EP4649267A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von wärme - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von wärme

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EP4649267A1
EP4649267A1 EP23801796.6A EP23801796A EP4649267A1 EP 4649267 A1 EP4649267 A1 EP 4649267A1 EP 23801796 A EP23801796 A EP 23801796A EP 4649267 A1 EP4649267 A1 EP 4649267A1
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EP
European Patent Office
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fuel
oxidizing agent
heat
mixture
product gas
Prior art date
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Pending
Application number
EP23801796.6A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Simon HAHN
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Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C9/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23C13/08—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material characterised by the catalytic material
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C9/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber
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    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/24—Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/06041—Staged supply of oxidant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/9901—Combustion process using hydrogen, hydrogen peroxide water or brown gas as fuel

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for generating heat.
  • Exothermic reactions such as combustion can be used to generate process heat.
  • fuels e.g. hydrogen-containing compounds such as C x H y , N x H y or hydrogen itself, H2 are burned with an oxidizing agent, e.g. atmospheric oxygen.
  • an oxidizing agent e.g. atmospheric oxygen.
  • the temperature depends on the air ratio A.
  • the air ratio A also known as the combustion air ratio, indicates the mass ratio of air to fuel relative to the stoichiometrically ideal ratio for a complete combustion process.
  • Combustion can take place in a furnace.
  • the resulting hot gas can transfer the heat to a secondary circuit (e.g. water, thermal oil, process steam) via a heat exchanger.
  • the hot medium conducts the required heat into the respective process, cools down in the process and is then heated up again.
  • Thermal oils for example, are subject to high stress due to high film temperatures.
  • a method for generating heat in which a mixture is produced.
  • the mixture comprises a gaseous fuel and a gaseous oxidizing agent.
  • the mixture can also comprise one or more inert gases.
  • the fuel is oxidized, in particular by means of the oxidizing agent.
  • the oxygen concentration of the mixture is below the oxygen limit concentration.
  • the explosive range or explosion range is the range of mixing ratios of fuel, oxidizing agent and possibly inert gases in which the mixture of fuel, oxidizing agent and possibly inert gas is explosive.
  • the mixture is outside the explosive range, namely the oxygen concentration of the mixture is below the oxygen limit concentration.
  • the oxygen limit concentration indicates the oxygen content below which an overall mixture is no longer explosive. There is not enough oxygen to enable an explosion. This means that a flame that is independent of the ignition source can no longer propagate on its own. In particular, there is no explosive mixture present at any point in the process. In this way, the technical effort can be significantly reduced. At the same time, safety can be guaranteed in a simple and effective way.
  • the fuel is a gaseous fuel that can oxidize with oxygen or air.
  • it can be hydrogen, a compound of the general formula C x H y , for example methane, or a compound of the general formula N x H y . Mixtures are also possible.
  • the fuel can also be present in any mixing ratio with one or more other gases, which may be inert.
  • the oxidizing agent may be or contain oxygen, for example.
  • the oxidizing agent may also be present in any ratio with one or more other gases, which may be inert.
  • the invention manages to achieve a global air ratio A of 1. This means that only as much air is needed in the process as is specified by the stoichiometry of the oxidation reaction.
  • the oxidation takes place as heterogeneous catalysis with a catalyst.
  • the catalyst and the reacting substances of the chemical reaction are in different phases.
  • the catalyst is a solid.
  • the catalysis is a gas phase catalysis.
  • the fuel and the oxidizing agent are present as gases.
  • Catalytic oxidation is also known as catalytic combustion. Catalytic oxidation is an exothermic reaction that produces usable heat.
  • the volume taken up by the mixture of fuel and oxidant is relatively large due to the nature of the equipment, so that ignition and explosion in the case of an explosive mixture would have potentially devastating effects.
  • the mixture with an oxygen content below the oxygen limit concentration is therefore particularly advantageous in conjunction with catalysis.
  • a structure coated with a catalyst is used.
  • the structure is preferably optimized so that the pressure loss is as low as possible.
  • the structure is preferably optimized so that the heat generated can be dissipated well.
  • the catalyst is in thermal contact with a heat sink. In this way, the heat generated can be transferred directly to the heat sink.
  • the heat transfer can take place directly from the catalyst to the heat sink.
  • the heat sink can be the structure coated with catalyst or be thermally connected to such a structure.
  • catalysis takes place directly on the surface of the heat sink. The heat can therefore be dissipated and transferred directly from the surface of the catalyst.
  • significantly lower temperatures are reached during catalysis compared to conventional combustion processes. This significantly reduces the amount of equipment required. No design for the temperatures occurring during conventional combustion is necessary.
  • a heat sink is an object that dissipates heat.
  • the method can be used to heat a room.
  • the heat sink transfers the heat directly to the area or device to be heated.
  • the heat dissipator is a heat exchanger.
  • a heat exchanger is designed to conduct heat from the catalyst to another location. The heat is therefore conducted directly from the catalyst, which enables immediate monitoring and/or control of the process temperature.
  • the heat can be transported to the location where it is needed without further changing the heat carrier. This ensures heat transfer that is particularly simple in terms of equipment and also results in particularly low losses. Fewer heat transfers mean that the process is highly efficient.
  • the catalyst is a solid.
  • the catalyst is in mechanical contact with the heat sink. This can be a direct or an indirect mechanical contact.
  • the heat can be transferred from the catalyst to the heat sink by conduction.
  • a recirculated product gas is also used to produce the mixture.
  • a product gas is a gas produced during oxidation.
  • the product gas is a combustion product.
  • the product gas is inert. This is possible in particular when a complete stoichiometric conversion takes place in the oxidation.
  • the concentration of the oxidizing agent and/or the fuel is reduced by recirculation.
  • the mixture therefore contains fuel, oxidizing agent and product gas.
  • the oxygen concentration is reduced by recirculation so that it is below the oxygen limit concentration.
  • a recirculated product gas is a product gas that originates from the oxidation, in particular is produced as a product of the oxidation, and is returned to be fed into the oxidation again.
  • the preparation of the mixture and/or the oxidation takes place continuously. It is typically a continuous process.
  • a product gas stream is split. A first part is recirculated and a second part releases heat to the fuel and/or the oxidant.
  • the first part is therefore added to the oxidation feed.
  • the second part is used to preheat the fuel and/or the oxidizing agent.
  • at least one heat exchanger is present for this purpose.
  • the preheating takes place before the mixture is produced.
  • the second part is released as exhaust gas after preheating.
  • the first part is conveyed by a fan. In this way, the recirculation flow can be specifically conveyed and/or controlled.
  • the first part is fed into a feed line for the oxidizing agent.
  • the oxidizing agent can be diluted in such a way that no explosive mixture can form. This enables, for example, Safe start-up of a reactor carrying out the process in which the fuel is slowly added with complete supply of the oxidizing agent and complete recirculation in order to completely consume the oxygen.
  • both the fuel and the oxidant are heated by heat from product gas.
  • the heating of the fuel takes place spatially separated from the heating of the oxidant.
  • two separate heating processes take place.
  • the second part of the product gas stream is split in order to heat the fuel and the oxidant by means of separate streams of the product gas.
  • the mixture is produced after heating the fuel and the oxidizing agent.
  • air is used as the oxidizing agent. This allows for minimal technical effort.
  • the oxidation takes place at a temperature below 500°C, in particular below 400°C and/or above 100°C, in particular above 200°C. At these temperatures, a particularly efficient catalytic combustion can take place.
  • the oxidation is at least substantially stoichiometric, so that a substantially inert product gas is produced.
  • the device comprises a device for collecting and/or draining the condensate.
  • a further aspect of the invention is a device for generating heat.
  • the device comprises a supply line for gaseous fuel, a supply line for gaseous oxidizing agent, an oxidation reactor for oxidizing the fuel with the oxidizing agent and/or a discharge line for product gas.
  • the device further comprises a mixing device which is designed such that a mixture of the fuel and the oxidizing agent can be produced, wherein the Oxygen concentration of the mixture is outside the explosion range, in particular below the oxygen limit concentration
  • the device is particularly suitable for carrying out the method according to the invention. All features, properties and advantages of the method described above also apply to the device and vice versa.
  • the oxidation reactor contains a catalyst, in particular for heterogeneous catalysis.
  • the method and/or apparatus is used to provide heat for an endothermic reaction separate from heat generation, for example for cracking ammonia. In another embodiment, the method and/or apparatus is used to remove fuel.
  • Figure 2 a triangular diagram of the explosive area, as well as
  • Figure 3 a schematic representation of a device according to the invention.
  • Figure 1 shows different efficiencies of complete combustion of hydrogen with air according to the reaction Hz + 1 /z O2 -> H2O.
  • the efficiencies q are shown with respect to the calorific value as a function of the exhaust gas temperature T in °C for different air ratios A. These efficiencies are independent of the type of combustion and apply to conventional combustion processes as well as to catalytic combustion. Efficiencies above 100% are achieved due to the condensation of the water vapor contained in the exhaust gas. The calculations apply to an ambient temperature of 20 °C.
  • the lower explosion limit (LEL) for hydrogen in air at one bar atmospheric pressure is 4.0% at 20°, 3.4% at 100°, 2.9% at 200°, 2.1% at 300° and 1.5% at 400°.
  • LEL lower explosion limit
  • Figure 2 shows a triangular diagram, also referred to as a ternary diagram, in which the explosive region 30 is shown for a mixture of hydrogen, air and an inert gas, for example a recirculated product gas.
  • the inert gas is composed, for example, of 35% water vapor and 65% N2, which corresponds to the composition of the product gas in a stoichiometric reaction.
  • the percentage hydrogen 31, the percentage air 32 and the percentage inert gas 33 are plotted on the axes.
  • a large part of the area in the triangle is taken up by the explosive area 30. Only a strip on the right-hand side and a very narrow strip at the bottom lie outside the explosive area 30.
  • a particularly advantageous process window 35 is shown at the bottom right.
  • the air content 32 is typically less than 15%
  • the hydrogen content 31 is less than 5%
  • the inert gas content 33 is greater than 80%.
  • the oxygen concentration of the mixture is below the oxygen limit concentration.
  • the decisive parameter for safety is not, as in conventional processes, the Fuel concentration in relation to the upper or lower explosion limit, but the oxygen concentration, typically in relation to the oxygen limit concentration.
  • the oxygen concentration typically in relation to the oxygen limit concentration.
  • a stoichiometric ratio of 4% H2 and 2% O2 from air can exist without being in the explosion range.
  • a maximum of 2.1% H2 in air would be possible here. It turns out that due to the low-oxygen mixture according to the invention, higher fuel concentrations are possible outside the explosion range compared to the simple mixture of fuel and air.
  • FIG 3 shows a process diagram of a device 8 according to the invention for generating heat.
  • the oxidation reactor 10 is designed as a catalyst 11.
  • An oxidizing agent 2, for example air, is conveyed to the oxidation reactor 10 via a first line by means of an optional first blower.
  • Fuel 1 is metered into the first line via a second line, so that a mixture 3 of the fuel 1 and the oxidizing agent 2 is produced at the intersection point of the first line with the second line.
  • the intersection point thus serves as a mixing device.
  • a product gas 4 is produced. This is in particular inert.
  • the product gas flow is divided into a first part 15 and a second part 16.
  • the first part 15 is returned or recirculated into the first line by means of an optional second blower 25, preferably before the intersection point of the first line with the second line.
  • the inflowing oxidizing agent 2 is accordingly first diluted with the inert product gas 4 before the fuel 1 is added. In this way, it can be ensured that the oxygen concentration is low at all times.
  • the second part 16 of the product gas 4 is also preferably divided.
  • a first portion of the second part 16 is used in a first heat exchanger 21 to heat the oxidizing agent 2.
  • the first heat exchanger 21 is located between the first blower 24 and the inlet of the recirculated product gas 4 into the first line. Deviating from this, the first heat exchanger 21 can also be arranged in front of the first blower 24.
  • heat generated during catalysis is used to heat the oxidizing agent. For example, air, in particular an air stream, is heated. In particular, this takes place in a heat exchanger.
  • the separate Heating of fuel 1 and oxidizer 2 helps to ensure that an explosive mixture is never present.
  • a second portion of the second part 16 is used in a second heat exchanger 22 to heat the fuel 1.
  • the second heat exchanger 22 is located before the intersection point of the first line with the second line.
  • Oxidizing agent mixture Product gas contraption Oxidation reactor catalyst Heat sink First part Second part First heat exchanger Second heat exchanger First blower Second fan exhaust Efficiency Product gas temperature Explosive area Hydrogen content Air content Inert gas content Process window

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme. Bei einem Verfahren zur Erzeugung von Wärme wird ein Gemisch (3) umfassend einen gasförmigen Brennstoff (1) und ein gasförmiges Oxidationsmittel (2) hergestellt wird. Der Brennstoff (1) wird oxidiert. Das Gemisch (3) befindet sich außerhalb des Explosionsbereichs, genauer der Sauerstoffanteil des Gemisches liegt unterhalb der Sauerstoffgrenzkonzentration. Auf diese Weise wird ein besonders sicheres und technisch wenig aufwändiges Verfahren bereitgestellt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme.
Zur Generierung von Prozesswärme können exotherme Reaktionen wie die Verbrennung genutzt werden. Üblicherweise werden Brennstoffe, z. B. wasserstoffhaltige Verbindungen wie CxHy, NxHy oder Wasserstoff selbst, H2, mit einem Oxidationsmittel, z. B. Luftsauerstoff, verbrannt. Hierbei werden hohe Temperaturen des Verbrennungsgases erreicht, die größer als 1000 °C sein können. Die Temperatur hängt dabei von der Luftzahl A ab. Die Luftzahl A, auch als Verbrennungsluftverhältnis bezeichnet, gibt das Massenverhältnis von Luft zu Brennstoff relativ zum stöchiometrisch idealen Verhältnis für einen vollständigen Verbrennungsprozess an. Die Verbrennung kann in einem Ofen erfolgen. Entstehendes heißes Gas kann die Wärme über einen Wärmeübertrager an einen sekundären Kreislauf (z. B. Wasser, Thermalöl, Prozessdampf) abgeben. Das heiße Medium leitet die benötigte Wärme in den jeweiligen Prozess ein, kühlt sich dabei ab und wird anschließend wieder erwärmt.
Aufgrund der hohen Temperaturen müssen die Materialien entsprechend hitzebeständig sein. Thermalöle werden aufgrund von hohen Filmtemperaturen beispielsweise stark beansprucht.
Brennstoffe bilden in oxidativer Atmosphäre in Abhängigkeit von brennstoffspezifischen Konzentrationsbereichen explosive Gemische. Ein Prozess mit explosiven Gemischen bedarf besonderer sicherheitstechnischer Einrichtungen und Überwachungen, was mit erhöhtem technischem Aufwand einhergeht. Maßnahmen des Explosionsschutz sind beispielsweise in den „technischen Regeln für Gefahrstoffe“ zusammengefasst.
Bei exothermen Prozessen können Temperaturen erreicht werden, bei denen sich das Gemisch selbst entzündet (Selbstentzündungstemperatur). Aus diesem Grund ist besonders wichtig, dass keine explosiven Gemische entstehen.
Bei Gemischen unterhalb der unteren Explosionsgrenze liegt der Brennstoff in geringer Konzentration vor. Der Luftüberschuss ist entsprechend groß. Dies führt zu einem geringen Wirkungsgrad. Die untere Explosionsgrenze sinkt weiter, wenn sich die Temperatur beispielsweise durch Vorheizen erhöht, sodass der Wirkungsgrad weiter verringert wird. Zudem werden derart große Luftvolumenströme benötigt, dass Gebläse und Wärmeübertrager sehr groß dimensioniert werden müssen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung bereitzustellen, mit denen auf besonders effiziente und sichere Art Wärme erzeugt werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 und die Vorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Zur Lösung der Aufgabe dient ein Verfahren zur Erzeugung von Wärme, bei dem ein Gemisch hergestellt wird. Das Gemisch umfasst einen gasförmigen Brennstoff und ein gasförmiges Oxidationsmittel. Das Gemisch kann zudem eines oder mehrere inerte Gase umfassen. Der Brennstoff wird oxidiert, insbesondere mittels des Oxidationsmittels. Die Sauerstoffkonzentration des Gemischs befindet sich unterhalb der Sauerstoffgrenzkonzentration.
Der explosive Bereich oder Explosionsbereich ist der Bereich an Mischungsverhältnissen von Brennstoff, Oxidationsmittel und ggf. Inertgasen, in dem das Gemisch aus Brennstoff, Oxidationsmittel und ggf. inertem Gas explosiv ist. Das Gemisch befindet sich außerhalb des explosiven Bereichs, und zwar befindet sich die Sauerstoffkonzentration des Gemischs unterhalb der Sauerstoffgrenzkonzentration. Die Sauerstoffgrenzkonzentration gibt den Sauerstoffanteil an, unterhalb dessen ein Gesamtgemisch nicht mehr explosionsfähig ist. Es ist nicht genügend Sauerstoff vorhanden, um eine Explosion zu ermöglichen. Somit kann sich eine von der Zündquelle unabhängige Flamme nicht mehr selbstständig fortpflanzen. Insbesondere ist an keiner Stelle des Verfahrens ein explosives Gemisch vorhanden. Auf diese Weise kann der technische Aufwand maßgeblich verringert werden. Gleichzeitig kann auf einfache und effektive Weise die Sicherheit gewährleistet werden.
Der Brennstoff ist ein gasförmiger Brennstoff, der mit Sauerstoff oder Luft oxidieren kann. Beispielsweise kann es sich um Wasserstoff, eine Verbindung der allgemeinen Formel CxHy, beispielsweise Methan, oder eine Verbindung der allgemeinen Formel NxHy handeln. Mischungen sind ebenso möglich. Der Brennstoff kann zudem in beliebigem Mischungsverhältnis mit einem oder mehreren anderen Gasen vorliegen, die inert sein können. Das Oxidationsmittel kann beispielsweise Sauerstoff sein oder enthalten. Auch das Oxidationsmittel kann in beliebigem Verhältnis mit einem oder mehreren anderen Gasen vorliegen, die inert sein können.
Eine Möglichkeit besteht darin, den Brennstoff oder das Oxidationsmittel stufenweise zu dosieren. So kann die Entstehung eines explosiven Gemischs verhindert werden. Für Wasserstoff sind bei einer vollständigen Umsetzung mit Luftsauerstoff bei einer globalen Luftzahl von A = 1 etwa 10 Stufen notwendig, in denen jeweils ca. 2% Sauerstoff verbraucht würden. Der apparative Aufwand ist allerdings recht hoch.
Die Erfindung schafft es aufgrund des Gemischs mit einem Sauerstoffanteil unterhalb der Sauerstoffgrenzkonzentration, eine globale Luftzahl A von 1 zu erreichen. Es wird also nur so viel Luft im Prozess benötigt, wie durch die Stöchiometrie der Oxidationsreaktion vorgegeben ist.
In einer Ausgestaltung erfolgt die Oxidation als heterogene Katalyse mit einem Katalysator.
Bei der heterogenen Katalyse liegen der Katalysator und die reagierenden Stoffe der chemischen Reaktion in unterschiedlichen Phasen vor. Insbesondere ist der Katalysator ein Feststoff. Insbesondere ist die Katalyse eine Gasphasenkatalyse. Dabei liegen der Brennstoff und das Oxidationsmittel als Gas vor. Eine katalytische Oxidation wird auch als katalytische Verbrennung bezeichnet. Die katalytische Oxidation ist eine exotherme Reaktion, bei der nutzbare Wärme anfällt.
In einer katalytischen Wärmeüberträgereinheit ist das Volumen, welches das Gemisch aus Brennstoff und Oxidationsmittel einnimmt, apparatebedingt relativ groß, so dass eine Zündung und Explosion im Falle eines explosiven Gemischs potenziell verheerende Auswirkungen hätten. Das Gemisch mit einem Sauerstoffanteil unterhalb der Sauerstoffgrenzkonzentration ist also in Verbindung mit der Katalyse besonders vorteilhaft.
Insbesondere wird eine mit Katalysator beschichtete, typischerweise dreidimensionale Struktur verwendet. Bevorzugt ist die Struktur so optimiert, dass ein möglichst geringer Druckverlust auftritt. Bevorzugt ist die Struktur so optimiert, dass die entstehende Wärme gut abgeleitet werden kann. In einer Ausgestaltung steht der Katalysator in thermischem Kontakt mit einem Wärmeableiter. Auf diese Weise kann entstehende Wärme direkt auf den Wärmeableiter übertragen werden.
Es ist nicht notwendig, die Wärme aus dem Heißgas oder einer Brennkammer zu verwenden oder abzuleiten. Es wird kein Wärmeträgermedium wie beispielsweise Wasser, Thermalöl oder Prozessdampf benötigt. Es ist daher kein sekundärer Kreislauf nötig, um die Wärme ab- und weiterzuleiten. Die Wärmeübertragung kann direkt vom Katalysator an den Wärmeableiter erfolgen. Der Wärmeableiter kann die mit Katalysator beschichtete Struktur sein oder mit einer solchen Struktur thermisch verbunden sein. Insbesondere erfolgt die Katalyse direkt an der Oberfläche des Wärmeableiters. Die Wärme kann demnach direkt von der Oberfläche des Katalysators ab- und weitergeleitet werden. Zudem werden bei der Katalyse im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungsprozessen deutlich geringere Temperaturen erreicht. Somit ist der apparatetechnische Aufwand signifikant reduziert. Es ist keine Auslegung auf die bei der herkömmlichen Verbrennung auftretenden Temperaturen notwendig.
Ein Wärmeableiter ist ein Gegenstand, der die Wärme ableitet. Beispielsweise kann das Verfahren zum Heizen eines Raums verwendet werden. Insbesondere gibt der Wärmeableiter die Wärme direkt an den zu erwärmenden Bereich bzw. die zu erwärmende Einrichtung weiter.
Insbesondere ist der Wärmeableiter ein Wärmeübertrager. Ein Wärmeübertrager ist dazu eingerichtet, Wärme vom Katalysator zu einem anderen Ort zu leiten. Die Wärme wird also direkt vom Katalysator abgeleitet, was eine unmittelbare Kontrolle und/oder Steuerung der Prozesstemperatur ermöglicht. Zudem kann die Wärme ohne weiteren Wechsel des Wärmeträgers an den Ort transportiert werden, an dem sie benötigt wird. So kann eine Wärmeübertragung sichergestellt werden, die einerseits apparatetechnisch besonders einfach ist und andererseits besonders geringe Verluste mit sich bringt. Durch weniger Wärmeübergänge wird eine hohe Effizienz des Verfahrens erreicht.
Insbesondere ist der Katalysator ein Feststoff. Insbesondere steht der Katalysator in mechanischem Kontakt mit dem Wärmeableiter. Es kann sich um einen direkten oder einen indirekten mechanischen Kontakt handeln. Die Wärme kann so durch Wärmeleitung vom Katalysator an den Wärmeableiter übertragen werden.
In einer Ausgestaltung wird zur Herstellung des Gemischs ferner ein rezirkuliertes Produktgas verwendet.
Ein Produktgas ist ein bei der Oxidation entstehendes Gas. Insbesondere ist das Produktgas ein Verbrennungsprodukt. Typischerweise ist das Produktgas inert. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn in der Oxidation ein vollständiger stöchiometrischer Umsatz stattfindet. Insbesondere wird durch die Rezirkulation eine Konzentration des Oxidationsmittels und/oder des Brennstoffs reduziert. Das Gemisch enthält demnach Brennstoff, Oxidationsmittel und Produktgas. Bevorzugt wird durch die Rezirkulation die Sauerstoffkonzentration derart verringert, dass diese unterhalb der Sauerstoffgrenzkonzentration liegt. Ein rezirkuliertes Produktgas ist ein Produktgas, das aus der Oxidation stammt, insbesondere als Produkt der Oxidation entsteht, und zurückgeführt wird, um erneut in die Oxidation hineingeführt zu werden.
In einer Ausführungsform erfolgt die Herstellung des Gemischs und/oder die Oxidation kontinuierlich. Es handelt sich typischerweise um ein kontinuierliches Verfahren.
In einer Ausgestaltung wird ein Produktgasstrom aufgeteilt. Ein erster Teil wird rezirkuliert und ein zweiter Teil gibt Wärme an den Brennstoff und/oder das Oxidationsmittel ab.
Der erste Teil wird also dem Zustrom zur Oxidation zudosiert. Der zweite Teil wird verwendet, um den Brennstoff und/oder das Oxidationsmittel vorzuwärmen. Insbesondere ist hierfür zumindest ein Wärmeübertrager vorhanden. Insbesondere erfolgt das Vorwärmen vor der Herstellung des Gemischs. Der zweite Teil wird nach dem Vorwärmen als Abgas abgegeben.
In einer Ausgestaltung wird der erste Teil durch ein Gebläse gefördert. Auf diese Weise kann der Rezirkulationsstrom gezielt gefördert und/oder gesteuert werden.
In einer Ausgestaltung wird der erste Teil in eine Zuleitung des Oxidationsmittels geleitet. Auf diese Weise kann zunächst das Oxidationsmittel derart verdünnt werden, dass kein explosives Gemisch entstehen kann. Dies ermöglicht beispielsweise ein sicheres Anfahren eines das Verfahren durchführenden Reaktors, bei dem bei vollständiger Zufuhr des Oxidationsmittels und vollständiger Rezirkulation der Brennstoff langsam zudosiert wird, um so den Sauerstoff vollständig zu verbrauchen.
In einer Ausgestaltung werden sowohl der Brennstoff als auch das Oxidationsmittel durch Wärme aus Produktgas erwärmt. Insbesondere erfolgt die Erwärmung des Brennstoffs räumlich getrennt von der Erwärmung des Oxidationsmittels. Mit anderen Worten finden zwei separate Erwärmungsprozesse statt. In einer Ausgestaltung wird der zweite Teil des Produktgasstroms aufgeteilt, um den Brennstoff und das Oxidationsmittel mittels separater Ströme des Produktgases zu erwärmen.
In einer Ausgestaltung wird nach der Erwärmung des Brennstoffs und des Oxidationsmittels das Gemisch hergestellt. In einer Ausgestaltung wird als Oxidationsmittel Luft verwendet. Dies ermöglicht einen minimalen technischen Aufwand.
In einer Ausgestaltung erfolgt die Oxidation bei einer Temperatur unterhalb von 500°C, insbesondere unterhalb von 400°C und/oder oberhalb von 100°C, insbesondere oberhalb von 200°C. Bei diesen Temperaturen kann eine besonders effiziente katalytische Verbrennung erfolgen.
In einer Ausgestaltung erfolgt die Oxidation zumindest im Wesentlichen stöchiometrisch, sodass ein im Wesentlichen inertes Produktgas entsteht.
Hierdurch ergibt sich der weitere Vorteil, dass aufgrund des hohen Wasserdampfanteils im Abgas die Kondensationswärme des Wassers genutzt werden kann. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad weiter gesteigert werden. Insbesondere umfasst die Vorrichtung eine Einrichtung zum Auffangen und/oder Abführen des Kondensats.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme. Die Vorrichtung umfasst eine Zuleitung für gasförmigen Brennstoff, eine Zuleitung für gasförmiges Oxidationsmittel, einen Oxidationsreaktor zum Oxidieren des Brennstoffs mit dem Oxidationsmittel und/oder eine Ableitung für Produktgas. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Mischeinrichtung, die so eingerichtet ist, dass ein Gemisch aus dem Brennstoff und dem Oxidationsmittel herstellbar ist, wobei sich die Sauerstoffkonzentration des Gemischs außerhalb des Explosionsbereichs befindet, insbesondere unterhalb der Sauerstoffgrenzkonzentration
Die Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Alle Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des oben beschriebenen Verfahrens gelten ebenso für die Vorrichtung und umgekehrt.
In einer Ausgestaltung beinhaltet der Oxidationsreaktor einen Katalysator, insbesondere für eine heterogene Katalyse.
In einer Ausführungsform wird das Verfahren und/oder die Vorrichtung verwendet, um Wärme für eine von der Wärmeerzeugung separate, endotherme Reaktion bereitzustellen, beispielsweise zum Cracken von Ammoniak. In einer anderen Ausführungsform wird das Verfahren und/oder die Vorrichtung verwendet, um Brennstoff zu beseitigen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung auch anhand von Figuren näher erläutert. Merkmale der Ausführungsbeispiele können einzeln oder in einer Mehrzahl mit den beanspruchten Gegenständen kombiniert werden, sofern nichts Gegenteiliges angegeben ist. Die beanspruchten Schutzbereiche sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.
Es zeigen:
Figur 1 : Wirkungsgrade bei vollständiger Verbrennung für verschiedene
Luftzahlen,
Figur 2: ein Dreiecksdiagramm des explosiven Bereichs, sowie
Figur 3: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Figur 1 zeigt unterschiedliche Wirkungsgrade einer vollständigen Verbrennung von Wasserstoff mit Luft gemäß der Reaktion Hz + 1/z O2 -> H2O. Dargestellt sind die Wirkungsgrade q bezüglich des Heizwertes in Abhängigkeit der Abgastemperatur T in °C für unterschiedliche Luftzahlen A. Diese Wirkungsgrade sind unabhängig von der Art der Verbrennung und gelten für herkömmliche Verbrennungsprozesse ebenso wie für eine katalytische Verbrennung. Wirkungsgrade oberhalb von 100 % werden aufgrund der Kondensation des im Abgas enthaltenen Wasserdampfs erzielt. Die Berechnungen gelten für eine Umgebungstemperatur von 20 °C. Die untere Explosionsgrenze (UEG) für Wasserstoff in Luft bei einem Bar Atmosphärendruck beträgt bei 20° 4,0 %, bei 100° 3,4 %, bei 200° 2,9 %, bei 300° 2,1 % und bei 400° 1 ,5 %.
Um bei einem „mageren Gemisch“ ein nicht-explosives Wasserstoff-Luft-Gemisch zu erhalten, muss bei 20 °C die Wasserstoffkonzentration kleiner als 4 % sein. In diesem Fall ist die Luftzahl A mindestens 10. Wie aus den oben genannten Werten ersichtlich ist, sinkt die UEG bei höheren Temperaturen weiter, so dass noch größere Luftzahlen A benötigt werden. Höhere Temperaturen ergeben sich beispielsweise bei einem Vorheizen des Brennstoffs und/oder des Oxidationsmittels. Aus Figur 1 ist ersichtlich, dass schon bei einer Luftzahl A von 10 und insbesondere bei noch höheren Luftzahlen A deutliche Einbußen des Wirkungsgrads q auftreten. Für eine Abgastemperatur von 50 °C liegt der theoretische Wirkungsgrad für A = 20 bei lediglich 82 % des Heizwertes. Dies zeigt, dass mit zu mageren Gemischen unterhalb der UEG deutliche Nachteile einhergehen.
Figur 2 zeigt ein Dreiecksdiagramm, auch als ternäres Diagramm bezeichnet, in dem der explosive Bereich 30 bei einer Mischung aus Wasserstoff, Luft und einem inerten Gas, beispielsweise einem rezirkulierten Produktgas, dargestellt ist. Das Inertgas ist beispielsweise zusammengesetzt aus 35 % Wasserdampf und 65 % N2, was der Zusammensetzung des Produktgases bei einer stöchiometrischen Umsetzung entspricht. Auf den Achsen sind der prozentuale Wasserstoffanteil 31 , der prozentuale Luftanteil 32 und der prozentuale Inertgasanteil 33 aufgetragen.
Ein Großteil der Fläche im Dreieck wird durch den explosiven Bereich 30 eingenommen. Lediglich ein Streifen auf der rechten Seite und ein sehr schmaler Streifen unten liegen außerhalb des explosiven Bereichs 30. Ein besonders vorteilhaftes Prozessfenster 35 ist unten rechts eingezeichnet. In dem vorteilhaften Prozessfenster 35 ist der Luftanteil 32 typischerweise kleiner als 15 %, der Wasserstoffanteil 31 ist kleiner als 5% und/oder der Inertgasanteil 33 ist größer als 80 %.
Erfindungsgemäß befindet sich die Sauerstoffkonzentration des Gemischs unterhalb der Sauerstoffgrenzkonzentration. Mit anderen Worten ist der sicherheitstechnisch ausschlaggebende Parameter nicht wie in herkömmlichen Verfahren die Brennstoffkonzentration in Bezug zur oberen oder unteren Explosionsgrenze, sondern die Sauerstoffkonzentration, typischerweise in Bezug zur Sauerstoffgrenzkonzentration. Beispielsweise kann mit 300 °C ein stöchiometrisches Verhältnis von 4 % H2 und 2 % O2 aus Luft vorliegen, ohne im Explosionsbereich zu sein. Maximal wären hier 2,1 % H2 in Luft möglich. Es zeigt sich, dass aufgrund des erfindungsgemäßen sauerstoffarmen Gemischs, verglichen mit dem einfachen Gemisch aus Brennstoff und Luft, außerhalb des Explosionsbereichs höhere Brennstoffkonzentrationen möglich sind.
Figur 3 zeigt ein Prozessdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 8 zu Erzeugung von Wärme. Der Oxidationsreaktor 10 ist als Katalysator 11 ausgestaltet. Ein Oxidationsmittel 2, beispielsweise Luft, wird über eine erste Leitung mittels eines optionalen ersten Gebläses zum Oxidationsreaktor 10 gefördert. Über eine zweite Leitung wird Brennstoff 1 in die erste Leitung dosiert, sodass am Kreuzungspunkt der ersten Leitung mit der zweiten Leitung ein Gemisch 3 aus dem Brennstoff 1 und dem Oxidationsmittel 2 hergestellt wird. Der Kreuzungspunkt dient somit als Mischeinrichtung.
Bei der Oxidation im Katalysator 11 entsteht ein Produktgas 4. Dieses ist insbesondere inert. Der Produktgasstrom wird aufgeteilt in einen ersten Teil 15 und einen zweiten Teil 16. Der erste Teil 15 wird mittels eines optionalen zweiten Gebläses 25 in die erste Leitung zurückgeführt bzw. rezirkuliert, und zwar bevorzugt vor dem Kreuzungspunkt der ersten Leitung mit der zweiten Leitung. Das zuströmende Oxidationsmittel 2 wird dementsprechend zuerst mit dem inerten Produktgas 4 verdünnt, bevor der Brennstoff 1 hinzukommt. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Sauerstoffkonzentration jederzeit gering ist.
Auch der zweite Teil 16 des Produktgases 4 wird bevorzugt aufgeteilt. Ein erster Anteil des zweiten Teils 16 wird in einem ersten Wärmeübertrager 21 genutzt, um das Oxidationsmittel 2 zu erwärmen. In der hier gezeigten Ausführungsform befindet sich der erste Wärmeübertrager 21 zwischen dem ersten Gebläse 24 und der Einmündung des rezirkulierten Produktgases 4 in die erste Leitung. Abweichend davon kann der erste Wärmeübertrager 21 aber ebenso vor dem ersten Gebläse 24 angeordnet sein. Mit anderen Worten wird bei der Katalyse entstehende Wärme verwendet, um das Oxidationsmittel zu erwärmen. Beispielsweise wird Luft, insbesondere ein Luftstrom, erwärmt. Insbesondere erfolgt dies in einem Wärmeübertrager. Die getrennte Erwärmung von Brennstoff 1 und Oxidationsmittel 2 trägt dazu bei, dass zu keiner Zeit ein explosives Gemisch vorliegt.
Ein zweiter Anteil des zweiten Teils 16 wird in einem zweiten Wärmeübertrager 22 genutzt, um den Brennstoff 1 zu erwärmen. Typischerweise befindet sich der zweite Wärmeübertrager 22 vor dem Kreuzungspunkt der ersten Leitung mit der zweiten Leitung.
Es zeigt sich, dass ohne wesentlichen zusätzlichen technischen Aufwand ein Prozess mit einem hohen Wirkungsgrad realisiert werden kann, der gleichzeitig hohe Anforderungen an die Sicherheit erfüllt.
Bezugszeichenliste
Brennstoff 1
Oxidationsmittel Gemisch Produktgas Vorrichtung Oxidationsreaktor Katalysator Wärmeableiter Erster Teil Zweiter Teil Erster Wärmeübertrager Zweiter Wärmeübertrager Erstes Gebläse Zweites Gebläse Abgas Wirkungsgrad Prod u ktgastem peratu r Explosiver Bereich Wasserstoffanteil Luftanteil Inertgasanteil Prozessfenster

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Erzeugung von Wärme, bei dem ein Gemisch (3) umfassend einen gasförmigen Brennstoff (1) und ein gasförmiges Oxidationsmittel (2) hergestellt wird und der Brennstoff (1) oxidiert wird, wobei sich die Sauerstoffkonzentration des Gemisches (3) unterhalb der Sauerstoffgrenzkonzentration befindet.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidation als heterogene Katalyse mit einem Katalysator (11) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (11 ) in thermischem Kontakt mit einem Wärmeableiter (12) steht, sodass entstehende Wärme direkt auf den Wärmeableiter (12) übertragen wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Gemischs (3) ferner ein rezirkuliertes Produktgas (4) verwendet wird.
5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strom aus Produktgas (4) aufgeteilt wird, wobei ein erster Teil (15) rezirkuliert wird und ein zweiter Teil (16) Wärme an den Brennstoff (1) und/oder das Oxidationsmittel (2) abgibt.
6. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil (15) durch ein Gebläse gefördert wird.
7. Verfahren nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil (15) in eine Zuleitung des Oxidationsmittels (2) geleitet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Brennstoff (1) als auch das Oxidationsmittel (2) durch Wärme aus Produktgas (4) erwärmt werden.
9. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Erwärmung des Brennstoffs (1) und des Oxidationsmittels (2) das Gemisch (3) hergestellt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 5 und Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teil (16) des Stroms aus Produktgas (4) aufgeteilt wird, um den Brennstoff (1) und das Oxidationsmittel (2) mittels separater Ströme des Produktgases (4) zu erwärmen.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Oxidationsmittel (2) Luft verwendet wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidation bei einer Temperatur unterhalb von 500°C, insbesondere unterhalb von 400°C und/oder oberhalb von 100°C, insbesondere oberhalb von 200°C erfolgt.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidation zumindest im Wesentlichen stöchiometrisch erfolgt, sodass ein im Wesentlichen inertes Produktgas (4) entsteht.
14. Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme, umfassend eine Zuleitung für gasförmigen Brennstoff (1), eine Zuleitung für gasförmiges Oxidationsmittel (2), einen Oxidationsreaktor (10) zum Oxidieren des Brennstoffs (1) mit dem Oxidationsmittel (2) und eine Ableitung für Produktgas (4), wobei die Vorrichtung ferner eine Mischeinrichtung aufweist, die so eingerichtet ist, dass ein Gemisch (3) aus dem Brennstoff (1) und dem Oxidationsmittel (2) herstellbar ist, wobei sich die Sauerstoffkonzentration des Gemischs unterhalb der Sauerstoffgrenzkonzentration befindet.
15. Vorrichtung (8) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidationsreaktor (10) einen Katalysator (11) für eine heterogene Katalyse enthält.
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