WO2021098980A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von kohlenmonoxid durch reverse wassergas-shift - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von kohlenmonoxid durch reverse wassergas-shift Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Kohlenmonoxid enthaltenden Produktgases (15), wobei ein Wasserstoff und Kohlendioxid enthaltender Einsatzstrom (2) in einem Reaktor (R) durch reverse Wassergas-Shift in ein kohlenmonoxidhaltiges Zwischenprodukt (4) umgesetzt wird, von dem das Produktgas (15) abgetrennt wird. Kennzeichnend hierbei ist, dass die reverse Wassergas-Shift-Reaktion (R) bei Temperaturen von mehr als 1250°C nichtkatalytisch und homogene in der Gasphase durchgeführt und hierzu erforderliche Wärme durch Verbrennung von im Einsatzstrom (2) enthaltenem Wasserstoff erzeugt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Kohlenmonoxid durch reverse
Wasseroas-Shift
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Kohlenmonoxid enthaltenden Produktgases, wobei ein Wasserstoff und Kohlendioxid enthaltender Einsatzstrom in einem Reaktor durch reverse Wassergas-Shift in ein kohlenmonoxidhaltiges Zwischenprodukt umgesetzt wird, von dem das Produktgas abgetrennt wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Kohlenmonoxid enthaltende Produktgase wie Oxo- oder Synthesegase, werden gewöhnlich in einem thermo-chemischen Konversionsprozess aus fossilen kohlenstoffhaltigen Einsätzen wie etwa Erdgas durch allo- oder autotherme Dampfreformierung oder Partielle Oxidation gewonnen. Bei all diesen Verfahren wird Kohlendioxid erzeugt und in die Atmosphäre freigesetzt, wo es sich anreichert und den Treibhauseffekt verstärkt. Es wird daher angestrebt, bei der Kohlenmonoxiderzeugung den Verbrauch fossiler Energieträger zu reduzieren und vermehrt regenerative Energieträger einzusetzen.
Die einfachste Möglichkeit dies zu erreichen, ist der Ersatz der fossilen Energieträger durch landwirtschaftlich erzeugte Biomasse. Allerdings vermindert sich dadurch die für die Nahrungsmittelproduktion verfügbare Anbaufläche, was angesichts der zunehmenden Weltbevölkerung mittel- bis langfristig zu Konflikten führen dürfte.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, aus regenerativ - z.B. durch Windkraft oder Photovoltaik - gewonnener Elektroenergie in einem Elektrolyseur Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten und den so gewonnenen Wasserstoff mit Kohlendioxid, das als Nebenprodukt in vielen Industrieprozessen anfällt, durch katalytisch unterstützte reverse Wassergas-Shift (kurz rWGS) gemäß der Gleichung
CO2 + H2 => CO + H2O in einer endothermen Reaktion zu Kohlenmonoxid umzusetzen. Die hierbei verwendeten, in einem Festbett angeordneten Katalysatoren sind selektiv für die rWGS-Reaktion und unterdrücken die thermodynamisch ebenso begünstigte Methanisierung (CO2 + 4H2 => CH4 + 2H20). Der thermodynamisch stark limitierte Umsatz der rWGS nimmt mit steigender Reaktionstemperatur zu. So erreicht die Massenwirkungskonstante Kp, die bei 400°C einen Wert von lediglich 0,1 besitzt, bei 800°C einen Wert von ca. 1. Der Transport der benötigten Reaktionswärme wird durch Eigenschaften des Katalysatorbetts und die konstruktionsbedingt eingeschränkten Möglichkeiten der Wärmeübertragung begrenzt, so dass je nach der Art des verwendeten Katalysators die Umsetzung lediglich in einem Temperaturbereich zwischen 400 - 700°C durchgeführt werden kann.
Zum Ausgleich der Umsatzlimitierungen werden nach dem Stand der Technik Kohlendioxid und/oder Wasserstoff mit hohem Überschuss in den zur Durchführung der rWGS-Reaktion eingesetzten rWGS-Reaktor eingeleitet. Um das Produktgas in der gewünschten Zusammensetzung (beispielsweise mit H2/CO = 1) zu erhalten, werden nicht umgesetztes Kohlendioxid und überschüssiger Wasserstoff mit erheblichem Aufwand aus dem Produktstrom abgetrennt und vor den rWGS-Reaktor zurückgeführt.
Eine dritte Möglichkeit, die klimaschädlichen Auswirkungen der Kohlenmonoxiderzeugung zu reduzieren, ist durch die elektrolytische Zerlegung von Kohlendioxid und Wasser unter Einsatz von regenerativ gewonnener Elektroenergie gegeben. Verfahren dieser Art sind jedoch bisher nicht für den großtechnischen Einsatz geeignet, da sie sich gegenwärtig noch im Entwicklungsstadium befinden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art anzugeben, durch die die Beschränkungen des Standes der Technik überwunden werden.
Diese Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die reverse Wassergas-Shift-Reaktion bei Temperaturen von mehr als 1250°C nichtkatalytische und homogen in der Gasphase durchgeführt und hierzu erforderliche Wärme durch Verbrennung von im Einsatzstrom enthaltenem Wasserstoff erzeugt wird. Bei Temperaturen von mehr als 1250°C läuft die rWGS-Reaktion ohne den Einsatz eines Katalysators in der Gasphase hinreichend schnell ab. Gleichzeitig nimmt die Massenwirkungskonstante Kp einen Wert von ca. 2,8 an, so dass ausreichend hohe Umsätze bei vergleichsweise geringen nicht umgesetzten und zurückzuführenden Kohlendioxid- und Wasserstoffmengen erzielt werden. Weiterhin wird Methan nur in kleinen Mengen gebildet, da die Methanisierung unter diesen Bedingungen thermodynamisch nur wenig begünstigt ist.
Dem für die rWGS-Reaktion verwendeten Reaktor wird Sauerstoff in einer Menge zugeführt, die u.U. nicht ausreicht, um den gesamten im Einsatzstrom vorhandenen Wasserstoff zu verbrennen, die aber genügt, die Temperatur in der Gasphase auf über 1250°C anzuheben. Vorzugsweise wird die rWGS autotherm durchgeführt und die gesamte hierfür benötigte Wärme durch die Verbrennung von im Einsatzstrom enthaltenem Wasserstoff erzeugt. Der Sauerstoff kann stromaufwärts des rWGS- Reaktors dem Wasserstoff und Kohlendioxid enthaltenden Einsatzstrom zudosiert und mit diesem homogen vermischt werden. Vorzugsweise wird aber der Wasserstoff und Kohlendioxid enthaltende Einsatzstrom getrennt vom Sauerstoff über einen Brenner in den Reaktionsraum des rWGS-Reaktors eingeleitet und erst dort mit diesem gemischt.
Die bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugte Verbrennungswärme entsteht in der Gasphase, und somit direkt dort, wo sie als Reaktionswärme für die rWGS-Reaktion benötigt wird. Anders als bei einer allothermen Prozessführung gemäß dem Stand der Technik, wirkt sich der Transport der Reaktionswärme daher auf die rWGS-Reaktion nicht oder nur in sehr geringerem Maß limitierend aus.
Für die Durchführung der rWGS-Reaktion wird zweckmäßigerweise ein Reaktor eingesetzt, wie er ähnlich aus dem Stand der Technik für die Synthesegaserzeugung durch Partielle Oxidation bekannt ist. Das im rWGS-Reaktor erhältliche kohlenmonoxidhaltige Zwischenprodukt wird anschließend beispielsweise in einer Quencheinrichtung in direktem Kontakt mit Wasser oder in einem speziellen Wärmeübertrager (Synthesegaskühler) durch Verdampfen von Wasser abgekühlt, ehe aus ihm das Kohlenmonoxid enthaltende Produktgas abgetrennt wird.
Zur Abtrennung des Kohlenmonoxid enthaltenden Produktgases wird vorgeschlagen, das im rWGS-Reaktor erhaltene Zwischenprodukt nach seiner Abkühlung einer Sauergaswäsche zu unterziehen, in der Kohlendioxid mit Hilfe eines geeigneten Waschmittels, wie beispielsweise Methanol, ausgewaschen wird, wobei ein weitgehend aus Kohlenmonoxid und ggf. Wasserstoff bestehendes Gasgemisch und ein mit Kohlendioxid beladenes Waschmittel erhalten werden. Je nach seiner Zusammensetzung, wird das weitgehend aus Kohlenmonoxid und ggf. Wasserstoff bestehende Gasgemisch als Produktgas abgegeben oder, um die für das Produktgas gewünschte Zusammensetzung einzustellen, einem weiteren Trennschritt unterzogen, in dem beispielsweise überschüssiger Wasserstoff zur Rückführung vor den rWGS- Reaktor in einem kryogenen Prozess, über Membranen oder durch Druckwechseladsorption abgetrennt wird.
Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, das in der Sauergaswäsche mit Kohlendioxid beladene Waschmittel durch Strippung zu regenerieren, wobei für den Einsatz im rWGS-Reaktor bestimmter Wasserstoff als Strippgas dient. Zweckmäßigerweise wird der bei der Strippung mit Kohlendioxid beladene Wasserstoffstrom zur Bereitstellung des Wasserstoff und Kohlendioxid enthaltenden Einsatzstroms verwendet, wozu Kohlendioxid aus einer externen Quelle und evtl auch Wasserstoff zugemischt werden.
Besonders bevorzugt wird zumindest ein Teil des im erfindungsgemäßen Verfahren benötigten Wasserstoffs durch Elektrolyse aus Wasser gewonnen, wobei der eingesetzte elektrische Strom sinnvollerweise aus einer oder mehreren regenerativen Energiequellen bezogen wird. Ein Teil des für die Elektrolyse benötigten Stroms kann über einen mit einer Dampfturbine gekoppelte Generator erzeugt werden, wobei während der Abkühlung des kohlenmonoxidhaltigen Zwischenprodukts anfallender Dampf in der Dampfturbine entspannt wird.
Der für die Verbrennung von Wasserstoff im rWGS-Reaktor benötigte Sauerstoff wird vorzugsweise ebenfalls durch Elektrolyse aus Wasser gewonnen, wobei es sich zweckmäßigerweise um dieselbe Elektrolyse handelt, in der auch Wasserstoff für die rWGS-Reaktion erzeugt wird. Ein Teil oder die Gesamtmenge des bei der Elektrolyse anfallenden Sauerstoffs wird im rWGS-Reaktor verwendet, um Wärme für die rWGS- Reaktion durch die Verbrennung von Wasserstoff zu liefern. Bei der Elektrolyse überschüssig anfallender Sauerstoff wird sinnvollerweise als zusätzlicher Produktstrom abgegeben. Während der rWGS-Reaktion gebildetes Wasser wird zweckmäßigerweise aus dem kohlenmonoxidhaltigen Zwischenprodukt auskondensiert und nach einer optionalen Aufreinigung der Elektrolyse zur Zerlegung zugeführt.
Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird sinnvollerweise Kohlendioxid eingesetzt, das nach dem Stand der Technik in die Atmosphäre freigesetzt würde. Derartiges Kohlendioxid ist beispielsweise in Raffinerie-Abgasen oder den wasserstoffhaltigen Restgasen einer Fischer-Tropsch-Synthese enthalten, aus denen es abgetrennt werden kann. Vorzugsweise werden die kohlendioxidhaltigen Ab- und Restgase jedoch ohne Aufbereitung dem erfindungsgemäßen Verfahren zugeführt.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Kohlenmonoxid enthaltenden Produktgases, mit einem Reaktor, in dem ein Wasserstoff und Kohlendioxid enthaltender Einsatzstrom durch reverse Wassergas-Shift in ein kohlenmonoxidhaltiges Zwischenprodukt umgesetzt werden kann, sowie einer Trenneinrichtung zur Abtrennung des Produktgases aus dem kohlenmonoxidhaltigen Zwischenprodukt.
Die gestellte Aufgabe wird vorrichtungsseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Reaktor mit einer feuerfesten thermischen Isolierung ausgeführt ist, die einen im Wesentlichen leeren Reaktionsraum umschließt, in dem die reverse Wassergas-Shift- Reaktion bei Temperaturen von mehr als 1250°C nichtkatalytisch und homogen in der Gasphase durchgeführt und hierzu erforderliche Wärme durch Verbrennung von im Einsatzstrom enthaltenem Wasserstoff erzeugt werden kann.
Das der Reaktionsraum des rWGS-Reaktors im Wesentlichen leer ist, bedeutet, dass er insbesondere keinen Katalysator enthält. Dagegen können sich etwa Einrichtungen für die Zuführung von Einsatzstoffen sowie Messeinrichtungen in das Innere des Reaktionsraum erstrecken. Vorzugsweise ist der rWGS-Reaktor ähnlich aufgebaut wie ein aus dem Stand der Technik bekannter, für die Synthesegaserzeugung durch Partielle Oxidation verwendbarer Reaktor. Er weist einen stählernen, im Wesentlichen zylindrischen und sich nach oben verjüngenden Druckbehälter mit senkrechter Achse auf, der mit einer feuerfesten Isolierung ausgekleidet ist, die den Reaktionsraum umschließt. Am höchsten Punkt des Reaktors ist ein senkrecht nach unten feuernder Prozessbrenner angeordnet, über den der Wasserstoff und Kohlendioxid enthaltende Einsatzstrom dem Rektionsraum zugeführt werden kann. Über eine Öffnung am unteren Ende des Reaktors ist das erzeugte kohlenmonoxidhaltige Zwischenprodukt aus dem Reaktionsraum abziehbar, um beispielsweise in einer Quencheinrichtung in direktem Kontakt mit Wasser abgekühlt zu werden.
Die stromabwärts des rWGS-Reaktors angeordnete Trenneinrichtung zur Abtrennung des Produktgases aus dem kohlenmonoxidhaltigen Zwischenprodukt umfasst bevorzugt eine Sauergaswäsche, in der Kohlendioxid mit Hilfe eines geeigneten Waschmittels, wie beispielsweise Methanol, auswaschbar ist und ein weitgehend aus Kohlenmonoxid und evtl. Wasserstoff bestehendes Gasgemisch sowie ein mit Kohlendioxid beladenes Waschmittel erhältlich sind. Sinnvollerweise ist die Sauergaswäsche mit dem rWGS-Reaktor derart verbunden, dass bei der Regenerierung des beladenen Waschmittels anfallendes Kohlendioxid als Einsatz vor den rWGS-Reaktor zurückgeführt werden kann.
Je nach der Zusammensetzung des Zwischenprodukts und der gewünschten Qualität des Produktgases, kann die Trenneinrichtung eine oder mehrere weitere Vorrichtungen zur Gaszerlegung umfassen. Beispielsweise kann der Sauergaswäsche ein kryogener Gaszerleger nachgeschaltet sein, mit dem aus dem weitgehend aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehenden Gasgemisch überschüssiger Wasserstoff zur Rückführung vor den rWGS-Reaktor abtrennbar ist.
In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die Sauergaswäsche zur Regenerierung des mit Kohlendioxid beladenen Waschmittels eine Strippeinrichtung, in der für den Einsatz im rWGS-Reaktor bestimmter Wasserstoff als Strippgas verwendet werden kann. Zweckmäßigerweise ist die Strippeinrichtung derart mit dem rWGS-Reaktor verbunden, dass der bei der Strippung mit Kohlendioxid beladene Wasserstoff zur Bereitstellung des Wasserstoff und Kohlendioxid enthaltenden Einsatzstroms eingesetzt werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst in einer bevorzugten Ausgestaltung zumindest einen Elektrolyseur zur elektrochemischen Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Der Elektrolyseur ist sinnvollerweise mit dem rWGS- Reaktor derart verbunden, dass der erzeugbare Wasserstoff dem rWGS-Reaktor als Teil des Wasserstoff und Kohlendioxid enthaltenden Einsatzstroms zugeführt werden kann. Weiterhin kann die Verbindung zwischen diesem oder einem anderen Elektrolyseur und dem rWGS-Reaktor so ausgeführt sein, dass der bei der Elektrolyse anfallende Sauerstoff ganz oder zum Teil im rWGS-Reaktor verwendbar ist, um Reaktionswärme für die rWGS-Reaktion durch die Verbrennung von Wasserstoff zu liefern.
Bevorzugt ist der Elektrolyseur mit dem rWGS-Reaktor über die Sauergaswäsche verbunden, so dass zumindest ein Teil des durch die elektrochemische Wasserzerlegung erhältlichen Wasserstoffs in der Strippeinrichtung des Regenerierteils als Strippgas einsetzbar ist.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Figur 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Die Figur 1 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der Wasserstoff für die rWGS-Reaktion durch elektrochemische Zerlegung von Wasser gewonnen wird.
Ein weitgehend aus Wasserstoff und Kohlendioxid bestehender Einsatzstrom 1 wird durch den Verdichter V angesaugt und mit erhöhtem Druck über Leitung 2 in den rWGS-Reaktor R eingeleitet, wo er durch nichtkatalytische homogene reverse Wassergas-Shift bei Temperaturen von mehr als 1250°C in der Gasphase umgesetzt wird. Die für die insgesamt endotherm ablaufende reverse Wassergas-Shift benötigte Wärme wird vollständig durch Verbrennung eines Teils des eingesetzten Wasserstoffs erzeugt, wozu dem rWGS-Reaktor R Sauerstoff 3 zugeführt wird. Das kohlenmonoxidhaltige Zwischenprodukt 4, das daneben auch Wasserstoff,
Kohlendioxid und Wasser umfasst und den rWGS-Reaktor mit hoher Temperatur verlässt, wird in der Kühleinrichtung K soweit abgekühlt, dass Wasser 5 auskondensiert und ein abgekühltes, weitgehend aus Kohlendioxid, Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehendes Gasgemisch 6 erhalten wird, das zur Abtrennung von Kohlendioxid in die Sauergaswäsche S, bei der es sich beispielsweise um eine Methanolwäsche handelt, eingeleitet werden kann.
Das aus dem kohlenmonoxidhaltigen Zwischenprodukt 4 auskondensierte Wasser 5 wird nach einer evtl erforderlichen Aufbereitung (nicht dargestellt) dem Elektrolyseur E zugeführt, wo es zusammen mit weiterem Wasser 7 unter Einsatz von elektrischem Strom 8 in Wasserstoff 9 und Sauerstoff 10 zerlegt wird, von dem ein erster Teil 3 dem rWGS-Reaktor R zugeführt und ein zweiter Teil 11 als Produkt abgegeben wird. Vorzugsweise wird die gesamte im Elektrolyseur E eingesetzte Strommenge aus einer regenerativen Energiequelle (nicht dargestellt) bezogen.
In der Sauergaswäsche S wird das weitgehend aus Kohlendioxid, Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehende Gasgemisch 6 im Gegenstrom zu regeneriertem Waschmittel 12 durch die Absorberkolonne A geleitet, um Kohlendioxid weitgehend selektiv auszuwaschen. Ein von Kohlendioxid gereinigtes, vorwiegend aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehendes Gasgemisch 13 verlässt die Sauergaswäsche S, während mit Kohlendioxid beladenes Waschmittel 14 vom Sumpf der Absorberkolonne A abgezogen wird. In der Trennvorrichtung C wird das Gasgemisch 13 in einem kryogenen Prozess, über Membranen, durch Druckwechseladsorption oder eine Kombination dieser Verfahren in ein Kohlenmonoxid enthaltendes Produktgas 15 sowie Rohwasserstoff 16 getrennt.
Zu seiner Regenerierung wird das beladene Waschmittel 14 im Wärmetauscher W gegen bereits regeneriertes Waschmittel 12 angewärmt und über das Drosselorgan a auf den Kopf der Strippkolonne B entspannt, wobei ein Teil des absorbierten Kohlendioxids in die Gasphase übergeht. Um weiteres Kohlendioxid abzutrennen, wird das beladene Waschmittel auf seinem Weg nach unten in intensiven Kontakt mit Wasserstoff 9, 16 gebracht, der als Strippgas wirkt und der Strippkolonne B in ihrem unteren Bereich aufgegeben wird. Falls erforderlich, kann zusätzlich Strippdampf über einen im Sumpfraum der Strippkolonne B angeordneten Reboiler (nicht dargestellt) erzeugt werden. Aus dem über Leitung 17 aus der Sauergaswäsche S abgezogenen, Wasserstoff und Kohlendioxid enthaltenden Gasgemisch wird durch Zudosierung von aus einer externen Quelle bezogenem Kohlendioxid 18 der weitgehend aus Wasserstoff und Kohlendioxid bestehende Einsatzstrom 1 erhalten.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erzeugung eines Kohlenmonoxid enthaltenden Produktgases (15), wobei ein Wasserstoff und Kohlendioxid enthaltender Einsatzstrom (2) in einem Reaktor (R) durch reverse Wassergas-Shift in ein kohlenmonoxidhaltiges Zwischenprodukt (4) umgesetzt wird, von dem das Produktgas (15) abgetrennt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die reverse Wassergas-Shift-Reaktion (R) bei Temperaturen von mehr als 1250°C nichtkatalytisch und homogen in der Gasphase durchgeführt und hierzu erforderliche Wärme durch Verbrennung von im Einsatzstrom (2) enthaltenem Wasserstoff erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die reverse Wassergas-Shift-Reaktion (R) autotherm durchgeführt und die gesamte hierfür benötigte Wärme durch die Verbrennung von im Einsatzstrom (2) enthaltenem Wasserstoff erzeugt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Reaktor (R) zugeführte Wasserstoff (9) aus Wasser durch Elektrolyse (E) gewonnen wird, wobei der für die Elektrolyse (E) notwendige elektrische Strom (8) aus einer oder mehreren erneuerbaren Energiequellen zugeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Verbrennung von Wasserstoff im Reaktor (R) benötigte Sauerstoff (3) aus Wasser durch Elektrolyse (E) gewonnen wird, wobei der für die Elektrolyse (E) notwendige elektrische Strom (8) aus erneuerbaren Energiequellen zugeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abtrennung von Kohlendioxid aus dem kohlenmonoxidhaltigen Zwischenprodukt (4) eine Sauergaswäsche eingesetzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für den Einsatz im Reaktor (R) bestimmter Wasserstoff in der Sauergaswäsche (S) bei der Regenerierung (B) des mit Kohlendioxid beladenen Waschmittels (14) als Strippgas (9, 16) eingesetzt wird.
7. Vorrichtung zur Erzeugung eines Kohlenmonoxid enthaltenden Produktgases (15), mit einem Reaktor (R), in dem ein Wasserstoff und Kohlendioxid enthaltender Einsatzstrom (2) durch reverse Wassergas-Shift in ein kohlenmonoxidhaltiges Zwischenprodukt (4) umgesetzt werden kann, sowie einer Trenneinrichtung (K, S, C) zur Abtrennung des Produktgases (15) aus dem kohlenmonoxidhaltigen Zwischenprodukt (4), dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (R) mit einer feuerfesten thermischen Isolierung ausgeführt ist, die einen im Wesentlichen leeren Reaktionsraum umschließt, in dem die reverse Wassergas-Shift-Reaktion bei Temperaturen von mehr als 1250°C nichtkatalytisch und homogen in der Gasphase durchgeführt und hierzu erforderliche Wärme durch Verbrennung von im Einsatzstrom (2) enthaltenem Wasserstoff erzeugt werden kann.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Elektrolyseur (E) zur elektrochemischen Zerlegung von Wasser (7) in Wasserstoff (9) und Sauerstoff (10) umfasst, der mit dem Reaktor (R) derart verbunden ist, dass der erzeugbare Wasserstoff (9) dem Reaktor (R) als Teil des Wasserstoff und Kohlendioxid enthaltenden Einsatzstroms (2) zugeführt werden kann.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Elektrolyseur (E) zur elektrochemischen Zerlegung von Wasser (7) in Wasserstoff (9) und Sauerstoff (10) umfasst, der mit dem Reaktor (R) derart verbunden ist, dass der erzeugbare Sauerstoff (10) ganz oder zum Teil im Reaktor (R) verwendbar ist, um Reaktionswärme für die reverse Wassergas-Shift-Reaktion durch die Verbrennung von Wasserstoff zu liefern.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung eine Sauergaswäsche (S) zur Abtrennung von Kohlendioxid aus dem kohlenmonoxidhaltigen Zwischenprodukt (4) umfasst, in der für den Einsatz im Reaktor (R) bestimmter Wasserstoff bei der Regenerierung (B) des mit Kohlendioxid beladenen Waschmittels (14) als Strippgas (9, 16) eingesetzt werden kann.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113753896A (zh) * 2021-10-08 2021-12-07 华陆工程科技有限责任公司 一种利用电能联合逆变换反应实现零碳排放的合成气制备方法
WO2021243462A1 (fr) * 2020-06-04 2021-12-09 HYDRO-QUéBEC Méthode et réacteur pour la production de gaz de synthèse à partir d'une source de carbone et d'hydrogène en présence d'une oxy-flamme

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3919114A (en) * 1969-11-21 1975-11-11 Texaco Development Corp Synthesis gas process
US20120079767A1 (en) * 2009-04-02 2012-04-05 Stephen Aplin Fuel from separate hydrogen and carbon monoxide feeds
US20130034478A1 (en) * 2007-03-19 2013-02-07 Doty Scientific, Inc. Hydrocarbon and alcohol fuels from variable, renewable energy at very high efficiency
WO2013135667A1 (de) * 2012-03-13 2013-09-19 Bayer Intellectual Property Gmbh Verfahren für die synthesegasherstellung
CN106276901A (zh) * 2015-05-28 2017-01-04 中国科学院上海高等研究院 一种氧热法生产电石和co气体的方法及系统

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3919114A (en) * 1969-11-21 1975-11-11 Texaco Development Corp Synthesis gas process
US20130034478A1 (en) * 2007-03-19 2013-02-07 Doty Scientific, Inc. Hydrocarbon and alcohol fuels from variable, renewable energy at very high efficiency
US20120079767A1 (en) * 2009-04-02 2012-04-05 Stephen Aplin Fuel from separate hydrogen and carbon monoxide feeds
WO2013135667A1 (de) * 2012-03-13 2013-09-19 Bayer Intellectual Property Gmbh Verfahren für die synthesegasherstellung
CN106276901A (zh) * 2015-05-28 2017-01-04 中国科学院上海高等研究院 一种氧热法生产电石和co气体的方法及系统

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021243462A1 (fr) * 2020-06-04 2021-12-09 HYDRO-QUéBEC Méthode et réacteur pour la production de gaz de synthèse à partir d'une source de carbone et d'hydrogène en présence d'une oxy-flamme
CN113753896A (zh) * 2021-10-08 2021-12-07 华陆工程科技有限责任公司 一种利用电能联合逆变换反应实现零碳排放的合成气制备方法
CN113753896B (zh) * 2021-10-08 2022-09-13 华陆工程科技有限责任公司 一种利用电能联合逆变换反应实现零碳排放的合成气制备方法

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