WO2010057919A1 - Vorrichtung zur erzeugung von brennbarem produktgas aus kohlenstoffhaltigen einsatzstoffen - Google Patents

Vorrichtung zur erzeugung von brennbarem produktgas aus kohlenstoffhaltigen einsatzstoffen Download PDF

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Georg Gallmetzer
Felix Nelles
Martin Kröner
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    • C10J2300/1892—Heat exchange between at least two process streams with one stream being water/steam

Definitions

  • the invention relates to a device for producing combustible product gas from carbonaceous feedstocks by allothermic steam gasification according to the preamble of claim 1.
  • the pressure-charged allothermal steam gasification of carbonaceous fuels requires heat input into the gasification chamber at a temperature level of about 800-900 ° C.
  • heat pipe reformer as known from EP 1 187 892 B1 fuel gas is produced from the carbonaceous feedstocks to be gasified by allothermic steam gasification in a pressure-charged fluidized-bed gasification chamber. The necessary heat is passed from a fluidized bed by means of a skilletleitrohranssen in the carburetor or reformer. Due to the straight and tubular construction of heat pipes are in the known from EP 1 187 892 B1 heat pipe reformer combustion chamber and
  • Reformer / gasification chamber arranged one above the other.
  • the pressure vessel bottom is exposed to special loads due to the high temperatures in the combustion chamber.
  • the soil is weakened by a large number of heat pipe penetrations.
  • the sealing of the bushings is also a problem.
  • both the line for liquid heat transfer medium and for vaporous heat transfer medium in the common tube shell is arranged.
  • the number of feedthroughs can be reduced to two, namely a liquid line and a steam line. If a plurality of such loop heat pipes is used, their separate running steam and liquid lines can be summarized in the carburetor pressure vessel to a common vapor or liquid line, which then enforce the gasification pressure vessel. Outside the carburetor pressure vessel then the two common lines can be split again.
  • the number of feedthroughs from or into the carburetor pressure vessel can be significantly reduced to a minimum of two.
  • claims 3 and 4 relate to different designs for loop heat pipes with separate running steam and liquid line.
  • Heat transfer from the external heat source to the gasifier through two physically separate series-connected heat transfer circuits can be optimized with regard to the heat absorption in the heat source, while the second heat carrier circuit or the associated heat pipe can be optimized in terms of heat dissipation in the gasifier.
  • the pyrolysis residues are thermally utilized from the gasifier and on the other hand, the complete fuel supply into the fluidized bed combustion chamber can take place. An additional supply of fuel in the fluidized bed combustion chamber, with the exception of the startup is no longer necessary.
  • alkali metals and their alloys eg. B. Na, K, NaK, as a heat transfer medium in the loop heat pipes.
  • Fig. 1 shows the basic structure of a high-temperature reformer according to the present invention
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a first embodiment of the invention in the high-temperature reformer
  • FIG 3 shows a first embodiment of the high-temperature heat transfer circuit in the high-temperature reformer in the form of a loop heat pipe pulsed by capillary structure, CPL;
  • FIG. 4 shows a second embodiment of the high-temperature heat transfer circuit in the form of a loop heat pipe, LHP;
  • Fig. 5 is the pressure-temperature state diagram for the LHP of Fig. 4;
  • FIG. 6 shows a second embodiment of the high-temperature reformer according to the present invention with two physically separate heat transfer fluid circuits
  • FIG. 7 shows a pulsed loop heat pipe, CLPHP, as used in the high-temperature reformer of FIG. 7 as the second heat carrier circuit;
  • Fig. 10 shows a third embodiment of the high-temperature heat transfer circuit in the form of submerged loop heat pipes.
  • Fig. 1 shows the basic structure of a high-end reforming according to the present invention.
  • the high-temperature refomer comprises a pressurized carburetor or reformer 2 and an external heat source in the form of a combustion chamber 4.
  • the carburetor 2 comprises a carburetor pressure vessel 6, a fuel supply 8, a water supply 10 and a product gas discharge 12 at one temperature from 800 ° C to 900 ° C is produced by allothermic steam gasification of carbonaceous fuels in a known manner product gas.
  • the carburetor 2 and the external heat source 4 are connected to each other via a heat carrier circuit or a loop heat pipe 14.
  • the heat carrier circuit or the loop heat pipe 14 comprise a heat receiving side 16 and a heat-emitting side 18, which are connected to each other via a steam line 20 for vaporous heat transfer medium and a liquid line 22 for liquid heat transfer medium.
  • a lock 24 of the carburetor 2 is connected to the heat source 4.
  • About the lock 24 pyrolysis residues from the carburetor 2 of the combustion chamber 4 are supplied as fuel.
  • the combustion chamber 4 still has an air supply 26 and a flue gas outlet 28.
  • a hydrogen separation device 30 is arranged in the liquid line 22 between the carburetor 2 and the combustion chamber 4.
  • the hydrogen separation device 30 By the hydrogen separation device 30, the hydrogen and other foreign matter is separated from the liquid heat transfer medium and the remaining liquid heat transfer medium is fed back to the combustion chamber 4, so that the heat carrier circuit is closed. Due to the high temperatures alkali metals or alloys thereof, z. As Na, K or NaK used.
  • Fig. 2 shows schematically a first, concrete embodiment of the invention, wherein for components corresponding to each other, the same reference numerals are used.
  • the combustion chamber 4 is a fluidized bed combustion chamber with circulating fluidized bed 32.
  • the combustion chamber 4 comprises a riser 34, a cyclone 36 and a lock 38 and a fluidized bed 40, which lead back into the riser 34.
  • the heat receiving side 16 of the loop heat pipe 14 comprises a first and a second shell and tube heat exchangers 42 and 44, which are connected in series and in which the liquid heat transfer medium is vaporized by absorbing heat.
  • the heat-emitting side 18 includes a third shell-and-tube heat exchanger 46 in which the vaporous heat exchange medium is recondensed by release of the previously received heat.
  • the combustion chamber 4 in comparison to the so-called heat pipe reformer according to EP 1 187 892 B1 no restriction in the design and operation.
  • all design and operational parameters can be optimally adapted to the requirements of high-temperature heat supply.
  • the use of the circulating fluidized bed 32 has the advantage of optimum combustion in riser 34 and optimum and material-conserving heat extraction from the fluidized bed 40 - first shell and tube heat exchanger 42 - and membrane walls - second shell and tube heat exchanger 44 - in the turbulent bottom zone of the riser 34 detailed construction of the circulating fluidized bed combustion chamber 4 is referred to "Handbook of Fluxation and Fluid Particle Systems", by Wen-Ching Yang, ISBN: 0-8247-0259-X.
  • the reformer or carburetor 2 can be designed without restrictions with respect to the combustion chamber 4, since combustion chamber 4 and carburetor 2 are not arranged as in the heat pipe reformer in a common container.
  • the implementation of the high-temperature steam and liquid line 20, 22 is moved to structurally favorable locations carburetor pressure vessel 6.
  • the liquid line 22 and the steam line 20 are guided laterally from the barrel-shaped carburetor 2.
  • Cover and bottom of the carburetor pressure vessel 6 are free of the large number of heat pipe feedthroughs, as they are known from the heat pipe reformer. There are only weakenings through the steam supply 10 and the fuel supply 8, as well as product gas discharge 12 and lock 24 for discharging pyrolysis residues.
  • the reaction temperature in the gasifier can be substantially higher than the temperatures on the wall of the carburetor pressure vessel. As a result, stable constructions are achieved even when using less expensive materials with smaller wall thicknesses.
  • the pyrolysis residues of the carburettor 2 can be utilized directly in the combustion chamber 4 via the lock 24. With favorable process control, the pyrolysis residues are sufficient to cover the fuel requirement of the combustion chamber 4. Product gas leakage flows through the lock 24 can be safely and completely burned in the combustion chamber 4.
  • the CPL 500 includes a heat receiving side or evaporator 516 and a heat releasing side and a condenser 518, respectively.
  • Vaporizer 516 and condenser 518 are interconnected through a vaporous vapor vapor manifold 520 and a liquid heat transfer medium liquid manifold 522. Steam manifold 520 and liquid manifold 522 are spaced apart from each other.
  • Both the evaporator 516 and the condenser 518 consist of a plurality of identical evaporator 524 or condenser elements 526 connected in parallel.
  • the evaporator elements 524 have a capillary structure 528 through which the liquid heat transfer medium is vaporized by absorbing heat.
  • the Capacitor elements 526 recombine the heat transfer medium while releasing heat.
  • the liquid manifold 522 is connected to a surge tank 532 via a surge line 530.
  • the expansion tank 532 ensures a steady level in the liquid collecting line 522.
  • the liquid flows back into the liquid collecting line 522 due to a small temperature gradient and thus also a pressure gradient.
  • the evaporation enthalpy recorded in the evaporator 516 (combustion chamber 4) is thus released again in the condenser 518 (carburettor 2).
  • the hydrogen separation device 522 is integrated into the liquid collection line 522 (not shown in FIG. 3).
  • the LHP 600 includes a heat receiving side or evaporator 616 and a heat releasing side and a condenser 618, respectively.
  • Vaporizer 616 and condenser 618 are connected to each other via a steam line 620 for vaporous heat transfer medium and a liquid line 622 for liquid heat transfer medium. Steam line 620 and liquid line 622 are spaced apart from each other.
  • a capillary structure 628 is arranged, is vaporized by the liquid heat transfer medium by absorbing heat.
  • the condenser 618 the heat transfer medium condenses again with the release of heat.
  • Fig. 5 - is the heat transfer medium in the liquid-vapor equilibrium (fd-GGW) and is overheated in state 2 in the evaporator 616. From state 2 to 3, the pressure drops due to flow losses. Condition 3 via 4 to 5 shows the complete condensation incl. Subcooling of the condensate (condition 5). In state 6, the heat transfer medium is in the upper region of the evaporator 616 and is heated by the evaporator 616 to state 7 (fd- GGW) and then overheated to the temperature 8 in the lower region of the evaporator 616.
  • fd- GGW liquid-vapor equilibrium
  • the capillary pressure differential in the capillary structure 628 be greater than the sum of the pressure losses from the vapor and liquid flow, the capillary structure 628, and the hydrostatic pressure. Ie. it must apply:
  • Such a loop heat pipe is also known from WO / 2003/054469.
  • the high-temperature heat transfer circuit 700 comprises a primary heat transfer circuit 701 and a secondary heat transfer circuit 702.
  • the primary heat transfer circuit 701 comprises a heat-receiving side 716 and a heat-emitting side 718.
  • the heat-receiving side 716 and the heat-emitting side 718 are connected to each other via a steam line 720 for vaporous heat transfer medium and via a liquid line 722 for liquid heat transfer medium.
  • Steam line 720 and liquid line 722 are spatially separated.
  • the heat releasing side 716 is disposed in the combustion chamber and the heat releasing side 718 is disposed in the carburetor.
  • the primary heat carrier circuit 701 can be realized by the loop heat pipes 500 and / or 600 in FIGS. 3 and 4.
  • the secondary heat carrier circuit 702 is replaced by a pulsed loop
  • the CLPHP 702 has a heat receiving side 736 and a heat releasing side 738.
  • the heat receiving side 736 and the heat releasing side 738 are interconnected via a closed meandering vapor / liquid conduit 740.
  • Both the heat releasing side 736 and the heat releasing side of the CLPHP 702 are disposed in the gas pressure vessel 706.
  • the heat receiving side 736 of the CLPHP 702 is integrated into the heat-emitting side 718 of the primary heat transfer circuit 701.
  • the heat transfer medium is alternately via the steam / liquid line 740 from the evaporator 736 in the
  • Conductor 738 passed.
  • a temperature difference creates a pressure difference that causes the whole system to pulsate. This makes it possible to transport off hydrogen cushions and other inert gases convective and at a suitable location, eg. B. at the top of the condenser 738 via a degassing 730 deduct.
  • An advantage of the double heat carrier circuit is that can escape through the decoupling of the pulsating secondary heat transfer medium from the combustion chamber 4 in case of leaks less heat transfer medium.
  • inert gas can be present in the alkali-liquid-steam cycle. During operation, hydrogen diffuses into the circuit.
  • CPL, LHP, 7-9 the circulatory system
  • inert gas accumulations in pipe bends lead to the interruption of the flow and thus to the interruption of the heat transfer.
  • a local overheating in the evaporator section could be the result.
  • the degassing device or hydrogen separation device 30 for an alkali metal liquid-steam cycle must therefore fulfill the following boundary conditions:
  • the media wetted valves must be resistant to alkali metals, hydrogen and possibly alkali hydroxides (lyes). Furthermore, the fittings must be temperature resistant. 2. Shut-off valves and (overpressure) valves must have a large
  • the degassing device must ensure that no heat transfer medium (alkali metal) is discharged. Therefore, a reliable gas-liquid separation must be ensured. Consequently, a condensate drainage must be provided.
  • Fig. 8 shows an exemplary structure of the hydrogen separation device 30 as it can be used in the various embodiments of the high-temperature reformer.
  • the hydrogen separation device 30 in the liquid line 22, 522, 622, 722 comprises a collection container 300 in which a liquid level is set.
  • the collecting container 300 has a gas dome 302 in which vaporous heat transfer medium is located and in which hydrogen and other inert gases collect. From this gas dome 302 branches off a stub 304, which leads to a region with lower temperatures ends in a lock device 306.
  • materials such as EPDM (up to about 150 ° C.), etc. can be used for the valves 308, 310, 312, 314.
  • the temperature of the stub line 304 is decisive for the vapor pressure of the heat transfer medium.
  • a long stub 304 therefore results in an inert gas heat transfer separation.
  • the temperature of the stub line 304 may not be below the solidification temperature of the heat transfer medium to prevent clogging of the stub 304.
  • the degassing device 306 for degassing consists of 4 valves 308, 310,
  • each of the first and second valves 308, 310 and the third and fourth valve, 312, 314 in series and the two pairs of rows 308, 310 and 312, 314 are connected in parallel.
  • the parallel connection results in a redundant lock system.
  • the degassing system or the hydrogen separation device 30 should be installed as possible at the coolest point of the heat transfer circuit.
  • a vacuum pump - not shown - creates a vacuum with valve 308 or 312 closed and valve 310 or 314 open, then valve 310 or 314 is closed and valve 308 or 312 is opened and closed again. Then this cycle starts again. In this way, hydrogen and other inert gases are eliminated from the heat transfer circuit.
  • FIG. 9 shows a third embodiment of the high-temperature reformer with a fluidized bed combustor 804 and a carburetor or reformer 802.
  • the carburetor 802 includes a gasifier pressure vessel 806 that is co-located with the fluidized bed combustor 804 in a common reactor vessel 805.
  • a loop heat pipe device 814 having a plurality of loop heat pipes as shown in Figs. 3 and 4 is used.
  • the plurality of loop heat pipes are assembled into an evaporator battery 816 and a capacitor battery 818.
  • Capacitor battery 818 and evaporator battery 816 are interconnected via a single steam line 820 and via a single fluid line 822.
  • the evaporator battery 816 is disposed in the fluidized bed combustor 804, and the capacitor battery 818 is disposed in the gasifier pressurized container 805.
  • a degassing and filling tube 830 which leads out of the condenser battery 818 from the carburetor pressure vessel 806 and the common reactor vessel 805, hydrogen and other inert gases are withdrawn.
  • the degassing and filling tube 830 the filling of the loop heat pipe device 814 with heat transfer medium.
  • the immersion heat pipe 900 shows an alternative embodiment of a heat pipe in the form of a so-called immersion heat pipe 900.
  • the immersion heat pipe 900 consists of an outer pipe 902 having an open end 904 and a closed end 906.
  • the outer pipe 902 is an inner pipe 908 open on both sides disposed having a first open end 910 and a second open end 912.
  • Via the open end 904 of the outer tube 902 flows vaporous heat transfer medium and condenses on the way down to the closed end 906 of the outer tube 902.
  • the condensed heat transfer fluid flows through the first open end 910 of the inner tube 908 back up and is on the second open end 912 of the inner tube 908 discharged from the immersion heat pipe 900.
  • a corresponding pressure gradient is necessary to promote the heat transfer medium condensate back up.
  • the supply of vaporous heat transfer medium via the open end 904 of the outer tube 902 and the discharge of the liquid heat transfer medium via the second open end 912 of the inner tube takes place transversely to the longitudinal extent of the outer and inner tubes 902, 908.
  • Meander-shaped heat exchanger pipe guides which are problematic in fluidized beds, in particular in the gasifier, can be avoided by the immersion heat pipe 900 described above since they disturb the structure and the stratification of the fluidized bed.
  • 600 loop heat pipe, LHP 616 heat receiving side or evaporator of 600
  • 628 capillary structure of 616
  • 702 secondary heat transfer circuit, pulsed loop heat pipe, CLPHP 706 gasifier pressure vessel 716 heat receiving side of 701
  • Degassing device 736 Heat receiving side or evaporator of 702

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Erzeugung von brennbarem Produktgas aus kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen durch allotherme Wasserdampfvergasung in einem druckaufgeladenem Vergaserbehälter bereitgestellt. Die druckaufgeladene allotherme Wasserdampfvergasung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen erfordert Wärmezufuhr in die Vergasungskammer auf einem Temperaturniveau von ca. 800-900 °C. Bei dem sogenannten Heatpipe-Reformer, wie aus der EP 1 187 892 B1 bekannt ist, werden in einer Druck aufgeladenen Wirbelschichtvergasungskammer durch allotherme Wasserdampfvergasung Brenngas aus den zu vergasenden kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen erzeugt. Die hierfür notwendige Wärme wird aus einer Wirbelschichtfeuerung mittels einer Wärmeleitrohranordnung in den Vergaser bzw. Reformer geleitet. Aufgrund der geraden und rohrförmigen Bauweise von Wärmerohren werden bei dem aus der EP 1 187 892 B1 bekannten Heatpipe-Reformer Brennkammer und Reformer/Vergasungskammer übereinander angeordnet. Der Druckbehälterboden ist aufgrund der hohen Temperaturen in der Brennkammer besonderen Belastungen ausgesetzt. Noch dazu wird der Boden durch eine Vielzahl von Wärmerohr- Durchführungen geschwächt. Die Abdichtung der Durchführungen stellt ebenfalls ein Problem dar. Bei herkömmlichen rohrförmigen Wärmerohren ist sowohl die Leitung für flüssiges Wärmeträgermedium als auch für dampfförmiges Wärmeträgermedium in der gemeinsamen Rohrhülle angeordnet. Dadurch, dass bei der vorliegenden Erfindung Loop-Wärmerohre eingesetzt werden, bei denen das flüssige Wärmeträgermedium räumlich getrennt von dem dampfförmigen Wärmeträgermedium geführt wird, lässt sich die Zahl der Durchführungen auf zwei reduzieren, nämlich eine Flüssigkeitsleitung und eine Dampfleitung. Wenn eine Mehrzahl von solchen Loop-Wärmerohren eingesetzt wird, können deren getrennt verlaufenden Dampf- und Flüssigkeitsleitungen im Vergaserdruckbehälter zu einer gemeinsamen Dampf- bzw. Flüssigkeitsleitung zusammengefasst werden, die dann den Vergaserdruckbehälter durchsetzen. Außerhalb des Vergaserdruckbehälters können dann die beiden gemeinsamen Leitungen wieder auf gespalten werden. Damit kann die Zahl der Durchführungen aus bzw. in den Vergaserdruckbehälter erheblich bis auf minimal zwei reduziert werden.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Erzeugung von brennbarem Produktgas aus kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von brennbarem Produktgas aus kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen durch allotherme Wasserdampfvergasung nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.
Die druckaufgeladene allotherme Wasserdampfvergasung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen erfordert Wärmezufuhr in die Vergasungskammer auf einem Temperaturniveau von ca. 800-900 °C. Bei dem sogenannten Heatpipe-Reformer, wie aus der EP 1 187 892 B1 bekannt ist, werden in einer Druck aufgeladenen Wirbelschichtvergasungskammer durch allotherme Wasserdampfvergasung Brenngas aus den zu vergasenden kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen erzeugt. Die hierfür notwendige Wärme wird aus einer Wirbelschichtfeuerung mittels einer Wärmeleitrohranordnung in den Vergaser bzw. Reformer geleitet. Aufgrund der geraden und rohrförmigen Bauweise von Wärmerohren werden bei dem aus der EP 1 187 892 B1 bekannten Heatpipe-Reformer Brennkammer und
Reformer/Vergasungskammer übereinander angeordnet. Der Druckbehälterboden ist aufgrund der hohen Temperaturen in der Brennkammer besonderen Belastungen ausgesetzt. Noch dazu wird der Boden durch eine Vielzahl von Wärmerohr- Durchführungen geschwächt. Die Abdichtung der Durchführungen stellt ebenfalls ein Problem dar.
Bei den genannten Betriebsbedingungen diffundiert Wasserstoff durch den Metallmantel der Wärmerohre in das Innere des Wärmerohrs ein und sammelt sich im Bereich des Kondensators bzw. der Wärme abgebenden Seite. Im Bereich dieses Wasserstoffpolsters erfolgt kein Wärmeübergang mehr, so dass sich die durch das Wärmerohr übertragene Wärmeleistung verringert. Um diese Wasserstoffpolster zu vermeiden, ist es bekannt, das Eindiffundieren von Wasserstoff durch Beschichtungen der Wärmerohre oder durch Trennung von Vergasungs- und Wärmeübergangszone im Vergaser zu verhindern bzw. zu vermindern. Nach einem anderen Ansatz wird die Ausdiffusion von Wasserstoff durch erhöhten Innendruck und Spülkappen erhöht. Hierzu wird auf die DE 102006016005 A1 verwiesen.
Ausgehend von der EP 1 187 892 B1 ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Schwächung des Vergaserdruckbehälters durch die Wärmerohrdurchführungen zu vermindern.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruch 1.
Bei herkömmlichen rohrförmigen Wärmerohren ist sowohl die Leitung für flüssiges Wärmeträgermedium als auch für dampfförmiges Wärmeträgermedium in der gemeinsamen Rohrhülle angeordnet. Dadurch, dass bei der vorliegenden Erfindung Loop-Wärmerohre eingesetzt werden, bei denen das flüssige Wärmeträgermedium räumlich getrennt von dem dampfförmigen Wärmeträgermedium geführt wird, lässt sich die Zahl der Durchführungen auf zwei reduzieren, nämlich eine Flüssigkeitsleitung und eine Dampfleitung. Wenn eine Mehrzahl von solchen Loop-Wärmerohren eingesetzt wird, können deren getrennt verlaufenden Dampf- und Flüssigkeitsleitungen im Vergaserdruckbehälter zu einer gemeinsamen Dampf- bzw. Flüssigkeitsleitung zusammengefasst werden, die dann den Vergaserdruckbehälter durchsetzen. Außerhalb des Vergaserdruckbehälters können dann die beiden gemeinsamen Leitungen wieder auf gespalten werden. Damit kann die Zahl der Durchführungen aus bzw. in den Vergaserdruckbehälter erheblich bis auf minimal zwei reduziert werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die räumliche
Trennung von Dampf- und Flüssigkeitsleitung der Loop-Wärmerohre eine größere Designfreiheit entsteht. Vergaser bzw. Reformer und externe Wärmequelle können völlig unabhängig voneinander angeordnet und optimiert werden.
Durch die getrennte Führung von Dampf- und Flüssigkeitsleitung kann der Verlauf der Dampfleitung hinsichtlich der Anordnung einer Wasserstoff-Abscheideeinrichtung optimiert werden - Anspruch 2. Die vorteilhaften Ausgestaltungen der Ansprüche 3 und 4 beziehen sich auf unterschiedliche Bauformen für Loop-Wärmerohre mit getrennt verlaufender Dampfund Flüssigkeitsleitung.
Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 5 erfolgt die
Wärmeübertragung von der externen Wärmequelle in den Vergaser durch zwei physikalisch getrennte in Reihe geschaltete Wärmeträgerkreisläufe mit Phasenwechsel. Auf diese Weise kann der erste Wärmeträgerkreislauf bzw. das zugehörige Wärmerohr hinsichtlich der Wärmeaufnahme in der Wärmequelle optimiert werden, während der zweite Wärmeträgerkreislauf bzw. das zugehörige Wärmerohr hinsichtlich der Wärmeabgabe in dem Vergaser optimiert werden kann.
Als besonders geeignete Kombination haben sich Loop-Wärmerohre mit getrennt verlaufender Dampf- und Flüssigkeitsleitung für die erste Stufe zur Aufnahme der Wärme in der Wärmequelle und gepulste Loop-Wärmerohre mit gemeinsamer
Dampf/Flüssigkeitsleitung für die Abgabe der Wärme im Vergaser herausgestellt - Anspruch 6 und 7.
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 10 werden zum einen die Pyrolysereste aus dem Vergaser thermisch verwertet und zum anderen kann dadurch die vollständige Brennstoffzufuhr in die Wirbelschicht-Brennkammer erfolgen. Eine zusätzliche Zuführung von Brennstoff in die Wirbelschicht-Brennkammer ist mit Ausnahme des Anfahrens nicht mehr notwendig.
Aufgrund der hohen Betriebstemperaturen eigenen sich besonders Alkalimetalle und deren Legierungen, z. B. Na, K, NaK, als Wärmeträgermedium in den Loop- Wärmerohren.
Die übrigen Unteransprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergaben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Es zeigt
Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Highterm-Reformers gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine schematisch Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung im Highterm-Reformer;
Fig. 3 eine erste Ausführungsform des Hochtemperatur-Wärmeträgerkreislaufes im Highterm-Reformer in Form eines mittels Kapillarstruktur gepulsten Loop- Wärmerohrs, CPL;
Fig. 4 eine zweite Ausführungsform des Hochtemperatur- Wärmeträgerkreislaufes in Form eines Loop-Wärmerohrs, LHP;
Fig. 5 das Druck-Temperatur-Zustandsdiagramm zu dem LHP nach Fig. 4;
Fig. 6 eine zweite Ausführungsform des Highterm-Reformers gemäß der vorliegenden Erfindung mit zwei physikalisch getrennten Wärmeträgerkreisläufen;
Fig. 7 ein gepulstes Loop-Wärmerohr, CLPHP, wie es in dem Highterm- Reformer nach Fig. 7 als zweiter Wärmeträgerkreislauf verwendet wird;
Fig. 8 eine beispielhafte Ausgestaltung der Wasserstoff-Abscheideeinrichtung
Highterm-Reformers;
Fig. 9 eine dritte Ausführungsform des Highterm-Reformers gemäß der vorliegenden Erfindung mit Vergaser und Brennkammer in einem gemeinsamen Behälter; und
Fig. 10 eine dritte Ausführungsform des Hochtemperatur-Wärmeträgerkreislaufes in Form von Tauch-Loop-Wärmerohren. Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Highterm-Reformes gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Highterm-Refomer umfasst einen druckaufgelandenen Vergaser bzw. Reformer 2 und eine externe Wärmequelle in Form einer Brennkammer 4. Der Vergaser 2 umfasst einen Vergaserdruckbehälter 6, ein Zuführeinrichtung 8 für Brennstoff, eine Wasser bzw. Wasserdampfzuführung 10 und eine Produktgasableitung 12. Bei einer Temperatur von 800 °C bis 900 °C wird durch allotherme Wasserdampfvergasung aus kohlenstoffhaltigen Brennstoffen in bekannter Weise Produktgas erzeugt. Der Vergaser 2 und die externe Wärmequelle 4 sind über einen Wärmeträgerkreislauf bzw. einem Loop-Wärmerohr 14 miteinander verbunden. Der Wärmeträgerkreislauf bzw. das Loop-Wärmerohr 14 umfassen eine Wärme aufnehmende Seite 16 und eine Wärme abgebende Seite 18, die über eine Dampfleitung 20 für dampfförmiges Wärmeträgermedium und eine Flüssigkeitsleitung 22 für flüssiges Wärmeträgermedium miteinander verbunden sind. Über eine Schleuse 24 ist der Vergaser 2 mit der Wärmequelle 4 verbunden. Über die Schleuse 24 werden Pyrolysereste aus dem Vergaser 2 der Brennkammer 4 als Brennstoff zugeführt. Die Brennkammer 4 weist noch eine Luftzuführung 26 und einen Rauchgasabzug 28 auf. In die Flüssigkeitsleitung 22 ist zwischen Vergaser 2 und Brennkammer 4 eine Wasserstoff-Abscheideeinrichtung 30 angeordnet.
Durch Verbrennung der Pyrolyserreste aus dem Vergaser 2 und/oder durch Verbrennung von zusätzlichem Brennstoff wird in der Brennkammer 4 Wärme erzeugt, die durch die Wärme aufnehmende Seite 16 des Loop-Wärmerohrs 14 dadurch aufgenommen wird, dass das über die Flüssigkeitsleitung 22 zugeführtes flüssiges Wärmeträgermedium verdampft. Das dampfförmige Wärmeträgermedium strömt über die Dampfleitung 20 in den Vergaser, kondensiert in der Wärme abgebenden Seite 18 des Loop-Wärmerohrs 14 und stellt dadurch die für die allotherme Wasserdampfvergsung notwendige Hochtemperaturwärme Wärme bereit. Das verflüssigte Wärmeträgermedium wird über die Flüssigkeitsleitung 22 zusammen mit im Vergaser in den Wärmeträgerkreislauf 14 eindiffundiertem Wasserstoff der Wasserstoff- Abscheideeinrichtung 30 zugeführt. Durch die Wasserstoff-Abscheideeinrichtung 30 wird der Wasserstoff und auch andere Fremdstoffe von dem flüssigen Wärmeträgermittel abgetrennt und das verbleibende flüssige Wärmeträgermedium wird wieder der Brennkammer 4 zugeführt, so dass der Wärmeträgerkreislauf geschlossen ist. Aufgrund der hohen Temperaturen werden Alkalimetalle oder Legierungen davon, z. B. Na, K oder NaK, verwendet.
Fig. 2 zeigt schematisch eine erste, konkrete Ausführungsform der Erfindung, wobei für einander entsprechende Komponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet werden. Die Brennkammer 4 ist eine Wirbelschicht-Brennkammer mit zirkulierender Wirbelschicht 32. Die Brennkammer 4 umfasst ein Steigrohr 34, einen Zyklon 36 sowie eine Schleuse 38 und ein Fliesbett 40, die zurück in das Steigrohr 34 führen. Die Wärme aufnehmende Seite 16 des Loop-Wärmerohrs 14 umfasst einen ersten und einen zweiten Rohrbündelwärmetauscher 42 und 44, die in Reihe geschaltet sind und in denen das flüssige Wärmeträgermedium durch Aufnahme von Wärme verdampft wird. Die Wärme abgebende Seite 18 umfasst einen dritten Rohrbündelwärmetauscher 46 in dem das dampfförmige Wärmetauschermedium durch Abgabe der zuvor aufgenommenen Wärme wieder kondensiert.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 hat die Brennkammer 4 im Vergleich zum sogenannten Heatpipe-Reformer nach der EP 1 187 892 B1 keinerlei Einschränkung in der Bauweise und Betriebsweise. Somit können sämtliche konstruktive und betriebliche Parameter optimal an die Anforderungen der Hochtemperatur-Wärmebereitstellung angepasst werden. Der Einsatz der zirkulierenden Wirbelschicht 32 hat den Vorteil der optimalen Verbrennung im Steigrohr 34 und der optimalen und Material-schonenden Wärmeauskopplung aus dem Fließbett 40 - erster Rohrbündelwärmetauscher 42 - und über Membranwände - zweiter Rohrbündelwärmetauscher 44 - in der turbulenten Bodenzone des Steigrohres 34. Hinsichtlich des genauen Aufbaus der Brennkammer 4 mit zirkulierender Wirbelschicht 32 wird auf „Handbook of Fludization and Fluid-Particle Systems", von Wen-Ching Yang, ISBN: 0-8247-0259-X, verwiesen.
Auch der Reformer bzw. Vergaser 2 kann ohne Einschränkungen im Hinblick auf die Brennkammer 4 konzipiert werden, da Brennkammer 4 und Vergaser 2 nicht wie bei dem Heatpipe-Reformer in einem gemeinsamen Behälter angeordnet sind. Die Durchführung der Hochtemperatur-Dampf- und Flüssigkeitsleitung 20, 22 wird an konstruktiv günstige Stellen Vergaserdruckbehälters 6 verlegt. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 werden die Flüssigkeitsleitung 22 und die Dampfleitung 20 seitlich aus dem tonnenförmigen Vergaser 2 geführt. Deckel und Boden des Vergaserdruckbehälters 6 sind frei von der Vielzahl an Heatpipe-Durchführungen, wie sie aus dem Heatpipe- Reformer bekannt sind. Es gibt lediglich Schwächungen durch die Wasserdampfzuführung 10 und die Brennstoffzufuhr 8, sowie Produktgasableitung 12 und Schleuse 24 zum Abführen von Pyrolyserückständen.
Durch eine innen liegende thermische Isolierung des Vergaserdruckbehälters 6 kann die Reaktionstemperatur in dem Vergaser wesentlich höher sein als die Temperaturen an der Wand des Vergaserdruckbehälters. Dadurch werden auch bei Einsatz kostengünstigerer Werkstoffe mit geringeren Wandstärken stabile Konstruktionen erreicht.
Die Pyrolysereste des Vergasers 2 können über die Schleuse 24 direkt in der Brennkammer 4 verwertet werden. Bei günstiger Prozessführung reichen die Pyrolysereste aus, um den Brennstoffbedarf der Brennkammer 4 zu decken. Produktgas-Leckageströme über die Schleuse 24 können in der Brennkammer 4 sicher und vollständig abgebrannt werden.
Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsform des Hochtemperatur-
Wärmeträgerkreislaufes im Highterm-Reformer in Form eines mittels Kapillarstruktur gepumptes Loop-Wärmerohr 500 (Capillary Pumped Loop CPL), wie es aus der Veröffentlichung, Heat Pipe Science and Technology, Amir Fahgri, 1995, Seite 583 bekannt ist. Die CPL 500 umfasst eine Wärme aufnehmende Seite bzw. einen Verdampfer 516 und eine Wärme abgebende Seite bzw. einen Kondensator 518. Verdampfer 516 und Kondensator 518 sind über eine Dampfsammelleitung 520 für dampfförmiges Wärmeträgermedium und eine Flüssigkeitssammelleitung 522 für flüssiges Wärmeträgermedium miteinander verbunden. Dampfsammelleitung 520 und Flüssigkeitssammelleitung 522 verlaufen räumlich getrennt voneinander. Sowohl der Verdampfer 516 als auch der Kondensator 518 bestehen aus mehreren identischen und parallel geschalteten Verdampfer- 524 bzw. Kondensatorelementen 526. Die Verdampferelemente 524 weisen eine Kapillarstruktur 528 auf, über die flüssiges Wärmeträgermedium durch Aufnahme von Wärme verdampft wird. In den Kondensatorelementen 526 kondensiert das Wärmeträgermedium unter Abgabe von Wärme wieder.
Die Flüssigkeitssammelleitung 522 ist über eine Ausgleichsleitung 530 mit einem Ausgleichsbehälter 532 verbunden. Der Ausgleichsbehälter 532 sorgt für einen stetigen Füllstand in der Flüssigkeitssammelleitung 522. Das flüssige strömt aufgrund eines geringen Temperaturgefälles und damit auch Druckgefälles in die Flüssigkeitsammelleitung 522 zurück. Die im Verdampfer 516 (Brennkammer 4) aufgenommene Verdampfungsenthalpie wird somit wieder im Kondensator 518 (Vergaser 2) abgegeben.
In die Flüssigkeitssammelleitung 522 wird die Wasserstoff-Abscheideeinrichtung integriert (in Fig. 3 nicht eingezeichnet).
Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform des Hochtemperatur-
Wärmeträgerkreislaufes im Highterm-Reformer in Form eines Loop-Wärmerohr 600 (Loop Heat Pipe LHP), wie es aus der Veröffentlichung, Heat Pipe Science and Technology, Amir Fahgri, 1995, Seite 586 bekannt ist. Das LHP 600 umfasst eine Wärme aufnehmende Seite bzw. einen Verdampfer 616 und eine Wärme abgebende Seite bzw. einen Kondensator 618. Verdampfer 616 und Kondensator 618 sind über eine Dampfleitung 620 für dampfförmiges Wärmeträgermedium und eine Flüssigkeitsleitung 622 für flüssiges Wärmeträgermedium miteinander verbunden. Dampfleitung 620 und Flüssigkeitsleitung 622 verlaufen räumlich getrennt voneinander. Im Verdampfer 616 ist eine Kapillarstruktur 628 angeordnet, durch die flüssiges Wärmeträgermedium durch Aufnahme von Wärme verdampft wird. In dem Kondensator 618 kondensiert das Wärmeträgermedium unter Abgabe von Wärme wieder.
Im Zustand 1 - Fig. 5 - befindet sich das Wärmeträgermedium im flüssig-Dampf- Gleichgewicht (f-d-GGW) und wird in Zustand 2 im Verdampfer 616 überhitzt. Vom Zustand 2 nach 3 sinkt der Druck aufgrund von Strömungsverlusten. Zustand 3 über 4 nach 5 zeigt die vollständige Kondensation inkl. Unterkühlung des Kondensats (Zustand 5). Im Zustand 6 befindet sich das Wärmeträgermedium im oberen Bereich des Verdampfers 616 und wird durch den Verdampfer 616 auf Zustand 7 erwärmt (f-d- GGW) und im unteren Bereich des Verdampfer 616 dann auf die Temperatur 8 überhitzt. Für die bestimmungsgemäße Funktion der LHP 600 ist es notwendig, dass die Kapillardruckdifferenz in der Kapillarstruktur 628 größer als die Summe der Druckverluste von der Dampf- und Flüssigkeitsströmung, der Kapillarstruktur 628 und dem hydrostatischem Druck ist. D. h. es muss gelten:
(Δpcap)maχ > Δpυ + Δp£ + APw + Ap9
Ein derartiges Loop-Wärmerohr ist auch aus der WO/2003/054469 bekannt.
Fig. 6 zeigt eine zweite Ausführungsform des Highterm-Reformers gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem zweistufigen Hochtemperatur-Wärmeträgerkreislauf 700. Der Hochtemperatur-Wärmeträgerkreislauf 700 umfasst einen primären Wärmeträgerkreislauf 701 und einen sekundären Wärmeträgerkreislauf 702. Der primäre Wärmeträgerkreislauf 701 umfasst eine Wärme aufnehmende Seite 716 und eine Wärme abgebende Seite 718. Die Wärme aufnehmende Seite 716 und die Wärme abgebende Seite 718 sind über eine Dampfleitung 720 für dampfförmiges Wärmeträgermedium und über eine Flüssigkeitsleitung 722 für flüssiges Wärmeträgermedium miteinander verbunden. Dampfleitung 720 und Flüssigkeitsleitung 722 verlaufen räumlich getrennt voneinander. Die Wärme abgebende Seite 716 ist in der Brennkammer angeordnet und die Wärme abgebende Seite 718 ist im Vergaser angeordnet. Der primäre Wärmeträgerkreislauf 701 kann durch die Loop-Wärmerohre 500 und/oder 600 in Fig. 3 und 4 realisiert werden.
Der sekundäre Wärmeträgerkreislauf 702 wird durch ein gepulstes Loop-
Wärmerohr (Closed Loop Pulsating Heat Pipe, CLPHP) realisiert, wie es in Fig. 7 dargestellt ist. Das CLPHP 702 weist eine Wärme aufnehmende Seite 736 und eine Wärme abgebende Seite 738 auf. Die Wärme aufnehmende Seite 736 und die Wärme abgebende Seite 738 sind über eine geschlossene, mäanderförmig verlaufende Dampf/Flüssigkeitsleitung 740 miteinander verbunden. Sowohl die Wärme abgebende Seite 736 als auch die Wärme abgebende Seite der CLPHP 702 ist in dem Vergaserdruckbehälter 706 angeordnet. Die Wärme aufnehmende Seite 736 des CLPHP 702 ist in die Wärme abgebende Seite 718 des primären Wärmeträgerkreislaufes 701 integriert.
Bei geschlossenen gepulsten Loop-Wärmerohr 702 wird das Wärmeträgermedium abwechselnd über die Dampf/Flüssigkeitsleitung 740 vom Verdampfer 736 in den
Kondensator 738 geleitet. Durch eine Temperaturdifferenz entsteht eine Druckdifferenz, die das ganze System gepulst strömen lässt. Dadurch wird es möglich Wasserstoffpolster und andere Inertgase konvektiv abzutransportieren und an geeigneter Stelle, z. B. an der Oberseite des Kondensators 738 über eine Entgasung 730 abzuziehen.
Nachfolgend wird anhand von Fig. 8 eine beispielhafte Ausführungsform Wasserstoff-Abscheideinrichtung bzw. Entgasungseinrichtung 30, 730, 830 beschreiben. Ein Vorteil des zweifachen Wärmeträgerkreislaufes besteht darin, dass durch die Entkopplung des pulsierenden sekundären Wärmeträgerreislaufs von der Brennkammer 4 bei Leckagen weniger Wärmträgermedium austreten kann.
Fertigungstechnisch bedingt kann sich im Alkali-Flüssig-Dampf-Kreislauf Inertgas befinden. Während des Betriebs diffundiert Wasserstoff in den Kreislauf ein. Die Folgen einer Ansammlung von Inertgasen im System sind vielfältig und wirken sich je nach Kreislauf-System (CPL, LHP,...) unterschiedlich stark aus:
- Ansammlungen von Inertgasen können zur Beeinträchtigung des bestimmungsgemäßen Betriebs führen. Beispielsweise führen Inertgasansammlungen in Rohrkrümmungen zur Unterbrechung der Strömung und damit zur Unterbrechung der Wärmeübertragung. Eine lokale Überhitzung im Verdampferteil könnte die Folge sein.
- Eine permanente Eindiffusion von Wasserstoff führt zu einem steigenden Gesamtdruck im System. Dadurch kann, je nach System, auch der Dampfdruck von Alkali-Metall beeinflusst werden und damit auch die Verdampfungstemperatur. Mit Hilfe einer Entgasungsvorrichtung könnte es möglich sein die Verdampfungstemperatur des Alkali-Metall-Kreislaufs zu beeinflussen.
Die Entgasungsvorrichtung bzw. Wasserstoff-Abscheideeinrichtung 30 für einen Alkalimetall flüssig-Dampfkreislauf muss daher folgende Randbedingungen erfüllen:
1. Die Medienberührenden Armaturen müssen beständig gegen Alkalimetalle, Wasserstoff und ggf. Alkalihydroxide (Laugen) sein. Desweiteren müssen die Armaturen Temperaturbeständig sein. 2. Absperr-Armaturen und (Überdruck-)Ventile müssen über einen großen
Temperaturbereich vakuumdicht sein.
3. Die Entgasungsvorrichtung muss gewährleisten, dass kein Wärmeträgermedium (Alkalimetall) ausgeschleust wird. Daher muss eine zuverlässige Gas-Flüssig- Trennung gesichert sein. Folglich muss auch eine Kondensatableitung vorgesehen werden.
4. Je nach eingesetztem Wärmeübertragermedium muss dessen Erstarrung im Entgasungsbereich vermieden werden.
Fig. 8 zeigt einen beispielhaften Aufbau der Wasserstoff-Abscheideeinrichtung 30 wie sie in den verschiedenen Ausführungsformen des Highterm-Reformers eingesetzt werden kann. Die Wasserstoff-Abscheideeinrichtung 30 in der Flüssigkeitsleitung 22, 522, 622, 722 umfasst einen Sammelbehälter 300 in dem sich ein Flüssigkeitspegel eingestellt ist. Der Sammelbehälter 300 weist einen Gasdom 302 auf, in dem sich dampfförmiges Wärmeträgermedium befindet und in dem sich Wasserstoff und andere Inertgase sammeln. Aus diesem Gasdom 302 zweigt eine Stichleitung 304 ab, die in einen Bereich mit tieferen Temperaturen führt in einer Schleuseneinrichtung 306 endet. Dadurch können für die Ventile 308, 310, 312, 314 beispielsweise Materialien wie EPDM (bis ca. 150°C) etc. eingesetzt werden. Die Temperatur der Stichleitung 304 ist ausschlaggebend für den Dampfdruck des Wärmeträgermediums. Eine lange Stichleitung 304 führt daher zu einer Inertgas-Wärmeträger-Trennung. Die Temperatur der Stichleitung 304 darf nicht unterhalb der Erstarrungstemperatur des Wärmeträgermediums liegen, um ein Verstopfen der Stichleitung 304 zu verhindern. Durch die Entgasung ist eine Druck und damit auch eine Temperaturregelung möglich. Die Drucksensitivität des Systems ist, wie bereits erwähnt, stark von dem Kreislaufsystem abhängig.
Die Schleuseneinrichtung 306 zur Entgasung besteht aus 4 Ventilen 308, 310,
312, 314 wobei jeweils das erste und zweite Ventile 308, 310 und das dritte und vierte Ventil , 312, 314 in Reihe und die zwei Reihenpaare 308, 310 und 312, 314 parallel geschaltet sind. Durch die Parallelschaltung ergibt sich ein redundantes Schleusensystem. Das Entgasungssystem bzw. die Wasserstoff-Abscheideeinrichtung 30 sollte möglichst an der kühlsten Stelle des Wärmeträgerkreislaufes installiert werden. Eine Vakuumpumpe - nicht dargestellt - erzeugt bei geschlossenem Ventil 308 oder 312 und geöffnetem Ventil 310 oder 314 ein Vakuum, dann wird Ventil 310 oder 314 geschlossen und Ventil 308 bzw. 312 geöffnet und wieder geschlossen. Daraufhin beginnt dieser Zyklus erneut. Auf diese Weise wird Wasserstoff und andere Inertgase aus dem Wärmeträgerkreislauf ausgeschieden.
Fig. 9 zeigt eine dritte Ausführungsform des Highterm-Reformers mit einer Wirbelschicht-Brennkammer 804 und einem Vergaser bzw. Reformer 802. Der Vergaser 802 umfasst einen Vergaserdruckbehälter 806, der zusammen mit der Wirbelschicht-Brennkammer 804 in einem gemeinsamen Reaktorbehälter 805 angeordnet ist. Als Hochtemperatur-Wärmekreislauf zur Übertragung der Wärme aus der Wirbelschicht-Brennkammer 802 in den Vergaser 804 wird eine Loop-Wärmerohre- Einrichtung 814 mit einer Mehrzahl von Loop-Wärmerohren gemäß den Figuren 3 und 4 eingesetzt. Die Mehrzahl der Loop-Wärmerohren werden zu einer Verdampfer-Batterie 816 und einer Kondensator-Baterie 818 zusammengesetzt. Kondensator-Baterie 818 und Verdampferbatterie 816 sind über eine einzige Dampfleitung 820 und über eine einzige Flüssigkeitsleitung 822 miteinander verbunden. Die Verdampfer-Batterie 816 ist in der Wirbelschicht-Brenkammer 804 und die Kondensator-Batterie 818 ist in dem Vergaserdruckbehälter 805 angeordnet. Über ein Entgasungs- und Befüllrohr 830, das aus der Kondensator-Batterie 818 aus dem Vergaserdruckbehälter 806 und den gemeinsamen Reaktorbehälter 805 herausführt, werden Wasserstoff und andere Inertgase abgezogen. Gleichzeitig erfolgt über das Entgasungs- und Befüllrohr 830 die Befüllung der Loop-Wärmerohr-Einrichtung 814 mit Wärmeträgermedium. Der Vorteil dieser dritten Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die Loop-Wärmerohr- Einrichtung 814 in ein bestehendes Reaktordesign integriert werden kann.
Fig. 10 zeigt eine alternative Ausgestaltung eines Wärmerohrs in Form eines sogenannten Tauch-Wärmerohrs 900. Das Tauch-Wärmerohr 900 besteht aus einem Außenrohr 902 mit einem offenen Ende 904 und mit einem geschlossenen Ende 906. Inn dem Außenrohr 902 ist ein beidseitig offenes Innenrohr 908 angeordnet, das ein erstes offenes Ende 910 und ein zweites offenes Ende 912 aufweist. Über das offene Ende 904 des Außenrohres 902 strömt dampfförmiges Wärmeträgermedium ein und kondensiert auf dem Weg nach unten zum geschlossenen Ende 906 des Außenrohres 902. Das kondensierte Wärmeträgermittel strömt durch das erste offene Ende 910 des Innenrohres 908 wieder nach oben und wird über das zweite offene Ende 912 des Innenrohres 908 aus dem Tauch-Wärmerohr 900 abgeführt. Ein entsprechendes Druckgefälle ist notwendig um das Wärmeträgermedium-Kondensat wieder aufwärts zu fördern. Die Zuführung von dampfförmigem Wärmeträgermedium über das offene Ende 904 des Außenrohres 902 und die Ableitung des flüssigen Wärmeträgermediums über das zweite offene Ende 912 des Innenrohres erfolgt quer zur Längserstreckung von Außen- und Innenrohr 902, 908.
Durch das vorstehend beschrieben Tauch-Wärmerohr 900 können mäanderförmige Wärmeübertrager-Rohrführungen vermieden werden, die in Wirbelschichten, insbesondere im Vergaser problematisch sind, da sie den Aufbau und die Schichtung der Wirbelschicht stören.
Bezugszeichenliste
2 druckaufgelandener Vergaser bzw. Reformer
4 Wärmequelle bzw. Brennkammer 6 Vergaserdruckbehälter
8 Zuführeinrichtung für Brennstoff
10 Wasser- bzw. Wasserdampfzuführung
12 Produktgasableitung
14 Hochtemperatur-Wärmeträgerkreislauf bzw. Loop-Wärmerohr 16 Wärme aufnehmende Seite von 14
18 Wärme abgebende Seite von 14
20 Dampfleitung
22 Flüssigkeitsleitung
24 Schleuse für Pyrolysereste 26 Luftzuführung
28 Rauchgasabzug.
30 Wasserstoff-Abscheideeinrichtung
32 zirkulierende Wirbelschicht
34 Steigrohr 36 Zyklon
38 Schleuse
40 Fließbett
42 erster Rohrbündelwärmetauscher
44 zweiter Rohrbündelwärmetauscher 46 dritter Rohrbündelwärmetauscher
300 Sammelbehälter von 30
302 Gasdom
304 Stichleitung 306 Schleuseneinrichtung
308 erstes Ventil
310 zweites Ventil
312 drittes Ventil
314 viertes Ventil
500 mittels Kapillarstruktur gepumptes Loop-Wärmerohr
516 Wärme aufnehmende Seite bzw. Verdampfer von 500
518 Wärme abgebende Seite bzw. Kondensator von 500 520 Dampfsammelleitung
522 Flüssigkeitssammelleitung
524 Verdampferelement
526 Kondensatorelement 528 Kapillarstruktur von 524
530 Ausgleichsleitung
532 Ausgleichsbehälter
600 Loop-Wärmerohr, LHP 616 Wärme aufnehmende Seite bzw. Verdampfer von 600
618 Wärme abgebende Seite bzw. Kondensator von 600
620 Dampfleitung
622 Flüssigkeitsleitung
628 Kapillarstruktur von 616
700 zweistufiger Hochtemperatur-Wärmeträgerkreislauf
701 primärer Wärmeträgerkreislauf
702 sekundärer Wärmeträgerkreislauf, gepulstes Loop-Wärmerohr, CLPHP 706 Vergaserdruckbehälter 716 Wärme aufnehmende Seite von 701
718 Wärme abgebende Seite von 701
720 Dampfleitung
722 Flüssigkeitsleitung
730 Entgasungseinrichtung 736 Wärme aufnehmende Seite bzw. Verdampfer von 702
738 Wärme abgebende Seite bzw. Kondensator von 702
740 Dampf/Flüssigkeitsleitung
802 Vergaser bzw. Reformer 804 Wirbelschicht-Brennkammer
805 gemeinsamer Reaktorbehälter
806 Vergaserdruckbeälter
814 Loop-Wärmerohr-Einrichtung
816 Verdampfer-Batterie 818 Kondensator-Batterie
820 Dampfleitung
822 Kondensatleitung
830 Entgasungs- und Befüllrohr 900 Tauch-Wärmerohr
902 Außenrohr
904 offenes Ende von 902 906 geschlossenes Ende von 902
908 Innenrohr
910 erstes offenes Ende von 908
912 zweites offenes Ende von 908

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur Erzeugung von brennbarem Produktgas aus kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen durch allotherme Wasserdampfvergasung, mit
- einem druckaufgeladenen Vergaser (2), der einen Vergaserdruckbehälter (6), eine Zuführeinrichtung (8) für die kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe, eine Wasserdampfzuführung (10) und eine Produktgasableitung (12) umfasst, - einer externen Wärmequelle (4), und
- einer Wärmetransporteinrichtung (14) mit wenigstens einem Wärmerohr durch die Wärme durch ein einen Phasenwechsel durchlaufendes Wärmeträgermedium aus der externen Wärmequelle (4) in den Vergaser (2) transportiert wird, wobei das wenigstens eine Wärmerohr (14) eine Wärme abgebenden
Seite (18), die in dem Vergaser (2) angeordnet ist, und eine Wärme aufnehmenden Seite (16), die in der externen Wärmequelle (4) angeordnet ist, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Wärmerohr (14) ein Loop-Währmerohr (500;
600; 701 , 702; 814) ist, dessen Wärme aufnehmende (16; 516; 616; 716; 816) und Wärme abgebende Seite (18; 518; 618; 738; 818) über eine Flüssigkeitsleitung (22; 522; 622; 722; 822) für flüssiges Wärmeträgermedium und über eine Dampfleitung (20; 520; 620; 720; 820) für dampfförmiges Wärmeträgermedium miteinander verbunden sind und dass die Flüssigkeitsleitung (22; 522; 622; 722; 822) und die Dampfleitung (20; 520; 620; 720; 820) räumlich getrennte Leitungen sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das in der Flüssigkeitsleitung (22; 522; 622; 722; 822) des wenigstens einen
Loop-Wärmerohrs (500; 600; 701 , 702; 814) eine Wasserstoff-Abscheideeinrichtung (30; 532; 730; 830) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetransporteinrichtung (14) wenigstens ein mittels Kapillarstruktur (528; 628) gepumptes Loop-Wärmerohr (500; 600; 701 )umfasst.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetransporteinrichtung (14) wenigstens ein Tauch-Loop-Wärmerohr (900) umfasst.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetransporteinrichtung (14) wenigstens ein erstes
Loop-Wärmerohr (701 ) umfasst, das eine Dampfleitung (720) für dampfförmiges Wärmeträgermedium und eine Flüssigkeitsleitung (722) für flüssiges Wärmeträgermedium aufweist, wobei Dampf- und Flüssigkeitsleitung räumlich getrennt voneinander angeordnet sind, dass die Wärmetransporteinrichtung (14) wenigstens eine zweites
Wärmerohr (702) aufweist, dass die beiden Wärmerohre (701 , 702) jeweils eine Wärme abgebende Seite (718, 738) und eine Wärme aufnehmende Seite (716, 736) aufweisen, dass die Wärme aufnehmende Seite (716) des wenigstens einen ersten Loop-Wärmeohrs (701 ) in der externen Wärmequelle (4) angeordnet ist, und dass die Wärme abgebende Seite (718) des wenigstens einen ersten Loop-Wärmerohrs (701 ) thermisch in die Wärme aufnehmende Seite (736) des wenigstens einen zweiten Wärmerohrs (702) integriert ist, und dass die Wärme abgebende Seite (738) des wenigstens einen zweiten Wärmerohrs (702) in dem Vergaserdruckbehälter (706) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine zweite Wärmerohr (702) ein gepulstes Loop-Wärmerohr ist, das eine gemeinsame Dampf/Flüssigkeitsleitung (740) aufweist und das in dem Vergaserdruckbehälter (706) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Dampf/Flüssigkeitsleitung (740) mäanderförmig ausgebildet ist , dass die Wärme abgebende Seite (738) des gepulsten Loop-Wärmerohrs (702) im oberen Bereich des Vergaserdruckbehäl- ters (706) angeordnet ist, und dass die Wärme aufnehmende Seite
(736) im Bodenbereich des Vergaserdruckbehälters (706) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Wärmequelle (4) eine Wirbelschicht-Brennkammer ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergaser (2) als Wirbelschicht-Vergaser ausgelegt ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass dass der Vergaserdruckbehälter (6) über eine Schleuse (24) für Pyrolysereste mit der Wirbelschicht-Brennkammer (4) verbunden ist.
1 1. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass Wirbelschicht-Vergaser (802) und Wirbelschicht-Brennkammer (804) in einem gemeinsamen Behälter (805) angeordnet sind.
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