WO2011023177A1 - Verfahren zum betreiben eines reaktormodul für endotherme reaktionen sowie reaktor mit einer mehrzahl von solchen reaktormodulen - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines reaktormodul für endotherme reaktionen sowie reaktor mit einer mehrzahl von solchen reaktormodulen Download PDF

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WO2011023177A1
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reactor
reaction
reactor module
pore burner
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PCT/DE2010/001005
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Peter Lutz
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Bekon Energy Technologies Gmbh & Co. Kg
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds
    • B01J8/06—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds in tube reactors; the solid particles being arranged in tubes
    • B01J8/067—Heating or cooling the reactor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01J19/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J19/2415—Tubular reactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
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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 
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D14/16—Radiant burners using permeable blocks
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    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/00504—Controlling the temperature by means of a burner
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00051—Controlling the temperature
    • B01J2219/00157—Controlling the temperature by means of a burner

Definitions

  • the invention relates to a reactor module for endothermic reactions for producing one or more products according to claim 1, a reactor having a plurality of such reactor modules according to claim 15 and a method for operating a reactor module or a reactor according to claim 17.
  • a cylindrical reactor module which comprises a reaction channel having a first and a second end and an outer side and an inner side. Via a first inlet element at the first end and a second inlet element at the second end, two reaction educts can enter the
  • Reaction channel can be introduced. Via a first outlet element at the second end and a second outlet element at the first end, reaction products are withdrawn from the reaction channel. Via a heat exchanger, the heat of reaction necessary for an endothermic chemical reaction is coupled into the reaction channel. The necessary for the allothermal steam gasification high heat flux can not be achieved with this known reactor module.
  • the reactor module comprises an inlet member for supplying methanol and water vapor, a ring-tubular reaction channel and a
  • a porous combustion catalyst is arranged, which burns a portion of the hydrogen produced and in this way gives off heat to the endothermic reforming process in the annular tubular reaction channel.
  • an exothermic methanation reaction takes place, which also gives off heat in the ring-tubular reaction channel.
  • WO 2008/146052 A1, US 2008/0170975 A1, DE 102 13 891 A1 and German Utility Model G 93 20 711.5 are catalytic
  • a disadvantage of the catalytic reforming reactors is that they are not suitable because of the expensive catalyst materials for reactors with high performance.
  • the heat required for this purpose is generated in the fluidized bed combustion by means of combustion and over
  • Fluidized bed gasification chamber which are flowed around by the fluidized bed, and consequently to a high wear. Therefore, such a reactor must be maintained at regular intervals. In addition, the guided over the heat pipes heat quantity is limited and thus the reaction energy for the allothermal
  • So-called pore burners consist of a temperature-resistant porous material, which is connected to an inlet and an outlet. Into the inlet, a premixed fuel-air mixture is exothermically reacted in a flameless volumetric combustion that stabilizes in many small reactors, the pores. Due to the heat of combustion, the pore body begins to glow.
  • a pore burner is known for example from "Gas Heat International (54), 872005”.
  • Combustion catalyst is. Due to the fact that the pore burner arrangement at the
  • the dimensioning of the reaction channel and the pore burner arrangement in the axial and radial directions is chosen so that sufficient heat energy is generated in the pore burner arrangement and transferred to the reaction channel to perform an endothermic chemical reaction in the interior of the reaction channel.
  • the cross section or the diameter of the reaction channel is dimensioned so that over the cross section as uniform temperature distribution is achieved. Depending on the heat output of the pore burner arrangement, this results in a diameter range which still allows this uniform temperature distribution over the cross section of the reaction channel.
  • the cross section of the reaction channel may be circular or even formed as a regular polygon. In each possible embodiment is the
  • Pore burner arrangement in direct contact with the largest possible proportion of the outside of the reaction channel, so that the largest possible
  • Reaction channel arranged vertically. This allows gravity or
  • thermodynamic effects e.g. warm gas expands and rises to the top - exploiting at least one reaction educt and / or at least one
  • reaction product through the reaction channel.
  • reaction products e.g. Gases and liquids or solids.
  • Inlet sluice introduced a first Mattersedukt in the reaction channel and discharged via an outlet sluice a first reaction product from the reaction channel.
  • a second reaction educt is introduced into the reaction channel and a second reaction product is discharged from the reaction channel via a second outlet element. This is the second one
  • Pore burner assembly may be arranged.
  • these two inlet and outlet elements can also lead out of the reaction channel or into the reaction channel in the region of the pore burner arrangement. The variability of such
  • Reactor module allows a variety of endothermic chemical reactions to be carried out.
  • the embodiment of the invention according to claim 6 also allows different Christsedukte in countercurrent through the reaction channel to lead
  • the introduced amounts of Christsedukte can be controlled in an advantageous manner so that an optimal implementation of the reaction educts in
  • Reactor module Fuel gases from carbonaceous feedstock and superheated fuel
  • a capacitor is connected downstream of the second outlet element. Through this condenser water vapor contained in the exiting fuel gas is condensed and thus removed from the fuel gas.
  • Pore burner assembly a plurality of pore burner elements.
  • Pore burner element consists of a fuel inlet for introducing oxygen and fuel, a porous body and a fuel outlet for
  • the fuel can be introduced in liquid or gaseous form or in a mixture thereof in the pore body.
  • a single pore burner element is constructed and dimensioned so that the volumetric combustion over a large part of the
  • Porous body extends.
  • each individual pore burner element can surround the reaction channel in a ring shape in a first design.
  • the pore burner assembly may also be divided along the circumference into a plurality of pore burner elements, all of them
  • Pore burner elements together enclose the reaction channel in a second design annular.
  • the pore burner arrangement can also be formed from a combination of these two designs.
  • a subdivision of the pore burner arrangement into a plurality of pore burner elements makes it possible, for example, to form a temperature gradient within the reaction channel.
  • maintenance and repair work is simplified because individual pore burner elements are easily replaceable.
  • Reactor module the pore burner elements along the reaction channel arranged at a distance from each other.
  • Pore burner elements distances along the reaction channel are present, at least one inlet element and / or outlet element can be arranged at these distances on the reaction channel, whereby at least one Christsedukt and / or reaction product can be introduced into the reaction channel or discharged from the reaction channel.
  • This allows the implementation of a multi-stage chemical reaction in this reactor module. It also makes room for
  • Reaction channel ring-tube-shaped By at least a first
  • Pore burner element the outer outside of the ring-tubular
  • Reaction channel encloses and at least one second pore burner element on the inside of the inner boundary wall outside of the ring-tubular
  • Reaction channel is arranged, the reaction channel is bordered from two sides by a heat source and therefore it flows heat from two sides in the
  • the reaction channel can be increased without the "thickness" of the reaction channel influencing the uniformity of the temperature distribution having to be increased
  • the uniformity of the heat input and the heat distribution is improved in the reaction channel.
  • the advantageous embodiment of the invention according to claim 13 and 14 allows the production of fuel gas from solid feedstocks.
  • the solid starting materials are portioned, z. B. in the form of pellets, fed above the inlet lock, migrate downwards due to gravity in the reaction channel and the low-carbon solid residues are withdrawn at the lower end via the outlet lock at intervals.
  • the pellets may be provided, for example, by a pelletizer connected upstream of or integrated with the inlet sluice.
  • Fig. 1 shows a longitudinal section of a first embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows a cross-section of a first embodiment of the invention along the line A -A in FIG. 1.
  • Fig. 3 shows a longitudinal section of a second embodiment of the invention.
  • Fig. 4 shows a longitudinal section of a third embodiment of the invention.
  • Fig. 5 shows a cross section perpendicular to the reaction channel through the
  • Fig. 6 shows a longitudinal section of a fourth embodiment of the invention. [first embodiment]
  • a reactor module 1 comprises a reaction channel 2, which is enclosed by a tubular boundary wall 2a, and a first end 3, a second end 4 and a middle one
  • Section 5 between the first end 3 and the second end 4 has. At the first end 3 at least one Christsedukt is introduced into the reaction channel 2 and at the second end 4 is at least one reaction product from the
  • Reaction channel 2 deployed.
  • At the middle section 5 encloses a
  • Pore burner assembly 10 the reaction channel 2 annular. Like from the
  • Each porous burner element 11, 21 consists of a porous body 12, 22, which has an inner circumferential surface 13, 23, an outer lateral surface 14, 24, a first
  • Base surface 15, 25 and a second base surface 16, 26 has, as well as a
  • the first base 15, 25 of each pore body 12, 22 provided with the fuel inlet 17, 27 for introducing oxygen and a liquid or gaseous fuel
  • the second base surface 16, 26 each
  • Porous body 12, 22 is connected to a fuel outlet 18, 28 to the outlet of
  • the fuel inlets 17, 27 of one or both pore bodies 12, 22 also on the second base surface 16, 26 of the pore body 12, 22 and the fuel outlet 18, 28 on the first base surface 15, 25 of Porous body 12, 22 may be arranged.
  • each pore burner element 11, 21 is selected so that the inner circumferential surface 13, 23 of each pore body 12, 22, the boundary wall 2a of the reaction channel 2 tightly enclose.
  • the heat energy generated in the pore bodies 12, 22 is discharged directly to the reaction channel 2.
  • a direct heat transfer from the pore burner elements 11, 21 reaches the reaction channel 2.
  • Reaction channel 2 in an endothermic chemical reaction at least one
  • Fig. 3 shows a second embodiment of the invention.
  • a reactor module 30 are carbonaceous feedstocks and superheated steam in a
  • the reactor module 30 comprises a
  • Reaction channel 31 which is enclosed by a tubular boundary wall 31a and is arranged vertically.
  • the reaction channel 31 has an upper end 32, a lower end 33 and a middle portion 34 between the upper end 32 and the lower end 33.
  • an inlet lock 35 is arranged, of which only one lock valve 36 is shown in FIG.
  • a pipe 37 for discharging the fuel gas is arranged, which branches off from the reaction channel 31.
  • an outlet lock 38 is arranged, of which only one lock valve 39 is shown in FIG.
  • a pipeline 40 is arranged for introducing the superheated steam necessary for allothermal steam gasification.
  • the pipe 40 is formed so that the end piece 41 protrudes in the radial direction in the center of the reaction channel 31 and is bent so that the cross-sectional area of the outlet 42 of the pipe 40 is aligned perpendicular to the axis line of the reaction channel 41 and the outlet 42 to opens up.
  • a pore burner assembly 50 annularly surrounds the reaction channel 31, which consists of four pore burner elements 51.
  • Each individual porous burner element 51 consists of a porous body 52 which is in the form of a cylindrical hollow body with an inner circumferential surface 53, an outer lateral surface 54, a first base surface 55 and a second base surface 56, and a fuel inlet 57 and a fuel outlet 58 identifies.
  • the fuel inlet 57 is arranged on the first base surface 55 of the pore body 52 and the fuel outlet 58 on the second base surface 56 of the pore body 52, wherein the fuel in each
  • Porous burner element 51 flows from bottom to top, as indicated by the arrows.
  • the fuel inlet 57 may also be disposed on the second base 56 of the pore body 52 and the fuel outlet 58 on the first base 55 of the pore body 52, with the fuel in the pore burner element 51 flowing downwardly from above (not shown).
  • pore burner elements 51 in which the fuel flows in different directions may also be arranged.
  • each pore burner element 51 is formed so that the inner circumferential surface 53 of the porous body 52, the tubular boundary wall 31 a of the reaction channel 31 tightly encloses.
  • Porous burner elements 51 same height and same diameter. However, the pore burner elements 51 may also be different in height and diameter
  • Diameter of the respective pore burner element 51 is adjusted.
  • the carbonaceous feeds are introduced via the inlet lock 35 in the reaction channel 31 and the overheated
  • the reaction channel 31 can be filled up to the level of the first base surface 55 of the uppermost pore burner element 51. This is the one of all
  • Pore burner elements 51 generated heat energy supplied to the reaction channel 31.
  • the reaction channel 31 can be filled only to the first base 55 of any pore burner element 51 with the carbonaceous feedstocks, wherein advantageously only those pore burner elements 51 for the supply of Heat energy to the reaction channel 31 are used, to the first base 55 of the reaction channel 31 is filled with the carbonaceous feedstocks.
  • the carbonaceous feeds through the inlet lock 35 and the superheated steam can be introduced through the pipe 40 into the reaction channel 31 so that the
  • the reactor module 30 consists of a
  • the central portion 34 is annularly enclosed by a pore burner assembly 60.
  • the pore burner assembly 60 consists of a
  • a plurality, four in the present embodiment of pore burner elements 61 are, as described in the second embodiment, arranged around the tubular boundary wall 31a of the reaction channel 31.
  • Each individual porous burner element 61 consists of a porous body 62, which is in the form of a cylindrical hollow body with an inner circumferential surface 63, an outer circumferential surface 64, a first base 65, a second base 66 and a cylindrical central portion 67, and a fuel inlet 68 and a fuel outlet 69 has.
  • the fuel inlet 68 is arranged on the cylindrical middle section 67 of the pore body 62 and the fuel outlet 69 on the first base surface 65 and the second base surface 66 of the pore body 62
  • the fuel inlet 68 may also be connected to the first base 65 and the second base 66 of the porous body 62 and the fuel outlet 69 to the cylindrical central portion 67 of the porous body 62.
  • pore burner elements 61 in which the fuel flows in different directions, can also be arranged in a pore burner arrangement 60.
  • FIG. 6 shows a longitudinal section of a reactor module 70 and FIG. 5 shows a cross section along B - B in FIG. 6.
  • the reactor module 70 consists of a reaction channel 71 having an upper end 72, a lower end 73 and a central portion 74 between the upper end 72 and the lower end 73.
  • a reaction channel 71 having an upper end 72, a lower end 73 and a central portion 74 between the upper end 72 and the lower end 73.
  • the annular tubular reaction channel 71 is defined by an inner and an outer tubular boundary wall 75 and 76 with a circular cross section.
  • the two tubular boundary walls 75 and 76 have a circular cross-section and are arranged concentrically to one another.
  • transition regions 77 and 78 between the upper end 72 and the central portion 74 and the lower end 73 and the central portion 74 of the reaction channel 71 is formed conically.
  • a pore burner assembly 80 Arranged in the middle section in direct contact with the inner and outer boundary walls 75 and 76 is a pore burner assembly 80 having first and second outer pore burner elements 82 and 83 and first and second pore burner elements second inner pore burner element 84 and 85.
  • Each of the first outer and the first inner pore burner elements 82 and 84 and the second outer and the second inner pore burner elements 83 and 85 are associated with each other and sandwich the annular tubular central portion 74 of the reaction channel 71.
  • the two outer pore burner elements 82 and 83 have the shape of a hollow cylinder open at the top and at the bottom with a specific wall thickness and circular cross-section.
  • the two inner pore burner elements 84 and 85 are as
  • Solid cylinder formed with a circular cross-section the two inner pore burner elements 84 and 85 may be formed as a cylindrical hollow body (not shown).
  • the two inner and outer pore burner elements 84, 85 and 82, 83 are arranged at a distance from each other at the central portion 74 of the reaction channel 71.
  • the two outer pore burner elements 82 and 83 are as described in the second or third embodiment with a fuel inlet and a
  • Fuel outlet connected (not shown). As shown in FIG. 6, the first and second inner pore burner elements 84 and 85 are connected to a fuel inlet 90 which passes through the central portion 74 of the reaction channel 71 in the region between the first and second pore burner elements. Also from this area leads a fuel outlet 92 to the outside.

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Abstract

Es wird ein Reaktormodul für endotherme Reaktionen zur Erzeugung von einem oder mehreren Produkten, einen Reaktor mit einer Mehrzahl von solchen Reaktormodulen sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Reaktormoduls oder eines Reaktors bereitgestellt. Das Reaktormodul umfasst einen Reaktionskanal (2; 31; 71), der durch eine rohrförmige Begrenzungswand (2a; 31a; 75, 76) umschlossen ist und ein erstes Ende (3; 32; 72) und ein zweites Ende (4; 33; 73) aufweist, mindestens ein erstes Einlasselement (3; 35; 72) zum Einbringen von mindestens einem Reaktionsedukt in den Reaktionskanal (2; 31; 71), wobei das erste Einlasselement (3; 35; 72) an dem ersten Ende (3; 32; 72) des Reaktionskanals (2; 31; 71) angeordnet ist, mindestens ein erstes Auslasselement (4; 37; 73) zum Ausbringen von mindestens einem Reaktionsprodukt aus dem Reaktionskanal (2; 31; 71), wobei das erste Auslasselement (4; 37; 73) an dem zweiten Ende (4; 33; 73) des Reaktionskanals (2; 31; 71) angeordnet ist, und eine Wärmezuführeinrichtung in Form einer Porenbrenneranordnung (10; 50; 60; 80), die außen an der rohrförmigen Begrenzungswand (2a; 31a; 75, 76) des Reaktionskanals (2; 31; 71) angeordnet ist. Dadurch, dass anstelle einer Wärmequelle mit katalytischer Verbrennung eine Porenbrenneranordnung eingesetzt wird, sind hohe Reaktorleistungen zu eine wirtschaftlich vernünftigen Preis realisierbar. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Porenbrenneranordnung selbst ist wesentlich preisgünstiger als ein Verbrennungskatalysator ist.

Description

VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES REAKTORMODUL FÜR ENDOTHERME REAKTIONEN SOWIE REAKTOR MIT EINER MEHRZAHL VON SOLCHEN REAKTORMODULEN
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Reaktormodul für endotherme Reaktionen zur Erzeugung von einem oder mehreren Produkten nach Anspruch 1 , einen Reaktor mit einer Mehrzahl von solchen Reaktormodulen nach Anspruch 15 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Reaktormoduls oder eines Reaktors nach Anspruch 17.
Aus der US 2006/0122446 A1 ist ein zylindrisches Reaktormodul bekannt, das einen Reaktionskanal mit einem ersten und einem zweiten Ende sowie einer Außenseite und einer Innenseite umfasst. Über ein erstes Einlasselement am ersten Ende und ein zweites Einlasselement am zweiten Ende können zwei Reaktionsedukte in den
Reaktionskanal eingebracht werden. Über ein erstes Auslasselement am zweiten Ende und ein zweites Auslasselement am ersten Ende werden Reaktionsprodukte aus dem Rektionskanal abgezogen. Über einen Wärmetauscher wird die für eine endotherme chemische Reaktion notwendige Reaktionswärme in den Reaktionskanal eingekoppelt. Die für die allotherme Wasserdampfvergasung notwendigen hohen Wärmeströme lassen sich mit diesem bekannten Reaktormodul nicht erreichen.
Ein ähnliches Reaktormodul ist auch aus der US 5,487,876 B1 bekannt.
Aus der DE 698 35 503 T2 ist ein Reaktormodul zur Wasserdampfreformierung von Methanol bekannt. Das Reaktormodul umfasst ein Einlasselement zur Zuführung von Methanol und Wasserdampf, einen ring-rohrförmigen Reaktionskanal und ein
Auslasselement für Kohlendioxid und Wasserstoff. An der Außenseite des
Reaktionskanals ist ein poröser Verbrennungskatalysator angeordnet, der einen Teil des erzeugten Wasserstoffs verbrennt und auf diese Weise Wärme an den endothermen Reformierungsprozess in dem ring-rohrförmigen Reaktionskanal abgibt. Im innersten Rohr findet eine exotherme Methanisierungsreaktion statt, die ebenfalls Wärme in den ring-rohrförmigen Reaktionskanal abgibt. Auch aus der WO 2008/146052 A1 , der US 2008/0170975 A1 , der DE 102 13 891 A1 und dem deutschen Gebrauchsmuster G 93 20 711.5 sind katalytische
Reformierungsreaktoren zur Erzeugung von Wasserstoff und Methan bekannt.
Nachteilig bei den katalytischen Reformierungsreaktoren ist, dass sie aufgrund der teuren Katalysatormaterialien für Reaktoren mit hoher Leistung nicht geeignet sind.
Aus der EP 1 187 892 B1 ist ein sogenannter Heat-Pipe-Reformer bekannt, der eine Wirbelschichtfeuerung und eine Wirbelschichtvergasungskammer umfasst. In der Wirbelschichtvergasungskammer wird durch allotherme Wasserdampfvergasung
Brenngas aus kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen hergestellt. Die hierfür notwendige Wärme wird in der Wirbelschichtfeuerung mittels Verbrennung erzeugt und über
Heat-Pipes bzw. Wärmerohre in die Wirbelschichtvergasungskammer eingekoppelt. Nachteilig bei einem Reaktor gemäß der EP 1 187892 B1 ist, dass die Reaktionsenergie der Wirbelschichtvergasungskammer über Wärmeleitrohre zugeführt wird. Dies führt zu komplizierten Aufbauten und zu einer Vielzahl an Teilen im Inneren der
Wirbelschichtvergasungskammer, die von der Wirbelschicht umströmt werden, und folglich zu einem hohen Verschleiß. Daher muss ein solcher Reaktor in regelmäßigen Abständen gewartet werden. Darüber hinaus ist die über die Wärmeleitrohre geführte Wärmemenge begrenzt und somit auch die Reaktionsenergie für die allotherme
Wasserdampfvergasung.
Sogenannte Porenbrenner bestehen aus einem temperaturbeständigen porösen Material, das mit einem Einlass und einem Auslass verbunden ist. In den Einlass wird ein vorgemischtes Brennstoff-Luft-Gemisch eingeleitet, das in einer flammenlosen, volumetrischen Verbrennung exotherm reagiert, die sich in vielen kleinen Reaktoren, den Poren, stabilisiert. Durch die entstehende Verbrennungswärme beginnt der Porenkörper zu glühen. Ein solcher Porenbrenner ist beispielesweise aus„Gaswärme International (54), 872005" bekannt.
Weitere Porenbrenner für unterschiedliche Anwendungen und unterschiedlicher Ausgestaltung sind in der DE 10 2005 056 629 B4, der DE 103 44 979 A1 , der DE 10 2004 041 815 A1 , der DE 10 2006 012 168 A1 , der DE 20 2005 003 843 U1 , der WO 00/46548, der DE 101 14 902 A1 , DE 101 14903 A1 , der DE 102006 013445 A1 und der EP O 995 014 B1 offenbart.
Ausgehend von der US 2006/0122446 A1 oder der DE 698 35 503 T2 ist es daher Aufgabe der Erfindung ein Reaktormodul für endotherme Reaktionen anzugeben, das einen einfachen Aufbau aufweist und insbesondere zur Erzeugung von Brenngas aus kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen mittels allothermer Wasserdampfvergasung geeignet ist. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung einen Reaktor anzugeben, der aus einer
Mehrzahl von solchen Reaktormodulen besteht sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Reaktors oder Reaktormoduls anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit einem Reaktormodul nach Anspruch 1 , mit einem Reaktor nach Anspruch 15 und einem Verfahren 17 gelöst.
Dadurch, dass anstelle einer Wärmequelle mit katalytischer Verbrennnug eine Porenbrenneranordnung eingesetzt wird, sind hohe Reaktorleistungen zu eine
wirtschaftlich vernünftigen Preis realisierbar. Dies ist darauf urückzufühen, dass die Porenbrenneranordnung selbst ist wesentlich preisgünstiger als ein
Verbrennungskatalysator ist. Dadurch, dass die Porenbrenneranordnung an der
Außenseite des Reaktionskanals angeordnet ist, gelangt die für die endotherme Reaktion notwendige Wärme von dem Ort ihrer Erzeugung im Porenkörper direkt mittels
Wärmeleitung und Wärmestrahlung durch die Außenhülle des Reaktorkanals hindurch in den Reaktionskanal. Dadurch, dass die Porenbrenneranordnung um den Reaktionskanal herum angeordnet ist, kann die Wärme aus dem Reaktionskanal nicht mehr entweichen. Die Dimensionierung des Reaktionskanals und der Porenbrenneranordnung in axialer und radialer Richtung wird dabei so gewählt, dass in der Porenbrenneranordnung ausreichend Wärmeenergie erzeugte und in den Reaktionskanal übertragen wird, um eine endotherme chemische Reaktion im Inneren des Reaktionskanal durchzuführen. Der Querschnitt bzw. der Durchmesser des Reaktionskanals wird dabei so dimensioniert, dass über den Querschnitt eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung erreicht wird. In Abhängigkeit von der Wärmeleistung der Porenbrenneranordnung ergibt sich damit ein Durchmesserbereich, der diese gleichmäßige Temperaturverteilung über den Querschnitt des Reaktionskanals noch ermöglicht. Der Querschnitt des Reaktionskanals kann kreisförmig oder auch als regelmäßiges Vieleck ausgebildet sein. Bei jeder möglichen Ausführungsform steht die
Porenbrenneranordnung in direktem Kontakt mit einem möglichst großen Anteil der Außenseite des Reaktionskanals, so dass eine möglichst große
Wärmeübertragungsfläche zwischen Porenbrenneranordnung Reaktionskanals gegeben ist.
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 2 und 3 wird die thermische Abschirmung und Isolierung des Reaktionskanals zusätzlich verbessert.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Anspruch 4 ist ermöglicht, während des Betriebs des Reaktormoduls mindestens ein Reaktionsedukt und/oder mindesten ein Reaktionsprodukt über eine Einlass- und/oder Auslassschleuse in den Reaktionskanal einzuschleusen bzw. aus dem Reaktionskanal auszuschleusen. Hierdurch wird ein kontinuierlicher Betrieb des Reaktormoduls ermöglicht.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Anspruch 5 ist der
Reaktionskanal senkrecht angeordnet. Dies ermöglicht, die Schwerkraft oder
thermodynamische Effekte - wie z.B. warmes Gas dehnt sich aus und steigt nach oben - auszunutzen, um mindestens ein Reaktionsedukt und/oder mindestens ein
Reaktionsprodukt durch den Reaktionskanal zu fördern. Hierdurch kann beispielsweise die Trennung von Reaktionsprodukten, z.B. Gasen und Flüssigkeiten bzw. Feststoffen, vereinfacht werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 6 wird über eine
Einlassschleuse ein erstes Reaktionsedukt in den Reaktionskanal eingeschleust und über eine Auslassschleuse ein erstes Reaktionsprodukt aus dem Reaktionskanal ausgeschleust. Über ein zweites Einlasselement wird ein zweites Reaktionsedukt in den Reaktionskanal eingebracht und ein zweites Reaktionsprodukt wird über ein zweites Auslasselement aus dem Reaktionskanal ausgebracht. Dabei ist das zweite
Einlasselement zwischen der Einlassschleuse und der Porenbrenneranordnung oder zwischen der Auslassschleuse und der Porenbrenneranordnung angeordnet. Ebenso kann das zweite Auslasselement zwischen der Einlassschleuse und der
Porenbrenneranordnung oder zwischen der Auslassschleuse und der
Porenbrenneranordnung angeordnet sein. Darüber hinaus können diese beiden Ein- und Auslasselemente auch im Bereich der Porenbrenneranordnung aus dem Reaktionskanal heraus bzw. in den Reaktionskanal hinein führen. Die Variabilität eines solchen
Reaktormoduls ermöglicht die Durchführung einer Vielzahl an endothermen chemischen Reaktionen.
Außerdem ermöglicht die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 6 auch unterschiedliche Reaktionsedukte im Gegenstrom durch den Reaktionskanal zu führen Die eingeleiteten Mengen der Reaktionsedukte können dabei in vorteilhafter weise so gesteuert werden, dass eine optimale Umsetzung der Reaktionsedukte in
Reaktionsprodukte erzielt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 7 werden in dem
Reaktormodul Brenngase aus kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen und überhitztem
Wasserdampf durch allotherme Wasserdampfvergasung erzeugt. Als kohlenstoffhaltige Einsatzstoffe können z.B. Kohle, Teer, Teersand, Kunststoffabfälle, Reste aus Papier- und Zellstoffherstellung, Reste aus der petrochemischen Industrie, Elektronikschrott und Schredderleichtfraktion, und insbesondere biogene Einsatzstoffen, wie z.B. Ernteabfälle, Energiepflanzen (Miskantus) oder Holzhackschnitzel oder ein Gemisch davon verwendet werden. Der Aufbau des Reaktormoduls ermöglicht in vorteilhafter weise, dass die kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe von oben durch die Einlassschleuse und der überhitzte Wasserdampf von unten durch den Einlass so in den Reaktionskanal eingebracht werden, dass die kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe und der überhitzte Wasserdampf in
entgegengesetzten Richtungen durch den Reaktionskanal strömen. Die für die
Erzeugung von Brenngasen notwendige Reaktionsenergie wird dem Reaktionskanal durch die Porenbrenneranordnung zugeführt, wobei die kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe und der überhitzte Wasserdampf in Brenngas und kohlenstoffarme Einsatzstoffe, im Weiteren Asche genannt, umgesetzt werden. Die eingebrachten Mengen können dabei in vorteilhafter Weise so dosiert werden, dass eine optimale Umsetzung der
kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe und des überhitzten Wasserdampfes in Brenngas und Asche im Reaktionskanal erzielt wird. Nach der chemischen Reaktion sammelt sich das Brenngas im oberen Teil des Reaktionskanals und kann über den Auslass aus dem Reaktionskanal ausgebracht werden. Die Asche sammelt sich im unteren Teil des Reaktionskanals und kann über die Auslassschleuse aus dem Reaktionskanal ausgebracht werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 8 wird ein Kondensator dem zweiten Auslasselement nachgeschaltet. Durch diesen Kondensator wird in dem austretenden Brenngas enthaltener Wasserdampf kondensiert und damit aus dem Brenngas entfernt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Anspruch 9 umfasst die
Porenbrenneranordnung eine Mehrzahl von Porenbrennerelementen. Ein
Porenbrennerelement besteht dabei aus einem Brennstoffeinlass zum Einbringen von Sauerstoff und Brennstoff, einem Porenkörper und einem Brennstoffauslass zum
Auslassen des verbrannten Sauerstoff-Brennstoff-Gemisches. Der Brennstoff kann dabei in flüssiger oder gasförmiger Form oder in einem Gemisch davon in den Porenkörper eingebracht werden. Ein einzelnes Porenbrennerelement ist dabei so konstruiert und dimensioniert, dass sich die volumetrische Verbrennung über einen Großteil des
Porenkörpers erstreckt. Bei der Porenbrenneranordnung um den Reaktionskanal kann jedes einzelne Porenbrennerelement den Reaktionskanal in einer ersten Bauform ringförmig umschließen. Die Porenbrenneranordnung kann auch entlang des Umfangs in eine Mehrzahl an Porenbrennerelemente unterteilt sein, wobei alle
Porenbrennerelemente gemeinsam den Reaktionskanal in einer zweiten Bauform ringförmig umschließen. Darüber hinaus kann die Porenbrenneranordnung auch aus einer Kombination dieser beiden Bauformen ausgebildet sein. Eine Unterteilung der Porenbrenneranordnung in eine Mehrzahl von Porenbrennerelementen ermöglicht, beispielsweise einen Temperaturgradienten innerhalb des Reaktionskanals auszubilden. Darüber hinaus werden Wartungs- und Reparaturarbeiten vereinfacht, da einzelne Porenbrennerelemente leicht austauschbar sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Anspruch 10 sind bei einem
Reaktormodul die Porenbrennerelemente entlang des Reaktionskanals mit Abstand zueinander angeordnet. Durch eine solche Anordnung wird in vorteilhafter weise die Variabilität eines Reaktormoduls erhöht. Da zwischen zwei benachbarten
Porenbrennerelementen Abstände entlang des Reaktionskanals vorhanden sind, kann in diesen Abständen an dem Reaktionskanal mindestens ein Einlasselement und/oder Auslasselement angeordnet sein, wodurch mindestens ein Reaktionsedukt und/oder Reaktionsprodukt in den Reaktionskanal eingebracht bzw. aus dem Reaktionskanal ausgebracht werden kann. Dadurch wird die Umsetzung einer mehrstufigen chemischen Reaktion in diesem Reaktormodul ermöglicht. Außerdem wird dadurch Platz zur
Verfügung gestellt, um Versorgungsleitungen für die einzelnen Porenbrennerelemente leichter zugänglich bereitzustellen, wodurch auch Wartungs- und Reparaturarbeiten vereinfacht werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Anspruch 11 ist der
Reaktionskanal ring-schlauchförmig ausgebildet. Indem wenigstens ein erstes
Porenbrennerelement die äußere Außenseite des ring-schlauchförmigen
Reaktionskanals umschließt und wenigstens ein zweites Porenbrennerelement an der Innenseite der inneren Begrenzungswand außen an dem ring-schlauchförmigen
Reaktionskanals angeordnet ist, wird der Reaktionskanal von zwei Seiten von einer Wärmequelle eingefasst und es strömt daher Wärme von zwei Seiten in den
Reaktionskanal ein. Durch diese Ausgestaltung kann die Querschnittsfläche des
Reaktionskanals vergrößert werden, ohne dass hierzu die die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung beeinflussende„Dicke" des Reaktionskanals vergrößert werden muss. Auch ermöglicht diese Ausgestaltung auf Grund der größeren
Wärmeübertragungsfläche zwischen Porenbrenneranordnung und Reaktionskanal bei gegebenen Abmessungen größere Wärmestromdichten.
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 12 ist die Gleichmäßigkeit des Wärmeeintrags und der Wärmeverteilung in den Reaktionskanal verbessert.
Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 13 und 14 ermöglicht die Erzeugung von Brenngas aus festen Einsatzstoffen. Die festen Einsatzstoffe werden portioniert, z. B. in Form von Pellets, oben über die Einlassschleuse zugeführt, wandern aufgrund der Schwerkraft im Reaktionskanal nach unten und die kohlenstoffarmen festen Reststoffe werden am unteren Ende über die Auslassschleuse in Intervallen abgezogen. Die Pellets können beispielsweise durch eine der Einlassschleuse vor geschaltete oder in die Einlassschleuse integrierte Pelletiereinrichtung bereitgestellt werden."
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Anspruch 15 bildet eine Mehrzahl von Reaktormodulen einen Reaktor aus. Hierdurch und insbesondere durch die
Parallelschaltung der einzelnen Reaktormodule nach Anspruch 16 wird eine Anlage bereitgestellt, die eine großtechnische Erzeugung mindestens eines Reaktionsproduktes ermöglicht.
Durch das Betriebsverfahren nach Anspruch 17 wird ein Teil des erzeugten Brenngases als Brennstoff für die Porenbrenneranordnung genutzt. Daher muss lediglich in der Anfahrphase zusätzlicher Brennstoff für die Porenbrennanordnung zugeführt werden.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform der Erfindung entlang der Linie A -A in Fig. 1.
Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt senkrecht zum Reaktionskanal durch die
Porenbrenneranordnung einer vierten Ausführungsform der Erfindung entlang der Linie B - B in Fig. 6.
Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt einer vierten Ausführungsform der Erfindung. [erste Ausführungsform]
Fig. 1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsform der Erfindung. Ein Reaktormodul 1 umfasst einen Reaktionskanal 2, der durch eine rohrförmige Begrenzungswand 2a umschlossen wird, und ein erstes Ende 3, ein zweites Ende 4 und einen mittleren
Abschnitt 5 zwischen dem ersten Ende 3 und dem zweiten Ende 4 aufweist. An dem ersten Ende 3 wird mindestens ein Reaktionsedukt in den Reaktionskanal 2 eingebracht und an dem zweiten Ende 4 wird mindestens ein Reaktionsprodukt aus dem
Reaktionskanal 2 ausgebracht. An dem mittleren Abschnitt 5 umschließt eine
Porenbrenneranordnung 10 den Reaktionskanal 2 ringförmig. Wie aus der
Schnittdarstellung in Fig. 2 entlang A - A in Fig. 1 zu ersehen ist besteht die
Porenbrenneranordnung 10 aus einem ersten Porenbrennerelement 11 und einem zweiten Porenbrennerelement 21 , wobei die beiden Porenbrennerelemente 11 , 21 jeweils die Hälfte eines entlang der Längsachse geteilten zylindrischen Hohlkörpers ausbilden. Jedes Porenbrennerelement 11 , 21 besteht aus einem Porenkörper 12, 22, der eine innere Mantelfläche 13, 23, eine äußere Mantelfläche 14, 24, eine erste
Grundfläche 15, 25 und eine zweite Grundfläche 16, 26 aufweist, sowie einen
Brennstoffeinlass 17, 27 und einen Brennstoffauslass 18, 28. In der ersten
Ausführungsform ist die erste Grundfläche 15, 25 jedes Porenkörpers 12, 22 mit dem Brennstoffeinlass 17, 27 zum Einbringen von Sauerstoff und eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffes versehen, und die zweite Grundfläche 16, 26 jedes
Porenkörpers 12, 22 ist mit einem Brennstoffauslass 18, 28 zum Auslass des
verbrannten Brennstoff-Sauerstoff-Gemisches versehen. Jedoch können in einem oder beiden Porenbrennerelementen 11 , 21 die Brennstoffeinlässe 17, 27 eines oder beider Porenkörper 12, 22 auch an der zweiten Grundfläche 16, 26 des Porenkörpers 12, 22 bzw. der Brennstoffauslass 18, 28 an der ersten Grundfläche 15, 25 des Porenkörpers 12, 22 angeordnet sein.
Der Innendurchmesser jedes Porenbrennerelementes 11 , 21 ist dabei so gewählt, dass die innere Mantelfläche 13, 23 jedes Porenkörpers 12, 22 die Begrenzungswand 2a des Reaktionskanals 2 fest umschließen. Indem jeder Porenkörper 12, 22 direkt an der Begrenzungswand 2a des Reaktionskanals 2 anliegen, wird die in den Porenkörpern 12, 22 erzeugte Wärmeenergie direkt an den Reaktionskanal 2 abgegeben. Somit wird eine direkte Wärmeübertragung von den Porenbrennerelementen 11 , 21 auf den Reaktionskanal 2 erreicht. Durch die übertragene Wärmeenergie wird in dem
Reaktionskanal 2 in einer endothermen chemischen Reaktion mindestens ein
Reaktionsprodukt erzeugt.
[zweite Ausführungsform]
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung. In einem Reaktormodul 30 werden kohlenstoffhaltige Einsatzstoffe und überhitzter Wasserdampf in einer
endothermen chemischen Reaktion zu Brenngas und Asche umgesetzt - durch allotherme Wasserdampfvergasung. Das Reaktormodul 30 umfasst dabei einen
Reaktionskanal 31 , der durch eine rohrförmige Begrenzungswand 31a umschlossen wird und senkrecht angeordnet ist. Der Reaktionskanal 31 weist ein oberes Ende 32, ein unteres Ende 33 und einen mittleren Abschnitt 34 zwischen dem oberen Ende 32 und dem .unteren Ende 33 auf. Am oberen Ende 32 ist eine Einlassschleuse 35 angeordnet, von der in Fig. 3 nur ein Schleusenventil 36 gezeigt ist. Zwischen der Einlassschleuse 35 und dem mittleren Abschnitt 34 ist eine Rohrleitung 37 zum Ausbringen des Brenngases angeordnet, die von dem Reaktionskanal 31 abzweigt. Am unteren Ende 33 ist eine Auslassschleuse 38 angeordnet, von der in Fig. 3 nur ein Schleusenventil 39 gezeigt ist. Zwischen dem mittleren Abschnitt 34 und der Auslassschleuse 38 ist eine Rohrleitung 40 zum Einbringen des für die allotherme Wasserdampfvergasung notwendigen überhitzten Wasserdampfes angeordnet. Dabei ist die Rohrleitung 40 so ausgebildet, das deren Endstück 41 in radialer Richtung in die Mitte des Reaktionskanals 31 hineinragt und so gebogen ist, dass die Querschnittsfläche des Auslasses 42 der Rohrleitung 40 senkrecht zur Achslinie des Reaktionskanals 41 ausgerichtet ist und sich der Auslass 42 nach oben hin öffnet.
An dem mittleren Abschnitt 34 umschließt eine Porenbrenneranordnung 50 den Reaktionskanal 31 ringförmig, die aus vier Porenbrennerelementen 51 besteht. Jedes einzelne Porenbrennerelement 51 besteht aus einem Porenkörper 52, der in Form eines zylindrischen Hohlkörpers mit einer inneren Mantelfläche 53, einer äußeren Mantelfläche 54, einer ersten Grundfläche 55 und einer zweiten Grundfläche 56 ausgebildet ist, sowie einen Brennstoffeinlass 57 und einen Brennstoffauslass 58 ausweist. In der vorliegenden Ausführungsform ist in jedem Porenbrennerelement 51 der Brennstoffeinlass 57 an der ersten Grundfläche 55 des Porenkörpers 52 und der Brennstoffauslass 58 an der zweiten Grundfläche 56 des Porenkörpers 52 angeordnet, wobei der Brennstoff in jedem
Porenbrennerelement 51 von unten nach oben strömt, wie durch die Pfeile angedeutet. Jedoch kann in einem Porenbrennerelement 51 der Brennstoffeinlass 57 auch an der zweiten Grundfläche 56 des Porenkörpers 52 und der Brennstoffauslass 58 an der ersten Grundfläche 55 des Porenkörpers 52 angeordnet sein, wobei der Brennstoff in dem Porenbrennerelement 51 von oben nach unten strömt (nicht gezeigt). Darüber hinaus können in einer Porenbrenneranordnung 50 auch Porenbrennerelemente 51 , in denen der Brennstoff in unterschiedlichen Richtungen strömt, angeordnet sein.
Der Innendurchmesser jedes Porenbrennerelementes 51 ist dabei so ausgebildet dass die innere Mantelfläche 53 des Porenkörpers 52 die rohrförmige Begrenzungswand 31 a des Reaktionskanals 31 fest umschließt. Indem jeder Porenkörper 52 direkt an dem Reaktionskanal 31 anliegt, wird die in jedem Porenkörper 52 erzeugte Wärmeenergie direkt an den Reaktionskanal 31 abgegeben. Somit wird eine direkte Wärmeübertragung von jedem Porenbrennerelement 51 an den Reaktionskanal 31 erreicht.
In der vorliegenden Ausführungsform haben, wie in Fig. 3 gezeigt, alle
Porenbrennerelemente 51 gleiche Höhe und gleichen Durchmesser. Jedoch können sich die Porenbrennerelemente 51 auch in Höhe und Durchmesser voneinander
unterscheiden, wobei der Durchmesser des Reaktionskanals 31 jeweils dem
Durchmesser des jeweiligen Porenbrennerelementes 51 angepasst ist.
Zur Erzeugung des Brenngases werden die kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe über die Einlassschleuse 35 in den Reaktionskanal 31 eingeführt und der überhitzte
Wasserdampf durch die Rohrleitung 40 in den Reaktionskanal 31 eingeleitet. Der Reaktionskanal 31 kann dabei bis in Höhe der ersten Grundfläche 55 des obersten Porenbrennerelementes 51 angefüllt werden. Dabei wird die von allen
Porenbrennerelementen 51 erzeugte Wärmeenergie dem Reaktionskanal 31 zugeführt. Ebenso kann der Reaktionskanal 31 nur bis zur ersten Grundfläche 55 eines beliebigen Porenbrennerelementes 51 mit den kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen angefüllt werden, wobei in vorteilhafter weise nur diejenigen Porenbrennerelemente 51 zur Zuführung von Wärmeenergie an den Reaktionskanal 31 verwendet werden, bis zu deren ersten Grundfläche 55 der Reaktionskanal 31 mit den kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen angefüllt ist.
Darüber hinaus können zur Erzeugung des Brenngases die kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe durch die Einlassschleuse 35 und der überhitzte Wasserdampf durch die Rohrleitung 40 in den Reaktionskanal 31 so eingeleitet werden, dass die
kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe und der überhitzte Wasserdampf im Gegenstrom durch den Reaktionskanal 31 strömen. Die eingeleiteten Mengen können dabei so gesteuert werden, dass eine optimale Umsetzung der kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe und des überhitzten Wasserdampfes in Brenngas und Asche im Reaktionskanal 31 erzielt wird. Über die Auslassschleuse 38 kann die sich am unteren Ende 33 des Reaktioήskanals 31 befindliche Asche nach der chemischen Reaktion ausgeschleust werden.
[dritte Ausführungsform]
Im Folgenden wird anhand von Fig. 4 eine dritte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Hierbei sind die gleichen Teile wie in der vorhergehenden zweiten
Ausführungsform mit den gleichen Bezugszeichen versehen, wobei auf eine erneute Beschreibung dieser Teile mit Verweis auf die zweite Ausführungsform verzichtet wird.
Wie aus Fig. 4 zu ersehen ist, besteht das Reaktormodul 30 aus einem
Reaktionskanal 31 , dessen mittlerer Abschnitt 34 von einer Porenbrenneranordnung 60 ringförmig umschlossen wird. Die Porenbrenneranordnung 60 besteht aus einer
Mehrzahl, in der vorliegenden Ausführungsform vier, von Porenbrennerelementen 61. Die Porenbrennerelemente 61 sind dabei, wie in der zweiten Ausführungsform beschrieben, um die rohrförmige Begrenzungswand 31a des Reaktionskanals 31 angeordnet.
Jedes einzelne Porenbrennerelement 61 besteht aus einem Porenkörper 62, der in Form eines zylindrischen Hohlkörpers mit einer inneren Mantelfläche 63, einer äußeren Mantelfläche 64, einer ersten Grundfläche 65, einer zweiten Grundfläche 66 und einem zylindrischen Mittelabschnitt 67 ausgebildet ist, sowie einen Brennstoffeinlass 68 und einen Brennstoffauslass 69 aufweist. In der vorliegenden Ausführungsform ist in jedem Porenbrennerelement 61 der Brennstoffeinlass 68 an dem zylindrischen Mittelabschnitt 67 des Porenkörpers 62 und der Brennstoffauslass 69 an der ersten Grundfläche 65 sowie der zweiten Grundfläche 66 des Porenkörpers 62 angeordnet, wobei der
Brennstoff wie durch die Pfeile angegeben durch jedes Porenbrennerelement 61 strömt. Jedoch kann in einem Porenbrennerelement 61 der Brennstoffeinlass 68 auch mit der ersten Grundfläche 65 und der zweiten Grundfläche 66 des Porenkörper 62 und der Brennstoffauslass 69 mit dem zylindrischen Mittelabschnitt 67 des Porenkörpers 62 verbunden sein. Darüber hinaus können in einer Porenbrenneranordnung 60 auch Porenbrennerelemente 61 , in denen der Brennstoff in unterschiedlichen Richtungen strömt, angeordnet sein.
[vierte Ausführungsform]
Figuren 5 und 6 zeigen eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt eines Reaktormoduls 70 und Fig. 5 zeigt einen Querschnitt entlang B - B in Fig. 6.
Das Reaktormodul 70 besteht dabei aus einem Reaktionskanal 71 , der ein oberes Ende 72, ein unteres Ende 73 und einen mittleren Abschnitt 74 zwischen dem oberen Ende 72 und dem unteren Ende 73 aufweist. Am oberen Ende 72 und am unteren Ende 73 ist der Reaktionskanal 71 in Form eines kreiszylindrischen Rohres und im mittleren Abschnitt 74 ring-schlauchförmig ausgebildet. Im mittleren Abschnitt 74 wird der ring-schlauchförmige Reaktionskanal 71 durch eine innere und eine äußere rohrförmige Begrenzungswand 75 und 76 mit kreisförmigem Querschnitt begrenzt. Die beiden rohrförmigen Begrenzungswände 75 und 76 weisen einen kreisförmigen Querschnitt auf und sind konzentrisch zueinander angeordnet. In den Übergangsbereichen 77 und 78 zwischen dem oberen Ende 72 und dem mittleren Abschnitt 74 und dem unteren Ende 73 und dem mittleren Abschnitt 74 ist der Reaktionskanal 71 kegelförmig ausgebildet.
Im mittleren Abschnitt ist in direktem Kontakt zu der inneren und der äußeren Begrenzungswand 75 und 76 eine Porenbrenneranordnung 80 angeordnet, die ein erstes und ein zweites äußeres Porenbrennerelement 82 und 83 und ein erstes und ein zweites inneres Porenbrennerelement 84 und 85 umfasst. Jeweils das erste äußere und das erste innere Porenbrennerelement 82 und 84 und das zweite äußere und das zweite innere Porenbrennerelement 83 und 85 sind einander zugeordnet und schließen den ring-schlauchförmigen mittleren Abschnitt 74 des Reaktionskanal 71 sandwichartig ein. Die beiden äußeren Porenbrennerelemente 82 und 83 weisen die Form eines oben und unten offenen Hohlzylinders mit einer bestimmten Wandstärke und kreisförmigem Querschnitt auf. Die beiden inneren Porenbrennerelemente 84 und 85 sind als
Vollzylinder mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet. Alternativ können auch die beiden inneren Porenbrennerelemente 84 und 85 als zylindrischer Höhlkörper ausgebildet sein (nicht gezeigt). Die beiden inneren und äußeren Porenbrennerelemente 84, 85 und 82, 83 sind mit Abstand zueinander an dem mittleren Abschnitt 74 des Reaktionskanals 71 angeordnet.
Die beiden äußeren Porenbrennerelemente 82 und 83 sind wie in der zweiten oder dritten Ausführungsform beschrieben mit einem Brennstoffeinlass und einem
Brennstoffauslass verbunden (nicht gezeigt). Wie in Fig. 6 gezeigt, sind das erste und das zweite innere Porenbrennerelement 84 und 85 mit einem Brennstoffeinlass 90 verbunden, der im Bereich zwischen den ersten und zweiten Porenbrennerelementen den mittleren Abschnitt 74 des Reaktionskanals 71 durchsetzt. Ebenfalls aus diesem Bereich führt ein Brennstoffauslass 92 nach außen.
Bei der vierten Ausführungsform wird durch die inneren und äußeren
Porenbrennerelement mit dem ring-schlauchförmige Reaktionskanal dazwischen eine gleichmäßige Temperatur- und Wärmeenergieverteilung im Inneren des Reaktionskanals 71 erreicht und gleichzeitig kann dabei auf Grund der größeren Kontaktfläche zwischen den vier Porenbrennerelementen 82, 83, 84, 85 und dem mittleren Abschnitt 74 des Reaktionskanals 71 mehr Wärmeenergie von den vier Porenbrennerelementen 82, 83, 84, 85 an den Reaktionskanal 71 übertragen werden. Reaktormodul Reaktionskanal
Begrenzungswand
erstes Ende von 2
zweites Ende von 2
mittlerer Abschnitt von 2 Porenbrenneranordnung erstes Porenbrennerelement Porenkörper von 11
innere Mantelfläche von 11 äußere Mantelfläche von 11 erste Grundfläche von 11 zweite Grundfläche von 11 Brennstoffeinlass von 1 1 Brennstoffauslass von 11 zweites Porenbrennerelement Porenkörper von 21
innere Mantelfläche von 21 äußere Mantelfläche von 21 erste Grundfläche von 21 zweite Grundfläche von 21 Brennstoffeinlass von 21 Brennstoffauslass von 21 Reaktormodul
Reaktionskanal
a Begrenzungswand von 31 oberes Ende von 31 unteres Ende von 31 mittleren Abschnitt von 31 Einlassschleuse
Schleusenventil
Rohrleitung Auslassschleus
Schleusenventil
Rohrleitung
Endstück von 40
Auslass von 40
Porenbrenneranordnung
Porenbrennerelementen
Porenkörper von 51
innere Mantelfläche von 51
äußere Mantelfläche von 51
erste Grundfläche von 51
zweite Grundfläche von 51
Brennstoffeinlass von 51
Brennstoffauslass von 51
Porenbrenneranordnung
Porenbrennerelementen
Porenkörper
innere Mantelfläche von 61
äußere Mantelfläche von 61
erste Grundfläche von 61
zweite Grundfläche von 61
zylindrischer Mittelabschnitt von 61
Brennstoffeinlass von 61
Brennstoffauslass von 61
Reaktormodul
Reaktionskanal
oberes Ende von 71
unteres Ende von 71
mittlerer Abschnitt von 71
innere rohrförmige Begrenzungswand von 71 äußere rohrförmige Begrenzungswand von 71 oberer Übergangsbereich
unterer Übergangsbereich 80 Porenbrenneranordnung
82 erstes äußeres Porenbrennerelement
83 zweites äußeres Porenbrennerelement
84 erstes inneres Porenbrennerelement
85 zweites inneres Porenbrennerelement
90 Brennstoffeinlass von 84 und 85
92 Brennstoffauslass von 84 und 84

Claims

Ansprüche
1. Reaktormodul (1 ; 30; 70) für endotherme Reaktionen zur Erzeugung von
mindestens einem Reaktionsprodukt, mit
- einem Reaktionskanal (2; 31 ; 71), der durch eine rohrförmige Begrenzungswand (2a; 31a; 75, 76) umschlossen ist und ein erstes Ende (3; 32; 72) und ein zweites Ende (4; 33; 73) aufweist;
- mindestens einem ersten Einlasselement (3; 35; 72) zum Einbringen von mindestens einem Reaktionsedukt in den Reaktionskanal (2; 31 ; 71), wobei das erste Einlasselement (3; 35; 72) an dem ersten Ende (3; 32; 72) des
Reaktionskanals (2; 31; 71) angeordnet ist;
- mindestens einem ersten Auslasselement (4; 37; 73) zum Ausbringen von mindestens einem Reaktionsprodukt aus dem Reaktionskanal (2; 31 ; 71), wobei das erste Auslasselement (4; 37; 73) an dem zweiten Ende (4; 33; 73) des Reaktionskanals (2; 31 ; 71) angeordnet ist, und
- einer Wärmezuführeinrichtung zum Einkoppeln der für die endotherme Reaktion notwendigen Wärme, dadurch gekennzeichnet,
dass die Wärmezuführeinrichtung als Porenbrenneranordnung (10; 50; 60; 80) ausgebildet ist, die außen an der rohrförmigen Begrenzungswand (2a; 31a; 75, 76) des Reaktionskanals (2; 31 ; 71) angeordnet ist.
2. Reaktormodul (1 ; 30; 70) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Porenbrenneranordnung (10; 50; 60; 80) den Reaktionskanal (2; 31 ;71) ringförmig umschließt.
3. Reaktormodul (1 ; 30; 70) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenbrenneranordnung (10; 50; 60; 80) nach außen thermisch isoliert ist.
4. Reaktormodul (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das erste Einlasselement als Einlassschleuse (35) und/oder das erste Auslasselement als Auslassschleuse (38) ausgebildet ist.
5. Reaktormodul (1 ; 30; 70) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionskanal (2; 31 ; 71) senkrecht angeordnet ist und das erste Ende (3; 32; 72) oben und ein das zweite Ende (4; 33; 73) unten angeordnet ist.
6. Reaktormodul (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass ein zweites Einlasselement (40) zum Einbringen eines zweiten Reaktionseduktes in den Reaktionskanal (31) vorgesehen ist, und dass ein zweites Auslasselement (37) zum Ausbringen eines zweiten
Reaktionsprodukt aus dem Reaktionskanal (31) vorgesehen ist.
7. Reaktormodul (30) nach Anspruch 4 zur Erzeugung von Brenngas aus
kohlenstoffhaltigen, insbesondere biogenen Einsatzstoffen durch allotherme Wasserdampfvergasung, dadurch gekennzeichnet,
'dass die Einlassschleuse (35) zum Einbringen der kohlenstoffhaltigen
Einsatzstoffen in den Reaktionskanal (31) ausgebildet ist,
dass die Auslassschleuse (38) zum Ausbringen von kohlenstoffarmen
Produktstoffen aus dem Reaktionskanal (31) ausgebildet ist,
dass das zweite Einlasselement (40) zum Einbringen von überhitztem
Wasserdampf in den Reaktionskanal (31) ausgebildet ist, und
dass das zweite Auslasselement (37) zum Ausbringen des Brenngases aus dem
Reaktionskanal (31) ausgebildet ist.
8. Reaktormodul (30) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem zweiten Auslasselement (37) ein Kondensator nachgeschaltet ist, um aus dem Brenngas Wasserdampf abzuscheiden.
9. Reaktormodul (1 ; 30; 70) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Porenbrenneranordnung (10; 50; 60; 80) eine Mehrzahl von Porenbrennerelementen (11 , 21 ; 41 ; 51 ; 82, 83, 84, 85) aufweist.
10. Reaktormodul (30; 70) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die
Porenbrennerelemente (41 ; 51 ; 81 , 91 , 92) entlang des Reaktionskanals (31 ; 71) mit Abstand zueinander angeordnet sind.
1 1. Reaktormodul (70) nach einem der vorherigen Ansprüche 9 bis 10, dadurch
gekennzeichnet,
dass der Reaktionskanal (71) wenigstens abschnittsweise ring-schlauchförmig ausgebildet ist und eine innere rohrförmige Begrenzungswand (75) und eine äußere rohrförmige Begrenzungswand (76) aufweist, dass wenigstens ein erstes Porenbrennerelement (82, 83) auf der Innenseite der inneren Begrenzungswand (75) außen an dem Reaktionskanal (71 ) angeordnet ist, und
dass wenigstens ein zweites Porenbrennerelement (84, 85) auf der Außenseite der äußeren Begrenzungswand (76) des ring-schlauchförmigen Reaktionskanals
(71) angeordnet ist.
12. Reaktormodul (70) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die innere und die äußere rohrförmige Begrenzungswand (75, 76) einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen und konzentrisch zueinander angeordnet sind.
13. Reaktormodul zur Erzeugung von Brenngas nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
dass der Reaktionskanal (31 ; 71) senkrecht angeordnet ist und das erste Ende
(32; 72) oben und ein das zweite Ende (33; 73) unten angeordnet ist,
dass das Einlasselement (40) für überhitzten Wasserdampf zwischen der
Porenbrenneranordnung (50; 60) und der Auslassschleuse (38) ausgebildet ist, und
dass das Auslasselement (37) für Brenngas zwischen der
Porenbrenneranordnung (50; 60) und der Einlassschleuse (35) angeordnet ist.
14. Reaktormodul nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die
Einlassschleuse zur Einbringung und die Auslassschleuse zum Ausbringen von Feststoffen aus gelegt ist.
15. Reaktor mit einer Mehrzahl von Reaktormodulen (1 ; 30; 70) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche.
16. Reaktor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen
Reaktormodule (1 ; 30; 70) parallel geschaltet sind.
17. Verfahren zum Betreiben eines Reaktormoduls (30) nach einem der vorherigen Ansprüche 7 bis 14 oder eines Reaktors nach den Ansprüchen 15 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem Reaktormodul (30) erzeugte Brenngas der Porenbrenneranordnung (50; 60) als Brennstoff zugeführt wird.
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