EP4587169A1 - Reaktor für die thermische spaltung eines gasförmigen, kohlenwasserstoffhaltigen einsatzstoffstroms - Google Patents

Reaktor für die thermische spaltung eines gasförmigen, kohlenwasserstoffhaltigen einsatzstoffstroms

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EP4587169A1
EP4587169A1 EP23769107.6A EP23769107A EP4587169A1 EP 4587169 A1 EP4587169 A1 EP 4587169A1 EP 23769107 A EP23769107 A EP 23769107A EP 4587169 A1 EP4587169 A1 EP 4587169A1
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EP
European Patent Office
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reactor
granules
displacement body
reactor according
vibration
Prior art date
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Pending
Application number
EP23769107.6A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Nicolai Antweiler
Guido Kache
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ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Original Assignee
ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Uhde GmbH
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Publication date
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    • C10G15/00—Cracking of hydrocarbon oils by electric means, electromagnetic or mechanical vibrations, by particle radiation or with gases superheated in electric arcs
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    • B01J2208/00743—Feeding or discharging of solids
    • B01J2208/00752—Feeding

Definitions

  • the invention relates to a reactor for the thermal splitting of a gaseous, hydrocarbon-containing feedstock stream according to the preamble of claim 1.
  • Pyrolysis of natural gas or methane has advantages over these two alternatives.
  • the hydrocarbons are immediately separated into their components, elemental carbon and hydrogen. If the necessary energy supply to carry out this endothermic reaction is carried out using renewable energies, the process is CC>2 neutral.
  • the advantage is that the effort for capture and the effort, including possible risks, of underground CO2 storage are avoided.
  • the resulting elemental carbon on the other hand, can be partially reused as a valuable product in a climate-neutral manner or can be easily deposited.
  • Another alternative process consists in the purely thermal splitting of gaseous, hydrocarbon-containing feedstock streams in an electrically heated moving bed made of electrically conductive granules.
  • the moving bed In a column-shaped reactor, the moving bed is moved from top to bottom under the effect of gravity.
  • the hydrocarbon-containing feedstock stream flows in countercurrent from bottom to top through the reactor.
  • the moving bed is heated directly electrically by arranging at least two electrodes in the moving bed, which conduct an electrical current through the moving bed. The majority of the heat is generated at the contact points of the individual grains of the granulate through resistance heating. If the current is applied evenly, a reaction volume is created between the electrodes in which a sufficient temperature for pyrolysis in the range of 1,000°C - 1,500°C is achieved.
  • the feedstock stream is thermally split, with the released gaseous hydrogen being removed upwards and the elemental carbon being deposited on the granules.
  • Such reactors are known, for example, from WO 2019/145279 A1 and WO 2020/244803 A1.
  • a conceivable measure to reduce bridging is to accelerate the moving bed through the reactor. This allows the amount of carbon deposited on the granules to be reduced and the tendency for bridge formation to be reduced as a result.
  • the disadvantage is the increased energy expenditure that is required for heating the faster rotating moving bed in order to heat the larger amount of granules entering the reaction volume per unit of time to the required temperature.
  • energy losses occur due to the moving bed exiting the reactor at a higher temperature and further cooling of the granules outside the reactor may even be necessary.
  • the reactor includes an upper, a middle and a lower reactor section.
  • a feed for the granules and a discharge for a hydrogen-containing product stream are arranged in the upper reactor section.
  • a feed device for the gaseous, hydrocarbon-containing feedstock stream is arranged in the lower reactor section and a discharge for the granules is provided at the bottom.
  • At least two electrodes for heating the moving bed are preferably arranged in the middle reactor section.
  • the positioning of the electrodes in the reactor and the flow rate of the granules, as well as the flow rate of the feed stream, indirectly define a reaction volume in the reactor in which the reaction conditions for pyrolysis exist.
  • the reaction volume is preferably arranged at least partially in the middle reactor section.
  • the reaction volume can also extend into the upper and/or lower reactor section.
  • the electrodes include an upper electrode and a lower electrode, each extending along a horizontal cross-sectional area of the reactor. In this case, the electrodes introduce an electric field into the moving bed in a vertical direction parallel to the direction of movement of the granules.
  • the electrodes are arranged on opposite side walls of the reactor.
  • the lateral arrangement of the electrodes reduces the interference with the movement of the moving bed caused by the electrodes.
  • the electrodes do not form an obstacle to the transmission of the vibrations of the sprung floor to the granules.
  • This embodiment is preferably used in combination with a reactor with a rectangular or square cross section. This allows a particularly homogeneous electric field to be generated in the moving bed transversely to its direction of movement.
  • the lower displacement body preferably extends over at least 50%, particularly preferably over at least 75%, of the cross-sectional area of the reactor in order to introduce the vibration as uniformly as possible across the reactor cross-section.
  • the lower displacement body is preferably arranged above the feed device. Since the feeding device can form a resistance with regard to the propagation of vibration oscillations in the moving bed, it is advantageous to introduce the vibrations by using a displacement body only above the feeding device in order to achieve the unhindered propagation of the vibrations into the reaction volume in the middle reactor section.
  • FIG. 4 shows schematically a reactor according to a fourth exemplary embodiment of the invention, in which the displacement body is arranged completely in an upper half of the preheating volume
  • 5A shows schematically a reactor according to a fifth exemplary embodiment of the invention with a lower and an upper displacement body, each of which has extensions which protrude into recesses in the associated electrodes,
  • Fig. 1 shows a reactor 1 for the thermal splitting of a gaseous, hydrocarbon-containing feedstock stream 2 in an electrically heated moving bed 3 from an electrically conductive granulate 4 with deposition of elemental carbon on the granulate 4.
  • the reactor 1 is preferably generally cylindrical and extends along a vertical direction V.
  • the cylinder can have, for example, a circular, rectangular, square or polygonal shape in cross section.
  • the reactor 1 is designed for temperatures of the moving bed 3 in the range of 1,000 ° C to 1,500 ° C and gas pressures of up to 40 bar (g).
  • the electrodes 10, 11 can, for example, comprise an upper electrode 10 and a lower electrode 11, each of which extends along a cross-sectional area in the horizontal direction H of the reactor 1.
  • a feed device 14 for the gaseous, hydrocarbon-containing feedstock stream 2 is arranged in the lower reactor section 13.
  • the gaseous feedstock stream 2 is directed upwards in the vertical direction V in countercurrent to the moving bed 3.
  • a preheating volume is thus formed between the feeding device 14 and the lowest point of the electrodes 10, 11, in which the feedstock stream 2 is preheated with the thermal energy of the moving bed 3 emerging from the reaction volume 12, but has not yet reached the temperature required for thermal pyrolysis .
  • the preheating volume forms a lower one of two heat integration zones of the reactor 1. In the lower heat integration zone, thermal energy from the moving bed 3 emerging from the reaction volume is released, preferably as completely as possible, to the feedstock stream 2.
  • the second, upper heat integration zone is formed in the upper reactor section 5, in which thermal energy of the gaseous product stream 8 is released, preferably as completely as possible, to the moving bed 3 before it enters the reaction volume 12 from above.
  • the discharge 15 can preferably have an enclosure on the outside of the oscillating floor 16 facing away from the moving bed 3.
  • the enclosure allows the outside of the sprung floor 16 to be subjected to gas pressure from a pressure source. This allows pressure loads on the sprung floor 16 to be reduced.
  • the gas pressure preferably corresponds to the pressure prevailing in the reactor 1 with a tolerance of +/- 50%, particularly preferably +/- 25%.
  • the oscillating floor 16 is connected to the lower reactor section 13 via a vibration-decoupling suspension 18, for example a free-swinging ring buffer suspension. At the bottom, the oscillating floor 16 is preferably also vibration-decoupled via an outlet sleeve 29 to a discharge device, usually a screw conveyor (not shown).
  • a vibration-decoupling suspension for example a free-swinging ring buffer suspension.
  • the oscillating floor 16 is preferably also vibration-decoupled via an outlet sleeve 29 to a discharge device, usually a screw conveyor (not shown).
  • Unbalance motors for example electric unbalance oscillators
  • vibration generators 17 are preferably used as vibration generators 17.
  • other vibration generators for example hydraulic or pneumatic vibrators, can also be used.
  • the at least one vibration generator 17 can preferably be set up to To generate vibrations of the sprung floor 16 with a frequency in the range of 25 Hz to 75 Hz and / or a vibration speed in the range of 10 mm / s to 40 mm / s.
  • the oscillating floor 16 causes the granules of the moving bed 3 to move, which preferably includes rotations of the granules in addition to translational components.
  • the movement promotes the outflow of the granules 4 through the discharge 15, so that a uniform downward movement of the moving bed 3 in the manner of a plug flow is preferably formed in the reactor 1.
  • the movement of the granules in the area of the reaction volume 12 leads to constantly changing contact points of the granules, which reduces the tendency for bridge formation due to deposited carbon.
  • the movement of the granules introduced by the oscillating floor 16 is dampened by internals in the reactor 1, such as the feed device 14 or a horizontally extending electrode 11, but also by the granules 4 itself.
  • a lower displacement body 21 is arranged in the lower reactor section 13, which is fastened to the oscillating floor 16 by means of a strut 22 and together with the Vibrating floor 16 can be set in vibration.
  • the strut can, for example, consist of one central strut or several struts distributed over the circumference of the sprung floor 16.
  • the displacement body 21 is preferably arranged above the feed device t and particularly preferably arranged completely in the preheating volume of the reactor between the feed device 14 and the lowest point of the electrode 10.
  • the displacement body 21 has a frustoconical surface which tapers downwards. At least in the central area, the surface has a breakthrough to allow the granules 4 to pass through. Further possible shapes of the displacement body are explained in more detail with reference to FIG. 6.
  • the reactor 1 differs from the first exemplary embodiment according to FIG. 1 in that the displacement body 21 forms the lower electrode 11.
  • This has the advantage that the lower electrode 11 does not form an obstacle to the movement of the granules induced by the oscillating floor 16, but rather itself stimulates the granules 4 to move. To this In this way, the granules 4 in the reaction volume 12 can be set in motion particularly effectively.
  • the displacement body 21 simultaneously forms the lower electrode 11, when designing the displacement body 21/the electrode 11, additional consideration should be given to the fact that the reaction volume continues to be heated homogeneously over the cross-sectional area of the reactor 1. This criterion preferably leads to a flat, grid-like structure of the displacement body 21.
  • a further, independent difference from the first exemplary embodiment is the positioning of the suspension 18.
  • the suspension 18 does not necessarily have to be arranged at the interface between the lower reactor section 13 and the discharge 15. Particularly for load-related reasons, it can be advantageous to arrange the suspension 18 in the area of a funnel-shaped taper of the discharge 15, as shown in FIG. 2.
  • the third exemplary embodiment shown in Fig. 3 differs from the first exemplary embodiment in the arrangement of the electrodes 10 ', 11'.
  • the electrodes 10 ', 1 T are arranged on opposite side walls 19, 20 of the reactor.
  • This arrangement of the electrodes 10 ', 1 T is advantageous because the electrodes 10 ', 1 T cause significantly less damping of the movements introduced into the moving bed 3 by the oscillating floor 16 due to the lateral positioning. In this way, the vibrations are transported more effectively into the reaction volume 12.
  • this arrangement of electrodes 10 ', 1 T is preferably used in combination with a reactor 1 with a rectangular, square or polygonal cross section.
  • the fourth exemplary embodiment shown in FIG. 4 is a variant of the third exemplary embodiment with a displacement body which has a conical surface.
  • the displacement body 21 is not only arranged completely within the preheating volume Vv, but is even located completely in its upper half H2, while the lower half H1 is only penetrated by the preferably vertical strut 22. Otherwise, the comments on the first three exemplary embodiments apply accordingly to the fourth exemplary embodiment.
  • FIG. 5A shows a fifth exemplary embodiment of the invention, which differs from the first exemplary embodiment in the type and arrangement of the displacement body 21.
  • the displacement body 21 is formed with extensions 23 which protrude into recesses 24 of the lower electrode 11.
  • the arrangement of extensions 23 and recesses 24 of the lower electrode 11 is shown in cross section in FIG. 5B.
  • the gap width between the extension 23 and the edge of the recess 24 should correspond to at least 5 times the grain size of the granules 4.
  • an upper displacement body 27 is arranged in the upper reactor section 5, which can be set in vibration by means of at least a second vibration generator 28.
  • the shape and arrangement of the upper displacement body 27 corresponds to the lower displacement body 21.
  • any other shapes and combinations of lower and upper displacement bodies can also be used according to the invention.
  • FIG. Fig. 6A shows an upwardly tapering and Fig. 6B a downwardly tapering displacement body 21 with a frustoconical surface and a central opening 25.
  • Fig. 6C and Fig. 6D show displacement bodies with conical surfaces which, in addition to a central opening 25, also have annular openings 26 have.
  • the annular openings 26 are dimensioned larger in the case of FIG. 6D.
  • 6E shows the displacement body 21, which corresponds to a vertical reflection of the displacement body 21 according to FIG. 6C.
  • the cone angle ⁇ of the surface is preferably in the range between 90° and 160°, particularly preferably between 120° and 152°.
  • FIGS. 6F and 6G show the displacement bodies according to FIGS. 6C and 6D in a vertical projection, in which the area of the openings 25, 26 can be seen in relation to the total area of the displacement body 21.
  • the displacement body 21 preferably has openings 25, 26 for the flow of the granules 4, which in such a vertical projection make up between 10% and 60%, preferably between 30% and 50%, of the total area of the displacement body 21.
  • the shapes of displacement bodies shown in FIGS. 6A to 6G can each also be used as an upper displacement body 27.
  • the expert is able to further optimize the shape of the displacement body.
  • the particular focus is on restricting the particle flow of the moving bed as little as possible, allowing a uniform flow of the gaseous feedstock flow and ensuring the most effective vibration transmission possible.
  • Fig. 7 shows a sixth exemplary embodiment of the invention, which differs from the third exemplary embodiment in that instead of electrodes in the reactor 1, a coil 30 for inductive heating of the moving bed 3 is arranged on the outside of the central reactor section 9.
  • the coil 30 generates an alternating magnetic field in the reactor 1, which induces eddy currents in the conductive granules 4. Due to the intrinsic electrical resistance of the moving bed 3, the ohmic losses of the eddy currents lead to heating of the moving bed 3.
  • the sixth exemplary embodiment is characterized by a particularly small number of components arranged in the interior of the reactor 1. This allows carbon deposits in the reactor 1 to be minimized and the flow of the moving bed 3 to be as undisturbed as possible can be achieved.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Reaktor (1) für die thermische Spaltung eines gasförmigen, kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzstoffstroms (2) in einem elektrisch beheizten Wanderbett (3) aus einem elektrisch leitfähigen Granulat (4) unter Ablagerung von elementarem Kohlenstoff auf dem Granulat (4), umfassend einen oberen Reaktorabschnitt (5), in dem eine Zuführung (6) für das Granulat (4) und eine Abführung (7) für einen wasserstoffhaltigen Produktstrom (8) angeordnet sind, einen mittleren Reaktorabschnitt (9) und einen unteren Reaktorabschnitt (13), in dem eine Aufgabevorrichtung (14) für den gasförmigen, kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzstoffstrom (2) angeordnet ist, und an dem bodenseitig eine Abführung (15) für das Granulat (4) vorgesehen ist, wobei die Abführung (15) mindestens einen trichterförmigen Schwingboden (16) umfasst, der mittels mindestens eines ersten Vibrationserzeugers (17) in vertikaler und/oder horizontaler Richtung in Schwingung versetzbar ist und über eine schwingungsentkoppelnde Aufhängung (18) an den unteren Reaktorabschnitt (13) angeschlossen ist.

Description

Reaktor für die thermische Spaltung eines gasförmigen, kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzstoffstroms
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Reaktor für die thermische Spaltung eines gasförmigen, kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzstoffstroms nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Pyrolyse von gasförmigen, kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzstoffströmen, insbesondere von Erdgas bzw. Methan stellt eine wirtschaftlich wie ökologisch vorteilhafte Weise der Wasserstofferzeugung dar. Bislang wird der Hauptteil des industriell hergestellten und verbrauchten Wasserstoffs über die Dampfreformierung von Erdgas erzeugt, bei der große Mengen des Treibhausgases CO2 freigesetzt werden (sog. „grauer“ Wasserstoff). Im Wandel hin zu einer klimafreundlichen Wasserstoffwirtschaft werden alternative Herstellungsverfahren benötigt, bei denen die Menge an freigesetztem CO2 reduziert oder sogar vollständig vermieden wird. Dies kann zum einen durch eine Abscheidung und Speicherung des bei dem klassischen Dampfreformierungsprozess entstehenden CO2 geschehen (auch „blauer“ Wasserstoff genannt), oder auch durch die Elektrolyse von Wasser mittels regenerativ erzeugtem Strom („grüner“ Wasserstoff).
Die Pyrolyse von Erdgas oder Methan hat gegenüber diesen beiden Alternativen Vorteile. Bei der Pyrolyse werden die Kohlenwasserstoffe unmittelbar in ihre Bestandteile elementarer Kohlenstoff und Wasserstoff getrennt. Wird die notwendige Energiezufuhr zur Durchführung dieser endothermen Reaktion mittels erneuerbaren Energien durchgeführt, ist der Prozess CC>2-neutral. Gegenüber „blauem“ Wasserstoff besteht somit der Vorteil, dass der Aufwand für die Abscheidung und der Aufwand inklusive möglicher Risiken einer unterirdischen CO2- Speicherung vermieden werden. Der entstehende elementare Kohlenstoff ist dagegen klimaneutral teilweise als Wertprodukt weiterverwendbar oder problemlos deponierbar.
Gegenüber der Elektrolyse von Wasser besteht der Vorteil eines deutlich verminderten Energieaufwands pro erzeugter Tonne Wasserstoff, da Wasser pro enthaltenem Wasserstoffatom eine deutlich höhere Bindungsenergie aufweist:
CH4 C + 2 H2 AHRO= 37,8 kJ/molH2
2 H2O O2 + 2 H2 AHRO= 285,8 kJ/molH2 Unter idealen Bedingungen muss somit für die Erzeugung von Wasserstoff durch Pyrolyse nur ca. 13 % der Energie aufgewandt werden, die bei der Erzeugung durch Wasserelektrolyse benötigt wird.
Aus diesen Gründen erscheint die Pyrolyse von kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffströmen als zukunftsweisende Technologie zur energieeffizienten Erzeugung von Wasserstoff.
Für die Pyrolyse von kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzstoffströmen sind bereits unterschiedliche Verfahren bekannt. Zum einen kann die Pyrolyse durch Elektronenstrahlplasmapyrolyse erfolgen, bei der die Kohlenwasserstoffmoleküle mittels der kinetischen Energie beschleunigter Elektronen dissoziiert werden. Eine Vorrichtung zur Durchführung einer derartigen Plasmalyse ist beispielsweise aus DE 102020 116 950 A1 bekannt. Ferner kann der Einsatzstoffstrom in ein flüssiges Metallbad eingeleitet werden, in dem die Pyrolyse erfolgt. Der entstehende Kohlenstoff verbleibt dann in dem Metallbad und muss nachträglich extrahiert werden. Eine solche Vorrichtung ist aus EP 3 521 241 A1 bekannt.
Ein weiteres alternatives Verfahren besteht in der rein thermischen Spaltung von gasförmigen, kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzstoffströmen in einem elektrisch beheizten Wanderbett aus einem elektrisch leitfähigen Granulat. In einem säulenförmigen Reaktor wird das Wanderbett unter der Wirkung der Schwerkraft von oben nach unten geführt. Im Gegenstrom fließt der kohlenwasserstoffhaltige Einsatzstoffstrom von unten nach oben durch den Reaktor. Das Wanderbett wird direkt elektrisch beheizt, indem zumindest zwei Elektroden in dem Wanderbett angeordnet sind, die einen elektrischen Strom durch das Wanderbett leiten. Der Großteil der Wärme entsteht an den Kontaktstellen der einzelnen Körner des Granulats durch Widerstandsheizung. Bei gleichmäßiger Stromführung entsteht zwischen den Elektroden ein Reaktionsvolumen, in dem eine für die Pyrolyse ausreichende Temperatur im Bereich von 1.000°C - 1.500°C erreicht wird. Der Einsatzstoffstrom wird thermisch gespalten, wobei der freiwerdende gasförmige Wasserstoff nach oben hin abgeführt wird und der elementare Kohlenstoff sich auf dem Granulat niederschlägt. Derartige Reaktoren sind beispielsweise aus WO 2019/145279 A1 und WO 2020/244803 A1 bekannt.
Nachteilig bei diesen Reaktoren ist es, dass es aufgrund des Niederschlags des elementaren Kohlenstoffs auf dem Granulat zu einer elektrisch leitfähigen Brückenbildung zwischen den Granulatkörnern kommen kann. Dieses Problem tritt verstärkt auf, je größer der Reaktor dimensioniert ist, da die Granulatkörner dann länger innerhalb des Reaktionsvolumens verbleiben und eine stärkere Ablagerung erfahren. Die Brückenbildung zwischen den Körnern des Granulats führt zu einem Abfall des elektrischen Widerstandes zwischen den Elektroden und damit auch zu einer geringeren Heizleistung des Reaktors. Nach und nach bildet sich ein Pfad mit reduziertem elektrischen Widerstand zwischen den Elektroden aus, durch den der elektrische Strom bevorzugt fließt. Mit fortschreitendem Verbacken der Granulatkörner sinkt die Wasserstoffausbeute bis schließlich das Beiheizungskonzept versagt. Zudem behindern die miteinander verbackenen Granulatkörner den Transport des Wanderbettes durch den Reaktor.
Eine denkbare Maßnahme zur Reduzierung der Brückenbildung ist eine beschleunigte Führung des Wanderbettes durch den Reaktor. Dadurch kann die sich auf den Granulatkörnern ablagernde Menge an Kohlenstoff reduziert und die Neigung zur Brückenbildung in der Folge verringert werden. Nachteilig ist jedoch der erhöhte Energieaufwand, der für die Beheizung des schneller umlaufenden Wanderbettes benötigt wird, um die pro Zeiteinheit größere Menge von in das Reaktionsvolumen tretenden Granulatkörnern auf die erforderliche Temperatur aufzuheizen. Außerdem treten Energieverluste durch den Austritt des Wanderbetts bei einer höheren Temperatur aus dem Reaktor auf und es ist gegebenenfalls sogar eine weitere Kühlung des Granulats außerhalb des Reaktors erforderlich.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Reaktor für die thermische Spaltung eines gasförmigen, kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzstoffstroms in einem elektrisch beheizten Wanderbett anzugeben, bei dem die Neigung zur Brückenbildung zwischen den Granulatkörnern des Wanderbettes bei gleichzeitig energieeffizientem Betrieb verringert ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Reaktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Hierdurch wird ein Reaktor für die thermische Spaltung eines gasförmigen, kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzstoffstroms in einem elektrisch beheizten Wanderbett aus einem elektrisch leitfähigen Granulat unter Ablagerung von elementarem Kohlenstoff auf dem Granulat geschaffen. Der Reaktor umfasst einen oberen, einen mittleren und einen unteren Reaktorabschnitt. In dem oberen Reaktorabschnitt sind eine Zuführung für das Granulat und eine Abführung für einen wasserstoffhaltigen Produktstrom angeordnet. In dem unteren Reaktorabschnitt ist eine Aufgabevorrichtung für den gasförmigen, kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzstoffstrom angeordnet und es ist bodenseitig eine Abführung für das Granulat vorgesehen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Abführung mindestens einen trichterförmi- gen Schwingboden umfasst, der mittels mindestens eines ersten Vibrationserzeugers in vertikaler und/oder horizontaler Richtung in Schwingung versetzbar ist und über eine schwingungsentkoppelnde Aufhängung an den unteren Reaktorabschnitt angeschlossen ist.
Durch die schwingungsentkoppelnde Aufhängung an dem unteren Reaktorabschnitt ist der trichterförmige Schwingboden dazu eingerichtet, eine Schwingung in Relativbewegung gegenüber dem unteren Reaktorabschnitt auszuführen. Die Schwingung wird dadurch besonders effizient auf das auf dem Schwingboden lastende Granulat in dem Reaktor übertragen. Das in Schwingung versetzte Granulat weist zu einen eine verbesserte Fließfähigkeit auf, wodurch es zu einer Vergleichmäßigung der Verweilzeit des Granulats in dem Reaktor kommt. Der Schwingboden unterstützt so die Ausbildung einer Pfropfenströmung im Reaktor. Lokale Granulatstauungen im Reaktor werden vermieden und die Tendenz zur Brückenbildung zwischen den Granulatkörnern ist in der Folge reduziert.
Zum anderen bewirkt die auf das Granulat übertragene Schwingung durch Stöße zwischen benachbarten Granulatkörnern eine Rotation der Granulatkörner am Platz. Auch wenn sich in der Granulatströmung benachbarte Granulatkörner zeitweise nicht relativ zu einander verschieben, sorgen die durch den Schwingboden verursachten Rotationen der Granulatkörner für einen regelmäßigen Wechsel der Kontaktpunkte benachbarter Körner. Da sich der bei der Pyrolyse entstehende Kohlenstoff in erster Linie an den widerstandsbeheizten Kontaktpunkten ablagert, ist ein regelmäßiger Wechsel der Kontaktpunkte zur Vermeidung einer Brückenbildung besonders effektiv.
Bevorzugt enthält das verwendete Granulat Körner aus einem kohlenstoffhaltigen Material. Geeignet sind beispielsweise Granulate mit Körnern aus reinem Kohlenstoff oder Koks. Denkbar ist aber auch der Einsatz von Granulaten aus beispielsweise Siliciumcarbid oder Borcarbid.
Bevorzugt sind in dem mittleren Reaktorabschnitt zumindest zwei Elektroden zur Beheizung des Wanderbetts angeordnet. Durch die Positionierung der Elektroden im Reaktor und die Fließgeschwindigkeit des Granulats, sowie die Strömungsgeschwindigkeit des Einsatzstoffstroms wird in dem Reaktor mittelbar ein Reaktionsvolumen definiert, in dem die Reaktionsbedingungen für die Pyrolyse vorliegen. Das Reaktionsvolumen ist vorzugsweise zumindest zum Teil in dem mittleren Reaktorabschnitt angeordnet. Das Reaktionsvolumen kann sich aber auch in den oberen und/oder unteren Reaktorabschnitt erstrecken. In einigen Ausführungsformen umfassen die Elektroden eine obere Elektrode und eine untere Elektrode, welche sich jeweils entlang einer horizontalen Querschnittsfläche des Reaktors erstrecken. Die Elektroden bringen in diesem Fall ein elektrisches Feld in vertikaler Richtung parallel zur Bewegungsrichtung des Granulats in das Wanderbett ein.
In anderen Ausführungsformen sind die Elektroden an einander gegenüberliegenden Seitenwänden des Reaktors angeordnet. Durch die seitliche Anordnung der Elektroden ist die Beeinträchtigung der Bewegung des Wanderbettes durch die Elektroden reduziert. Zudem bilden die Elektroden kein Hindernis bei der Übertragung der Schwingungen des Schwingbodens auf das Granulat. Bevorzugt wird diese Ausführungsform in Kombination mit einem im Querschnitt rechteckigen oder quadratischen Reaktor eingesetzt. Hierdurch lässt sich ein besonders homogenes elektrisches Feld im Wanderbett quer zu dessen Bewegungsrichtung erzeugen.
Alternativ oder zusätzlich zu den Elektroden kann außenseitig des mittleren Reaktorabschnitts zumindest eine Spule zur induktiven Beheizung des Wanderbetts angeordnet sein. Die induktive Beheizung des Wanderbetts von außen hat den Vorteil eines Wärmeeintrags in das Granulat, ohne dass dafür Beheizungselemente innerhalb des Reaktors angeordnet werden müssen, an denen es zu Kohlenstoffablagerungen kommen kann und die den Granulatfluss beeinträchtigen.
In bevorzugten Ausführungsformen ist in dem unteren Reaktorabschnitt ein unterer Verdrängungskörper angeordnet, der mittels einer Verstrebung an dem Schwingboden befestigt ist und zusammen mit dem Schwingboden in Schwingung versetzbar ist. Durch den Einsatz eines Verdrängungskörpers in dem unteren Reaktorabschnitt können die Schwingungen des Schwingbodens zusätzlich an einer Position im Reaktor eingebracht werden, die näher an dem Reaktionsvolumen liegt. Eine solche Ausführungsform ist insbesondere bei großdimensionierten Reaktoren vorteilhaft, bei denen der vertikale Abstand zwischen dem Schwingboden und dem Reaktionsvolumen eine erhebliche Dämpfung der induzierten Granulatbewegungen verursacht. Der am Schwingboden befestigte Verdrängungskörper bildet eine zweite Vibrationsquelle im Wanderbett, die das Volumen des fluidisierten Anteils im Wanderbett erhöht. Bevorzugt erstreckt sich der untere Verdrängungskörper über mindestens 50 %, besonders bevorzugt über mindestens 75 % der Querschnittsfläche des Reaktors, um die Vibration möglichst gleichförmig über den Reaktorquerschnitt einzubringen. Der untere Verdrängungskörper ist bevorzugt oberhalb der Aufgabevorrichtung angeordnet. Da die Aufgabevorrichtung einen Widerstand hinsichtlich der Ausbreitung von Vibrationsschwingungen im Wanderbett bilden kann, ist es vorteilhaft die Vibrationen durch Einsatz eines Verdrängungskörpers erst oberhalb der Aufgabevorrichtung einzubringen, um damit eine möglichst ungehinderte Ausbreitung der Schwingungen in das Reaktionsvolumen im mittleren Reaktorabschnitt zu erreichen.
Der untere Verdrängungskörper ist bevorzugt vollständig in einem durch die Aufgabevorrichtung und den untersten Punkt der Elektroden definierten Vorwärmvolumens des Reaktors angeordnet. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn der Verdrängungskörper vollständig in der oberen Hälfte des Vorwärmvolumens angeordnet ist. Der untere Verdrängungskörper wird somit bevorzugt nah an dem Reaktionsvolumen positioniert, ohne jedoch in dieses hineinzuragen. Würde sich der Verdrängungskörper in das Reaktionsvolumen hinein erstrecken, wäre mit einer zunehmenden Ablagerung des elementaren Kohlenstoffs auf dem Verdrängungskörper zu rechnen. Dadurch würde der Fluss des Granulats behindert und es würden regelmäßige Wartungsarbeiten am Reaktor erforderlich.
Der Verdrängungskörper kann zudem Fortsätze aufweisen, die in Ausnehmungen einer unteren Elektrode hineinragen. Solche Fortsätze können die Vibration des Schwingbodens bis in den Raum oberhalb der Elektrode hineintragen. Zudem können die in Schwingung versetzten Elektroden den Granulatfluss durch die Ausnehmungen der Elektrode hindurch fördern.
In anderen bevorzugten Ausführungsformen bildet der Verdrängungskörper die untere Elektrode. Dies hat den Vorteil, dass die Schwingung so nah wie möglich am Reaktionsvolumen in das Wanderbett eingebracht wird und dass der Verdrängungskörper kein zusätzliches Hindernis im Granulatfluss darstellt.
Vorzugsweise hat der Verdrängungskörper eine kegelförmige oder kegelstumpfförmige Oberfläche. Durch kegelige Oberflächen wird das Granulat verstärkt auch mit einer horizontalen Bewegungskomponente in Schwingung versetzt, die Relativbewegungen zwischen benachbarten Körnern des Granulats befördert. Darüber hinaus fungieren kegelige Oberflächen als Leitblech und sorgen für eine verbesserte Umströmung des Verdrängungskörpers im Granulatfluss. Bevorzugt liegt der Kegelwinkel der Oberfläche im Bereich zwischen 90° und 160°, besonders bevorzugt zwischen 120° und 152°. Der Verdrängungskörper kann vorzugsweise Durchbrüche für den Durchfluss des Granulats aufweisen, die in einer Vertikalprojektion zwischen 10 % und 60 %, besonders bevorzugt zwischen 30% und 50 % einer Gesamtfläche des Verdrängungskörpers ausmachen. Für ein derartiges Öffnungsverhältnis des Verdrängungskörpers stellt sich ein bevorzugter Kompromiss zwischen gewünschter Anregung des Granulats und zu hohem Strömungshindernis im Granulatfluss aus.
In einzelnen Ausführungsformen der Erfindung kann zusätzlich zu dem Schwingboden und alternativ oder zusätzlich zu dem unteren Verdrängungskörper in dem oberen Reaktorabschnitt ein oberer Verdrängungskörper angeordnet sein, der mittels mindestens eines zweiten Vibrationserzeugers in Schwingung versetzbar ist. Durch den oberen Verdrängungskörper kann ein oberer Teil des Wanderbetts verbessert zur Schwingung angeregt werden.
Vorzugsweise ist der mindestens eine Vibrationserzeuger dazu eingerichtet, Schwingungen des Schwingbodens mit einer Frequenz im Bereich von 25 Hz bis 75 Hz und/oder einer Schwinggeschwindigkeit im Bereich von 10 mm/s bis 40 mm/s zu erzeugen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt schematisch einen Reaktor nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Verdrängungskörper und sich in horizontaler Richtung erstreckenden Elektroden,
Fig. 2 zeigt schematisch einen Reaktor nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei der Verdrängungskörper die untere Elektrode bildet,
Fig. 3 zeigt schematisch einen Reaktor nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit an gegenüberliegenden Seitenwänden angeordneten Elektroden,
Fig. 4 zeigt schematisch einen Reaktor nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Verdrängungskörper vollständig in einer oberen Hälfte des Vorwärmvolumens angeordnet ist, Fig. 5A zeigt schematisch einen Reaktor nach einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem unteren und einem oberen Verdrängungskörper, die jeweils Fortsätze aufweisen, die in Ausnehmungen der zugeordneten Elektroden hineinragen,
Fig. 5B zeigt schematisch einen Querschnitt des Reaktors noch Fig. 5A in einer horizontalen Schnittebene auf Höhe der unteren Elektrode,
Fig. 6A-6E zeigen schematisch verschiedene Ausführungsformen von Verdrängungskörpern mit einer kegelförmigen oder kegelstumpfförmigen Oberfläche,
Fig. 6F-6G zeigen schematisch die Verdrängungskörper nach Fig. 6C bis 6E in einer Vertikalprojektion und
Fig. 7 zeigt schematisch einen Reaktor nach einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer induktiven Beheizung des Wanderbetts.
Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
Fig. 1 zeigt einen Reaktor 1 für die thermische Spaltung eines gasförmigen, kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzstoffstroms 2 in einem elektrisch beheizten Wanderbett 3 aus einem elektrisch leitfähigen Granulat 4 unter Ablagerung von elementarem Kohlenstoff auf dem Granulat 4. Der Reaktor 1 ist bevorzugt allgemein zylinderförmig und erstreckt sich entlang einer vertikalen Richtung V. Der Zylinder kann im Querschnitt beispielsweise eine kreisförmige, rechteckige, quadratische oder polygonale Form haben. Zur Durchführung der thermischen Spaltung ist der Reaktor 1 für Temperaturen des Wanderbetts 3 im Bereich von 1.000°C bis 1.500°C und Gasdrücken von bis zu 40 bar (g) ausgelegt.
Der Reaktor 1 umfasst drei übereinander angeordnete Abschnitte, die jeweils unterschiedliche Funktionen des Reaktors 1 bereitstellen: einen oberen Reaktorabschnitt 5, einen mittleren Reaktorabschnitt 9 und einen unteren Reaktorabschnitt 13.
In dem oberen Reaktorabschnitt 5 sind eine Zuführung 6 für das Granulat 4 und eine Abführung 7 für einen wasserstoffhaltigen Produktstrom 8 angeordnet. Das Granulat 4 wird demnach im Betrieb des Reaktors 1 kopfseitig zugeführt und wandert als Wanderbett 3 in vertikaler Richtung V durch den Reaktor 1 . Neben dem sich auf dem Granulat 4 ablagernden Koh- lenstoff entsteht in der Regel im Betrieb des Reaktors 1 auch weiterer elementarer Kohlenstoff in Form von Rußpartikeln, welche den Reaktor 1 teils mit dem Wanderbett 3 nach unten verlassen und teils mit dem wasserstoffhaltigen Produktstrom 8 ausgetragen werden.
In dem mittleren Reaktorabschnitt 9 sind bevorzugt zumindest zwei Elektroden 10, 11; 10‘, 11‘ zur Beheizung des Wanderbetts 3 angeordnet. Die Elektroden 10, 11; 10‘, 1 T verursachen im Betrieb ein Reaktionsvolumen 12 innerhalb des Reaktors 1. Das Reaktionsvolumen 12 des Reaktors 1 ist als der Raum definiert, in dem im Betrieb eine ausreichende Temperatur für die thermische Spaltung des kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzstoffstroms erreicht wird. Da die Elektroden im Betrieb die elektrische Widerstandsbeheizung des Wanderbetts 3 bewirken, liegt das Reaktionsvolumen 12 im Regelfall zwischen den Elektroden 10, 11 und wird durch diese begrenzt. Der elektrische Strom fließt im Betrieb durch das Wanderbett 3 zwischen den Elektroden 10, 11 ; 10‘, 1 T und dissipiert aufgrund des elektrischen Widerstandes des Wanderbetts 3 in thermische Energie. Der elektrische Widerstand resultiert aus den Kontaktpunkten zwischen den Granulatkörnern bzw. den geringen Übertragungsflächen, während die Granulatkörner selbst bevorzugt eine vergleichsweise hohe Leitfähigkeit aufweisen. Wie in Fig. 1 dargestellt, können die Elektroden 10, 11 beispielsweise eine obere Elektrode 10 und eine untere Elektrode 11 umfassen, welche sich jeweils entlang einer Querschnittsfläche in horizontaler Richtung H des Reaktors 1 erstrecken.
Die Lage und Erstreckung des Reaktionsvolumens 12 wird jedoch auch von dem Fluss des Granulats 4 und der Strömung des Einsatzstoffstroms 2 im Reaktor 1 mitbestimmt, da die Materialen durch ihre inhärente Wärmekapazität die entstandene thermische Energie im Reaktor 1 weitertransportieren. Durch entsprechende Wahl der Strömungsbedingungen im Reaktor kann sich das Reaktionsvolumen auch außerhalb des durch die Elektroden 10, 11; 10‘, 1 T begrenzten Raumes erstrecken.
In dem unteren Reaktorabschnitt 13 ist eine Aufgabevorrichtung 14 für den gasförmigen, kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzstoffstrom 2 angeordnet. Der gasförmige Einsatzstoffstrom 2 wird im Gegenstrom zu dem Wanderbett 3 in vertikaler Richtung V nach oben geleitet. Zwischen der Aufgabevorrichtung 14 und dem untersten Punkt der Elektroden 10, 11 bildet sich somit ein Vorwärmvolumen aus, in dem der Einsatzstoffstrom 2 mit der Wärmeenergie des aus dem Reaktionsvolumen 12 tretenden Wanderbetts 3 vorgewärmt wird, aber noch nicht die für die thermische Pyrolyse erforderliche Temperatur erreicht. Das Vorwärmvolumen bildet eine untere von zwei Wärmeintegrationszonen des Reaktors 1. In der unteren Wärmeintegrationszone wird thermische Energie des aus dem Rektionsvolumen austretenden Wanderbetts 3, bevorzugt möglichst vollständig, an den Einsatzstoffstrom 2 abgegeben. Die zweite, obere Wärmeintegrationszone bildet sich im oberen Reaktorabschnitt 5 aus, in dem Wärmeenergie des gasförmigen Produktstroms 8, bevorzugt möglichst vollständig, an das Wanderbett 3 abgegeben wird, bevor dieses von oben in das Reaktionsvolumen 12 eintritt. Durch die Ausbildung zweier Wärmeintegrationszonen innerhalb des Reaktors 1 kann die thermische Energie weitgehend innerhalb des Reaktors 1 gehalten werden und der Bedarf für externe Wärmetauscher ist entsprechend reduziert.
Ferner ist an dem unteren Reaktorabschnitt 13 bodenseitig eine Abführung 15 für das Granulat 4 vorgesehen. Die Abführung 15 umfasst erfindungsgemäß mindestens einen trichterförmigen Schwingboden 16. Der Schwingboden 16 ist mittels mindestens eines ersten Vibrationserzeugers 17 in vertikaler Richtung V und/oder horizontaler Richtung H in Schwingung versetzbar. Bevorzugt ist der Vibrationserzeuger 17 dazu ausgelegt, den Schwingboden 16 in eine in horizontaler Richtung H und vertikaler Richtung V kreisende Bewegung zu versetzen. Besonders bevorzugt ist der horizontale Anteil der Bewegung des Schwingbodens 16 größer als der vertikale Anteil der Bewegung.
Die Abführung 15 kann vorzugsweise auf der dem Wanderbett 3 abgewandten Außenseite des Schwingbodens 16 eine Einhausung aufweisen. Die Einhausung erlaubt die außenseitige Beaufschlagung des Schwingbodens 16 mit einem Gasdruck aus einer Druckquelle. Dadurch können Druckbelastungen des Schwingbodens 16 reduziert werden. Vorzugsweise entspricht der Gasdruck dem in dem Reaktor 1 vorherrschenden Druck mit einer Toleranz von +/- 50 %, besonders bevorzugt +/- 25 %.
Der Schwingboden 16 ist über eine schwingungsentkoppelnde Aufhängung 18, beispielsweise eine freischwingende Ringpufferaufhängung, an den unteren Reaktorabschnitt 13 angeschlossen. Nach unten hin schließt der Schwingboden 16 vorzugsweise ebenfalls schwingungsentkoppelt über eine Auslassmanschette 29 an eine Austragsvorrichtung, üblicherweise einen Schneckenförderer (nicht gezeigt) an.
Als Vibrationserzeuger 17 werden bevorzugt Unwuchtmotoren, beispielsweise elektrische Unwuchtschwinger, eingesetzt. Alternativ oder zusätzlich können aber auch andere Vibrationserzeuger, beispielsweise hydraulisch oder pneumatisch wirkende Rüttler eingesetzt werden. Der mindestens eine Vibrationserzeuger 17 kann vorzugsweise dazu eingerichtet sein, Schwingungen des Schwingbodens 16 mit einer Frequenz im Bereich von 25 Hz bis 75 Hz und/oder einer Schwinggeschwindigkeit im Bereich von 10 mm/s bis 40 mm/s zu erzeugen.
Im Betrieb des Reaktors 1 versetzt der Schwingboden 16 die Granulatkörner des Wanderbetts 3 in eine Bewegung, die vorzugsweise neben translatorischen Komponenten auch Drehungen der Granulatkörner umfasst. Durch die Bewegung wird der Abfluss des Granulats 4 durch die Abführung 15 gefördert, so dass sich bevorzugt eine gleichmäßige Abwärtsbewegung des Wanderbetts 3 nach Art einer Pfropfenströmung im Reaktor 1 ausbildet. Darüber hinaus führt die Bewegung der Granulatkörner im Bereich des Reaktionsvolumens 12 zu sich ständig verändernden Kontaktpunkten der Granulatkörner, wodurch die Neigung zur Brückenbildung durch abgelagerten Kohlenstoff reduziert wird.
Die durch den Schwingboden 16 eingebrachte Bewegung der Granulatkörner wird allerdings durch Einbauten im Reaktor 1, wie beispielsweise die Aufgabevorrichtung 14 oder eine horizontal sich erstreckende Elektrode 11, aber auch durch das Granulat 4 selbst gedämpft. Abhängig von der Größe der Erstreckung des unteren Reaktorabschnitts 13 und der Positionierung der genannten Einbauten kann es daher vorteilhaft sein, wenn in dem unteren Reaktorabschnitt 13 ein unterer Verdrängungskörper 21 angeordnet ist, der mittels einer Verstrebung 22 an dem Schwingboden 16 befestigt ist und zusammen mit dem Schwingboden 16 in Schwingung versetzbar ist. Die Verstrebung kann beispielsweise aus einer zentralen oder mehreren über den Umfang des Schwingbodens 16 verteilten Streben bestehen. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist der Verdrängungskörper 21 bevorzugt oberhalb der Aufgabevorrichtung t angeordnet und insbesondere bevorzugt vollständig in dem Vorwärmvolumen des Reaktors zwischen der Aufgabevorrichtung 14 und dem untersten Punkt der Elektrode 10 angeordnet.
In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Verdrängungskörper 21 eine kegelstumpfförmige Oberfläche auf, die sich nach unten hin verjüngt. Zumindest in dem zentralen Bereich weist die Oberfläche einen Durchbruch auf, um das Granulat 4 passieren zu lassen. Weitere mögliche Formen des Verdrängungskörpers werden mit Bezug auf Fig. 6 näher erläutert.
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Reaktors 1. Der Reaktor 1 unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 dadurch, dass der Verdrängungskörper 21 die untere Elektrode 11 bildet. Dies hat den Vorteil, dass die untere Elektrode 11 kein Hindernis in der durch den Schwingboden 16 induzierten Bewegung der Granulatkörner bildet, sondern selbst das Granulat 4 zur Bewegung anregt. Auf diese Weise kann das Granulat 4 im Reaktionsvolumen 12 besonders effektiv in Bewegung versetzt werden. Wenn der Verdrängungskörper 21 gleichzeitig die untere Elektrode 11 bildet, sollte bei der Formgestaltung des Verdrängungskörpers 21 / der Elektrode 11 zusätzlich berücksichtigt werden, dass weiterhin eine über die Querschnittsfläche des Reaktors 1 homogene Beheizung des Reaktionsvolumens erfolgt. Dieses Kriterium führt bevorzugt zu einer flachen, gitterartigen Struktur des Verdrängungskörpers 21.
Ein weiterer, unabhängiger Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel besteht in der Positionierung der Aufhängung 18. Wie aus Fig. 2 ersichtlich muss die Aufhängung 18 nicht notwendigerweise an der Schnittstelle zwischen dem unteren Reaktorabschnitt 13 und der Abführung 15 angeordnet sein. Insbesondere aus belastungstechnischen Gründen kann es vorteilhaft sein, die Aufhängung 18 im Bereich einer trichterförmigen Verjüngung der Abführung 15 anzuordnen, wie dies in Fig. 2 gezeigt.
Im Übrigen gelten die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel für das zweite Ausführungsbeispiel entsprechend.
Das in Fig. 3 gezeigte dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel durch die Anordnung der Elektroden 10‘, 11‘. In Fig. 3 sind die Elektroden 10‘, 1 T an einander gegenüberliegenden Seitenwänden 19, 20 des Reaktors angeordnet. Diese Anordnung der Elektroden 10‘, 1 T ist vorteilhaft, weil die Elektroden 10‘, 1 T durch die seitliche Positionierung eine wesentlich geringere Dämpfung der durch den Schwingboden 16 in das Wanderbett 3 eingebrachten Bewegungen verursachen. Auf diese Weise werden die Schwingungen effektiver bis in das Reaktionsvolumen 12 transportiert. Zur Ausbildung eines homogenen elektrischen Feldes wird diese Anordnung von Elektroden 10‘, 1 T bevorzugt in Kombination mit einem im Querschnitt rechteckigen, quadratischen oder polygonalen Reaktor 1 eingesetzt.
Im Übrigen gelten die Ausführungen zu den ersten beiden Ausführungsbeispielen für das dritte Ausführungsbeispiel entsprechend.
Das in Fig. 4 gezeigte vierte Ausführungsbeispiel ist eine Variante des dritten Ausführungsbeispiels mit einem Verdrängungskörper, der eine kegelförmige Oberfläche aufweist. Der Verdrängungskörper 21 ist in diesem Fall nicht nur vollständig innerhalb des Vorwärmvolumens Vv angeordnet, sondern befindet sich sogar vollständig in dessen oberer Hälfte H2, während die untere Hälfte H1 lediglich von der vorzugsweise vertikalen Verstrebung 22 durchdrungen wird. Im Übrigen gelten die Ausführungen zu den ersten drei Ausführungsbeispielen für das vierte Ausführungsbeispiel entsprechend.
Fig. 5A zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich von dem ersten Ausführungsbeispiel durch die Art und Anordnung des Verdrängungskörpers 21 unterscheidet. Gemäß Fig. 5A ist der Verdrängungskörper 21 mit Fortsätzen 23 ausgebildet, die in Ausnehmungen 24 der unteren Elektrode 11 hineinragen. Die Anordnung von Fortsätzen 23 und Ausnehmungen 24 der unteren Elektrode 11 ist in Fig. 5B im Querschnitt gezeigt. Um den Granulatfluss zuverlässig im Bereich der Ausnehmungen 24 sicherzustellen, sollte die Spaltbreite zwischen Fortsatz 23 und dem Rand der Ausnehmung 24 mindestens der 5-fachen Korngröße des Granulats 4 entsprechen.
Ein weiterer Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass in dem oberen Reaktorabschnitt 5 ein oberer Verdrängungskörper 27 angeordnet ist, der mittels mindestens eines zweiten Vibrationserzeugers 28 in Schwingung versetzbar ist. In dem gezeigten Beispiel entspricht die Form und Anordnung des oberen Verdrängungskörpers 27 dem unteren Verdrängungskörper 21. Es können jedoch auch beliebige andere Formen und Kombination von unterem und oberem Verdrängungskörper erfindungsgemäß eingesetzt werden.
In Fig. 6 sind verschiedene weitere Formen von erfindungsgemäß einsetzbaren Verdrängungskörpern 21 gezeigt. Fig. 6A zeigt einen nach oben zulaufenden und Fig. 6B einen nach unten zulaufenden Verdrängungskörper 21 mit einer kegelstumpfförmigen Oberfläche und einem zentralen Durchbruch 25. Fig. 6C und Fig. 6D zeigen Verdrängungskörper mit kegelförmigen Oberflächen, die neben einem zentralen Durchbruch 25 auch ringförmige Durchbrüche 26 aufweisen. Die ringförmigen Durchbrüche 26 sind im Falle der Fig. 6D größer dimensioniert. Fig. 6E zeigt den Verdrängungskörper 21 , der einer vertikalen Spiegelung des Verdrängungskörpers 21 nach Fig. 6C entspricht. In allen Fällen liegt der Kegelwinkel ß der Oberfläche bevorzugt im Bereich zwischen 90° und 160°, besonders bevorzugt zwischen 120° und 152°.
Fig. 6F und 6G zeigen die Verdrängungskörper nach Fig. 6C und 6D in einer Vertikalprojektion, in der die Fläche der Durchbrüche 25, 26 im Verhältnis zur Gesamtfläche des Verdrängungskörpers 21 zu erkennen ist. Der Verdrängungskörper 21 weist bevorzugt Durchbrüche 25, 26 für den Durchfluss des Granulats 4 auf, die in einer solchen Vertikalprojektion zwischen 10 % und 60 %, bevorzugt zwischen 30% und 50 %, der Gesamtfläche des Verdrängungskörpers 21 ausmachen. Die in Fig. 6A bis 6G gezeigten Formen von Verdrängungskörpern können jeweils auch als oberer Verdrängungskörper 27 eingesetzt werden.
Im Rahmen von Versuchen ist der Fachmann in der Lage, die Form des Verdrängungskörpers weiter zu optimieren. Dabei steht insbesondere im Fokus, den Partikelfluss des Wanderbettes möglichst wenig einzuschränken, eine gleichmäßige Durchströmung mit dem gasförmigen Einsatzstoffstrom zuzulassen und eine möglichst effektive Schwingungsübertragung zu gewährleisten.
Fig. 7 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich von dem dritten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, dass anstelle von Elektroden im Reaktor 1, außenseitig des mittleren Reaktorabschnitts 9 eine Spule 30 zur induktiven Beheizung des Wanderbetts 3 angeordnet ist. Die Spule 30 generiert ein magnetisches Wechselfeld im Reaktor 1, welches Wirbelströme in dem leitfähigen Granulat 4 induziert. Aufgrund des intrinsischen elektrischen Widerstands des Wanderbetts 3 führen die ohmschen Verluste der Wirbelströme zur Aufheizung des Wanderbetts 3. Das sechste Ausführungsbeispiel zeichnet sich durch eine besonders geringe Anzahl von im Innenraum des Reaktor 1 angeordneten Komponenten aus. Dadurch können Ablagerungen von Kohlenstoff im Reaktor 1 minimiert und ein möglichst ungestörter Fluss des Wanderbetts 3 erzielt werden.
Im Übrigen gelten die Ausführungen zu den vorherigen Ausführungsbeispielen entsprechend.
Bezugszeichenliste
1 Reaktor
2 Einsatzstoffstrom
3 Wanderbett
4 Granulat
5 oberer Reaktorabschnitt
6 Zuführung für Granulat
7 Abführung für Gasproduktstrom
8 Produktstrom
9 mittlerer Reaktorabschnitt
10, 10‘, 11 , 1 T Elektroden
12 Reaktionsvolumen
13 unterer Reaktorabschnitt
14 Aufgabevorrichtung
15 Abführung für Granulat
16 Schwingboden
17 erste Vibrationserzeuger
18 Aufhängung
19, 20 Seitenwände
21 unterer Verdrängungskörper
22 Verstrebung
23 Fortsätze
24 Ausnehmungen
25, 26 Durchbrüche im Verdrängungskörper
27 oberer Verdrängungskörper
28 zweiter Vibrationserzeuger
29 Auslassmanschette
30 Spule
H Horizontale Richtung
H1 untere Hälfte des Vorwärmvolumens
H2 obere Hälfte des Vorwärmvolumens
V Vertikale Richtung
Vv Vorwärmvolumen ß Kegelwinkel

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Reaktor für die thermische Spaltung eines gasförmigen, kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzstoffstroms (2) in einem elektrisch beheizten Wanderbett (3) aus einem elektrisch leitfähigen Granulat (4) unter Ablagerung von elementarem Kohlenstoff auf dem Granulat (4), umfassend: einen oberen Reaktorabschnitt (5), in dem eine Zuführung (6) für das Granulat
(4) und eine Abführung (7) für einen wasserstoffhaltigen Produktstrom (8) angeordnet sind, einen mittleren Reaktorabschnitt (9), einen unteren Reaktorabschnitt (13), in dem eine Aufgabevorrichtung (14) für den gasförmigen, kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzstoffstrom (2) angeordnet ist, und an dem bodenseitig eine Abführung (15) für das Granulat (4) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abführung (15) mindestens einen trichterförmigen Schwingboden (16) umfasst, der mittels mindestens eines ersten Vibrationserzeugers (17) in vertikaler und/oder horizontaler Richtung in Schwingung versetzbar ist und über eine schwingungsentkoppelnde Aufhängung (18) an den unteren Reaktorabschnitt (13) angeschlossen ist.
2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem mittleren Reaktorabschnitt (9) zumindest zwei Elektroden (10, 11 ; 10‘, 1 T) zur Beheizung des Wanderbetts (3) angeordnet sind.
3. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (10, 11) eine obere Elektrode (10) und eine untere Elektrode (11) umfassen, welche sich jeweils entlang einer horizontalen Querschnittsfläche des Reaktors (1) erstrecken.
4. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (10‘, 1 T) an einander gegenüberliegenden Seitenwänden (19, 20) des Reaktors angeordnet sind.
5. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass außenseitig des mittleren Reaktorabschnitts (9) zumindest eine Spule (30) zur induktiven Beheizung des Wanderbetts (3) angeordnet ist.
6. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem unteren Reaktorabschnitt (13) ein unterer Verdrängungskörper (21) angeordnet ist, der mittels einer Verstrebung (22) an dem Schwingboden (16) befestigt ist und zusammen mit dem Schwingboden (16) in Schwingung versetzbar ist. Reaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Verdrängungskörper (21) oberhalb der Aufgabevorrichtung (14) angeordnet ist. Reaktor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Verdrängungskörper (21) vollständig in einem durch die Aufgabevorrichtung (14) und den untersten Punkt der Elektroden (10, 11; 10‘, 11 ‘) definierten Vorwärmvolumen (Vv) des Reaktors (1) angeordnet ist. Reaktor nach einem der Ansprüche 6 bis 8 und Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängungskörper (21) Fortsätze (23) aufweist, die in Ausnehmungen (24) der unteren Elektrode (11) hineinragen. Reaktor nach einem der Ansprüche 6 bis 8 und Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängungskörper (21) die untere Elektrode (11) bildet. Reaktor nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängungskörper (21) eine kegelförmige oder kegelstumpfförmige Oberfläche aufweist. Reaktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kegelwinkel (ß) der Oberfläche im Bereich zwischen 90° und 160°, bevorzugt zwischen 120° und 152° liegt. Reaktor nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängungskörper (21) Durchbrüche (25, 26) für den Durchfluss des Granulats (4) aufweist, die in einer Vertikalprojektion zwischen 10 % und 60 %, bevorzugt zwischen 30% und 50 %, einer Gesamtfläche des Verdrängungskörpers (21) ausmachen. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in dem oberen Reaktorabschnitt (5) ein oberer Verdrängungskörper (27) angeordnet ist, der mittels mindestens eines zweiten Vibrationserzeugers (28) in Schwingung versetzbar ist. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Vibrationserzeuger (17) dazu eingerichtet ist, Schwingungen des Schwingbodens (16) mit einer Frequenz im Bereich von 25 Hz bis 75 Hz und/oder einer Schwinggeschwindigkeit im Bereich von 10 mm/s bis 40 mm/s zu erzeugen.
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