical industry”, DECH EM A-Technology study, Juni 20172] Other development approaches include either the thermocatalytic decomposition of methane [Smolinka, T .; Günther, M. (Fraunhofer ISE); Garche, J. (FCBAT): NOW study "Stand und Development potential of water electrolysis for the production of hydrogen from renewable energies ", revision of 05.07.2011], the purely thermal decomposition of methane in liquid metals [AM Bazzanella, F. Ausfelder," Low carbon energy and feedstock for the European chemical industry ”, DECH EM A-Technology study, June 20172]
Den Stand der Technik zur Tieftemperatur-Plasma-Technologie liefert [A.l. Pushkarev, et. al. „Methane Conversion in Low-Temperature Plasma, High Energy Chemistry, Vol. 43 No. 3,The state of the art for low-temperature plasma technology is provided by [A.I. Pushkarev, et. al. "Methane Conversion in Low-Temperature Plasma, High Energy Chemistry, Vol. 43 No. 3,
2009] 2009]
Zur Aufreinigung des pyrolytisch-hergestellten Wasserstoffs werden u.a. Druck-Wechsel-Ad- sorptions-Anlagen (Pressure Swing Adsorption bzw. PSA) und Membranverfahren, z.B. kerami sche Membranen und Pd-basierte Membranen, sowie eine Kombination aus beiden Varianten beschrieben (siehe US 6,653,005 und US 7,157,167). Die Verwendung einer elektrochemi schen Auftrennung zur Bereitstellung von hochreinem Wasserstoff wird in diesen Schriften nicht beschrieben. To purify the pyrolytically produced hydrogen, pressure swing adsorption systems (pressure swing adsorption or PSA) and membrane processes, for example ceramic membranes and Pd-based membranes, and a combination of both variants are described (see US Pat. No. 6,653,005) and US 7,157,167). The use of an electrochemical separation to provide high-purity hydrogen is not described in these documents.
Stand der Technik EHS: State of the art EHS:
Die Abtrennung von Wasserstoff aus Reaktionsgemischen, insbesondere bei Reaktionen mit thermodynamisch begrenzten Umsetzungen, stellt eine wichtige Herausforderung für höhere Ausbeuten bei geforderten Produkten dar. Die elektrochemische Wasserstofftrennung (EHS) ist ein elektrochemischer Prozess, der auf dem Transport von Protonen (H+-lonen) durch ionenleit fähige Membranen basiert und eine neue Anwendung der Brennstoffzellentechnologie darstellt (siehe WO 2016/50500 und WO 2010/115786). Das wasserstoffhaltige Gemisch gelangt in die anodische Kammer, wo es zu Protonen und Elektronen oxidiert wird. Eine elektrische Stromver sorgung liefert die treibende Kraft, um die Protonen durch die katalysierte Membran zu trans portieren, wo sie sich an der Kathode zu "neuem" Wasserstoff verbinden (auch als "entwickeln der Wasserstoff' an der Elektrode bezeichnet). Da die Membran nur Protonen transportiert, ver bleiben die weiteren Bestandteile des Gasgemisches im Abgassystem. Die EHS ist somit in der Lage, Wasserstoff mit hoher Reinheit (>99,99 % H2) zu produzieren. Diese hohe Reinheit, wie sie z.B. für Brennstoffzellen notwendig sind, ist mit anderen H2-Abtrennprozessen, z.B. kryo gene Gastrennung (Cold Box), die Druckwechseladsorption (Pressure Swing Adsorption, PSA), Temperaturwechseladsorption (Temperature Swing Adsorption, TSA) und die konventionelle Membrantrenntechnik mit wasserstoffselektiven Metallmembranen (z.B. Palladium, Palladium- Legierungen), nur mit sehr hohem Aufwand erreichbar. The separation of hydrogen from reaction mixtures, especially in reactions with thermodynamically limited conversions, represents an important challenge for higher yields in the required products. The electrochemical hydrogen separation (EHS) is an electrochemical process that relies on the transport of protons (H + ions) through ion-conductive membranes and represents a new application of fuel cell technology (see WO 2016/50500 and WO 2010/115786). The hydrogen-containing mixture enters the anodic chamber, where it is oxidized to protons and electrons. An electrical power supply provides the driving force to transport the protons through the catalyzed membrane, where they combine to form "new" hydrogen at the cathode (also known as "developing the hydrogen" at the electrode) Protons are transported, the other components of the gas mixture remain in the exhaust system. The EHS is therefore able to produce hydrogen with a high degree of purity (> 99.99% H2). This high degree of purity, as is necessary for fuel cells, for example other H2 separation processes, e.g. cryogenic gas separation (cold box), pressure swing adsorption (PSA), temperature swing adsorption (TSA) and conventional membrane separation technology with hydrogen-selective metal membranes (e.g. palladium, palladium alloys), only with very expensive.
Im Gegensatz zur EHS, bei der der Wasserstoff aus dem Gasstrom abgetrennt wird, werden bei PSA, TSA und Cold Box alle Gaskomponenten abgetrennt und lediglich Wasserstoff bleibt im Produktgasstrom. Die Abtrennung der adsorbierbaren Komponenten ist umso leichter, je höher der Gasdruck und je niedriger die Gastemperatur ist. Die konventionellen Membrantrenntechni ken basieren auf der Treibkraft des Partialdrucks, wodurch nur ein geringer Durchsatz erreicht werden kann. Im Gegensatz dazu ist die elektrochemische Wasserstoff-Trennung nicht durch die Wasserstoff -Partialdruckdifferenz begrenzt, da eine elektrische Potentialdifferenz als Trenn kraft verwendet wird. Verfahren zur Trennung von Wasserstoff und Stickstoff, die alleinig auf der Differenz der Siede temperaturen beruhen, wie z.B. Cold Box, sind teuer und liefern keinen reinen Wasserstoff. Nach [Z.Riebel, Hydrogen management in refineries, Petroleum $ Coal, ISSN 1337-7027, 54 (4), S. 357-368, 2012] werden mit kryogenen Trennverfahren Reinheiten von maximal 98% erreicht. Bei der Trennung mit Hilfe einer PSA bzw. TSA sind zwar Reinheiten von 99,0 bis 99,999 er reichbar. Bei der Trennung gehen jedoch mindestens 10% des Wasserstoffes verloren. In contrast to EHS, in which the hydrogen is separated from the gas flow, with PSA, TSA and Cold Box all gas components are separated and only hydrogen remains in the product gas flow. The separation of the adsorbable components is easier, the higher the gas pressure and the lower the gas temperature. Conventional membrane separation techniques are based on the driving force of partial pressure, which means that only a low throughput can be achieved. In contrast, the electrochemical hydrogen separation is not limited by the hydrogen partial pressure difference, since an electrical potential difference is used as the separating force. Processes for separating hydrogen and nitrogen that are based solely on the difference in boiling temperatures, such as cold boxes, are expensive and do not provide pure hydrogen. According to [Z.Riebel, Hydrogen management in refineries, Petroleum $ Coal, ISSN 1337-7027, 54 (4), pp. 357-368, 2012], purities of a maximum of 98% can be achieved with cryogenic separation processes. When separating with the aid of a PSA or TSA, purities of 99.0 to 99.999 can be achieved. However, at least 10% of the hydrogen is lost in the separation.
Adsorptionsprozesse wie die PSA oder die TSA beruhen u.a. auf dem Effekt, dass sich Stoffe umso besser adsorbieren lassen, je leichter sie kondensieren. Da Wasserstoff von allen Gasen die niedrigste Kondensationsneigung aufweist, werden alle Gaskomponenten vor ihr adsorbiert, d.h. aus dem Gasstrom abgetrennt. Dieser Zusammenhang zwischen Kondensations- bzw. Sie detemperatur und Adsorptionsneigung erklärt, warum es leichter ist, C02 oder CH4 von H2 ab zutrennen als 02 oder N2. Die Reihenfolge der Siedetemperaturen bei Umgebungsdruck ist: C02 (-78°C), CH4 (-162°C), 02 (-183°C), N2 ( -196°C), H2 (-252°C). Adsorption processes such as PSA or TSA are based, among other things, on the effect that substances can be adsorbed better the easier they condense. Since hydrogen has the lowest tendency to condense of all gases, all gas components are adsorbed in front of it, i.e. separated from the gas flow. This relationship between condensation or temperature and adsorption tendency explains why it is easier to separate C02 or CH4 from H2 than 02 or N2. The sequence of the boiling temperatures at ambient pressure is: C02 (-78 ° C), CH4 (-162 ° C), 02 (-183 ° C), N2 (-196 ° C), H2 (-252 ° C).
Für große Anlagenkapazitäten sind Wasserstoff-Abtrenntechnologien wirtschaftlicher, die Volu menprozesse darstellen, wie z.B. PSA oder TSA. Bei kleinen Anlagenkapazitäten sind diese Volumenprozesse hingegen der EHS wirtschaftlich unterlegen. For large plant capacities, hydrogen separation technologies that represent volume processes, such as PSA or TSA, are more economical. In the case of small system capacities, however, these volume processes are economically inferior to the EHS.
Ist die Anlagenkapazität groß (z. B. > 1000 kg H2/h), die Konzentration der Wasserstoff -Be gleitkomponenten im Produktstrom der Pyrolyse niedrig (z. B. < ca. 25 mol%) und sind die Be gleitkomponenten im Produktstrom leicht adsorbieren (z.B. CH4), dann lässt sich Wasserstoff aus diesem Produktstrom mit Hilfe der beiden Abtrenntechnologien PSA oder TSA in einer Reinheit bis zu 99,9% wirtschaftlich gewinnen. If the system capacity is large (e.g.> 1000 kg H2 / h), the concentration of the accompanying hydrogen components in the pyrolysis product flow is low (e.g. <approx. 25 mol%) and the accompanying components are easily adsorbed in the product flow (eg CH4), hydrogen can then be obtained economically from this product stream with the help of the two separation technologies PSA or TSA in a purity of up to 99.9%.
Ist die Anlagenkapazität hingegen klein (z. B. < 100 kg H2/h) und es wird Wasserstoff in höchs ter Reinheit gewünscht (z.B. H2-Tankstelle für Brennstoffzellenautos), dann ist die EHS das wirtschaftlichere Abtrennverfahren. Der EHS-Prozess ist ein Flächenprozess, da die Membran fläche einer einzelnen Zelle auf 25 bis 3000 cm2 begrenzt ist. Eine Kapazitätserhöhung ist nur durch die Erhöhung der Zellenanzahl erreichbar. Das bedeutet, dass eine Anlage mit großer Kapazität spezifisch nicht wesentlich billiger ist als eine Anlage mit kleiner Kapazität. Mit ande ren Worten: Die EHS besitzt lediglich eine kleine economy-of-scale. Für die Wirtschaftlichkeit der EHS ist es zudem unerheblich, wie gut sich die Begleitkomponenten kondensieren lassen. If, on the other hand, the system capacity is small (e.g. <100 kg H2 / h) and hydrogen in the highest purity is desired (e.g. H2 filling station for fuel cell cars), then the EHS is the more economical separation method. The EHS process is a surface process, as the membrane area of a single cell is limited to 25 to 3000 cm 2 . An increase in capacity can only be achieved by increasing the number of cells. This means that a plant with a large capacity is specifically not significantly cheaper than a plant with a small capacity. In other words: the EHS only has a small economy-of-scale. For the profitability of the EHS, it is also irrelevant how well the accompanying components can be condensed.
Aufgabe: Task:
Die Herausforderung für die Zukunft liegt unter anderem in der Entwicklung kleiner, flexibler und kostengünstiger Anlagen, die direkt vor Ort, z. B. an der Wasserstoff-Tankstelle installiert, kurz fristig und ggf. instationär hochreinen Wasserstoff, insbesondere mit einem geringen C02-Foot- print, erzeugen können. Es wird deshalb ein Verfahrenskonzept gesucht, dass trotz einer kleinen Produktionskapazität einen kleinen Anlagenfaktor besitzt und somit ein geringes spezifisches Investment aufweist. Ferner sollte das Verfahrenskonzept möglichst viele Prozessschritte in wenigen Apparaten un terbringen und eine möglichst kleine spezifische Wärmeübertragungsleistung aufweisen. The challenge for the future lies, among other things, in the development of small, flexible and cost-effective systems that can be installed directly on site, e.g. B. installed at the hydrogen filling station, short-term and possibly transient high-purity hydrogen, especially with a low CO2 footprint, can be generated. A process concept is therefore sought that, despite a small production capacity, has a small system factor and thus has a low specific investment. Furthermore, the process concept should accommodate as many process steps as possible in a few apparatuses and have the lowest possible specific heat transfer capacity.
Lösung: Solution:
Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Stufe Kohlenwasserstoffe in festen Kohlenstoff und in ein wasserstoffhaltiges, gasförmiges Produkt gemisch zersetzt werden, das wasserstoffhaltige, gasförmige Produktgemisch, das eine Zusam mensetzung bezüglich der Hauptkomponenten CH4, N2 und H2 von 20 bis 95 Vol.-% H2 und 80 bis 5 Vol.-% CH4 und/oder N2 aufweist, mit einer Temperatur von 50 bis 300°C aus der ers ten Stufe ausgetragen wird und mit einer Temperatur, die sich maximal um 100°C von dieser Austritts-Temperatur unterscheidet, in ein elektrochemisches Trennverfahren zugeführt wird und in dieser zweiten Stufe das wasserstoffhaltige Produktgemisch in dem elektrochemischen Wasserstoffabtrenn-Membranverfahren bei einer Temperatur von 50 bis 200°C in Wasserstoff mit einer Reinheit von >99,99% und einem verbleibenden Restgasgemisch aufgetrennt wird. Process for the production of hydrogen, characterized in that in a first stage hydrocarbons are decomposed into solid carbon and into a hydrogen-containing, gaseous product mixture, the hydrogen-containing, gaseous product mixture, which has a composition with regard to the main components CH4, N2 and H2 from 20 to 95% by volume of H2 and 80 to 5% by volume of CH4 and / or N2, is discharged from the first stage at a temperature of 50 to 300 ° C and at a temperature that is at most 100 ° C from This exit temperature differs, is fed into an electrochemical separation process and in this second stage the hydrogen-containing product mixture in the electrochemical hydrogen separation membrane process at a temperature of 50 to 200 ° C in hydrogen with a purity of> 99.99% and a remaining residual gas mixture is separated.
In der zweiten Stufe wird das wasserstoffhaltige Produktgemisch vorteilhaft zur anodischen Seite einer Membran- Elektroden-Anordnung zugeführt, anschließend zumindest ein Teil des in dem Produktgas enthaltenen Wasserstoffs mittels der Membran-Elektroden-Anordnung elektro chemisch abgetrennt, wobei auf der anodischen Seite der Membran zumindest ein Teil des Wasserstoffs an einem Anoden-Katalysator zu Protonen oxidiert wird und die Protonen nach Durchqueren der Membran auf der kathodischen Seite an dem Kathoden-Katalysator zu Was serstoff reduziert werden. In the second stage, the hydrogen-containing product mixture is advantageously fed to the anodic side of a membrane-electrode arrangement, then at least part of the hydrogen contained in the product gas is electrochemically separated by means of the membrane-electrode arrangement, with at least one on the anodic side of the membrane Part of the hydrogen is oxidized to protons on an anode catalyst and the protons are reduced to hydrogen after crossing the membrane on the cathode side on the cathode catalyst.
In Bezug auf den Carbon Footprint einer Wasserstoff-Tankstelle ist die Kombination einer „low- cost“ Methanpyrolyse mit einer EHS zielführender als die Verwendung von dezentraler Elektro lyse, Mini-SMR oder zentraler H2-Produktion in world scale-Anlagen in Verbindung mit dem Transport zur Tankstelle. Unter „low-cost“ Pyrolyse ist eine Pyrolyse zu verstehen, die aufgrund der Kombination mit einer EHS geringeren prozesstechnischen Zwängen unterworfen ist als eine stand-alone Pyrolyse. With regard to the carbon footprint of a hydrogen filling station, the combination of “low-cost” methane pyrolysis with an EHS is more productive than the use of decentralized electrolysis, mini-SMR or central H2 production in world-scale systems in conjunction with transport to the gas station. “Low-cost” pyrolysis is to be understood as a pyrolysis which, due to the combination with an EHS, is subject to lower process-related constraints than a stand-alone pyrolysis.
In diesem Zusammenhang bedeuten „geringe prozesstechnische Zwänge“ Folgendes: In this context, "minor procedural constraints" mean the following:
- Der Methanumsatz kann niedriger sein, bevorzugt 30% bis 99,9%, besonders bevorzugt 65% bis 99,0%, insbesondere 85% bis 98%. Das bedeutet, die Pyrolyse kann bei niedrigeren Temperaturen, bevorzugt 650 bis 1200°, besonders bevorzugt bei 750 bis 1100°C, bevorzugt 800 bis 1100°C, bevorzugt 900 bis 1050°C, insbesondere bei 950 bis 1050°C, höheren Drü cken, bevorzugt bei 1 bis 30 bar, besonders bevorzugt bei 1 bis 10 bar, insbesondere bei 1 bis 5 bar und/oder mit kürzeren Verweilzeiten von vorteilhaft 1 s-5 min, bevorzugt 1-30 s, ins besondere 1-5 s, betrieben werden. Bevorzugt liegt die Reaktionstemperatur bei 1100 bis 1200°C und die Verweilzeit bei 1 bis 5 s oder die Reaktionstemperatur bei 1000 bis 1100°C und die Verweilzeit bei 5 s bis 30 s oder die Reaktionstemperatur bei 900 bis 1000°C und die Verweilzeit bei 30 s bis 1 min oder die Reaktionstemperatur bei 750 bis 900°C und die Ver weilzeit bei 1 bis 5 min. The methane conversion can be lower, preferably 30% to 99.9%, particularly preferably 65% to 99.0%, in particular 85% to 98%. This means that the pyrolysis can be carried out at lower temperatures, preferably from 650 to 1200 °, particularly preferably from 750 to 1100 ° C., preferably from 800 to 1100 ° C., preferably from 900 to 1050 ° C., in particular from 950 to 1050 ° C., higher pressures , preferably at 1 to 30 bar, particularly preferably at 1 to 10 bar, in particular at 1 to 5 bar and / or with shorter residence times of advantageously 1 s-5 min, preferably 1-30 s, in particular 1-5 s become. The reaction temperature is preferably from 1100 to 1200 ° C and the residence time from 1 to 5 s or the reaction temperature from 1000 to 1100 ° C and the residence time from 5 s to 30 s or the reaction temperature from 900 to 1000 ° C and the Residence time at 30 s to 1 minute or the reaction temperature at 750 to 900 ° C and the residence time at 1 to 5 minutes.
- Niedrigere Temperaturen reduzieren den apparativen Aufwand, z.B. Materialauswahl, Wär meintegration. - Lower temperatures reduce the equipment required, e.g. material selection, heat integration.
- Höhere Drucke in der Pyrolyse reduzieren den Verdichtungsaufwand, wenn anschließend H2 auf einige hundert bar verdichtet werden muss. Beispielsweise benötigt die Verdichtung von- Higher pressures in the pyrolysis reduce the compression effort if H2 has to be compressed to a few hundred bar afterwards. For example, the compaction of
1 auf 10 bar genauso viel Energie wie von 10 auf 100 bar. 1 to 10 bar as much energy as from 10 to 100 bar.
- Außerdem erleichtert der Umstand, dass der Methangehalt im Produktgas der Pyrolyse kei nen großen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit hat, die Förderung des Kreislaufes für den Py rolysekohlenstoff, der für die Wärmeintegration notwendig ist. So kann Methan (Erdgas) als Medium für die pneumatische Förderung des Kreislaufes verwendet werden. Außerdem spielen Undichtigkeiten zwischen den Prozessbereichen im Pyrolyseapparat nur eine unter geordnete Rolle. - In addition, the fact that the methane content in the product gas of the pyrolysis has no major influence on the economic efficiency makes it easier to promote the cycle for the pyrolysis carbon, which is necessary for the integration of heat. Methane (natural gas) can be used as a medium for the pneumatic conveyance of the circuit. In addition, leaks between the process areas in the pyrolysis apparatus only play a subordinate role.
Die besondere Eigenschaft der elektrochemischen Wasserstoffabtrenn-Membranverfahren (EHS) ist, die Abtrennung des Wasserstoffs (H2) aus verdünnten Gasen mit geringem Aufwand in höchster Reinheit. Dadurch kann das vorgeschaltete Pyrolyse-Verfahren zur Erzeugung des Wasserstoffes sehr einfach und kostengünstig gestaltet werden. The special property of the electrochemical hydrogen separation membrane process (EHS) is the separation of the hydrogen (H2) from dilute gases with little effort in the highest purity. As a result, the upstream pyrolysis process for generating the hydrogen can be designed very simply and inexpensively.
Beschreibung Pyrolyse: Description of pyrolysis:
In der ersten Verfahrensstufe, der (thermische) Zersetzung von Kohlenwasserstoffen zu festen Kohlenstoff und wasserstoffhaltiges, gasförmiges Produktgemisch können alle dem Fachmann in der (thermischen) Zersetzungs-Technologie bekannten Pyrolyse-Verfahren verwendet wer den. Bevorzugt wird die für die Zersetzung benötigte Energie autotherm, via Niedertemperatur plasma und/oder mit Hilfe einer elektrischen Widerstandsbeheizung zur Verfügung gestellt. In the first process stage, the (thermal) decomposition of hydrocarbons to solid carbon and hydrogen-containing, gaseous product mixture, all pyrolysis processes known to those skilled in (thermal) decomposition technology can be used. The energy required for the decomposition is preferably made available autothermally, via low-temperature plasma and / or with the aid of electrical resistance heating.
Kostentragend für die variablen Kosten einer thermischen Zersetzung ist neben dem Erdgas preis die Form des Energieeintrages. Die unterstöchiometrische Verbrennung von Kohlenwas serstoffen mit Luft ist in diesem Zusammenhang günstiger als die unterstöchiometrische Ver brennung mit reinem Sauerstoff oder die Verwendung von elektrischem Strom, da über die Ver brennung hinaus ein Teil der Kohlenwasserstoffe zu CO reformiert und nicht zu Kohlenstoff py- rolysiert werden. Ferner senkt Luftstickstoff (N2) im Gasstrom den Partialdruck des Wasserstoffs und steigert dadurch den Gleichgewichtsumsatz. In addition to the price of natural gas, the form of the energy input is responsible for the variable costs of thermal decomposition. The sub-stoichiometric combustion of hydrocarbons with air is more favorable in this context than the sub-stoichiometric combustion with pure oxygen or the use of electric current, since some of the hydrocarbons are reformed to CO and not pyrolyzed to carbon. Furthermore, atmospheric nitrogen (N2) in the gas flow lowers the partial pressure of the hydrogen and thereby increases the equilibrium conversion.
Die Nutzung von Strom als Energieträger führt zu höheren variablen Kosten, ermöglicht im Ge genzug aber einen geringeren apparativen Aufwand mit in Folge geringeren Fixkosten. Außer dem wird durch die Elektrifizierung im Prozess selbst praktisch kein C02 erzeugt. Zudem kön nen bei der Nutzung von elektrischem Strom Niedertemperatur-Plasmareaktoren eingesetzt werden. Da beim Niedertemperatur-Plasma die Elektronen und nicht die Moleküle angeregt werden, kann schon bei niedrigen Temperaturen von 50°C bis 500°C ein schneller Methanum satz erzielt werden, der zu geringen Investitionskosten führt. The use of electricity as a source of energy leads to higher variable costs, but in turn enables a lower expenditure on equipment with consequently lower fixed costs. In addition, the electrification in the process itself generates practically no CO2. In addition, low-temperature plasma reactors can be used when using electricity. Since the electrons and not the molecules are excited in the low-temperature plasma, rapid methane conversion can be achieved even at low temperatures of 50 ° C to 500 ° C, which leads to low investment costs.
Verfahrensparameter, die für alle Konzepte gelten: Prinzipiell können sämtliche Kohlenwasserstoffe in den Reaktionsraum eingeleitet und zersetzt werden, wobei jedoch leichte Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Methan, Ethan, Propan, Bu tan, vorgezogen werden. Bevorzugt ist Erdgas, insbesondere mit einem Methananteil von 75 und 99,9% der molaren Faktion. Process parameters that apply to all concepts: In principle, all hydrocarbons can be introduced into the reaction chamber and decomposed, although light hydrocarbons, for example methane, ethane, propane, butane, are preferred. Natural gas is preferred, in particular with a methane content of 75 and 99.9% of the molar fraction.
Vorteilhaft weist das bei der Zersetzung von Kohlenwasserstoffen entstehende wasserstoffhalti ges, gasförmiges Produktgemisch folgende Zusammensetzung bezüglich der beiden Haupt komponenten CH4, N2 und H2 in Vol-% auf: Vorteilhaft sind 10 bis 99 Vol.-% H2 und 90 bis 1 Vol.-% CH4 und/oder N2, bevorzugt 20 bis 95 Vol.-% H2 und 80 bis 5 Vol.-% CH4 und/oder N2, bevorzugt 40 bis 90 Vol.-% H2 und 60 bis 10 Vol.-% CH4 und/oder N2, bevorzugt 65 bis 90 Vol.-% H2 und 35 bis 10 Vol.-% CH4 und/oder N2, bevorzugt 80 bis 90 Vol.-% H2 und 20 bis 10 Vol.-% CH4 und/oder N2. The hydrogen-containing, gaseous product mixture formed during the decomposition of hydrocarbons advantageously has the following composition with regard to the two main components CH4, N2 and H2 in% by volume: 10 to 99% by volume of H2 and 90 to 1% by volume are advantageous CH4 and / or N2, preferably 20 to 95% by volume of H2 and 80 to 5% by volume of CH4 and / or N2, preferably 40 to 90% by volume of H2 and 60 to 10% by volume of CH4 and / or N2, preferably 65 to 90% by volume of H2 and 35 to 10% by volume of CH4 and / or N2, preferably 80 to 90% by volume of H2 and 20 to 10% by volume of CH4 and / or N2.
Abscheidung von Pyrolyse-Kohlenstoff Deposition of pyrolysis carbon
Es gibt prinzipiell zwei unterschiedliche Kohlenstoff-Abscheidungsmechanismen: There are basically two different carbon separation mechanisms:
1) Liegt schon eine Trägeroberfläche, z.B. Kohlenstoffoberfläche, vor und ist das Gasvolumen im Verhältnis zur Oberfläche sehr klein, dann lagert sich der Pyrolyse-Kohlenstoff vorwiegend auf der vorgelegten T rägeroberfläche als kompakte Schicht ab. Ist die T rägeroberfläche heißer als das Gasvolumen, wird dieser Mechanismus noch verstärkt. 1) If there is already a carrier surface, e.g. carbon surface, and the gas volume is very small in relation to the surface, then the pyrolysis carbon is mainly deposited as a compact layer on the carrier surface. If the carrier surface is hotter than the gas volume, this mechanism is reinforced.
2) Ist das Gasvolumen hingegen groß im Verhältnis zur Oberfläche (z.B. der Innenwand des Reaktors) dann bildet sich vorwiegend Ruß, also eine Vielzahl kleinster Pyrolyse-Kohlenstoff- Partikel, die im Grenzfall das ganze Reaktorvolumen verblocken können. Die Rußbildung wird durch hohe Gastemperaturen und Drucke verstärkt. Entsteht Ruß, dann sollte er aus Gründen einer guten Wärmeintegration möglichst bei Reaktionstemperatur aus dem Gasstrom abge trennt werden, beispielsweise durch: Cyclone, Filter und/oder Schüttungen. 2) If, on the other hand, the gas volume is large in relation to the surface area (e.g. the inner wall of the reactor), predominantly soot is formed, i.e. a large number of very small pyrolysis carbon particles that can block the entire reactor volume in extreme cases. Soot formation is increased by high gas temperatures and pressures. If soot is formed, for reasons of good heat integration it should be separated from the gas stream at the reaction temperature if possible, for example by: cyclones, filters and / or beds.
Schüttungen wirken in diesem Zusammenhang wie Tiefenfilter. Der Pyrolyse-Kohlenstoff belegt dabei die Oberflächen der vorgelegten Schüttungspartikel und verschließt mit der Zeit die Zwi ckelvolumina. Wenn der Druckverlust über die Schüttung zu groß wird, muss die Schüttung durch frische, unbelegte Partikel ersetzt werden. In this context, debris acts like depth filters. The pyrolysis carbon covers the surfaces of the bulk particles and closes the intermediate volumes over time. If the pressure loss over the bed becomes too great, the bed must be replaced with fresh, unoccupied particles.
Niedertemperaturplasma Low temperature plasma
Eine mit Hilfe von Niedertemperaturplasma betriebene thermische Zersetzung von Kohlenwas serstoffen ist dem Fachmann in der Niedertemperaturplasma-Technologie bekannt und bei spielsweise in „Methane Conversion in Low-Temperature Plasma“ von Pushkarev et al in High Energy Chemistry, 2009, Vol. 43, No. 3, Seiten 156-162 beschrieben. A thermal decomposition of hydrocarbons operated with the aid of low-temperature plasma is known to the person skilled in the art of low-temperature plasma technology and, for example, in “Methane Conversion in Low-Temperature Plasma” by Pushkarev et al in High Energy Chemistry, 2009, Vol. 43, No. 3, pages 156-162.
Das Niedertemperatur-Plasma Pyrolyse-Verfahren beinhaltet vorteilhaft folgende Prozess schritte: The low-temperature plasma pyrolysis process advantageously includes the following process steps:
1) Vorlegen einer Schüttung aus Trägermaterial 2) Beaufschlagen der Schüttung mit Trägermaterial mit dem C-haltigen heißen Pyrolysegas, so dass sich die Schüttung mit Trägermaterial aufheizt und sich Kohlenstoff in der Schüttung ablagert 1) Submitting a bed of carrier material 2) Applying the C-containing hot pyrolysis gas to the bed with carrier material, so that the bed with carrier material heats up and carbon is deposited in the bed
3) Leiten von kaltem Feedgas bestehend aus Eduktgas und Kreisgas über diese aufgeheizte Schüttung, so dass sich dieses Feedgas aufheizt und die mit Kohlenstoff beladene Schüt tung sich abkühlt 3) Passing cold feed gas consisting of feed gas and cycle gas over this heated bed, so that this feed gas is heated and the carbon-laden bed cools down
4) Weiteres Aufheizen des Feedgases durch einen Plasmabrenner zu dem heißen Pyrolysegas4) Further heating of the feed gas by a plasma torch to produce the hot pyrolysis gas
5) Austausch der abgekühlten beladenen Schüttung gegen eine kalte Schüttung 5) Exchange of the cooled, loaded bed against a cold bed
Thermische Pyrolyse: Thermal pyrolysis:
Im Gegensatz zum Niedertemperatur-Plasma benötigt die thermische Pyrolyse hohe Reaktions temperaturen (> 1000 °C). Die benötigte Energie für die Aufwärmung des eingesetzten Gasstro mes liegt dabei in der Größenordnung der Pyrolyse-Reaktionsenthalpie. Deshalb ist eine mög lichst hohe Wärmeintegration vorteilhaft, so dass z.B. die Abkühlung der heißen Produktströme zur Aufheizung der Feed-Ströme genutzt wird. In contrast to low-temperature plasma, thermal pyrolysis requires high reaction temperatures (> 1000 ° C). The energy required to warm up the gas flow used is in the order of magnitude of the pyrolysis reaction enthalpy. Therefore, the highest possible heat integration is advantageous, so that, for example, the cooling of the hot product streams is used to heat the feed streams.
Da Methan bereits über 450 °C anfängt zu pyrolysieren, verbietet sich dafür ein rekuperativer Wärmetausch, da sich über 450 °C an den Wärmetauscherflächen Pyrolyse-Kohlenstoff abla gern würde und den Wärmetauscher mit der Zeit verblocken würde. Since methane already begins to pyrolyze above 450 ° C, recuperative heat exchange is prohibited, as pyrolysis carbon would be deposited on the heat exchanger surfaces above 450 ° C and the heat exchanger would block over time.
Ein regenerativer Wärmetausch hingegen ist vorteilhaft, weil sich damit die Möglichkeit eröffnet, gleichzeitig mit dem Wärmetausch das Pyrolyse-Kohlenstoff aus dem Prozess auszuschleusen. A regenerative heat exchange, on the other hand, is advantageous because it opens up the possibility of removing the pyrolysis carbon from the process at the same time as the heat exchange.
Die Temperaturen des Pyrolyse-Verfahrens betragen im Fall einer thermischen Pyrolyse vorteil haft zwischen 1000 und 1600 °C, insbesondere zwischen 1100 und 1300 °C. In the case of thermal pyrolysis, the temperatures of the pyrolysis process are advantageously between 1000 and 1600.degree. C., in particular between 1100 and 1300.degree.
Bevorzugt beträgt der Druck des Pyrolyse-Verfahrens im Fall einer thermischen Pyrolyse in der ersten Stufe vorteilhaft 1 bis 10 bar, insbesondere 1 bis 5 bar. In the case of thermal pyrolysis in the first stage, the pressure of the pyrolysis process is preferably 1 to 10 bar, in particular 1 to 5 bar.
Vorteilhaft wird die thermische Umsetzung in Anwesenheit fester Trägermaterialien, bevorzugt Wärmeträgermaterialen, durchgeführt, auf denen sich der in der Spaltungsreaktion der Kohlen wasserstoffe gebildete Kohlenstoff vornehmlich, insbesondere zu größer als 90 % in Bezug auf den maximal pyrolysierbaren Kohlenstoffgehalt, anlagert. Diese festen Träger können zur rege nerativen Wärmeintegration genutzt werden. The thermal conversion is advantageously carried out in the presence of solid support materials, preferably heat transfer materials, on which the carbon formed in the splitting reaction of the hydrocarbons is mainly deposited, in particular greater than 90% of the maximum pyrolysable carbon content. These solid supports can be used for regenerative heat integration.
Die thermische Zersetzung kann vorteilhaft in einem Festbett-, Wirbelschicht- oder Wanderbett reaktor durchgeführt werden, wobei unter dem Begriff „Wirbelbett“ auch ein Produktionsbett ver standen wird, wenn der feste Reaktorinhalt in der Reaktionszone zumindest teilweise fluidisiert ist und oberhalb und/oder unterhalb der Reaktionszone der feste Reaktorinhalt sich bewegt, aber nicht mehr fluidisiert, ist. The thermal decomposition can advantageously be carried out in a fixed bed, fluidized bed or moving bed reactor, the term “fluidized bed” also being understood to mean a production bed if the solid reactor contents in the reaction zone are at least partially fluidized and above and / or below the Reaction zone the solid contents of the reactor are moving, but no longer fluidized.
Vorzugsweise wird der Träger als Wanderbett durch den Reaktionsraum geführt, wobei die zu zersetzenden Kohlenwasserstoffe im Gegenstrom zum Träger geleitet werden. Der Reaktions raum ist vorteilhaft als senkrechter Schacht, ggf. als konischer Schacht, ausgeführt, so dass die Bewegung des Wanderbetts alleine unter Wirkung der Schwerkraft zustande kommt. Das Wan derbett ist vorteilhaft homogen und gleichmäßig durchströmbar. The carrier is preferably passed through the reaction space as a moving bed, the hydrocarbons to be decomposed being passed in countercurrent to the carrier. The reaction space is advantageously designed as a vertical shaft, possibly as a conical shaft, so that the Movement of the moving bed comes about solely under the action of gravity. The Wan derbett is advantageously homogeneous and evenly flow through.
Die Trägermaterialien dieses Reaktionsbettes sind vorteilhaft temperaturbeständig im Bereich von 1000 bis 1800°C, bevorzugt 1300 bis 1800°C, besonders bevorzugt 1500 bis 1800°C, ins besondere 1600 bis 1800°C. The support materials of this reaction bed are advantageously temperature-resistant in the range from 1000 to 1800.degree. C., preferably from 1300 to 1800.degree. C., particularly preferably from 1500 to 1800.degree. C., in particular from 1600 to 1800.degree.
Als temperaturbeständige Trägermaterialien kommen vorteilhaft z.B. keramische Trägerpartikel, insbesondere Werkstoffe gemäß DIN EN 60 672-3 wie z.B. Alkali-Aluminiumsilikate, Magnesi umsilikate, Titanate, Erdalkali-Aluminiumsilikate, Aluminium- und Magnesiumsilikate, Mullit, Alu miniumoxid, Magnesiumoxid und/oder Zirkonoxid in Betracht. Ferner können nicht genormte ke ramische Hochleistungswerkstoffe, wie z.B. Quarzglas, Siliciumcarbid, Borcarbid und/oder Nit ride als temperaturbeständige Trägermaterialien dienen. Diese Wärmeträgermaterialien können gegenüber dem darauf abgesetzten Kohlenstoff ein unterschiedliches Ausdehnungsvermögen aufweisen. Ceramic carrier particles, in particular materials according to DIN EN 60 672-3 such as alkali aluminum silicates, magnesium silicates, titanates, alkaline earth aluminum silicates, aluminum and magnesium silicates, mullite, aluminum oxide, magnesium oxide and / or zirconium oxide are advantageous as temperature-resistant carrier materials . Furthermore, non-standardized ceramic high-performance materials such as quartz glass, silicon carbide, boron carbide and / or nitrides can serve as temperature-resistant carrier materials. These heat transfer materials can have different expansion capacities compared to the carbon deposited on them.
Ferner ist die Verwendung von kohlenstoffhaltigem Material als Granulat, vorteilhaft. Unter ei nem kohlenstoffhaltigen Granulat ist in der vorliegenden Erfindung ein Material zu verstehen, das vorteilhaft aus festen Körnern besteht. Das kohlenstoffhaltige Granulat ist vorteilhaft kugel förmig. Das Granulat besitzt vorteilhaft eine Körnung, d.h. einen Äquivalenzdurchmesser, der durch Siebung mit einer bestimmten Maschengröße bestimmbar ist, von 0,05 bis 100 mm, be vorzugt 0,1 bis 50 mm, weiter bevorzugt 0,2 bis 10 mm, insbesondere 0,5 bis 5 mm. In dem er findungsgemäßen Verfahren kann eine Vielzahl von unterschiedlichen kohlenstoffhaltigen Gra nulaten eingesetzt werden. Ein derartiges Granulat kann beispielsweise überwiegend aus Kohle, Koks, Koksgrus und/oder Mischungen hieraus bestehen. Ferner kann das kohlenstoff haltige Granulat 0 bis 15 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmasse des Granulats, bevorzugt 0 bis 5 Gew.-%, Metall, Metalloxid und/oder Keramik enthalten. The use of carbonaceous material as granules is also advantageous. In the present invention, a carbon-containing granulate is understood to mean a material which advantageously consists of solid grains. The carbon-containing granules are advantageously spherical. The granulate advantageously has a grain size, ie an equivalent diameter, which can be determined by sieving with a certain mesh size, of 0.05 to 100 mm, preferably 0.1 to 50 mm, more preferably 0.2 to 10 mm, in particular 0, 5 to 5 mm. In the method according to the invention, a large number of different carbon-containing granules can be used. Such granules can consist predominantly of coal, coke, coke breeze and / or mixtures thereof, for example. Furthermore, the carbon-containing granulate can contain 0 to 15% by weight based on the total mass of the granulate, preferably 0 to 5% by weight, of metal, metal oxide and / or ceramic.
ATP ATP
Eine autotherm betriebene thermische Zersetzung (Pyrolyse), ATP, von Kohlenwasserstoffen ist dem Fachmann in der thermischen Zersetzungs-Technologie bekannt und beispielsweise in Manfred Voll, Peter Kleinschmit, „Carbon, 6. Carbon Black“, Ullmanns Ecyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley, 2012 beschrieben. An autothermally operated thermal decomposition (pyrolysis), ATP, of hydrocarbons is known to those skilled in thermal decomposition technology and, for example, in Manfred Voll, Peter Kleinschmit, “Carbon, 6. Carbon Black”, Ullmanns Ecyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley, 2012 described.
Die ATP wird vorteilhaft bei Temperaturen zwischen 500°C und 1500°C, vorzugsweise zwi schen 600°C und 1300°C, besonders bevorzugt zwischen 700°C und 1200°C durchgeführt.The ATP is advantageously carried out at temperatures between 500.degree. C. and 1500.degree. C., preferably between 600.degree. C. and 1300.degree. C., particularly preferably between 700.degree. C. and 1200.degree.
Die Drücke liegen vorteilhaft zwischen 1 und 10 bar, bevorzugt zwischen 1 und 5 bar und be sonders bevorzugt zwischen 1 und 3 bar. The pressures are advantageously between 1 and 10 bar, preferably between 1 and 5 bar and particularly preferably between 1 and 3 bar.
In Verbindung mit einer EHS kann die Temperatur vorteilhaft niedriger liegen und damit der Um satz geringer sein und es kann vorteilhaft Luft statt teurem reinen Sauerstoff verwendet werden, weil weder ein hoher Methangehalt noch ein hoher N2-Gehalt im Pyrolyse-Produktgas die Wirt schaftlichkeit der EHS im Gegensatz zur PSA reduziert. Beispielweise liegt die Temperatur bei 650 bis 1200°, bevorzugt bei 750 bis 1100°C, insbesondere bei 800 bis 1000°C. Beispielsweise liegt der Druck bei 1 bis 30 bar, besonders bevorzugt bei 1 bis 10 bar, insbesondere bei 1 bis 5 bar. In connection with an EHS, the temperature can advantageously be lower and thus the turnover can be lower and air can advantageously be used instead of expensive pure oxygen, because neither a high methane content nor a high N2 content in the pyrolysis product gas reduces the profitability of the EHS in contrast to PSA. For example, the temperature is from 650 to 1200 °, preferably from 750 to 1100 ° C, in particular from 800 to 1000 ° C. For example, the pressure is from 1 to 30 bar, particularly preferably from 1 to 10 bar, in particular from 1 to 5 bar.
Als Trägermaterialien kommen vorteilhaft z.B. keramische Trägerpartikel, insbesondere Werk stoffe gemäß DIN EN 60 672-3 wie z.B. Alkali-Aluminiumsilikate, Magnesiumsilikate, Titanate, Erdalkali-Aluminiumsilikate, Aluminium- und Magnesiumsilikate, Mullit, Aluminiumoxid, Magnesi umoxid und/oder Zirkonoxid in Betracht. Ferner können nicht genormte keramische Hochleis tungswerkstoffe, wie z.B. Quarzglas, Siliciumcarbid, Borcarbid und/oder Nitride als temperatur beständige Trägermaterialien dienen. Diese Wärmeträgermaterialien können gegenüber dem darauf abgesetzten Kohlenstoff ein unterschiedliches Ausdehnungsvermögen aufweisen. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von kohlenstoffhaltigem Material als Granulat. Unter einem kohlenstoffhaltigen Granulat ist in der vorliegenden Erfindung ein Material zu verstehen, das vorteilhaft aus festen Körnern besteht. Das kohlenstoffhaltige Granulat ist vorteilhaft kugel förmig. Das Granulat besitzt vorteilhaft eine Körnung, d.h. einen Äquivalenzdurchmesser, der durch Siebung mit einer bestimmten Maschengröße bestimmbar ist, von 0,05 bis 100 mm, be vorzugt 0,1 bis 50 mm, weiter bevorzugt 0,2 bis 10 mm, insbesondere 0,5 bis 5 mm. In dem er findungsgemäßen Verfahren kann eine Vielzahl von unterschiedlichen kohlenstoffhaltigen Gra nulaten eingesetzt werden. Ein derartiges Granulat kann beispielsweise überwiegend aus Kohle, Koks, Koksgrus und/oder Mischungen hieraus bestehen. Ferner kann das kohlenstoff haltige Granulat 0 bis 15 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmasse des Granulats, bevorzugt 0 bis 5 Gew.-%, Metall, Metalloxid und/oder Keramik enthalten. Suitable carrier materials are e.g. ceramic carrier particles, in particular materials according to DIN EN 60 672-3 such as alkali aluminum silicates, magnesium silicates, titanates, alkaline earth aluminum silicates, aluminum and magnesium silicates, mullite, aluminum oxide, magnesium oxide and / or zirconium oxide. Furthermore, non-standardized high-performance ceramic materials such as quartz glass, silicon carbide, boron carbide and / or nitrides can serve as temperature-resistant carrier materials. These heat transfer materials can have different expansion capacities compared to the carbon deposited on them. The use of carbonaceous material as granules is particularly preferred. In the present invention, a carbon-containing granulate is to be understood as a material which advantageously consists of solid grains. The carbon-containing granules are advantageously spherical. The granulate advantageously has a grain size, ie an equivalent diameter, which can be determined by sieving with a certain mesh size, of 0.05 to 100 mm, preferably 0.1 to 50 mm, more preferably 0.2 to 10 mm, in particular 0, 5 to 5 mm. In the method according to the invention, a large number of different carbon-containing granules can be used. Such granules can consist predominantly of coal, coke, coke breeze and / or mixtures thereof, for example. Furthermore, the carbon-containing granulate can contain 0 to 15% by weight based on the total mass of the granulate, preferably 0 to 5% by weight, of metal, metal oxide and / or ceramic.
Die ATP beinhaltet vorteilhaft folgende Prozessschritte: The ATP advantageously includes the following process steps:
1) Vorlegen einer Schüttung mit unbeladenem Trägermaterial. 1) Submission of a bed with unloaded carrier material.
2) Verbrennen von Edukt- oder Produktgas mit Luft zu einem heißen Brenngas zur Bereitstel lung der Reaktionsenthalpie 2) Combustion of educt or product gas with air to form a hot fuel gas to provide the enthalpy of reaction
3) Mischen dieses heißen Brenngases mit dem Eduktgas (vorteilhaft Erdgas), so dass das Edu ktgas zu H2 und Kohlenstoff pyrolysiert. 3) Mixing this hot fuel gas with the feed gas (preferably natural gas), so that the feed gas pyrolyses to H2 and carbon.
4) Beaufschlagen der Schüttung mit unbeladenem Trägermaterial mit dem C-haltigen heißen Pyrolysegas, so dass sich die Schüttung mit unbeladenem Trägermaterial aufheizt und sich Kohlenstoff in der Schüttung ablagert. 4) loading the bed with unloaded carrier material with the C-containing hot pyrolysis gas, so that the bed with unloaded carrier material heats up and carbon is deposited in the bed.
5) Wenn die Schüttung aufgeheizt ist und kein Kohlenstoff mehr aufnehmen kann, wird über diese Schüttung das kalte Eduktgas geleitet. Dabei heizt sich das Eduktgas auf und kühlt sich die mit Kohlenstoff beladene Schüttung ab. 5) When the bed is heated up and can no longer absorb carbon, the cold reactant gas is passed over this bed. The feed gas is heated up and the carbon-laden bed cools down.
6) Die abgekühlte beladene Schüttung wird gegen eine kalte Schüttung ausgetauscht. 6) The cooled, laden bed is exchanged for a cold bed.
Die ATP bietet beste Voraussetzungen für eine low-cost-Pyrolyse in Kombination mit der EHS: Der Energieeintrag erfolgt vorteilhaft durch Verbrennung der Edukt- oder Produktgase mit Luft. Für den Energieeintrag wird somit weder teurer elektrischer Strom noch teurer reiner Sauerstoff benötigt. Der meistens vorhandene Nachteil bei Verwendung von Verbrennungsluft - dass das wasserstoffhaltige Produktgasgemisch große Mengen an Stickstoff enthält - spielt bei der Ver wendung einer EHS als Wasserstoff-Abtrennverfahren keine negative Rolle. The ATP offers the best prerequisites for low-cost pyrolysis in combination with the EHS: The energy input takes place advantageously through combustion of the educt or product gases with air. This means that neither expensive electricity nor expensive pure oxygen is required for the input of energy needed. The usually existing disadvantage when using combustion air - that the hydrogen-containing product gas mixture contains large amounts of nitrogen - does not play a negative role when using an EHS as a hydrogen separation process.
Erfindungsgemäß wird ein Reaktorkonzept vorgeschlagen, dass auf einem Revolverprinzip ba siert (Figur 2). Eine sich abschnittsweise in Zyklen weiterdrehende senkrecht stehende Trom mel (1) ist beispielsweise in 4 Segmente (2a - d) durch sternförmig angeordnete gut wärmeiso lierende Trennwände unterteilt. Die Segmente sind vorteilhaft unten offen und oben durch eine Platte (3) abgeschlossen, die pro Segment ein Loch enthält (3a - d). Über Platte 3 befindet sich vorteilhaft eine feststehende Platte 4 mit nur 3 Löchern (4a - c) in gleicher Form und Lage wie (3a - c). Segment (2d) ist vorteilhaft nach oben hin verschlossen, weil in diesem Zyklus ein Loch (4d) fehlt. According to the invention, a reactor concept is proposed that is based on a revolver principle (FIG. 2). A vertically standing drum (1), which continues to rotate in sections in cycles, is divided into 4 segments (2a-d), for example, by dividing walls that are arranged in a star shape and have good heat-insulating properties. The segments are advantageously open at the bottom and closed at the top by a plate (3) which contains one hole per segment (3a-d). A stationary plate 4 with only 3 holes (4a-c) in the same shape and position as (3a-c) is advantageously located above plate 3. Segment (2d) is advantageously closed at the top because a hole (4d) is missing in this cycle.
Die Löcher (4c) und (4b) sind vorteilhaft über ein Rohr (5, punktiert dargestellt) verbunden, in dem sich vorteilhaft die Vorrichtung für den Energieeintrag (6c, als Blitz dargestellt) befinden kann. The holes (4c) and (4b) are advantageously connected via a tube (5, shown dotted), in which the device for the energy input (6c, shown as a lightning bolt) can advantageously be located.
Der Energieeintrag kann alternative auch dadurch erfolgen, dass außerhalb des Rohres in bei spielsweise einem Brenner (6a) oder in einem Plasmagenerator (6b) ein heißes Gas erzeugt wird, das dann vorteilhaft in das Rohr 5 eingeleitet wird. The energy input can alternatively also take place in that a hot gas is generated outside the tube in, for example, a burner (6a) or in a plasma generator (6b), which gas is then advantageously introduced into the tube 5.
Ein Rohr (7, ebenfalls punktiert dargestellt) mündet vorteilhaft in Loch (4a) das über Loch (3a) steht. Durch Rohr (7) werden vorteilhaft dem Segment (2a) Partikel (P1), auch Trägermaterial genannt, zugeführt, die als Tiefenfilter zur Abtrennung des Pyrolyse-Kohlenstoffs und/oder als Regenerator für die Wärmeintegration wirken. A tube (7, also shown dotted) advantageously opens into hole (4a) which is above hole (3a). Particles (P1), also called carrier material, are advantageously fed to segment (2a) through pipe (7), which act as depth filters for separating the pyrolysis carbon and / or as regenerators for heat integration.
Die vorteilhaft unten offenen, sich vorteilhaft abschnittsweise drehenden Segmente (2a - c) sind vorteilhaft durch eine feststehende Platte (8) soweit nach unten verschlossen, dass vorteilhaft keine Partikel in den darunter befindlichen Raum (9) gelangen können. Platte (8) besitzt vorteil haft lediglich für Segment (2d) eine entsprechende Öffnung (8d). Aus Segment (2d) können die Partikel (P2) vorteilhaft in den darunter befindlichen Raum (9) gelangen. The segments (2a-c), which are advantageously open at the bottom and rotate in sections, are advantageously closed at the bottom by a fixed plate (8) to such an extent that advantageously no particles can get into the space (9) below. Plate (8) advantageously only has a corresponding opening (8d) for segment (2d). The particles (P2) can advantageously pass from segment (2d) into the space (9) below.
Platte (8) besitzt vorteilhaft unter den beiden Segmenten (2b) und (2a) Rohrzuführungen (10b und 10c, punktiert dargestellt). Diese Rohrzuführungen sind vorteilhaft so ausgeführt, dass zwar Gase in die Segmente einströmen können, jedoch keine Partikel aus den Segmenten in die Rohre gelangen können. Dies kann z.B. durch ein engmaschiges Siebgewebe erreicht werden. Aus Rohr (10b) wird vorteilhaft kaltes Pyrolyse-Produktgas (G4) aus dem Segment (2b) abge zogen und durch Rohr (10c) strömt vorteilhaft kaltes Feedgas (G1) in Segment (2c). Plate (8) advantageously has pipe feeds (10b and 10c, shown dotted) under the two segments (2b) and (2a). These pipe feeds are advantageously designed in such a way that, although gases can flow into the segments, no particles can get into the pipes from the segments. This can be achieved, for example, with a close-meshed screen mesh. From pipe (10b) cold pyrolysis product gas (G4) is advantageously withdrawn from segment (2b) and cold feed gas (G1) advantageously flows through pipe (10c) into segment (2c).
In Figur 3 sind die einzelnen Segmente (2a - d) linear aufgereiht gezeichnet, um das Gesche hen in den einzelnen Segmenten zu einem x-beliebigen Zeitpunkt zu verdeutlichen. Dunkler Hintergrund bedeutet, dass das Segment, bzw. die Partikel darin kalt sind. Heller Hintergrund bedeutet, dass das Segment, bzw. die Partikel darin heiß sind. Die Übergänge von dunkel zu hell oder hell zu dunkel stellen wandernde Temperaturfronten dar. Die Pfeile (Tb) und (Tc) ge ben die Wanderungsrichtung der Temperaturfronten an. In FIG. 3, the individual segments (2a-d) are drawn in a linear row in order to illustrate what is happening in the individual segments at any point in time. A dark background means that the segment or the particles in it are cold. A light background means that the segment or the particles in it are hot. The transitions from dark to light or light to dark represent moving temperature fronts. The arrows (Tb) and (Tc) indicate the direction of migration of the temperature fronts.
Im Folgenden wird ein Zyklus beschrieben: A cycle is described below:
• Segment (2a) befindet sich unter dem Rohr (7) und wird mit frischen Partikeln (P1) gefüllt. • In Segment (2b) wird aus dem Rohr (5) das heiße Reaktionsgas (G3) geleitet, die die fri schen und noch kalten Partikel auf Reaktionstemperatur aufheizen. • Segment (2a) is located under the pipe (7) and is filled with fresh particles (P1). • In segment (2b) the hot reaction gas (G3) is passed from the pipe (5), which heats the fresh and still cold particles to the reaction temperature.
• In Segment (2c) strömt kaltes Feedgas (G1) und kühlt beim Aufsteigen die heiße Partikel schüttung ab. Im Gegenzug wird das zugeführte Erdgas durch die heißen Partikel aufgeheizt und gelangt als heißes Feedgas (G2) in Rohr (5). • Cold feed gas (G1) flows into segment (2c) and cools the hot particle fill as it rises. In return, the supplied natural gas is heated up by the hot particles and reaches the pipe (5) as hot feed gas (G2).
Erfolgt der Energieeintrag durch Verbrennen eines Gemisches aus Brenngas und Luft (G5) in einem Brenner (6a) oder durch ein elektrisch erzeugtes Hochtemperaturplasma (6b) dann erzeugen diese beiden Vorrichten (6a) oder (6b) ein sehr heißes Gas, das im Rohr (5) mit dem vorgeheizten Feedgas (G2) zum heißen Reaktionsgas (G3) vermischt wird. If the energy input takes place by burning a mixture of fuel gas and air (G5) in a burner (6a) or by an electrically generated high-temperature plasma (6b) then these two devices (6a) or (6b) generate a very hot gas that is in the tube ( 5) is mixed with the preheated feed gas (G2) to form the hot reaction gas (G3).
Das heiße Reaktionsgas (G3) kann schon bei Eintritt in Segment (2c) gebildeten Pyrolyse- Ruß enthalten. Erfindungsgemäß findet der größere Teil der Pyrolysereaktion in Segment (2b) statt. The hot reaction gas (G3) can contain pyrolysis soot formed as soon as it enters segment (2c). According to the invention, the greater part of the pyrolysis reaction takes place in segment (2b).
• Segment (2d) befindet sich über der Öffnung (8d), sodass die abgekühlten, und mit Pyrolyse- C beladenen Partikel (P2) in die sich darunter befindliche Kammer (9) fallen können, um von dort aus ausgetragen zu werden. • Segment (2d) is located above the opening (8d) so that the cooled particles (P2) loaded with pyrolysis C can fall into the chamber (9) below in order to be discharged from there.
Die Trommel verharrt in einer Position solange, wie die Partikelschüttung in Segment (2c) braucht, um abgekühlt zu werden. Danach ist ein Zyklus zu Ende und die Trommel dreht sich um ein Segment weiter. Das Segment, das im vorherigen Zyklus (2a) war, wird im neuen Zyklus zum Segment (2b) usw. Dabei ist vorausgesetzt, dass die Zeit zum Befüllen des Segmentes (2a) und die Entleerung des Segmentes (2d) kürzer ist als die Abkühlung der Partikelschüttung im Segment (2c). The drum remains in one position as long as the particle bed in segment (2c) needs to be cooled down. Then one cycle is over and the drum rotates one segment further. The segment that was in the previous cycle (2a) becomes segment (2b) etc. in the new cycle. It is assumed that the time for filling segment (2a) and emptying segment (2d) is shorter than cooling the particle bed in the segment (2c).
Wie erkennbar, sind erfindungsgemäß vier verfahrenstechnische Operationen in einem einzigen Apparat vereint, die sonst in bis zu vier Apparaten ablaufen: Reaktion, Wärmeeintrag zur De ckung der Reaktionswärme, Abtrennung des Pyrolyse-Kohlenstoffs und Wärmerückgewinnung (Aufheizen des Erdgases und Abkühlung des Pyrolyse- Kohlenstoffs). As can be seen, four process engineering operations are combined in a single apparatus according to the invention, which otherwise take place in up to four apparatuses: reaction, heat input to cover the heat of reaction, separation of the pyrolysis carbon and heat recovery (heating of the natural gas and cooling of the pyrolysis carbon) .
Alternative kann die Trommel in Segmente mit der Segmentzahl Nsegment = 2 + 2 * n, mit n =Alternatively, the drum can be divided into segments with the segment number Ns egment = 2 + 2 * n, with n =
1 ,2,3, etc. aufgeteilt sein. 1, 2, 3, etc.
Die Möglichkeiten der Aufarbeitung und Kreislaufführung der Partikelschüttung aus Segment (d) ist dem Fachmann in der Feststoffführungs-Technologie bekannt. The possibility of working up and recycling the bed of particles from segment (d) is known to those skilled in solids management technology.
Widerstandsbeheizung: Resistance heating:
Eine mit Hilfe von Widerstandsbeheizung betriebene thermische Zersetzung von Kohlenwasser stoffen ist dem Fachmann in der thermischen Zersetzungs-Technologie bekannt und beispiels weise in CH 409890, US 2982622, die Internationale Patentanmeldung mit der Nr. A thermal decomposition of hydrocarbons operated with the aid of resistance heating is known to those skilled in the art of thermal decomposition technology and, for example, in CH 409890, US 2982622, the international patent application No.
PCT/EP2019/051466 beschrieben. PCT / EP2019 / 051466.
In einer bevorzugten Ausführung werden zwei Elektroden in die Schüttungen installiert, zwi schen denen die Schüttungen als elektrischer Widerstand fungieren und sich beim Durchleiten des Stromes aufgrund der elektrischen Durchleitungsverluste erhitzen. Der Stromfluss kann da bei sowohl quer zu den Strömungsrichtungen der Schüttungen als auch längs dazu erfolgen. Da sämtliche Umwandlungsprozesse Energie benötigen, kann es vorteilhaft sein, die Pyrolyse- Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens als Hybridverfahren auszugestalten, so dass es auch mit regenerativ gewonnenen Überschussstrom betrieben werden kann (siehe WO 2014/090914, europäische Patentanmeldung mit der Nr. 19178437.0). In a preferred embodiment, two electrodes are installed in the beds, between which the beds act as an electrical resistor and heat up when the current is passed through due to the electrical transmission losses. The flow of current can take place both transversely to the directions of flow of the beds as well as along them. Since all conversion processes require energy, it can be advantageous to design the pyrolysis stage of the process according to the invention as a hybrid process so that it can also be operated with excess electricity obtained from renewable sources (see WO 2014/090914, European patent application with the number 19178437.0).
EHS: EHS:
Die Technologie der elektrochemischen Wasserstoff-Trennung basiert auf lonen-Transport- membranen, die selektiv Protonen (H+) leiten. Diese Membranen sind aus anderen Anwendun gen bekannt, wie z.B. Elektrodialyse, Brennstoffzellen und Wasserelektrolyse. Der Aufbau zur Wasserstoff-Trennung ist weitgehend identisch mit einem Brennstoffzellenaufbau. Kern der EHS-Anlage ist die Membran-Elektroden-Einheit (MEA). Auf der anodischen Seite werden Was serstoffmoleküle auf einem Katalysator zu Protonen oxidiert, die durch die protonenselektive Membran zur Kathodenseite gelangen, während Elektronen durch einen externen Stromkreis zur Kathode wandern. Solange Strom angelegt wird, trennt damit die EHS-Anlage den Wasser stoff aus Gasgemischen ab. Die Technologie der elektrochemischen Wasserstoff-Trennung ist beispielsweise in WO 2016/50500 und WO 2010/115786 beschrieben. The technology of electrochemical hydrogen separation is based on ion transport membranes that selectively conduct protons (H +). These membranes are known from other applications such as electrodialysis, fuel cells and water electrolysis. The structure for hydrogen separation is largely identical to a fuel cell structure. The core of the EHS system is the membrane electrode assembly (MEA). On the anodic side, hydrogen molecules are oxidized to protons on a catalyst. These protons pass through the proton-selective membrane to the cathode side, while electrons travel to the cathode through an external circuit. As long as electricity is applied, the EHS system separates the hydrogen from gas mixtures. The technology of electrochemical hydrogen separation is described, for example, in WO 2016/50500 and WO 2010/115786.
Als katalytisch aktives Material können die üblichen, dem Fachmann bekannten Verbindungen und Elemente verwendet werden, welche die Dissoziation von molekularem Wasserstoff in ato maren Wasserstoff, die Oxidation von Wasserstoff zu Protonen sowie die Reduktion von Proto nen zu Wasserstoff katalysieren können. Geeignet sind beispielsweise Pd, Pt, Cu, Ni, Ru, Fe, Co, Cr, Mn, V, W, Wolframcarbid, Mo, Molybdäncarbid, Zr, Rh, Ru, Ag, Ir, Au, Re, Y, Nb sowie Legierungen und Mischungen davon, bevorzugt ist erfindungsgemäß Pt. Die katalytisch aktiven Materialien können auch geträgert vorliegen, bevorzugt wird dabei Kohlenstoff als Träger einge setzt. In einer Weiterbildung der Membran-Elektroden-Anordnung beträgt die Menge des kataly tisch aktiven Materials des Kathoden-Katalysators 0,1 mg/cm2 bis 2,00 mg/cm2, bevorzugt 0,1 mg/cm2 bis 1 mg/cm2, bezogen auf die Gesamtfläche von Anode und Kathode. The usual compounds and elements known to the person skilled in the art can be used as the catalytically active material, which can catalyze the dissociation of molecular hydrogen in atomic hydrogen, the oxidation of hydrogen to protons and the reduction of protons to hydrogen. For example, Pd, Pt, Cu, Ni, Ru, Fe, Co, Cr, Mn, V, W, tungsten carbide, Mo, molybdenum carbide, Zr, Rh, Ru, Ag, Ir, Au, Re, Y, Nb and alloys are suitable and mixtures thereof, Pt is preferred according to the invention. The catalytically active materials can also be in a supported form; carbon is preferably used as the support. In a further development of the membrane-electrode arrangement, the amount of the catalytically active material of the cathode catalyst is 0.1 mg / cm2 to 2.00 mg / cm2, preferably 0.1 mg / cm2 to 1 mg / cm2, based on the total area of the anode and cathode.
Die erfindungsgemäß eingesetzte Membran leitet selektiv Protonen, das heißt insbesondere, dass sie nicht elektronenleitend ist. Erfindungsgemäß können für die Membranen alle dem Fach mann bekannten Materialien eingesetzt werden, aus denen sich protonenleitende Membranen formen lassen. Auch selektiv protonenleitende Membranen, wie sie aus der Brennstoffzellentech nik bekannt sind, können erfindungsgemäß verwendet werden. The membrane used according to the invention selectively conducts protons, that is to say in particular that it is not electron-conducting. According to the invention, all materials known to the person skilled in the art can be used for the membranes, from which proton-conducting membranes can be formed. Also selectively proton-conducting membranes, as they are known from fuel cell technology, can be used according to the invention.
Materialien, die sich für die Herstellung von gasdichten und selektiv protonenleitenden Membra nen besonders eignen, sind Polymermembranen. Geeignete Polymere sind sulfonierte Polyethe retherketone (S-PEEK), sulfonierte Polybenzoimidazole (S-PBI) und sulfonierte Fluorkohlenwas serstoffpolymere (z. B. NAFION®). Weiterhin können perforierte Polysulfonsäuren, Polymere auf Styrolbasis, Poly(arylenether), Polyimide und Polyphosphazene eingesetzt werden. Ganz besonders bevorzugt werden Membranen aus Polybenzamidazolen eingesetzt, insbeson dere MEAs, die auf Polybenzimidazol und Phosphorsäure basieren, wie sie beispielsweise unter dem Namen Celtec-P® von der BASF SE vertrieben werden. Materials that are particularly suitable for the production of gas-tight and selectively proton-conducting membranes are polymer membranes. Suitable polymers are sulfonated polyether ketones (S-PEEK), sulfonated polybenzoimidazoles (S-PBI) and sulfonated fluorocarbon polymers (e.g. NAFION®). Furthermore, perforated polysulfonic acids, styrene-based polymers, poly (arylene ethers), polyimides and polyphosphazenes can be used. Membranes made from polybenzamidazoles are very particularly preferably used, in particular MEAs based on polybenzimidazole and phosphoric acid, such as those marketed, for example, under the name Celtec-P® by BASF SE.
Die Betriebsbedingungen des EHS-Systems hängen stark von der gewählten MEA ab. Bei Ein satz der Celtec®-Technologie wird vorteilhaft eine Spannung von 0,1 bis 0,4V und eine Strom stärke von 0,2 bis 1 A/cm2 verwendet. Die Abtrennung des H2 basiert nicht auf Differenzdruck, sondern auf der Elektrochemie. Die EHS kann daher vorteilhaft drucklos betrieben werden. So lange kein Differenzdruck zwischen Anode und Kathode herrscht, ist ein höherer Druck vorteil haft, der zu einer höheren Separationsrate führt. The operating conditions of the EHS system depend heavily on the MEA selected. When using Celtec ® technology, it is advantageous to use a voltage of 0.1 to 0.4V and a current of 0.2 to 1 A / cm 2 . The separation of the H2 is not based on differential pressure, but on electrochemistry. The EHS can therefore advantageously be operated without pressure. As long as there is no differential pressure between anode and cathode, a higher pressure is advantageous, which leads to a higher separation rate.
Der Wasserstoffgehalt im wasserstoffhaltigen Produktgas aus der Stufe 1 , der Pyrolyse-Stufe, liegt vorteilhaft im Bereich von 1 Vol.-% bis 99 Vol.-%, bevorzugt 5% bis 95 Vol.-%, bevorzugt 10 bis 95 Vol.-%, bevorzugt 20 bis 95 Vol.-%, bevorzugt 40 bis 90 Vol.-%, insbesondere 65 bis 90 Vol.-% Wasserstoff. Die Wasserstofftrennrate liegt typischerweise zwischen 60 % und 99%, bevorzugt 70 bis 95%, insbesondere 80% bis 90%, wobei der elektrische Energiebedarf einer EHS umso höher ist, je höher die Abtrennrate ist. The hydrogen content in the hydrogen-containing product gas from stage 1, the pyrolysis stage, is advantageously in the range from 1% by volume to 99% by volume, preferably 5% to 95% by volume, preferably 10 to 95% by volume , preferably 20 to 95% by volume, preferably 40 to 90% by volume, in particular 65 to 90% by volume, hydrogen. The hydrogen separation rate is typically between 60% and 99%, preferably 70 to 95%, in particular 80% to 90%, the higher the separation rate, the higher the electrical energy requirement of an EHS.
Vorteilhaft liegt der Wassergehalt im wasserstoffhaltigen Feedgas im Bereich von 0,5 bis 50 %, bevorzugt 0,5 bis 5%, insbesondere 0,5 bis 1%. The water content in the hydrogen-containing feed gas is advantageously in the range from 0.5 to 50%, preferably 0.5 to 5%, in particular 0.5 to 1%.
Die Stromdichte liegt vorteilhaft bei 0,1 bis 1 A/cm2, bevorzugt 0,2 bis 0,7 A/cm2, insbesondere 0,2 bis 0,5 A/cm2. Die Spannung liegt vorteilhaft bei 1 bis 1000 mV, bevorzugt 100 bis 800 mV, insbesondere 150 bis 350 mV. The current density is advantageously 0.1 to 1 A / cm 2 , preferably 0.2 to 0.7 A / cm 2 , in particular 0.2 to 0.5 A / cm 2 . The voltage is advantageously 1 to 1000 mV, preferably 100 to 800 mV, in particular 150 to 350 mV.
Diese elektrochemischen Wasserstofftrennungssysteme werden bei Temperaturen von vorteil haft von 50 bis 200°C, bevorzugt von 120 bis 200°C, bevorzugt 150 bis 180°C, insbesondere 160 bis 175°C betrieben. Der Druck liegt vorteilhaft bei 0,5 bis 40 bar, bevorzugt 1 bis 10 bar, insbesondere 1 bis 5 bar. Der Druckunterschied zwischen der anodischen und der kathodi- schen Seite ist vorteilhaft kleiner als 1 bar, bevorzugt kleiner als 0,5 bar. These electrochemical hydrogen separation systems are operated at temperatures advantageously from 50 to 200.degree. C., preferably from 120 to 200.degree. C., preferably from 150 to 180.degree. C., in particular from 160 to 175.degree. The pressure is advantageously from 0.5 to 40 bar, preferably from 1 to 10 bar, in particular from 1 to 5 bar. The pressure difference between the anodic and the cathodic side is advantageously less than 1 bar, preferably less than 0.5 bar.
Durch diese Fahrweise kann eine hohe Toleranz gegenüber Gasverunreinigungen, z.B. CO (3%) and H2S (15 ppm) erreicht werden. This mode of operation enables a high tolerance to gas contamination, e.g. CO (3%) and H2S (15 ppm) to be achieved.
Diese vergleichsweise niedrige Temperatur ermöglicht ein relativ schnelles und materialscho nendes An- und Abschalten, ein Vorteil vor allem für den nicht kontinuierlichen Betrieb in de zentralen Anlagen mit schwankendem Wasserstoff-Absatz, z. B. in Tankstellen. This comparatively low temperature enables relatively quick and material-friendly switching on and off, an advantage especially for non-continuous operation in decentralized systems with fluctuating hydrogen sales, e.g. B. in gas stations.
Die aktive Fläche der Membran-Elektrode-Einheit liegt vorteilhaft im Bereich von 5 cm2 bis 20000 cm2, bevorzugt 25 bis 10000 cm2, insbesondere 150 bis 1000 cm2 Die Dicke der Membran-Elektrode-Einheit liegt vorteilhaft im Bereich von 250 bis 1500 pm, be vorzugt 600 bis 1000 pm. The active area of the membrane electrode unit is advantageously in the range from 5 cm 2 to 20,000 cm 2 , preferably 25 to 10,000 cm 2 , in particular 150 to 1000 cm 2 The thickness of the membrane-electrode unit is advantageously in the range from 250 to 1500 μm, preferably 600 to 1000 μm.
Ein Wasserstofftrennungs-Stack bestehend aus Endplatten, Bipolarplatten, Dichtungen und Membran-Elektroden-Einheiten trennt bei einem Bauvolumen von 1 m3 trennt vorteilhaft 100 bis 200 Nm3/h Wasserstoff ab und ist damit deutlich kleiner als Anlagen mit physikalischer Wasser stoffabtrennung. A hydrogen separation stack consisting of end plates, bipolar plates, seals and membrane-electrode units separates with a volume of 1 m 3 advantageously separates 100 to 200 Nm 3 / h hydrogen and is therefore significantly smaller than systems with physical hydrogen separation.
Der Energieverbrauch liegt typischerweise zwischen 3 und 7 kWh/kg H2 - in Abhängigkeit von Gaszusammensetzung und gewählter Abtrennungsrate. The energy consumption is typically between 3 and 7 kWh / kg H2 - depending on the gas composition and the selected separation rate.
Da die elektrochemische Trennung auf gasdichten, hochselektiven protonenleitenden Membra nen basiert, kann die Reinheit des erzeugten Wasserstoffs sehr hoch sein, typischerweise etwa größer als 99,9%, bevorzugt größer als 99,95 %, insbesondere größer als 99,99 %. Since the electrochemical separation is based on gas-tight, highly selective proton-conducting membranes, the purity of the hydrogen generated can be very high, typically greater than 99.9%, preferably greater than 99.95%, in particular greater than 99.99%.
Besonders bevorzugt sind folgende Membran-Elektrode-Einheit Spezifikationen: The following membrane-electrode unit specifications are particularly preferred:
PBI = Polybenzimidazol I.V. = inhärente Viskosität PBI = polybenzimidazole I.V. = inherent viscosity
Details zur Kombination der zwei Systeme: Details on the combination of the two systems:
Vorteilhaft wird die Zersetzung der Kohlenwasserstoffe und die elektrochemische Trennung auf demselben Druckniveau durchgeführt. Vorteilhaft werden beide Stufen, thermische Zersetzung und elektrochemische Auftrennung bei einem absoluten Druck von 1 bar bis 30 bar durchge führt. Die Druckdifferenz zwischen den beiden Stufen liegt vorteilhaft im Bereich von 0,001 bar bis 5 bar. The decomposition of the hydrocarbons and the electrochemical separation are advantageously carried out at the same pressure level. Both stages, thermal decomposition and electrochemical separation, are advantageously carried out at an absolute pressure of 1 bar to 30 bar. The pressure difference between the two stages is advantageously in the range from 0.001 bar to 5 bar.
Vorteilhaft wird das wasserstoffhaltige Produktgemisch mit demselben Temperaturniveau, das es nach der Prozessstufe der Zersetzung aufweist, in die Prozessstufe der elektrochemischen Trennung eingeleitet. Vorteilhaft weist das wasserstoffhaltige Produktgemisch nach der Pro zessstufe der Zersetzung eine Temperatur von 20 bis 400°C auf, bevorzugt von 50 bis 300°C, bevorzugt von 80 bis 250°C, bevorzugt von 100 bis 200°C auf, insbesondere 120 bis 180 °C und wird vorteilhaft mit dieser Temperatur aus der ersten Stufe ausgetragen (Austritts-Tempera tur). The hydrogen-containing product mixture is advantageously introduced into the process stage of electrochemical separation at the same temperature level that it has after the process stage of decomposition. The hydrogen-containing product mixture advantageously has a temperature of from 20 to 400 ° C., preferably from 50 to 300 ° C., preferably from 80 to 250 ° C., preferably from 100 to 200 ° C., in particular from 120 to 180 ° C., after the decomposition process stage ° C and is advantageously discharged from the first stage at this temperature (exit temperature).
Die Abkühlung des heißen produkthaltigen Gases von Reaktionstemperatur auf diese Austritts- Temperaturen kann beispielsweise in einem Festbett stattfinden. Das wasserstoffhaltige Produktgemisch wird mit einer Temperatur, die sich vorteilhaft maximal um 100°C, bevorzugt maximal um 50°C, insbesondere maximal von 25 °C von dieser Austritts- Temperatur unterscheidet, in das elektrochemische Trennverfahren zugeführt. The cooling of the hot product-containing gas from the reaction temperature to these exit temperatures can take place, for example, in a fixed bed. The hydrogen-containing product mixture is fed into the electrochemical separation process at a temperature which advantageously differs by a maximum of 100 ° C., preferably a maximum of 50 ° C., in particular a maximum of 25 ° C., from this outlet temperature.
Das nach dem elektrochemischen Trennverfahren verbleibenden Restgasgemisch wird vorteil haft zumindest teilweise in die erste Stufe, die Pyrolyse-Reaktion, rezirkuliert. Vorteilhaft wird 99,99 bis 90 %, bevorzugt 99,95 bis 95 %, bevorzugt 99,9 bis 98 %, insbesondere 99,8 bis 99 % der verbleibenden Restgasmenge in die erste Stufe rezirkuliert. Das nicht rezirkulierte Rest gas wird vorteilhaft als Purgegas ausgeschleust. Vorteilhaft werden 0,01 bis 10%, bevorzugt 0,05 bis 5% besonders bevorzugt 0,1 bis 2%, insbesondere 0,2 bis 1% der verbleibenden Rest gasmenge als Purgegas ausgeschleust. The residual gas mixture remaining after the electrochemical separation process is advantageously at least partially recirculated into the first stage, the pyrolysis reaction. Advantageously, 99.99 to 90%, preferably 99.95 to 95%, preferably 99.9 to 98%, in particular 99.8 to 99% of the remaining residual gas amount is recirculated into the first stage. The residual gas that is not recirculated is advantageously discharged as purge gas. Advantageously, 0.01 to 10%, preferably 0.05 to 5%, particularly preferably 0.1 to 2%, in particular 0.2 to 1% of the remaining amount of gas are discharged as purge gas.
Das Verhältnis Feed (Kohlenwasserstoffe) zu Kreisgas (Restgasgemisch) in der ersten Stufe beträgt in kg/kg vorteilhaft 0,01 :1 bis 1 :5, bevorzugt 0,03:1 bis 1 :2, insbesondere 0,05:1 bis 1 :1. The ratio of feed (hydrocarbons) to cycle gas (residual gas mixture) in the first stage in kg / kg is advantageously 0.01: 1 to 1: 5, preferably 0.03: 1 to 1: 2, in particular 0.05: 1 to 1 :1.
Optionale Zwischenschritte: Optional intermediate steps:
Vor der EHS können optional ein oder mehrere der folgenden Verfahrensschritte stehen: Wär meintegration, Reformierung von NH3 zu N2 und H2, Hydrierung von Mehrfachbindungen, Wasser Gas Shift (WGS). Falls mehrere der genannten Zwischenschritte installiert werden, wird vorteilhaft das wasserstoffhaltige, gasförmige Produktgemisch aus der thermischen Zersetzung zunächst reformiert, bevor die Hydrierung und/oder die Wasser Gas Shift erfolgt. One or more of the following process steps can optionally precede the EHS: heat integration, reforming of NH3 to N2 and H2, hydrogenation of multiple bonds, water gas shift (WGS). If several of the intermediate steps mentioned are installed, the hydrogen-containing, gaseous product mixture from the thermal decomposition is advantageously first reformed before the hydrogenation and / or the water-gas shift takes place.
Reformierung von NH3 zu N2 und H2: Reforming NH3 to N2 and H2:
Basische Begleitkomponenten im Pyrolyse-Produktstrom würden in dem Fall, dass die EHS- Membran saure Komponenten enthält, von diesen absorbiert werden und so über die Zeit die Eigenschaften der Membran negativ verändern. In diesem Fall wird vorteilhaft vor die EHS eine Prozessstufe installiert, in der die basischen Komponenten aus dem Produktgasstrom entfernt werden. Z.B. kann NH3 mit dem Fachmann bekannten Katalysatoren reformiert werden. Diese selektive Ammoniak Reformierung (SAR) ist apparativ sehr einfach gestaltbar (siehe z.B. NOx- Reduzierung in Autoabgasen mit AdBlue). In the event that the EHS membrane contains acidic components, basic accompanying components in the pyrolysis product stream would be absorbed by these and thus negatively change the properties of the membrane over time. In this case, a process stage is advantageously installed upstream of the EHS, in which the basic components are removed from the product gas stream. For example, NH3 can be reformed using catalysts known to those skilled in the art. This selective ammonia reforming (SAR) can be designed very easily in terms of equipment (see e.g. NOx reduction in car exhaust with AdBlue).
Die Entfernung von Ammoniak ist empfehlenswert bei Werten von typischerweise über 1 ppm, bevorzugt über 10 ppm und insbesondere über 25 ppm. The removal of ammonia is recommended for values of typically above 1 ppm, preferably above 10 ppm and in particular above 25 ppm.
Hydrierung von Mehrfachbindungen:· Hydrogenation of multiple bonds:
CH-Verbindungen mit Mehrfachbindungen (z.B. Olefine oder Acetylene) werden vom EHS-Ka- talysator adsorbiert und reduzieren dadurch seine Aktivität. Für den Fall, dass das Pyrolysepro duktgas mehr als 10 mol-ppm CH-Verbindungen mit Mehrfachbindungen enthält, wird in bevor zugter Weise ein H yd rierungs prozess, in dem die Mehrfachbindungen mit einem Teil des Was- serstoffs, das sich im Produktgas befindet, mit dem Fachmann in der Hydrier-Technologie be kannten Katalysatoren zu Einfachbindungen hydriert, die kein Katalysatorgift mehr für die EHS darstellen. CH compounds with multiple bonds (eg olefins or acetylenes) are adsorbed by the EHS catalyst and thereby reduce its activity. In the event that the pyrolysis product gas contains more than 10 mol ppm CH compounds with multiple bonds, a hydrogenation process is preferred in which the multiple bonds with part of the water hydrogen contained in the product gas is hydrogenated to single bonds with catalysts known to those skilled in hydrogenation technology, which are no longer a catalyst poison for the EHS.
Die Entfernung von CH-Mehrfachbindungen ist empfehlenswert bei Werten von typischerweise über 1000 ppm, bevorzugt über 5000 ppm und insbesondere über 10000 ppm. The removal of CH multiple bonds is recommended for values of typically over 1000 ppm, preferably over 5000 ppm and in particular over 10000 ppm.
Wasser Gas Shift (WGS): Water Gas Shift (WGS):
Kohlenmonoxid wird ebenfalls vom EHS-Katalysator adsorbiert und reduziert dadurch seine Ak tivität. Wird also beim Energieeintrag für die Pyrolyse Kohlenmonoxid gebildet und das Pyroly seproduktgas enthält mehr als 3% CO, dann wird vorteilhaft dieses für den EHS-Katalysator schädliche Kohlenmonoxid vor Eintritt in die EHS bei niedrigen Temperaturen (< 400°C) mit Hilfe des ebenfalls im Produktgasstrom vorhandenen Verbrennungswassers - oder bei Bedarf - mit Hilfe von außen zugeführten Wasserdampf und einem dem Fachmann in der Wasser Gas Shift-Technologie bekannten WGS-Katalysator zu weiterem Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid umgewandelt werden. Kohlenstoffdioxid ist im Gegensatz zu Kohlenmonoxid kein Katalysator gift für die EHS. Carbon monoxide is also adsorbed by the EHS catalyst, thereby reducing its activity. So if carbon monoxide is formed during the energy input for the pyrolysis and the pyrolysis product gas contains more than 3% CO, then this carbon monoxide, which is harmful to the EHS catalyst, is advantageous before entering the EHS at low temperatures (<400 ° C) with the help of the also im Combustion water present in the product gas stream - or if required - can be converted to further hydrogen and carbon dioxide with the aid of externally supplied water vapor and a WGS catalyst known to those skilled in the water gas shift technology. In contrast to carbon monoxide, carbon dioxide is not a catalyst poison for the EHS.
Die Entfernung von CO ist empfehlenswert bei einem Anteil am Gasstrom von typischerweise über 0,5 Vol.-% und besonders bevorzugt über 1 Vol.-%, insbesondere über 3% Vol.-%. The removal of CO is recommended when the proportion in the gas stream is typically more than 0.5% by volume and particularly preferably more than 1% by volume, in particular more than 3% by volume.
Betanken von Wasserstoff-Autos: Refueling hydrogen cars:
Der nach der elektrochemischen Trennung vorliegende Wasserstoff kann gemäß dem gängigen Stand der Technik einem Wasserstoff-Auto zugeführt werden. The hydrogen present after the electrochemical separation can be fed to a hydrogen car in accordance with the current state of the art.
Beispiele: Examples:
Die Verfahrensbeispiele wurden mit Hilfe des ASPEN+-analogen firmeninternen thermodynami schen Simulators CHEMASIM berechnet. Die Reaktorauslegung erfolgte in EXCEL auf Basis der thermodynamischen Simulation. The process examples were calculated using the ASPEN + -analog in-house thermodynamic simulator CHEMASIM. The reactor design was carried out in EXCEL on the basis of the thermodynamic simulation.
Beispielhaft wurde das Verfahren für eine H2-Kapazität von 1000 kg/d bzw. 42 kg/h gerechnet. Der Wert orientiert sich an den z.Zt. diskutierten größten H2-Tankstellen. As an example, the process was calculated for an H2 capacity of 1000 kg / d or 42 kg / h. The value is based on the currently discussed the largest H2 filling stations.
Als Vergleichsmaß werden folgende Prozess parameter verwendet: The following process parameters are used as a comparison measure:
• Als Maß für die variablen Kosten: • As a measure of the variable costs:
- der Erdgas-, bzw. Methanbedarf - the demand for natural gas or methane
- der Stromverbrauch - the power consumption
- der Anfall an Pyrolyse-C als mögliche Gutschrift - the accumulation of pyrolysis-C as a possible credit
• Als Maß für die Investitionskosten: • As a measure of the investment costs:
- die investitionsrelevante Wärmeübertragungsleistung bzw. die investitionsrelevante über tragene und auf die Produktmenge bezogene spezifische Wärme. - the investment-relevant heat transfer capacity or the investment-relevant transferred and specific heat related to the product quantity.
- Zusätzlich werden noch die heute aus der Literatur verfügbaren spezifischen Investments verwendet. - In addition, the specific investments available today from the literature are still used.
• Als Maß für die Ökologie, die ja der Hauptantrieb für die Entwicklung von H2-Tankstellen ist: • As a measure of the ecology, which is the main driver for the development of H2 filling stations:
- der Carbon Footprint des Prozesses inklusive des Carbon Footprints des benötigten Netz stromes. - the carbon footprint of the process including the carbon footprint of the electricity required.
Für den Betrieb einer H2-Tankstelle kommt praktisch nur Netzstrom in Frage, weil der Betrieb unabhängig von Wetter und Sonnenstand rund um die Uhr zur Verfügung stehen muss. For the operation of an H2 filling station, mains electricity is practically the only option, because operation must be available around the clock, regardless of the weather and the position of the sun.
Für Netzstrom wurde der zukunftsbezogene, für 2030 prognostizierte Strommix für die EU27 herangezogen mit 19% nuklearem, 33% fossilem und 48% erneuerbarem Energieanteil. Die Daten sind aus [7] entnommen und stellen einen Europäischen Durchschnitt dar. Daraus er rechnet sich ein Carbon Footprint von 190 kg C02/MWhei. für den Strommix in EU 27 im Jahr 2030. For grid electricity, the future-oriented electricity mix forecast for 2030 for the EU27 was used with 19% nuclear, 33% fossil and 48% renewable energy. The data are taken from [7] and represent a European average. This results in a carbon footprint of 190 kg C02 / MWh ei. for the electricity mix in EU 27 in 2030.
Zudem wird angenommen, dass die Tankstelle an ein 25 bar-Erdgasnetz angeschlossen ist.It is also assumed that the filling station is connected to a 25 bar natural gas network.
Für den Prozessvergleich produzieren alle Prozesse 20 bar-H2. For the process comparison, all processes produce 20 bar H2.
Alle Beispiele sind verlustfrei gerechnet. All examples are calculated loss-free.
Stand der Technik: State of the art:
Elektrolyse: Electrolysis:
Für den Vergleich der erfindungsgemäßen Verfahren mit dem Stand der Technik werden für die Elektrolyse Leistungsdaten herangezogen, wie sie für die Alkalische Elektrolyse in [8] veröffent licht wurden. For the comparison of the method according to the invention with the prior art, performance data for the electrolysis are used as they were published for the alkaline electrolysis in [8].
Danach liegt der Wirkungsgrad der bei Atmosphärendruck und 80°C arbeitenden Gesamtan lage bei 68%. Das entspricht bei einem spezifischen elektrischen Energieverbrauch von 48,4 kWh/kg H2. Wird das H2 von 1 bar auf 20 bar verdichtet kommen dazu noch einmal 1 ,6 kWh/kg H2. According to this, the efficiency of the overall system, which works at atmospheric pressure and 80 ° C, is 68%. This corresponds to a specific electrical energy consumption of 48.4 kWh / kg H2. If the H2 is compressed from 1 bar to 20 bar, there is another 1.6 kWh / kg H2.
Der spezifische elektrische Energiebedarf beträgt also insgesamt 50,0 kWIWkg H2. The specific electrical energy requirement is therefore a total of 50.0 kWIWkg H2.
Der spezifische Carbon Footprint liegt dann bei 9,50 kg C02/kg H2. The specific carbon footprint is then 9.50 kg C02 / kg H2.
32% (= 100% - 68%) der elektrischen Energie werden in Wärme umgewandelt und müssen über Wärmetauscherflächen an die Umgebung abgeführt werden. Die spezifische Wärmeüber tragungsenergie liegt hiermit bei 22,8 kWh/kg H2. 32% (= 100% - 68%) of the electrical energy is converted into heat and must be dissipated to the environment via heat exchanger surfaces. The specific heat transfer energy is therefore 22.8 kWh / kg H2.
Das spezifische Investment liegt nach [4] bei 3070 € a / 1 H2. According to [4], the specific investment is € 3070 a / 1 H2.
Für die Zwischenkühlungen der H2-Verdichtung von 1 auf 20 bar werden 1,7 kWh/kg H2 benö tigt. For the intermediate cooling of the H2 compression from 1 to 20 bar, 1.7 kWh / kg H2 are required.
Spezifisch werden also pro kg H2 insgesamt 22,8 + 1,7 = 24,5 kWh an Wärme übertragen.Specifically, a total of 22.8 + 1.7 = 24.5 kWh of heat is transferred per kg of H2.
Die Elektrolyse benötigt hiermit pro kg H2: The electrolysis therefore requires per kg H2:
50,0 kWh Strom 24,5 kWh Wärmeübertrager und verursacht pro kg H2: 50.0 kWh electricity 24.5 kWh heat exchanger and causes per kg H2:
- 9,50 kg C02 - 9.50 kg of CO2
Mini-SMR: Mini SMR:
In [9] sind detaillierte Daten für eine Mini-SMR-Anlage für 90 kg/h H2 angegeben. Das ent spricht nur der doppelten Kapazität einer hierfür eine H2-Tankstelle zugrunde gelegten Kapazi tät von 42 kg H2/h und eignet sich deshalb sehr gut zum Vergleich des Stands der Technik mit den erfindungsgemäßen Varianten. Eine Aktualisierung der Kostendaten, die auf den Prozess daten und der Maschinen- und Apparateliste von [9] basieren, findet sich in [10]. In [9] detailed data are given for a mini-SMR system for 90 kg / h H2. This corresponds to only twice the capacity of a capacity of 42 kg H2 / h on which an H2 filling station is based and is therefore very suitable for comparing the prior art with the variants according to the invention. An update of the cost data based on the process data and the list of machines and equipment from [9] can be found in [10].
Danach werden pro kg H23,1 kg Erdgas und 2,1 kWhei Strom benötigt. Das Erdgas hat dabei folgende Zusammensetzung in Gew%: 88,7% CH4, 4,7% C2H6, 3,9% C3H8, 1,3% N2 und 1 ,3% C02. Der angegebene Strombedarf deckt nicht nur den eigentlichen Bedarf des Prozes ses, sondern auch noch die Erdgasverdichtung von 7 auf 22 bar vor dem Prozess und die H2- Verdichtung nach dem Prozess von 21 bar auf 207 bar. Für den eigentlichen Prozess ergibt sich aus den angegebenen Daten ein Strombedarf von 0,2 kWhei/kg H2. Afterwards H23,1 kg of natural gas and 2.1 kWh ei power required per kg. The natural gas has the following composition in% by weight: 88.7% CH4, 4.7% C2H6, 3.9% C3H8, 1.3% N2 and 1.3% C02. The specified electricity requirement not only covers the actual requirement of the process, but also the natural gas compression from 7 to 22 bar before the process and the H2 compression after the process from 21 bar to 207 bar. For the actual process, the data given results in an electricity requirement of 0.2 kWh ei / kg H2.
Aus dem Bezug des Netzstromes resultieren 0,04 kg C02/kg H2 und aus der Produktion resul tieren 8,42 kg C02/kg H2. Insgesamt verursacht die Herstellung von 1 kg H2 nach dem Stand der Mini-SMR-Technik also 8,46 kg C02. Aus den angegebenen Werten für die Wärmeübertrager errechnet sich eine installierte spezifi sche Wärmeübertragungsleistung von 18,5 kW pro kg H2/h. Die kostenrelevante Wärmeüber tragungsleistung des Reformers ist darin jedoch nicht enthalten. Darüber wurden keine Anga ben gemacht. The use of mains electricity results in 0.04 kg C02 / kg H2 and production results in 8.42 kg C02 / kg H2. In total, the production of 1 kg of H2 according to the state of the art mini-SMR technology causes 8.46 kg of C02. An installed specific heat transfer capacity of 18.5 kW per kg H2 / h is calculated from the values specified for the heat exchangers. The cost-relevant heat transfer performance of the reformer is not included. No information was given about this.
Das spezifische Investment einer Mini-SMR liegt nach [9] bei 12100 € a / 1 H2 Um eine bessere Vergleichbarkeit des Stands des Wissens mit den erfindungsgemäßen Varian ten herzustellen wurde der in [9] veröffentlichte SMR-Prozess mit dem firmeneigenen thermody namischen Prozesssimulator CH EM ASIM nachgerechnet, mit dem auch die erfindungsgemä ßen Varianten gerechnet wurden. Dabei wurden die in [9] angegebenen Einsatzzahlen; Be triebsparameter und Wärmeübertragungsleistungen vorgegeben und so die unbekannte Wär meübertragungsleistung für den Reformer ermittelt. Sie beträgt danach 8,9 kW pro kg H2/h. So mit beträgt die gesamte spezifische Wärmeübertragungsleistung 18,5 + 8,9 = 27,4 kW pro kg H2/h. According to [9], the specific investment of a mini-SMR is 12,100 € a / 1 H2. In order to better compare the state of knowledge with the variants according to the invention, the SMR process published in [9] with the company's own thermodynamic process simulator CH EM ASIM recalculated, with which the variants according to the invention were also calculated. The numbers given in [9] were used; Operating parameters and heat transfer rates are specified and the unknown heat transfer rate for the reformer is thus determined. It is then 8.9 kW per kg H2 / h. The total specific heat transfer capacity is 18.5 + 8.9 = 27.4 kW per kg H2 / h.
Wird in die Rechnung 100 % CH4 statt eines Erdgases mit oben angegebener Zusammenset zung eingesetzt, dann ändern sich die Einsatzzahlen und spezifischen Wärmeübertragungsleis tungen nur marginal. Die folgenden Ergebnisse basieren der Einfachheit halber deshalb auf Si mulationen mit 100% CH4 als Einsatzgas. If 100% CH4 is used in the calculation instead of a natural gas with the composition specified above, the usage figures and specific heat transfer capacities change only marginally. For the sake of simplicity, the following results are therefore based on simulations with 100% CH4 as the feed gas.
Die Mini-SMR benötigt hiermit pro kg H2: The Mini-SMR therefore needs per kg H2:
- 3,10 kg CH4 0,2 kWh Strom - 3.10 kg CH4 0.2 kWh electricity
27,4 kWh Wärmeübertrager und verursacht pro kg H2: 27.4 kWh heat exchanger and causes per kg H2:
- 8,46 kg C02 - 8.46 kg of CO2
Tube-Trailer H2: Tube trailer H2:
In [11] sind detaillierte Daten für eine world scale-SMR-Anlage für 9058 kg/h H2 angegeben. Laut der „Major Equipment“-Liste werden dafür wie im Fall der Mini-SMR 847,4 MMBTU/hr an Wärme übertragen, das entspricht umgerechnet 27,4 kWh/kg H2. Es wird im Fall der world scale Anlage jedoch mehr Erdgas benötigt als im Fall der Mini-SMR. Danach benötigt die world- scale-Anlage 3,32 kg Erdgas/kg H2 statt 3,10 kg Erdgas/kg H2 im Fall der Mini-SMR. Im Ge genzug werden in der world-scale-Anlage neben H2 aber auch noch 4,4 kg Wasserdampf/kg H2 produziert. Da die Bewertung von Wasserdampf sehr stark von den örtlichen Gegebenhei ten abhängt, wurde hier der Einfachheit angenommen, dass die world-scale-Anlage die glei chen Einsatzzahlen hat wie die Mini-SMR. Der kostenmäßige Vorteil einer world scale-Anlage gegenüber einer Mini-SMR liegt in der economy of scale. In [11] detailed data are given for a world-scale SMR system for 9058 kg / h H2. According to the "Major Equipment" list, as in the case of the Mini-SMR, 847.4 MMBTU / hr of heat are transferred, which corresponds to the equivalent of 27.4 kWh / kg H2. In the case of the world-scale plant, however, more natural gas is required than in the case of the mini-SMR. According to this, the world-scale plant requires 3.32 kg natural gas / kg H2 instead of 3.10 kg natural gas / kg H2 in the case of the mini-SMR. In return, in addition to H2, the world-scale plant also produces 4.4 kg of water vapor / kg of H2. Since the assessment of water vapor depends very much on the local conditions, it was assumed here, for the sake of simplicity, that the world-scale system has the same number of uses as the mini-SMR. The cost advantage of a world-scale system compared to a mini-SMR lies in the economy of scale.
Für den Transport wird angenommen, dass das H2 in 500 bar-Behältern auf Trailern über die Straße zu den Tankstellen gebracht wird und diese Behälter an der Tankstelle bis auf 21 bar entleert werden, bevor sie wieder zur world-scale-Anlage zurück transportiert werden. Für den Transport muss an der world-scale-Anlage das H2 von 20 auf 500 bar verdichtet werden [5] Dafür müssen 1 ,6 kWh/kg H2 aufgewendet werden. Dieser hohe Druck in den Behälter wirkt sich jedoch vorteilhaft beim Verdichten an der Tankstelle auf den Enddruck von z.B. 950 bar für die Betankung der Autos aus. Da der Druck jedoch an der Tankstelle beim Entleeren der Behäl ter von 500 bis 20 bar abnimmt, wird für den Vergleich mit den anderen Varianten von einem mittleren Vordruck im Behälter von (500 + 20) / 2 = 260 bar ausgegangen. Dadurch reduziert sich der Aufwand für die Weiterverdichtung von 260 bar auf z.B. 950 bar gegenüber von 20 bar auf 950 bar um 1 ,3 kWh/kg. Letztlich müssen also im Fall des H2-Transportes 1 ,6 - 1 ,3 = 0,3 kWh/kg H2 mehr Strom aufgewendet werden als im Fall der Mini-SMR. For the transport, it is assumed that the H2 is brought in 500 bar containers on trailers across the street to the petrol stations and these containers are emptied at the petrol station to 21 bar before they are transported back to the world-scale facility. For transport, the H2 must be compressed from 20 to 500 bar at the world-scale system [5]. 1.6 kWh / kg H2 must be used for this. However, this high pressure in the container has an advantageous effect when compressing at the gas station to the final pressure of, for example, 950 bar the refueling of the cars. However, since the pressure at the gas station decreases from 500 to 20 bar when the containers are emptied, a mean pre-pressure in the container of (500 + 20) / 2 = 260 bar is assumed for comparison with the other variants. This reduces the effort for further compression from 260 bar to 950 bar, for example, compared to 20 bar to 950 bar by 1.3 kWh / kg. Ultimately, in the case of H2 transport, 1, 6 - 1, 3 = 0.3 kWh / kg H2 more electricity must be used than in the case of the mini-SMR.
Das spezifische Investment für die Verdichtung liegt nach [5] bei 430 € a / 1 H2. According to [5], the specific investment for compression is 430 € a / 1 H2.
Mit 500 bar-Behältern können z.Zt. von einem 401 Tanklastwagen maximal 1344 kg H2 trans portiert werden [5] die an der Tankstelle bis zu einem Druck von 21 bar entleert werden. Es ver bleiben dann 54 kg H2 in den Behälter, die wieder zur world-scale-Anlage zurückgebracht wer den. With 500 bar tanks, at the moment A 401 tanker truck can transport a maximum of 1344 kg H2 [5] which are emptied at the filling station up to a pressure of 21 bar. 54 kg of H2 then remain in the container and are then returned to the world-scale plant.
Das spezifische Investment für den zusätzlichen Speicheraufwand an der Tankstelle liegt nach [5] bei 4740 € a / 1 H2. Insgesamt liegt das spezifische Investment dann bei 430 + 4740 = 5170 € a / 1 H2. According to [5], the specific investment for the additional storage costs at the filling station is 4740 € a / 1 H2. Overall, the specific investment is then 430 + 4740 = 5170 € a / 1 H2.
Es wird weiter angenommen, dass ein solcher Tanklastwagen pro 100 km 35 L Diesel benötigt. Das entspricht bezüglich des Energieinhaltes 31 kg Erdgas pro 100 km und stellt z.Zt. einen Bestwert dar. It is further assumed that such a tanker truck requires 35 liters of diesel per 100 km. In terms of energy content, this corresponds to 31 kg of natural gas per 100 km and is currently represents a top value.
Für 42 kg/h H2 werden pro Tag 0,78 Fahrten notwendig (= 42 * 24 / (1344 - 54)). Rechnet man den Energieverbrauch und die damit verbundene C02-Emmision für die unterschiedliche Dis tanzen - z.B. für 100 km und für 500 km - zwischen zentraler world-scale-Anlage und dezentra ler Tankstelle, dann kommt man zu folgen Ergebnissen: For 42 kg / h H2, 0.78 trips are necessary per day (= 42 * 24 / (1344 - 54)). If you calculate the energy consumption and the associated C02 emissions for the different distances - e.g. for 100 km and for 500 km - between the central world-scale system and the decentralized filling station, you get the following results:
Die Tube-Trailer Variante benötigt pro kg H2: The tube trailer variant requires per kg H2:
3,10 kg CH4 für die Erzeugung in der zentralen world-scale-Anlage + 0,08 kg CH4-Equivalente in Form von Diesel für 100 km Distanz + 0,30 kg CH4-Equivalente in Form von Diesel für 500 km Distanz 0,6 kWh Strom 27,4 kWh Wärmeübertrager und verursacht pro kg H2: 3.10 kg CH4 for generation in the central world-scale system + 0.08 kg CH4 equivalents in the form of diesel for a distance of 100 km + 0.30 kg CH4 equivalents in the form of diesel for 500 km distance 0, 6 kWh electricity 27.4 kWh heat exchanger and causes per kg H2:
8,75 kg C02 für 100 km Distanz und 9,18 kg C02 für 500 km Distanz und 8.75 kg C02 for a distance of 100 km and 9.18 kg C02 for a distance of 500 km and
Erfindungsgemäße Verfahrensvarianten: Process variants according to the invention:
ATP & EHS: (Figur 4) ATP & EHS: (Figure 4)
Es wurde exemplarisch eine Kombination aus einer autotherm betriebenen Pyrolyse (ATP), und einer EHS gerechnet. Der Vorteil dieser Kombination liegt in einem niedrigen Strom- und Erd gasverbrauch sowie einer niedrigen Wärmeübertragungsleistung. A combination of an autothermally operated pyrolysis (ATP) and an EHS was calculated as an example. The advantage of this combination is a low consumption of electricity and natural gas as well as a low heat transfer rate.
Es werden 42 kg/h hochreines H2 erzeugt. 42 kg / h of high-purity H2 are generated.
Erdgas wird vorgereinigt. Dies kann z.B., wie in [9] beschrieben, durch eine katalytische Ent schwefelung geschehen. Natural gas is pre-cleaned. This can be done, for example, as described in [9], by catalytic desulphurisation.
147 kg/h gereinigtes Erdgas auf einem Druckniveau von 25 bar werden dem Verfahren bei Um gebungstemperatur (25°C) zugeführt. 25 kg/h werden davon abgezogen, um in einem Brenner mit Luft zu heißem Brennergas ver brannt zu werden zur Deckung des Energiebedarfs. 430 kg/h Brennerluft wird von Umgebungs druck und -temperatur auf 1 ,5 verdichtet. Dafür sind 5 kW elektrischer Leistung notwendig.147 kg / h of purified natural gas at a pressure level of 25 bar are fed into the process at ambient temperature (25 ° C). 25 kg / h are deducted from this in order to be burned ver in a burner with air to hot burner gas to cover the energy requirement. 430 kg / h of burner air is compressed from the ambient pressure and temperature to 1.5. This requires 5 kW of electrical power.
Der Rest des Erdgases wird mit 227 kg/h Kreisgas in einer Strahlpumpe vermischt. In der Strahlpumpe wird der Vordruck des Erdgases genutzt, um damit das Kreisgas von 1 ,0 auf 1 ,5 bar zu verdichten. The rest of the natural gas is mixed with 227 kg / h of cycle gas in a jet pump. The pre-pressure of the natural gas is used in the jet pump to compress the cycle gas from 1.0 to 1.5 bar.
Das Feedgas tritt mit 28°C in die Schüttung des Segmentes (2c) ein und wird darin auf 1000°C aufgeheizt. Dabei kühlt sich die Schüttung ab. Es entsteht eine Temperaturfront, die von unten nach oben wandert. Dabei werden 199 kW thermisch übertragen. The feed gas enters the bed of segment (2c) at 28 ° C and is heated to 1000 ° C therein. The bulk cools down in the process. A temperature front is created that moves from bottom to top. 199 kW are transferred thermally.
Bei diesem Aufheizen pyrolysiert schon ein Teil des Erdgases. During this heating process, part of the natural gas already pyrolyzes.
Nach Austritt aus Segment (2c) wird das Gas mit dem heißen Brenngas gemischt und es star ten weitere Reaktionen. After exiting segment (2c), the gas is mixed with the hot fuel gas and further reactions start.
Obwohl kein Katalysator zugegen ist muss davon ausgegangen werden, dass ein Teil des Erd gases mit dem bei der Verbrennung entstehenden Wassers zu CO und H2 reformiert wird. Bei spielhaft wird hier davon ausgegangen, dass 10% des Verbrennungswassers reagieren. Außer dem wird angenommen, dass das C02 aus der Verbrennung mit dem gebildeten Pyrolyse-C entsprechend dem Boudouard-Gleichgewicht zu CO in der Schüttung im Segment (2b) abrea giert. Although there is no catalyst present, it must be assumed that part of the natural gas is reformed to CO and H2 with the water produced during combustion. For example, it is assumed here that 10% of the combustion water reacts. It is also assumed that the CO 2 from the combustion abrea with the pyrolysis C formed in accordance with the Boudouard equilibrium to CO in the bed in segment (2b).
Das heiße Reaktionsgas heizt im Segment (2b) die Schüttung auf und kühlt sich dabei ab. Da bei werden ebenfalls 199 kW thermisch übertragen. The hot reaction gas heats the bed in segment (2b) and cools down in the process. 199 kW are also thermally transferred there.
Das auf 160°C abgekühlte Produktgas (757 kg/h) enthält 15 mol-% CO. Dieses CO wird bis zu einer Restkonzentration von 0,2 % in einer WGS-Reaktion mit Wasserdampf zu C02 und H2 umgesetzt. Dabei entsteht 69 kW Überschusswärme, die abgeführt werden muss. Dies ge schieht, in dem 5 bar-Wasserdampf erzeugt wird, der als Zusatzdampf (93 kg/h) für die WGS- Reaktion benötigt wird. The product gas (757 kg / h), cooled to 160 ° C., contains 15 mol% CO. This CO is converted to CO2 and H2 in a WGS reaction with water vapor up to a residual concentration of 0.2%. This creates 69 kW of excess heat that has to be dissipated. This is done by generating 5 bar steam, which is required as additional steam (93 kg / h) for the WGS reaction.
In der EHS werden 99% des gebildeten H2's elektrochemisch aus dem Produktgas der WGS (850 kg/h) abgetrennt. Dafür ist eine elektrische Leistung von 177 kW notwendig. In the EHS 99% of the H2 formed are separated s electrochemically from the product gas of the WGS (850 kg / h) '. This requires an electrical output of 177 kW.
Das verbleibende Anoden-offgas (808 kg/h) wird aufgeteilt in das Kreisgas, das in den Prozess rückgeführt wird und das Abgas, das in der Fackel verbrannt wird und dabei 232kg C02/h er zeugt. The remaining anode off-gas (808 kg / h) is divided into the cycle gas, which is fed back into the process, and the exhaust gas, which is burned in the flare, producing 232 kg of CO 2 / h.
42 kg/h H2 verlassen die EHS mit einem Druck von 1 bar. Für die Verdichtung auf 20 bar wird eine elektrische Leistung von 68 kWei benötigt. Aus den Zwischenkühlungen müssen 65 kW als Wärmeströme abgezogen werden. 42 kg / h H2 leave the EHS at a pressure of 1 bar. An electrical output of 68 kW ei is required for compression to 20 bar. From the intermediate cooling, 65 kW must be drawn off as heat flows.
Um eine regenerative Wärmeübertragerleistung von 199 kW in den Segmenten (2b) und (2c) zur Verfügung stellen zu können, müssen 1034 kg/h frisches Pyrolyse-C in Segment (2a) einge füllt werden. Aus Segment (2d) werden 1080 kg/h Pyrolyse-C abgezogen. Die Differenz, 46 kg/h, fällt als Pyrolyse-C-Produkt an. In order to be able to provide a regenerative heat exchanger output of 199 kW in segments (2b) and (2c), 1034 kg / h of fresh pyrolysis C must be filled in segment (2a). 1080 kg / h of pyrolysis C are withdrawn from segment (2d). The difference, 46 kg / h, is a pyrolysis C product.
Der ATP&EHS-Prozess produziert hiermit pro kg H2 1 ,1 kg hochreines Pyrolyse-C und benötigt dafür pro kg H2: The ATP & EHS process thus produces 1.1 kg of high-purity pyrolysis C per kg of H2 and requires:
- 3,5 kg CH4 - 3.5 kg of CH4
6,0 kWh Strom 10,0 kWh Wärmeübertrager und verursacht pro kg H2: 6.0 kWh of electricity 10.0 kWh heat exchanger and causes per kg H2:
- 6,7 kg C02 - 6.7 kg of CO2
NT-Plasma & EHS: (Figur 5) NT plasma & EHS: (Figure 5)
Es wurde exemplarisch eine Kombination aus einer Pyrolyse, die mit einem Niedertemperatur plasma (NT-Plasma) betrieben wird, und einer EHS gerechnet. Das Plasma hat hier die Auf gabe, die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen. Der Vorteil dieser Kombination liegt in den re lativ niedrigen Prozesstemperaturen und der Abwesenheit von CO, was sich günstig auf den Energiebedarf der EHS auswirkt. A combination of pyrolysis operated with a low temperature plasma (NT plasma) and an EHS was calculated as an example. The task of the plasma here is to increase the reaction speed. The advantage of this combination lies in the relatively low process temperatures and the absence of CO, which has a positive effect on the energy requirements of the EHS.
Es wird 42 kg/h hochreines H2 erzeugt. 42 kg / h of high-purity H2 is generated.
Erdgas wird vorgereinigt. Dies kann z.B., wie in [9] beschrieben, durch eine katalytische Ent schwefelung geschehen. Natural gas is pre-cleaned. This can be done, for example, as described in [9], by catalytic desulphurisation.
168 kg/h gereinigtes Erdgas auf einem Druckniveau von 25 bar werden dem Verfahren bei Um gebungstemperatur (25°C) zugeführt und mit 205 kg/h Kreisgas in einer Strahlpumpe vermischt. In der Strahlpumpe wird der Vordruck des Erdgases genutzt, um damit das Kreisgas von 1 ,0 auf 1 ,5 bar zu verdichten. 168 kg / h of purified natural gas at a pressure level of 25 bar are fed to the process at ambient temperature (25 ° C) and mixed with 205 kg / h of cycle gas in a jet pump. The pre-pressure of the natural gas is used in the jet pump to compress the cycle gas from 1.0 to 1.5 bar.
Das Feedgas (373 kg/h) tritt mit 28°C in die Schüttung des Segmentes (2c) ein und wird darin auf 700°C aufgeheizt. Dabei kühlt sich die Schüttung ab. Dadurch entsteht eine Temperatur front, die von unten nach oben wandert. Dabei werden 244 kW thermisch übertragen. The feed gas (373 kg / h) enters the bed of segment (2c) at 28 ° C and is heated to 700 ° C therein. The bulk cools down in the process. This creates a temperature front that moves from bottom to top. Thereby 244 kW are thermally transferred.
Nach Austritt aus Segment (2c) werden die Gasmoleküle z.B. durch gepulste Mikrowellen in ei ner Niedertemperatur-Plasma-Vorrichtung angeregt und anschließend in das Segment (2b) ge leitet. After exiting segment (2c), the gas molecules are excited e.g. by pulsed microwaves in a low-temperature plasma device and then passed into segment (2b).
Das heiße Reaktionsgas heizt im Segment (2b) die Schüttung auf und kühlt sich dabei auf 160°C ab. Dabei werden ebenfalls 244 kW thermisch übertragen. The hot reaction gas heats the bed in segment (2b) and cools down to 160 ° C. in the process. Thereby, 244 kW are also transferred thermally.
Das auf 160°C abgekühlte Produktgas (248 kg/h) wird in eine EHS geleitet, in der 91 % des ge bildeten H2's elektrochemisch aus dem Produktgas abgetrennt werden. Dafür ist eine elektri sche Leistung von 102 kW notwendig. The cooled product gas to 160 ° C (248 kg / h) is passed into a EHS, s are separated from the product gas electrochemically in the 91% of the ge formed H2 '. This requires an electrical output of 102 kW.
Aus dem verbleibende Anoden-offgas (206 kg/h) wird 1 kg/h als Purgestrom abgezogen, um eine Aufpegelung von innerten Komponenten zu verhindern. From the remaining anode off-gas (206 kg / h), 1 kg / h is withdrawn as a purge flow in order to prevent the build-up of inert components.
42 kg/h H2 verlassen die EHS mit einem Druck von 1 bar. Für die Verdichtung auf 20 bar wird eine elektrische Leistung von 68 kWei benötigt. Aus den Zwischenkühlungen müssen 65 kW als Wärmeströme abgezogen werden. 42 kg / h H2 leave the EHS at a pressure of 1 bar. An electrical output of 68 kW ei is required for compression to 20 bar. From the intermediate cooling, 65 kW must be drawn off as heat flows.
Um eine regenerative Wärmeübertragerleistung von 244 kW in den Segmenten (2b) und (2c) zur Verfügung stellen zu können, müssen 1828 kg/h frisches Pyrolyse-C in Segment (2a) einge füllt werden. Aus Segment (2d) werden 1953 kg/h Pyrolyse-C abgezogen. Die Differenz, 125 kg/h, fällt als Pyrolyse-C-Produkt an. In order to be able to provide a regenerative heat exchanger output of 244 kW in segments (2b) and (2c), 1828 kg / h of fresh pyrolysis C must be filled in segment (2a). 1953 kg / h of pyrolysis C are withdrawn from segment (2d). The difference, 125 kg / h, is a pyrolysis C product.
Der NT-Plasma&EHS-Prozess produziert hiermit pro kg H2 3,0 kg hochreines Pyrolyse-C und benötigt dafür pro kg H2: The NT plasma & EHS process produces 3.0 kg of high-purity pyrolysis C per kg of H2 and requires:
- 4,0 kg CH4 - 4.0 kg of CH4
- 10,4 kWh Strom 9,4 kWh Wärmeübertrager und verursacht pro kg H2: - 10.4 kWh of electricity 9.4 kWh heat exchanger and causes per kg H2:
- 2,0 kg C02 - 2.0 kg of C02
WH-Pyrolyse & EHS: (Figur 6) WH pyrolysis & EHS: (Figure 6)
Es wurde exemplarisch eine Kombination aus einer elektrisch beheizten Pyrolyse, bei der die Pyrolyse-C-Schüttung als Widerstandsheizung fungiert (WH-Pyrolyse) und einer EHS gerech net. Das Prinzip der WH-Pyrolyse ist z.B. in US2982622 beschrieben. Der Vorteil dieser Kombi nation liegt in der Einfachheit des Reaktors und den konstruktionsbedingt möglichen höheren Betriebsdrücken, was zu kleineren Reaktorabmessungen und einem anschließenden geringe ren Verdichtungsaufwand für H2 führt. Zudem wirkt sich die Abwesenheit von CO günstig auf den Energiebedarf der EHS aus. Durch die Kombination der WH-Pyrolyse mit der EHS kann ein Gaskreis mit einem hohen H2-Anteil aufgebaut werden. Der höhere H2-Pegel reduziert die Rußbildung und senkt zusätzlich den Energiebedarf in der EHS. Außerdem eröffnet die Kreis gasführung neue Möglichkeiten für die Förderung des Pyrolyse-C-Kreislaufes (z.B. pneumati sche Förderung) und ermöglicht eine bessere Wärmeintegration. A combination of electrically heated pyrolysis, in which the pyrolysis C bed acts as resistance heating (WH pyrolysis) and an EHS was calculated as an example. The principle of WH pyrolysis is described in US2982622, for example. The advantage of this combi nation lies in the simplicity of the reactor and the design-related possible higher operating pressures, which leads to smaller reactor dimensions and a subsequent lower compression effort for H2. In addition, the absence of CO has a positive effect on the energy requirements of the EHS. By combining WH pyrolysis with EHS, a gas circuit with a high proportion of H2 can be built up. The higher H2 level reduces soot formation and also lowers the energy requirement in the EHS. In addition, the circulation of gas opens up new possibilities for conveying the pyrolysis C circuit (e.g. pneumatic conveyance) and enables better heat integration.
Es wird 42 kg/h hochreines H2 erzeugt. 42 kg / h of high-purity H2 is generated.
Erdgas wird vorgereinigt. Dies kann z.B., wie in [9] beschrieben, durch eine katalytische Ent schwefelung geschehen. Natural gas is pre-cleaned. This can be done, for example, as described in [9], by catalytic desulphurisation.
167 kg/h gereinigtes Erdgas auf einem Druckniveau von 25 bar werden dem Verfahren bei Um gebungstemperatur (25°C) zugeführt und mit 68 kg/h Kreisgas in einer Strahlpumpe vermischt. In der Strahlpumpe wird der Vordruck des Erdgases genutzt, um damit das Kreisgas von 5,0 auf 5,2 bar zu verdichten. 167 kg / h of purified natural gas at a pressure level of 25 bar are fed to the process at ambient temperature (25 ° C) and mixed with 68 kg / h of cycle gas in a jet pump. The pre-pressure of the natural gas is used in the jet pump to compress the cycle gas from 5.0 to 5.2 bar.
Das Feedgas (235 kg/h) tritt mit 28°C in die Schüttung am Sumpf des Fließbettreaktors ein und wird darin auf 1000°C aufgeheizt. Im Gegenzug kühlt sich die nach unten rutschende Pyrolyse- C-Schüttung ab. Bei diesem Gegenstromwärmetausch werden 367 kW thermisch übertragen. 888 kg/h Partikel werden mit 28°C aus dem Sumpf des Reaktors über Schleusen abgezogen. 763 kg/h werden für die Wärmeintegration (367 kW + 315 kW) rezirkuliert und dem Reaktor am Kopf über Schleusen wieder zugeführt. 125 kg/h Pyrolyse-C werden als hochreines Produkt ab gezogen. The feed gas (235 kg / h) enters the bed at the bottom of the fluidized bed reactor at 28 ° C and is heated to 1000 ° C therein. In return, the pyrolysis C bed that slides down cools down. With this counterflow heat exchange, 367 kW are thermally transferred. 888 kg / h of particles are drawn off at 28 ° C. from the bottom of the reactor via locks. 763 kg / h are recirculated for the heat integration (367 kW + 315 kW) and fed back to the reactor at the top via locks. 125 kg / h of pyrolysis-C are drawn off as a highly pure product.
Im Reaktor wird in der Reaktionszone durch die Schüttung Strom zur Deckung der Reaktions wärme (262 kWei) geleitet. Die so eingebrachte Reaktionswärme von 262 kW beeinflusst nicht die notwendige Pyrolyse-C-Kreislaufmenge und ist somit nicht erheblich für die Höhe der Inves tition. Das bei der Methanspaltung entstehende C führt zu einem Aufwachsen der Pyrolyse-C- Partikel. In the reactor, electricity is passed through the bed in the reaction zone to cover the reaction heat (262 kW ei ). The heat of reaction of 262 kW introduced in this way does not affect the required amount of pyrolysis C-cycle and is therefore not significant for the amount of the investment. The C produced during methane splitting leads to the pyrolysis C particles growing.
Das Produktgas der Methanspaltung strömt nach oben und wärmt dabei die nach unten rut schenden rezirkulierten Partikeln auf. Im Gegenzug kühlt sich das Produktgas ab. Durch die Menge des Kreisgases kann der Grad der Wärmeintegration gesteuert werden. Bei diesem Ge genstromwärmetausch werden 315 kW thermisch übertragen The methane fission product gas flows upwards and warms up the recirculated particles that slide downwards. In return, the product gas cools down. The degree of heat integration can be controlled by the amount of cycle gas. With this countercurrent heat exchange, 315 kW are thermally transferred
Das auf 160°C abgekühlte Produktgas (110 kg/h) wird in eine EHS geleitet, in der 50% des ge bildeten H2's elektrochemisch aus dem Produktgas abgetrennt werden. Dafür ist eine elektri sche Leistung von 63 kWei notwendig. Das verbleibende Anoden-offgas (68 kg/h) wird rezirkuliert. Um eine Aufpegelung von inerten Komponenten zu verhindern, werden 0,1 kg/h aus dem Kreisgas abgezogen. The cooled product gas to 160 ° C (110 kg / h) is passed into a EHS, s are separated from the product gas electrochemically in the 50% of the ge formed H2 '. For this, a specific electrical power of 63 kW is ei necessary. The remaining anode off-gas (68 kg / h) is recirculated. In order to prevent a build-up of inert components, 0.1 kg / h are withdrawn from the cycle gas.
42 kg/h H2 verlassen die EHS mit einem Druck von 5 bar. Für die Verdichtung auf 20 bar wird eine elektrische Leistung von 29 kWei benötigt. Aus den Zwischenkühlungen müssen 38 kW als Wärmeströme abgezogen werden. 42 kg / h H2 leave the EHS at a pressure of 5 bar. An electrical output of 29 kW ei is required for compression to 20 bar. 38 kW must be drawn off as heat flows from the intercooling.
Der WH-Pyrolyse & EHS -Prozess produziert hiermit pro kg H2 3,0 kg hochreines Pyrolyse-C und benötigt dafür pro kg H2: The WH pyrolysis & EHS process produces 3.0 kg of high-purity pyrolysis C per kg of H2 and therefore requires:
- 4,0 kg CH4 - 4.0 kg of CH4
- 8,4 kWh Strom - 8.4 kWh of electricity
19,2 kWh Wärmeübertrager und verursacht pro kg H2: 19.2 kWh heat exchanger and causes per kg H2:
- 1 ,6 kg C02 - 1.6 kg of C02
Vergleich: Comparison:
In Tabelle 1 sind die Ergebnisse der Beispielrechnungen zusammengefasst. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass durch die erfindungsgemäßen Verfahrenskonzepte H2 mit einem geringe ren Carbon Footprint hergestellt werden kann als nach dem heutigen Stand der Technik. Der geringere Carbon Footprint ist der Haupttreiber für die H2-Mobilität. The results of the sample calculations are summarized in Table 1. The results clearly show that the process concepts according to the invention can produce H2 with a lower carbon footprint than according to the current state of the art. The lower carbon footprint is the main driver for H2 mobility.
Außerdem sind bei den erfindungsgemäßen Verfahrenskonzepten die investitionsrelevanten Wärmübertragungsleistungen kleiner als im Fall des derzeitigen Stands der Technik,In addition, with the process concepts according to the invention, the investment-relevant heat transfer capacities are lower than in the case of the current state of the art,
Den erhöhten Erdgasverbräuchen bei den erfindungsgemäßen Verfahrenskonzepten steht die zusätzliche Gewinnung von hochreinem Kohlenstoff gegenüber. Dadurch erhöht sich die Roh stoffausbeute und damit Wertschöpfung. The increased consumption of natural gas in the process concepts according to the invention is offset by the additional extraction of high-purity carbon. This increases the raw material yield and thus added value.
Nach dem Stand der Technik kann eine SMR massenmäßig nur etwa 32% (= 1kg H2 / 3,1 kg CH4) des eingesetzten Methans wertschöpfend verarbeiten. Die erfindungsgemäßen Verfah renskonzepte können jedoch das eingesetzte Methan bis zu 100% (= (1 kg H2 + 3 kg C) / 4 kg CH4) verwerten. According to the state of the art, an SMR can process only about 32% (= 1kg H2 / 3.1 kg CH4) of the methane used in a value-adding manner. However, the process concepts according to the invention can utilize up to 100% of the methane used (= (1 kg H2 + 3 kg C) / 4 kg CH4).
Die erfindungsgemäßen Verfahrenskonzepte haben zudem nur 1/5-el bis 1/9-el des Strombe darfs einer Wasserelektrolyse. Ein kleiner Strombedarf ist aber besonders im Hinblick auf den zukünftig notwendigen Ausbau der Erneuerbaren Energien wichtig, da hier die Mobilität in Kon kurrenz zu anderen Energieverbrauchern steht. The process concepts according to the invention also have only 1/5-el to 1/9-el of the power requirement of a water electrolysis. However, a small amount of electricity is particularly important with regard to the expansion of renewable energies that will be necessary in the future, as mobility here is in competition with other energy consumers.
Tabelle 1 : Vergleich der Ergebnisse aus den Beispielrechnungen. Table 1: Comparison of the results from the example calculations.
Literatur: Literature:
Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. Error! Reference source not found.
A.M. Bazzanella, F. Ausfelder, “Low carbon energy and feedstock for the European Chemical industry”, DECHEMA-Technology study, Juni 2017. AT THE. Bazzanella, F. Ausfelder, “Low carbon energy and feedstock for the European Chemical industry”, DECHEMA-Technology study, June 2017.
A.l. Pushkarev, et. al. „Methane Conversion in Low-Temperature Plasma, High Energy Chemis try, Vol. 43 No. 3, 2009 A.l. Pushkarev, et. al. "Methane Conversion in Low-Temperature Plasma, High Energy Chemistry, Vol. 43 No. 3, 2009
O. Machhammer, A. Bode, W. Hormuth, „Financial and Ecological Evaluation of Hydrogen Pro duction Processes on Large Scale“, Chem. Eng. Technol.,39, No. 39, 2016, p. 1185 - 1193 O. Machhammer, A. Bode, W. Hormuth, “Financial and Ecological Evaluation of Hydrogen Production Processes on Large Scale”, Chem. Eng. Technol., 39, no. 39, 2016, p. 1185-1193
G. Parks, et.al, “Hydrogen Station Compression, Storage, and Dispensing, Technical Status and Costs, Technical Report, NREL/BK-6A 10-58564, May 2014 G. Parks, et.al, “Hydrogen Station Compression, Storage, and Dispensing, Technical Status and Costs, Technical Report, NREL / BK-6A 10-58564, May 2014
Lange J.-P., Fuels and Chemicals: manufacturing guidelines for understanding and minimizing the production costs, CATECH, Volume 5, no. 2, 2001 Lange J.-P., Fuels and Chemicals: manufacturing guidelines for understanding and minimizing the production costs, CATECH, Volume 5, no.2, 2001
„Strommix in EU 27, Entwicklung der Stromerzeugung in Europa von 2007 bis 2030“, Eine Ex pertenaussicht des VDMA Power Systems, www.vdma.org/powersystems “Electricity mix in EU 27, development of electricity generation in Europe from 2007 to 2030”, an expert outlook from VDMA Power Systems, www.vdma.org/powersystems
„Studie über die Planung einer Demonstrationsanlage zur Wasserstoffgewinnung durch Elektro lyse mit Zwischenspeicherung in Salzkavernen unter Druck“ DLR-Studie, 2015, Seite 33 “Study on the planning of a demonstration plant for hydrogen production by electrolysis with intermediate storage in salt caverns under pressure” DLR study, 2015, page 33
Process Economics Program (PEP) Report 32B “SMALE SCALE HYDROGEN PLANTS”, July 2003, SRI Consulting Process Economics Program (PEP) Report 32B “SMALE SCALE HYDROGEN PLANTS”, July 2003, SRI Consulting
PEP Review 2015-10 „Hydrogen Process Summary“, 2015, IHS CHEMICAL PEP Review 2015-10 "Hydrogen Process Summary", 2015, IHS CHEMICAL
Process Economics Program (PEP) Report 32C “HYDROGEN PRODUCTION”, September 2007, SRI Consulting Process Economics Program (PEP) Report 32C “HYDROGEN PRODUCTION”, September 2007, SRI Consulting
Peter Häussinger, et.al., Hydrogen, 3. Purification, Ullmanns' Encyclopetia of Industrial Chemis try, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2012 Peter Häussinger, et.al., Hydrogen, 3. Purification, Ullmanns ' Encyclopetia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2012

Claims

Patentansprüche: Patent claims:
1 . Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Stufe Kohlenwasserstoffe in festen Kohlenstoff und in ein wasserstoffhaltiges Produktge misch zersetzt werden, das wasserstoffhaltige, gasförmige Produktgemisch, das eine Zu sammensetzung bezüglich der Hauptkomponenten CH4, N2 und H2 von 20 bis 95 Vol.-% H2 und 80 bis 5 Vol.-% CH4 und/oder N2 aufweist, mit einer Temperatur von 50 bis 300°C aus der ersten Stufe ausgetragen wird und mit einer Temperatur, die sich maximal um 100°C von dieser Austritts-Temperatur unterscheidet, in ein elektrochemisches Trennver fahren zugeführt wird und in dieser zweiten Stufe das wasserstoffhaltige Produktgemisch in dem elektrochemischen Trennverfahren bei einer Temperatur von 50 bis 200°C in Was serstoff mit einer Reinheit von > 99,99% und einem verbleibenden Restgasgemisch auf getrennt wird. 1 . Process for the production of hydrogen, characterized in that in a first stage hydrocarbons are decomposed into solid carbon and a hydrogen-containing product mixture, the hydrogen-containing, gaseous product mixture, which has a composition with regard to the main components CH4, N2 and H2 of 20 to 95 vol .-% H2 and 80 to 5 vol .-% CH4 and / or N2, is discharged from the first stage at a temperature of 50 to 300 ° C and at a temperature that is no more than 100 ° C from this outlet Temperature differs, is fed into an electrochemical separation process and in this second stage the hydrogen-containing product mixture is separated in the electrochemical separation process at a temperature of 50 to 200 ° C in hydrogen with a purity of> 99.99% and a remaining residual gas mixture .
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im elektrochemischen Trenn verfahren der zweiten Stufe eine Membran-Elektroden-Einheit verwendet wird und die Membran eine Polymermembran ist ausgewählt aus der Gruppe sulfonierte Polyethe retherketone, sulfonierte Polybenzoimidazole, sulfonierte Fluorkohlenwasserstoffpoly mere, perforierte Polysulfonsäuren, Polymere auf Styrolbasis, Poly(arylenether), Po lyimide und Polyphosphazene. 2. The method according to claim 1, characterized in that a membrane-electrode unit is used in the electrochemical separation process of the second stage and the membrane is a polymer membrane selected from the group consisting of sulfonated polyethers, sulfonated polybenzoimidazoles, sulfonated fluorocarbon polymers, perforated polysulfonic acids, Styrene-based polymers, poly (arylene ethers), polyimides, and polyphosphazenes.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Polymermembranen Po- lybenzamidazole eingesetzt werden, die auf Polybenzimidazol und Phosphorsäure ba sieren. 3. The method according to claim 2, characterized in that the polymer membranes used are polybenzamidazoles based on polybenzimidazole and phosphoric acid.
4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zersetzung in der ersten Stufe bei einer Temperatur von 900°C bis 1200°C und mit einer Verweilzeit von 1 min bis 1 s durchgeführt wird. 4. The method according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the decomposition in the first stage is carried out at a temperature of 900 ° C to 1200 ° C and with a residence time of 1 min to 1 s.
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass 99,99 bis 90 % der verbleibenden Restgasmenge aus dem elektrochemischen Trennverfahren in die erste Stufe rezirkuliert werden. 5. The method according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that 99.99 to 90% of the remaining amount of gas from the electrochemical separation process is recirculated into the first stage.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass beide Stufen bei einem absoluten Druck von 1 bar bis 30 bar durchgeführt werden und die Druckdifferenz zwischen den beiden Stufen im Bereich von 0,001 bar bis 5 bar liegt. 6. The method according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that both stages are carried out at an absolute pressure of 1 bar to 30 bar and the pressure difference between the two stages is in the range from 0.001 bar to 5 bar.
7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Zersetzungsreaktion der ersten Stufe benötigte Energie autotherm oder via Niedertemperaturplasma zur Verfügung gestellt wird. 7. The method according to at least one of claims 1 to 6, characterized in that the energy required for the decomposition reaction of the first stage is made available autothermally or via low-temperature plasma.
8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das autotherme Pyrolyse-Verfahren folgende Schritte umfasst: 8. The method according to at least one of claims 1 to 7, characterized in that the autothermal pyrolysis process comprises the following steps:
1 ) Vorlegen einer Schüttung aus T rägermaterial 1) Submission of a bed made of carrier material
2) Verbrennen von Edukt- oder Produktgas mit Luft zu einem heißen Brenngas zur Bereitstellung der Reaktionsenthalpie 2) Combustion of reactant or product gas with air to form a hot fuel gas to provide the enthalpy of reaction
3) Mischen dieses heißen Brenngases mit dem Eduktgas, so dass das Eduktgas zu H2 und Kohlenstoff pyrolysiert 3) Mixing this hot fuel gas with the feed gas, so that the feed gas pyrolyses to H2 and carbon
4) Beaufschlagen der Schüttung mit Trägermaterial mit dem C-haltigen heißen Py rolysegas, so dass sich die Schüttung mit Trägermaterial aufheizt und sich Koh lenstoff in der Schüttung ablagert 4) Applying the C-containing hot pyrolysis gas to the bed with carrier material, so that the bed with carrier material heats up and carbon is deposited in the bed
5) Leiten von kaltem Eduktgas über diese aufgeheißte Schüttung, so dass sich das Eduktgas aufheizt und die mit Kohlenstoff beladene Schüttung abkühlt5) Passing cold reactant gas over this heated bed, so that the reactant gas heats up and the carbon-laden bed cools
6) Austausch der abgekühlten beladenen Schüttung gegen eine kalte Schüttung 6) Exchange of the cooled, loaded bed against a cold bed
9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Niedertemperatur-Plasma Pyrolyse-Verfahren folgende Schritte umfasst: 9. The method according to at least one of claims 1 to 7, characterized in that the low-temperature plasma pyrolysis process comprises the following steps:
1 ) Vorlegen einer Schüttung aus T rägermaterial 1) Submission of a bed made of carrier material
2) Beaufschlagen der Schüttung mit Trägermaterial mit dem C-haltigen heißen Py rolysegas, so dass sich die Schüttung mit Trägermaterial aufheizt und sich Koh lenstoff in der Schüttung ablagert 2) Applying the C-containing hot pyrolysis gas to the bed with carrier material, so that the bed with carrier material heats up and carbon is deposited in the bed
3) Leiten von kaltem Feedgas bestehend aus Eduktgas und Kreisgas über diese aufgeheizte Schüttung, so dass sich dieses Feedgas aufheizt und die mit Koh lenstoff beladene Schüttung sich abkühlt 3) Passing cold feed gas consisting of feed gas and circulating gas over this heated bed, so that this feed gas is heated and the bed loaded with carbon cools
4) Weiteres Aufheizen des Feedgases durch einen Plasmabrenner zu dem heißen Pyrolysegas 4) Further heating of the feed gas by a plasma torch to produce the hot pyrolysis gas
5) Austausch der abgekühlten beladenen Schüttung gegen eine kalte Schüttung 5) Exchange of the cooled, loaded bed against a cold bed
10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der nach dem elektrochemischen Trennverfahren vorliegenden Wasserstoff einem Wasserstoff-Auto zugeführt wird. 10. The method according to at least one of claims 1 to 9, characterized in that the hydrogen present after the electrochemical separation process is fed to a hydrogen car.
EP20789174.8A 2019-10-25 2020-10-15 Method for producing highly pure hydrogen by coupling pyrolysis of hydrocarbons with electrochemical hydrogen separation Pending EP4048630A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP19205347 2019-10-25
PCT/EP2020/078978 WO2021078614A1 (en) 2019-10-25 2020-10-15 Method for producing highly pure hydrogen by coupling pyrolysis of hydrocarbons with electrochemical hydrogen separation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4048630A1 true EP4048630A1 (en) 2022-08-31

Family

ID=68344726

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP20789174.8A Pending EP4048630A1 (en) 2019-10-25 2020-10-15 Method for producing highly pure hydrogen by coupling pyrolysis of hydrocarbons with electrochemical hydrogen separation

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20220306462A1 (en)
EP (1) EP4048630A1 (en)
JP (1) JP2023500816A (en)
KR (1) KR20220088767A (en)
CN (1) CN114867683A (en)
WO (1) WO2021078614A1 (en)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4227436A1 (en) * 2022-02-11 2023-08-16 Linde GmbH Method and system for the recovery of hydrogen from methane
CN115354098B (en) * 2022-08-15 2023-07-28 新疆八一钢铁股份有限公司 Smelting method for plasma heating of hydrogen-rich carbon circulating blast furnace gas
US11958745B1 (en) 2023-03-07 2024-04-16 Chevron Phillips Chemical Company Lp Use of methane pyrolysis to decarbonize a hydrocarbon cracking system

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3401099A (en) * 1966-04-27 1968-09-10 Air Prod & Chem Electrolytic method of gas separation
AT502901B1 (en) * 2005-10-31 2009-08-15 Electrovac Ag DEVICE FOR HYDROGEN MANUFACTURE
US8911596B2 (en) * 2007-05-18 2014-12-16 Hope Cell Technologies Pty Ltd Method and apparatus for plasma decomposition of methane and other hydrocarbons
AU2013365822A1 (en) * 2012-12-21 2015-07-23 Basf Se Parallel preparation of hydrogen, carbon monoxide and carbon-comprising product

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021078614A1 (en) 2021-04-29
CN114867683A (en) 2022-08-05
US20220306462A1 (en) 2022-09-29
JP2023500816A (en) 2023-01-11
KR20220088767A (en) 2022-06-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2021078614A1 (en) Method for producing highly pure hydrogen by coupling pyrolysis of hydrocarbons with electrochemical hydrogen separation
Cha et al. Ammonia as an efficient COX-free hydrogen carrier: Fundamentals and feasibility analyses for fuel cell applications
Abdin et al. Hydrogen as an energy vector
JP6977082B2 (en) Ammonia decomposition equipment and system and hydrogen production method
Baharudin et al. Hydrogen applications and research activities in its production routes through catalytic hydrocarbon conversion
AT502478B1 (en) Use of a procedure to produce hydrogen and nano-carbon comprising providing hydrocarbon-containing feed gas into a reformer, contacting feed gas with catalyst and converting to hydrogen and solid carbon, to produce hydrogen-containing gas
CN103999277B (en) Utilize petroleum fuel Joint Production hydrogen and the method and system of electricity
EP1943187A1 (en) Use of a process for hydrogen production
Muradov Emission-free fuel reformers for mobile and portable fuel cell applications
Asif et al. Recent advances in green hydrogen production, storage and commercial-scale use via catalytic ammonia cracking
EP1219567A1 (en) Carbonaceous material for hydrogen storage and method for preparing the same, and cell and fuel cell
Qureshi et al. Contemporary avenues of the Hydrogen industry: Opportunities and challenges in the eco-friendly approach
EP4126307A1 (en) Method for electrochemical hydrogen separation from natural-gas pipelines
Corbo et al. Hydrogen as future energy carrier
Jangam et al. Synergistic decomposition of H2S into H2 by Ni3S2 over ZrO2 support via a sulfur looping scheme with CO2 enabled carrier regeneration
CN107801405B (en) Prepare the system and relevant method of hydrogen
Zhai et al. From lab to practical: An ammonia-powered fuel cell electric golf cart system
Saeed et al. Utilizing nanostructured materials for hydrogen generation, storage, and diverse applications
Liu et al. Highly-efficient hydrogen production from ammonia decomposition over Co-doped graphdiyne under moderate temperature
Mashhadimoslem et al. Green ammonia to Hydrogen: Reduction and oxidation catalytic processes
AU2021357064A1 (en) Carbon-neutral process for generating electricity
Wang et al. Steam catalytic cracking of coal tar over iron‐containing mixed metal oxides
DE112018003522T5 (en) Gas station for supplying vehicles with energy sources
DE102019005452B4 (en) Process for generating synthesis gas for the production of ammonia
DE10143656A1 (en) Production of energy in fuel cell system comprises introducing hydrocarbon into cracking reactor, endothermically cracking, introducing water vapor, endothermically gasifying the obtained carbon and further treating

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20220525

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)