WO2023155974A1 - Feststoff-plasma-reaktor und verfahren zum betreiben eines festbettreaktors - Google Patents

Feststoff-plasma-reaktor und verfahren zum betreiben eines festbettreaktors Download PDF

Info

Publication number
WO2023155974A1
WO2023155974A1 PCT/EP2022/053663 EP2022053663W WO2023155974A1 WO 2023155974 A1 WO2023155974 A1 WO 2023155974A1 EP 2022053663 W EP2022053663 W EP 2022053663W WO 2023155974 A1 WO2023155974 A1 WO 2023155974A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
reactor
gas
plasma
solid
plasma generator
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/053663
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Kai Peter BIRKE
Maike LAMBARTH
Stephan RENNINGER
Jan Samuel STEIN
Original Assignee
Universität Stuttgart
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universität Stuttgart filed Critical Universität Stuttgart
Priority to PCT/EP2022/053663 priority Critical patent/WO2023155974A1/de
Priority to TW112105209A priority patent/TW202333855A/zh
Publication of WO2023155974A1 publication Critical patent/WO2023155974A1/de

Links

Classifications

    • 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
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J19/087—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy
    • B01J19/088—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges
    • 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
    • B01J6/00—Heat treatments such as Calcining; Fusing ; Pyrolysis
    • B01J6/001—Calcining
    • B01J6/002—Calcining using rotating drums
    • 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
    • B01J6/00—Heat treatments such as Calcining; Fusing ; Pyrolysis
    • B01J6/008—Pyrolysis reactions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/40—Carbon monoxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10B—DESTRUCTIVE DISTILLATION OF CARBONACEOUS MATERIALS FOR PRODUCTION OF GAS, COKE, TAR, OR SIMILAR MATERIALS
    • C10B19/00—Heating of coke ovens by electrical means
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10B—DESTRUCTIVE DISTILLATION OF CARBONACEOUS MATERIALS FOR PRODUCTION OF GAS, COKE, TAR, OR SIMILAR MATERIALS
    • C10B53/00—Destructive distillation, specially adapted for particular solid raw materials or solid raw materials in special form
    • C10B53/07—Destructive distillation, specially adapted for particular solid raw materials or solid raw materials in special form of solid raw materials consisting of synthetic polymeric materials, e.g. tyres
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/002—Horizontal gasifiers, e.g. belt-type gasifiers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10K—PURIFYING OR MODIFYING THE CHEMICAL COMPOSITION OF COMBUSTIBLE GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE
    • C10K3/00—Modifying the chemical composition of combustible gases containing carbon monoxide to produce an improved fuel, e.g. one of different calorific value, which may be free from carbon monoxide
    • C10K3/001—Modifying the chemical composition of combustible gases containing carbon monoxide to produce an improved fuel, e.g. one of different calorific value, which may be free from carbon monoxide by thermal treatment
    • C10K3/003—Reducing the tar content
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10K—PURIFYING OR MODIFYING THE CHEMICAL COMPOSITION OF COMBUSTIBLE GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE
    • C10K3/00—Modifying the chemical composition of combustible gases containing carbon monoxide to produce an improved fuel, e.g. one of different calorific value, which may be free from carbon monoxide
    • C10K3/001—Modifying the chemical composition of combustible gases containing carbon monoxide to produce an improved fuel, e.g. one of different calorific value, which may be free from carbon monoxide by thermal treatment
    • C10K3/003—Reducing the tar content
    • C10K3/006—Reducing the tar content by steam reforming
    • 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
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0894—Processes carried out in the presence of a plasma
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2200/00—Details of gasification apparatus
    • C10J2200/12—Electrodes present in the gasifier
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0913—Carbonaceous raw material
    • C10J2300/0946—Waste, e.g. MSW, tires, glass, tar sand, peat, paper, lignite, oil shale
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0953—Gasifying agents
    • C10J2300/0969—Carbon dioxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/12—Heating the gasifier
    • C10J2300/123—Heating the gasifier by electromagnetic waves, e.g. microwaves
    • C10J2300/1238—Heating the gasifier by electromagnetic waves, e.g. microwaves by plasma

Definitions

  • the invention relates to a solid plasma reactor and selected applications of the reactor according to the invention.
  • the solid plasma reactor according to the invention provides a technology that is not limited to the applications claimed by way of example, but can contribute to solving the global challenges of our time. It can contribute to the def ossilization of the economy and the closing of material cycles.
  • def ossilization means that the economy is increasingly using fewer fossil fuels and fossil fuels in production uses raw materials to ultimately reduce CC ⁇ emissions.
  • gas discharge is used in connection with the invention; it includes both glow discharges and arcs.
  • DE 36 31 015 A1 discloses a method for generating a clean gas containing carbon monoxide and hydrogen.
  • a raw gas is generated in a gasifier by blowing a gaseous oxidizing agent at a temperature of around 1000° into the gasifier.
  • a gaseous oxidizing agent for example, wood or coal is converted into a raw gas with a temperature of about 440° C. together with the oxidizing agent.
  • the raw gas is supplied with additional energy in an additional reaction chamber with the help of a plasma generator and the gas is then further processed in several cleaning steps.
  • This procedure or this system is complex in terms of system technology and requires both a large amount of thermal and electrical energy.
  • the invention is therefore based on the object of providing a reactor which enables the efficient and economical conversion of solids into a product gas, with a solid, non-gaseous product, such as burnt lime, also being produced in some applications in addition to the product gas .
  • a reactor comprising a reactor chamber, at least one plasma generator with two electrodes, at least one gas inlet, at least one gas outlet for the product stream and at least one recirculation line, the electrodes of the at least one plasma generator being located between the gas inlet and are arranged in the reactor chamber so that the gas flowing through the gas inlet into the reactor chamber flows through or around them.
  • the reactor according to the invention enables a very effective implementation of processes in which one or more gas-phase reactions and one or more solid-state reactions take place simultaneously.
  • the energy required for this is supplied to the gas or gas mixture flowing into the reactor chamber by means of a glow discharge or a non-thermal electric arc. which is present between the electrodes of the plasma generator.
  • the arrangement of the gas inlet and the electrodes of the plasma generator according to the invention ensures that the gas flowing through the gas inlet into the reactor space flows in an intermediate space between the electrodes of the plasma generator. As a result, the gas comes into contact with a gas discharge taking place between the electrodes. This gas discharge brings at least part of the gas into the plasma state.
  • At least part of the gas leaves the plasma generator as a non-thermal plasma with very high temperatures (the electrons have temperatures greater than 10,000 K, the ions have temperatures greater than 1,000 K) and flows directly into the reactor chamber.
  • the desired product gas is present immediately after the gas flowing through the gas inlet into the reactor space has flowed through the reaction zone of the plasma generator (also referred to as plasma). A portion of this product gas can be drawn off via the gas outlet for the product stream.
  • the part of the product gas remaining in the reactor space flows onto the solid present in the reactor space or flows through it if it is present as a bed. In doing so, it transfers heat to the solid.
  • the heat input decomposes the solid and gaseous molecules are formed which are fed back through the recirculation line into the gas inlet together with the product gas.
  • the heat transfer from the very hot, non-thermal plasma to the solid in the reactor vessel takes place at high power and brings the solid to high temperatures reliably and quickly.
  • the part of the product gas drawn off via the gas outlet for the product stream also transfers energy to the solids present in the reactor space via thermal radiation. Due to the high energy input at high temperatures, a wide variety of solids can be reliably broken down into gaseous molecules in the reactor according to the invention.
  • the specific energy input into the working gas can be controlled by means of the electrical power of the plasma or the volume flow of the gas supplied.
  • the recirculation rate is adjusted to obtain the desired product gas concentration.
  • Some applications require very high temperatures for the desired conversion, such as converting limestone to burnt lime. In some cases, the high temperatures ensure that pollutants are reliably converted into harmless/non-toxic compounds. In any case, the reactions are intensified and accelerated.
  • the wide range of possible areas of use of the reactor according to the invention is derived from this, among other things.
  • the electrical energy required to operate the plasma generator is transferred directly to the gas with almost no loss. If the solid-state plasma reactor according to the invention is supplied with electricity generated from renewable sources, the operation of the reactor does not cause any CO2 emissions.
  • Another advantage of the reactor according to the invention is that its power can be controlled very quickly and within a wide range (e.g. between 20% and 100% of the nominal power) without having a negative impact on the quality of the product gas or the solid products (e.g. burnt lime) .
  • This makes it possible, whenever a surplus of regeneratively generated electricity is available in the power grids, to buy it very cheaply and thereby improve the economic efficiency of the reactor according to the invention.
  • the shutdown of systems for regenerative power generation photovoltaics, wind energy converters
  • Reactor room is in turn very ef fi cient and quickly to the Reactor space located solids transferred.
  • Heat is not only transferred via thermal conduction, but mainly via thermal radiation.
  • the solid is broken down into its components at very high temperatures (greater than 1,000 °C) with almost no residue, depending on the application, or converted into a product (e.g. burnt lime).
  • Contaminated solids are also reliably decomposed in the reactor. Due to the high decomposition temperatures, toxic/harmful compounds contained in the solid are converted into harmless compounds. The compounds that make up the solids are broken down into very small molecules or even atoms and then form a new compound with the gases in the reactor space.
  • the operation of the solids reactor according to the invention is inherently safe, since it does not deliver any toxic organic by-products, regardless of the solids that are fed.
  • the recirculation line connects the reactor space to the gas inlet. This means that part of the gas stream flowing into the reactor through the gas inlet has previously been in the reactor space. The reactions taking place inside the reactor space can be controlled via the ratio between recirculated gas from the reactor space and the additional gas to be fed to the reactor.
  • the proportion of newly supplied gas in relation to recirculated gas can be between 0% and 50%.
  • the recirculated gas can be moved by a fan or a compressor in the recirculation line or in the gas inlet.
  • a separator in the recirculation line and/or in the product gas line. In this way, for example, volatile metals or other interfering gaseous components can be separated. This not only further increases the quality of the product gas, but also avoids damage to downstream equipment.
  • an absorption system for recovering CO2 from the product gas can be regenerated with the waste heat generated.
  • the requirement for high-energy electrons for reforming the gases in the plasma is so high that more heat is produced than is required in the reactor.
  • the waste heat can be dissipated through the heat exchanger and used elsewhere.
  • an actuator such as a slider or a flow control valve, in the recirculation line, preferably after the heat exchanger, in order to be able to actively control the flow rate of the gas through the recirculation line.
  • a blower or jet pump is generally arranged in the gas inlet and/or the recirculation line, which draws in the gas to be introduced into the process and the gas flowing through the recirculation line and conveys it into the reactor.
  • a controllable flap or a controllable flow control valve can be provided in the gas inlet and/or the recirculation line in addition or as an alternative to the blower or the jet pump. So that the heat transfer and the resulting decomposition or conversion of the solid takes place as quickly and efficiently as possible, a grate or rotary tube is provided in the reactor space in a preferred embodiment of the invention. On the grate or The solid is in the rotary tube and can therefore easily be flowed through by the hot gas/plasma in the reactor chamber. to be flown. This intensifies the decomposition and makes it more effective.
  • the gas outlet for the product stream is arranged between the plasma generator and the grate.
  • the recirculation line is arranged in such a way that the gas flowing through the reactor space into the recirculation line first flows past the solid in the reactor space and/or at least partially through the solid. This intensifies and accelerates the heat transfer from the hot gas to the solid and consequently accelerates the decomposition of the solid into atoms or small/short molecules. Through circulation, these return to the reaction zone of the plasma reactor.
  • the recirculating gas is therefore enriched with pyrolysis products. In the reaction zone, the pyrolysis products are converted into the desired product gas.
  • the outlet of the recirculation line and the gas inlet or the plasma generator on different sides of the grate resp. of the rotary tube are arranged so that the gas has to flow through the solids before it gets into the recirculation line.
  • the plasma generator comprises a pin electrode and a ring electrode arranged concentrically thereto. A non-thermal gas discharge occurs between the pin electrode and the ring electrode.
  • the geometry of the electrodes and their arrangement ensure that the entire gas mixture flowing through the gas inlet into the reactor chamber is guided through the reaction zone of the plasma reactor.
  • Preferred is a DC glow discharge or. a non-thermal arc caused by direct current.
  • the very high DC voltage required for this can be realized with the help of an electrical circuit to provide a DC voltage for the plasma generator.
  • a patent application directed to this was filed by the same applicant on the same day at the EPO (official file number PCT/EP2022/053608). The disclosure content of this application is hereby added to the content of this patent application by this reference.
  • an alternating voltage can also be applied between the electrodes of the plasma generator.
  • the invention provides for using magnets (electromagnets or permanent magnets) to arrest the arc or the glow discharge in motion Move so that it moves around the pin electrode in a circular motion. Together with the flow movement of the gas that flows through the ring, this results in a very good energy transfer to the gas that flows through the ring electrode. Due to the uniform energy input, a large conversion of the chemical processes in the plasma can be achieved with every flow.
  • This guide element can be designed, for example, as a honeycomb structure that serves as a flow straightener and flame screen.
  • This guide element it is also possible to align the channels of this guiding element in such a way that the gas flowing into the reactor chamber is imparted with a twist. In this way, the gas discharge can also be set in motion.
  • a further advantageous embodiment provides for a lock for introducing solids into the reactor space.
  • This lock is preferably a gas-tight lock, so that no gas can escape into the environment through the lock while solids are being introduced into the reactor space.
  • the method according to the invention for the production of synthesis gas in a solid plasma reactor comprises the method steps: gasification and/or pyrolysis of an organic solid and reforming of the resulting gas with carbon dioxide and/or steam.
  • Polyethylene, polypropylene, polystyrene, phenoplast, polyamide, polycarbonate, polyurethane, polyethylene terephthalate, polyacrylate, polyester, polyvinyl chloride, cellulose, wood, biogenic residues or a mixture of these components can be used as the organic solid.
  • a substream of the synthesis gas (carbon dioxide (CO2) and carbon monoxide (CO)) from the reactor) is removed as product gas.
  • organic residues for example plastic waste, are first gasified by the heat of the non-thermal plasma.
  • This pyrolysis gas is reformed with steam or CO2 in the same reactor to produce synthesis gas.
  • the plasma is non-thermal and is generated by DC or AC voltage between the ring and pin electrodes of the plasma generator.
  • the fixed bed/the solid 15 of organic components is gasified or reacts with other gas components due to the heat.
  • the resulting gases are mixed with CO 2 and/or steam.
  • the gas mixture is passed through the plasma. Possible reactions are, for example:
  • a small part of the resulting gas is removed from the reactor vessel (via the gas outlet 6) as product gas after the plasma.
  • the greater part of the resulting gas is circulated in the reactor vessel in order to transfer the heat to the fixed bed/solid 15 . This is preferably done with the help of the recirculation line 7.
  • the advantages of the plasma reactor according to the invention come into play: High temperatures occur in the plasma, so that organic molecules (eg toxins) can be broken down very reliably. As a result, many and also different carbon-containing starting materials can be pyrolyzed with almost no residue.
  • organic molecules eg toxins
  • Impurities such as halogens are not a problem as no catalysts are used. They only influence the composition of the gas produced or the gas processing
  • the implementation of two processes in one reactor vessel enables an internal exchange of energy between the processes, so that only the reaction enthalpy necessary for the overall balance of both processes has to be supplied by the plasma generator. In this way, the thermal energy that would otherwise be required for pyrolysis, gasification or thermal decomposition can be saved.
  • lime (CaCO3) is used as the solid. It includes the following process steps: Decomposition of the lime (CaCO3) into calcium oxide (CaO) and carbon dioxide (C02) by the high temperatures of the plasma, and decomposition of the carbon dioxide (C02) into carbon monoxide (CO) and oxygen (02) by the plasma.
  • an oxygen absorber can be used and/or a partial flow of the carbon monoxide (CO) produced can be removed from the reactor as product gas.
  • Lime (CaCO3) is used as a solid reactant. This decomposes through the heat given off by the plasma into calcium oxide (quicklime or cement) and carbon dioxide (CO2). After circulation, the carbon dioxide (CO2) is separated into carbon monoxide (CO) and oxygen (O 2 ).
  • Much of the gas is circulated as a recycle stream to transport heat.
  • Oxygen can be extracted by various processes, e.g. diffusion-driven membranes, electrochemically, by adsorption or by solid ion conductors.
  • this can be in the reactor space of the reactor according to the invention or outside.
  • a ceramic membrane is preferably used for this purpose, which can conduct oxygen ions selectively at high temperatures.
  • different metal carbonates can be fired using the same process.
  • the oxide of the metal is formed along with carbon monoxide and oxygen.
  • Oxygen can be extracted from the gas in the same reactor or outside the reactor in the recycle gas stream.
  • Oxygen can be extracted at high temperatures or after cooling the gas as previously described.
  • the plasma is generated directly in the reactor space of the reactor and not in a separate cavity. This improves the heat transfer from the gas to the solid. As a result, the efficiency and the conversion rate increase.
  • FIG. 1 shows a simplified and schematic illustration of the reactor according to the invention
  • FIG. 2 shows a detail relating to the ring electrode and the pin electrode and the guide element from FIG. 1;
  • FIG. 6 shows the integration of a reactor according to the invention into a process for the production of CO and CO 2 ;
  • FIG. 7 shows the efficiency and conversion in the splitting of CO2.
  • FIG. 1 shows the plasma reactor 1 according to the invention in a highly simplified manner. It comprises a reactor vessel 3 with a gas inlet 5 , a gas outlet 6 for the product stream and a recirculation line 7 .
  • a part of the plasma generator namely a pin electrode 9 and a ring electrode 11 , is located inside the reactor container 3 , the reactor space 12 .
  • the pin electrode 9 is generally the cathode, while the ring electrode 11 is preferably designed as the anode.
  • the electrical circuit required for this is accommodated in an external housing which is shown in FIGS. 3 to 5.
  • the gas inlet 5 is guided in such a way that the inflowing gas flows through a (cylindrical) cavity 17 above the ring electrode 11 and past the central pin electrode 9 to the ring electrode 11 .
  • a guide element 21 for the inflowing gas mixture which can be designed, for example, as an open-pore ceramic foam. It serves as a flow straightener and prevents the introduction of heat from the reactor space 12 into the cavity 17 and the gas inlet 5 .
  • the guide element 21 can also be designed as a honeycomb structure that imparts a swirl to the gas.
  • a glow discharge hereinafter referred to as gas discharge 13 .
  • the inflowing gas is at least partially converted into a non-thermal plasma by the gas discharge and in the process reaches very high temperatures (the electrons have temperatures greater than 10,000 K, the ions have temperatures greater than 1,000 K).
  • This plasma then reaches the actual reactor space 12 . There it transfers the heat by radiation and thermal conduction to the other gaseous components located in the reactor chamber 12 and also to the solid substance 15 located in the lower part of the reactor chamber 12, which is mostly in the form of a bed.
  • the extremely high temperature of the electrons causes a very good, fast and complete pyrolysis of the solid 15 present in the reactor space. But it also guarantees one very good heat transfer (mainly by gas radiation) to the solid.
  • the solid can be, for example, granules or shredded plastic waste, such as polypropylene, polystyrene, phenoplast, polyamide, polycarbonate, polyurethane, polyethylene terephthalate, polyacrylate, polyester, polyvinyl chloride, cellulose, or wood.
  • plastic waste such as polypropylene, polystyrene, phenoplast, polyamide, polycarbonate, polyurethane, polyethylene terephthalate, polyacrylate, polyester, polyvinyl chloride, cellulose, or wood.
  • the solid 15 together with the associated impurities or pollutants is reliably broken down into its chemical components at very high temperatures.
  • the high temperatures mean that toxins or pollutants are broken down into usable compounds.
  • the molecules of the solids are broken down into volatile molecules.
  • the gaseous starting products obtained in this way from the solid combine with the gaseous components flowing in through the gas inlet in the reaction zone of the plasma reactor to form the desired new compounds, the product gas.
  • Magnets 39 are arranged at the boundary of the cavity 17 . They can be designed as permanent or electromagnets. The resulting magnetic field lines are indicated by dotted lines. Due to the magnetic field lines, the glow discharge 13 makes a circular movement around the Pin electrode 9 around and thereby sweeps over the entire annular surface between ring electrode 11 and pin electrode 9 . This intensifies the excitation of the gas flowing through the annular surface. Due to the rapid rotation of a discharge channel between the pin electrode 9 and the ring electrode 11 at 50 Hz to several kHz, the plasma produced in the reaction zone has the shape of a disk in a first approximation and occupies a large volume.
  • FIG. 2 shows a somewhat enlarged detail of the reactor according to the invention.
  • the guide element 21 can also have a honeycomb structure (not shown), similar to a catalytic converter.
  • the gas flows from 17 into the reactor chamber 12 through these channels, which run parallel to one another and parallel to the longitudinal axis of the pin electrode 9 .
  • This embodiment of a guide element 21 also prevents heat from entering the cavity 17 and acts as a rectifier.
  • the channels, not shown, of a guide element 21 in such a way that they impart a swirl to the gas.
  • the gas then enters the reactor chamber 3 with a swirl after it has flowed through the guiding element 21 and the glow discharge 13 .
  • the distribution of the plasma or of the highly heated gas in the reactor space is further improved.
  • the magnets 39 can be omitted as a result.
  • the electrical circuit of the plasma generator 23 which supplies the electrodes 9 , 11 with high voltage (DC voltage or AC voltage) in order to start and maintain the glow discharge is represented schematically by a block 41 .
  • a block 41 The electrical circuit of the plasma generator 23 which supplies the electrodes 9 , 11 with high voltage (DC voltage or AC voltage) in order to start and maintain the glow discharge is represented schematically by a block 41 .
  • the reactor space 12 is arranged to the side of the plasma generator 23 .
  • An intermediate piece 43 is provided between the plasma generator 23 and the reactor container 3, to which the gas inlet 5 and the outlet 6 for the product gas are connected.
  • a grate 25 is provided in the reactor space 12 .
  • the solid matter 15 is located on this grate 25 .
  • the exemplary embodiments in FIGS. 3 and 5 differ primarily with regard to the arrangement of the grate 25 relative to the intermediate piece 43 .
  • a solid is layered on the grate 15 .
  • the recirculation line 7 branches off at the upper end of the reactor vessel 3 .
  • FIG. 4 shows a configuration with an inclined grate.
  • the solid 15 is located at the bottom of the reactor vessel 3 and the recirculation line 7 is located at the right-hand end of the reactor vessel 3 in FIG.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 5 largely corresponds to the exemplary embodiment according to FIG. Essentially, the positions of the grates 15 differ from one another.
  • FIG. 6 shows a further exemplary embodiment of the reactor 1 according to the invention. It is integrated into a system for generating carbon monoxide CO or synthesis gas based on CO2 as the gaseous starting material and polyethylene, polypropylene, polystyrene, phenoplast, polyamide, polycarbonate, polyurethane, polyethylene terephthalate, polyacrylate, polyester, polyvinyl chloride, cellulose, wood or a mixture containing one or more of these substances as a solid 15 .
  • a lock 27 is provided on the reactor vessel 3 in order to transport the solid substance 15 into the reactor vessel 3 .
  • This lock 27 is preferably gas-tight and makes it possible, with the aid of a conveying device 29 , to convey solids from a storage container 31 into the reactor container 3 continuously or in cycles.
  • the reactor 1 comprises two plasma generators 23 .
  • the two plasma reactors 23 are inserted into the ceiling of the reactor space 12 .
  • the gas inlet 5 supplies the plasma generators 23 with gas.
  • a blower 33 is arranged in the gas inlet 5 and determines the volume flow that flows through the gas inlet 5 into the reactor space 12 .
  • the recirculation line 7 opens into the gas inlet 5 upstream of the blower 33 .
  • the blower 33 therefore also sucks in the gas flowing through the recirculation line 7 and conveys it together with the gas (here CO 2 ) in the gas inlet 5 into the reactor space 12 .
  • blower or an ejector pump may be arranged in the recirculation line 7 (not shown). It is also possible for a flow control valve to be arranged in the gas inlet 5 and/or the recirculation line 7 (not shown). Both are used to control the volume flow in the gas inlet 5 and the recirculation line 7 and thus enable better process management.
  • a first separator 35 and a heat exchanger 37 are arranged in the recirculation line 7 .
  • volatile metals, halogens or other undesirable substances can be separated from the gas with the first separator 35 .
  • the gas in the recirculation line 7 is cooled with the aid of the heat exchanger 37 and the heat obtained in the process is then used with the aid of the heat exchanger 37 in one of the subsequent process steps, for example in the regeneration of a gas absorber or the drying of solid reactants.
  • the gas outlet 6 for the product stream opens into a further separator 45 in which z. B. Halogen acids and water from the product gas are excreted so that in this application case it only contains CO2 and CO. The product gas is then separated into its gas components CO2 and CO.
  • a portion of the CO2 can be conveyed into the gas inlet 5 .
  • Another part of the CO2 can be used in other processes or stored temporarily in deep layers of the earth; this process is also referred to as Carbon Capture and Storage (CCS).
  • CCS Carbon Capture and Storage
  • FIG. 7 The energy efficiency and the conversion of a glow discharge plasma generator according to the invention during the splitting of CO2 is shown in FIG.
  • An electrode arrangement as indicated in FIG. 2 is used here.
  • the inside diameter of the ring electrode 11 was 22 millimeters.
  • the tip of the pin electrode 9 ended (in contrast to what is shown in FIG. 2) about three millimeters above the upper edge of the ring electrode 11 . Assuming this configuration, the results shown in FIG. 7 could be achieved.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

Es werden ein Feststoff-Plasma-Reaktor und Verfahren zum Betreiben eines Festbettreaktors vorgeschlagen. Sie ermöglichen die Pyrolyse verschiedenster Kunststofffraktionen und organischer Feststoffe. Außerdem kann zum Beispiel Kalk sehr effektiv und ohne fossile Brennstoffe gebrannt werden.

Description

Titel: Feststoff-Plasma-Reaktor und Verfahren zum
Betreiben eines Festbettreaktors
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Feststoff-Plasma-Reaktor und ausgewählte Anwendungen des erfindungsgemäßen Reaktors. Der erfindungsgemäße Feststoff-Plasma-Reaktor stellt eine Technologie bereit, die nicht auf die beispielhaft beanspruchten Anwendungen beschränkt ist, sondern zur Lösung globaler Herausforderungen unserer Zeit beitragen kann. Er kann zur Def ossilisierung der Wirtschaft und dem Schließen von Stoff-Kreisläufen beitragen. Mit dem Begriff "Def ossilisierung" ist gemeint, dass die Wirtschaft in der Produktion zunehmend weniger fossile Energieträger und Rohstof fe einsetzt , um letztendlich die CC^-Emissionen zu reduzieren .
Im Zusammenhang mit der Erfindung wird der Begri f f "Gasentladung" gebraucht ; er umfasst sowohl Glimmentladungen als auch Lichtbögen .
Aus der DE 36 31 015 Al ist ein Verfahren zur Erzeugung eines Kohlenmonoxid-Wasserstof f enthaltenden Reingases bekannt . Dabei wird in einem Vergaser ein Rohgas erzeugt , indem ein etwa 1000 ° heißes gas förmiges Oxidationsmittel in den Vergaser eingeblasen wird . In dem Vergaser werden beispielsweise Hol z oder Kohle zusammen mit dem Oxidationsmittel in ein Rohgas mit einer Temperatur von etwa 440 ° C umgewandelt . Anschließend wird dem Rohgas in einer zusätzlichen Reaktionskammer mit Hil fe eines Plasmagenerators weitere Energie zugeführt und anschließend in mehreren Reinigungsschritten das Gas weiter aufbereitet . Dieses Verfahren bzw . diese Anlage ist anlagentechnisch aufwändig und erfordert sowohl viel thermische als auch elektrische Energie . Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde , einen Reaktor bereitzustellen, der die ef fi ziente und wirtschaftliche Umsetzung von Feststof fen in ein Produktgas ermöglicht , wobei in manchen Anwendungen neben dem Produktgas noch ein festes , nicht gas förmiges Produkt , wie zum Beispiel Branntkalk, entsteht .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Reaktor, umfassend einen Reaktorraum, mindestens einen Plasmagenerator mit zwei Elektroden, mindestens einen Gaseinlass , mindestens einen Gasauslass für den Produktstrom und mindestens eine Rezirkulationsleitung, gelöst , wobei die Elektroden des mindestens einen Plasmagenerators zwischen dem Gaseinlass und dem Reaktorraum angeordnet sind, so dass sie von dem durch den Gaseinlass in den Reaktorraum strömenden Gas durchströmt oder umströmt werden .
Der erfindungsgemäße Reaktor ermöglicht eine sehr ef fektive Umsetzung von Prozessen, bei denen eine oder mehrere Gasphasen-Reaktionen und eine oder mehrere Feststof f- Reaktionen gleichzeitig stattfinden .
Die dafür benötigte Energie wird dem in den Reaktorraum einströmenden Gas oder Gasgemisch mittels einer Glimmentladung oder eines nicht thermischen Lichtbogens zugeführt , die bzw . der zwischen den Elektroden des Plasmagenerators vorhanden ist . Die erfindungsgemäße Anordnung von Gaseinlass und den Elektroden des Plasmagenerators sorgt dafür, dass das durch den Gaseinlass in den Reaktorraum strömende Gas in einem Zwischenraum zwischen den Elektroden des Plasmagenerators strömt . In Folge dessen kommt das Gas mit einer zwischen den Elektroden statt findende Gasentladung in Kontakt . Diese Gasentladung bringt mindestens einen Teil des Gases den plasmaförmigen Zustand .
Zumindest ein Teil des Gases verlässt den Plasmagenerator als nicht-thermisches Plasma mit sehr hohen Temperaturen ( die Elektronen haben Temperaturen größer 10 . 000 K, die Ionen haben Temperaturen größer 1 . 000 K) und strömt direkt in den Reaktorraum .
Wegen der sehr hohen Temperaturen des nicht-thermischen Plasmas laufen die Reaktionen und Umsetzungsprozesse im Reaktorraum sehr zuverlässig und rasch ab . Direkt nachdem das durch den Gaseinlass in den Reaktorraum einströmende Gas die Reaktions zone des Plasmagenerators ( auch als Plasma bezeichnet ) durchströmt hat , liegt das gewünschte Produktgas vor . Ein Teil dieses Produktgases kann über den Gasauslass für den Produktstrom abgezogen werden .
Der im Reaktorraum verbleibende Teil des Produktgases strömt den im Reaktorraum vorhandenen Feststof f an oder strömt durch ihn durch, wenn er als Schüttung vorliegt . Dabei überträgt er Wärme auf den Feststof f . Durch den Wärmeeintrag wird der Feststof f zersetzt und es entstehen gas förmige Moleküle , die zusammen mit dem Produktgas durch die Rezirkulationsleitung in den Gaseinlass zurückgeführt werden .
Die Wärmeübertragung von dem sehr heißen nicht-thermischen Plasma auf den im Reaktorbehälter befindlichen Feststof f (über Wärmestrahlung und -leitung) erfolgt mit hoher Leistung und bringt den Feststof f zuverlässig und schnell auf hohe Temperaturen . Auch der über den Gasauslass für den Produktstrom abgezogene Teil des Produktgases überträgt über Wärmestrahlung Energie auf den im Reaktorraum vorhanden Feststof f . Durch den hohen Energieeintrag bei hohen Temperaturen können unterschiedlichste Feststof fe in dem erfindungsgemäßen Reaktor zuverlässig in gas förmige Moleküle zersetzt werden .
Der spezi fische Energieeintrag in das Arbeitsgas kann mittels der elektrischen Leistung des Plasmas oder des Volumenstroms an zugeführtem Gas gesteuert werden . Die Rezirkulationsrate wird angepasst , um die gewünschte Konzentration des Produktgases zu erhalten . Bei manchen Anwendungen braucht es für die die gewünschte Umsetzung sehr hohe Temperaturen, wie zum Beispiel bei der Umsetzung von Kalkstein zu Branntkalk . In manchen Fällen sorgen die hohen Temperaturen dafür, dass Schadstof fe zuverlässig in unschädliche/nicht gi ftige Verbindungen umgewandelt werden . In j edem Fall werden die Reaktionen intensiviert und beschleunigt . Unter anderem daraus leitet sich die große Bandbreite möglicher Einsatzgebiete des erfindungsgemäßen Reaktors ab .
Anders ausgedrückt : Die zum Betrieb des Plasmagenerators erforderliche elektrische Energie wird direkt und nahezu verlustfrei auf das Gas übertragen . Wenn der erfindungsgemäße Feststof f-Plasma-Reaktor mit regenerativ erzeugtem Strom versorgt wird, dann verursacht der Betrieb des Reaktors keine CO2 - Emissionen .
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Reaktors besteht darin, dass seine Leistung sehr schnell und innerhalb eines großen Bereichs ( z . B . zwischen 20% und 100% der Nennleistung) gesteuert werden kann, ohne dass dies negative Auswirkungen auf die Qualität des Produktgases oder der festen Produkte ( z . B . Branntkalk) hat . Dadurch ist es möglich, immer dann, wenn ein Überschuss an regenerativ erzeugten Strom in den Stromnetzen verfügbar ist , diesen sehr günstig einzukaufen und dadurch die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Reaktors zu verbessern . Außerdem kann dadurch die Abschaltung von Anlagen zur regenerativen Stromerzeugung ( Photovoltaik, Windenergiekonverter ) vermieden werden .
Die thermische Energie der heißen Gase/des Plasmas im
Reaktorraum wird wiederum sehr ef fi zient und schnell an die im Reaktorraum befindlichen Feststoffe übertragen. Die Wärmeübertragung erfolgt nicht nur über Wärmeleitung, sondern überwiegend durch Wärmestrahlung. In Folge dessen wird der Feststoff bei sehr hohen Temperaturen (größer 1.000 °C) je nach Anwendung nahezu rückstandsfrei in seine Bestandteile zerlegt, oder in ein Produkt (z. B. Branntkalk) umgewandelt.
Durch die hohen Zersetzungs-Temperaturen werden auch problematische Verbindungen in den Feststoffen, wie z.B. Giftstoffe, sehr verlässlich zersetzt. Verunreinigungen des Feststoffs, beispielsweise mit Halogenen, wie sie in PVC vorkommen, stellen ebenfalls kein Problem dar, da in dem erfindungsgemäßen Reaktor kein Katalysator eingesetzt wird und außerdem in den nachfolgenden Prozessschritten, die das Produktgas weiterverarbeiten, ebenfalls keine Katalysatoren erforderlich sind.
In dem Reaktor werden auch verunreinigte Feststoffe zuverlässig zersetzt. Aufgrund der hohen Zerset zungstemperaturen werden gif tige/schädliche Verbindungen, die in dem Feststoff enthalten sind, in unschädliche Verbindungen umgewandelt. Die Verbindungen, aus denen die Feststoffe bestehen, werden in sehr kleine Moleküle oder sogar Atome zerlegt und gehen dann mit den im Reaktorraum befindlichen Gasen eine neue Verbindung ein.
Dies bedeutet, dass neben der hohen Energieeffizienz auch der Betrieb des erfindungsgemäßen Feststoff reaktors inhärent sicher ist, da er unabhängig von den zugeführten Feststoffen keine giftigen organischen Nebenprodukte liefert. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rezirkulationsleitung den Reaktorraum mit dem Gaseinlass verbindet . Dies bedeutet , dass ein Teil des durch den Gaseinlass in den Reaktor strömenden Gasstroms sich zuvor in dem Reaktorraum befunden hat . Über das Verhältnis zwischen rezirkuliertem Gas aus dem Reaktorraum und dem weiteren, dem Reaktor zuzuführenden Gas , können die im Inneren des Reaktorraums statt findenden Reaktionen gesteuert werden .
Der Anteil an neu zugeführtem Gas im Verhältnis zu rezirkuliertem Gas kann j e nach Anwendung zwischen 0% und 50% liegen . Das rückgeführte Gas kann durch ein Gebläse oder einen Kompressor in der Rezirkulationsleitung oder in dem Gaseinlass bewegt werden .
Um die Qualität des Produktgases zu steigern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, in der Rezirkulationsleitung und/oder in der Produktgasleitung einen Abscheider anzuordnen . Damit können beispielsweise flüchtige Metalle oder andere störende gas förmige Komponenten abgeschieden werden . Dadurch wird nicht nur die Qualität des Produktgases weiter erhöht , sondern es können Schäden an nachgelagerten Apparaten vermieden werden .
Des Weiteren ist es möglich und in vielen Fällen vorteilhaft , in der Rezirkulationsleitung einen Wärmetauscher vorzusehen, so dass ein Teil der thermischen Energie des in der Rezirkulationsleitung befindlichen Gases auf einen flüssigen oder gas förmigen Wärmeträger übertragen werden kann . Diese Abwärme kann an anderer Stelle , z . B . in einem dem erfindungsgemäßen Reaktor nachgeschalteten Prozess genutzt werden . Dadurch wird die Ef fi zienz des Gesamt-Prozesses erhöht .
Das ist möglich, da die Abwärme bei Plasmaprozessen auf einem hohen Temperaturniveau anfällt . So kann beispielsweise eine Absorptionsanlage zur Rückgewinnung von CO2 aus dem Produktgas mit der anfallenden Abwärme regeneriert werden .
In manchen Anwendungen des erfindungsgemäßen Reaktors ist der Bedarf an hochenergetischen Elektronen zur Reformierung der Gase im Plasma so hoch, dass mehr Wärme anfällt als im Reaktor benötigt wird . In diesen Fällen kann die Abwärme durch den Wärmetauscher abgeführt und an anderer Stelle genutzt werden .
Es ist auch möglich, in der Rezirkulationsleitung, bevorzugt nach dem Wärmetauscher, ein Stellglied, wie einen Schieber oder ein Stromregelventil , vorzusehen, um die Durchflussrate des Gases durch die Rezirkulationsleitung aktiv steuern zu können .
In dem Gaseinlass und/oder der Rezirkulationsleitung ist im Allgemeinen ein Gebläse oder eine Strahlpumpe angeordnet , welches das neu in den Prozess einzuführende Gas sowie das durch die Rezirkulationsleitung strömende Gas ansaugt und in den Reaktor fördert .
Um den Betrieb des Reaktors noch besser steuern zu können, können zusätzlich oder alternativ zu dem Gebläse oder der Strahlpumpe eine steuerbare Klappe oder ein steuerbares Stromventil in dem Gaseinlass und/oder der Rezirkulationsleitung vorgesehen sein . Damit die Wärmeübertragung und die daraus resultierende Zersetzung oder Umwandlung des Feststof fs möglichst rasch und ef fi zient erfolgt , ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung in dem Reaktorraum ein Rost oder ein Drehrohr vorgesehen . Auf dem Rost bzw . dem Drehrohr liegt der Feststof f und kann dadurch sehr gut von dem heißen Gas/dem Plasma im Reaktorraum durchströmt bzw . angeströmt werden . Dadurch wird die Zersetzung intensiviert und ef fektiver .
Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass der Gasauslass für den Produktstrom zwischen Plasmagenerator und Rost angeordnet ist .
Die Rezirkulationsleitung wiederum ist so angeordnet , dass das durch den Reaktorraum in die Rezirkulationsleitung strömende Gas zuvor an dem im Reaktorraum befindlichen Feststof f vorbei und/oder zumindest teilweise durch den Feststof f strömt . Das intensiviert und beschleunigt die Wärmeübertragung vom heißen Gas auf den Feststof f und beschleunigt infolgedessen die Zersetzung des Feststof fs in Atome oder kleine/ kurze Moleküle . Diese gelangen durch Umwäl zung wieder in die Reaktions zone des Plasmareaktors . Das rezirkulierende Gas ist also mit Pyrolyseprodukten angereichert . In der Reaktions zone werden die Pyrolyseprodukte in das gewünschte Produktgas umgewandelt .
Wenn der Feststof f auf einem Rost oder einem Drehrohr in dem Reaktorraum gelagert ist , dann ist es besonders vorteilhaft , wenn der Auslass der Rezirkulationsleitung und der Gaseinlass bzw . der Plasmagenerator auf verschiedenen Seiten des Rosts bzw . des Drehrohrs angeordnet sind, so dass das Gas durch den Feststof f strömen muss , bevor es in die Rezirkulationsleitung gelangt . Besonders bevorzugt ist es , wenn der Plasmagenerator eine Sti ftelektrode und eine konzentrisch dazu angeordnete Ringelektrode umfasst . Zwischen der Sti ftelektrode und der Ringelektrode entsteht eine nicht-thermische Gasentladung .
Durch die Geometrie der Elektroden und deren Anordnung ist gewährleistet , dass das gesamte durch den Gaseinlass in den Reaktorraum strömende Gasgemisch durch die Reaktions zone des Plasmareaktors geführt wird .
Bevorzugt ist eine Gleichstrom-Glimmentladung bzw . ein nichtthermischer Lichtbogen durch Gleichstrom . Die dazu erforderliche sehr hohe Gleichspannung kann mit Hil fe einer elektrischen Schaltung zur Bereitstellung einer Gleichspannung für den Plasmagenerator realisiert werden . Eine darauf gerichtete Patentanmeldung wurde von der gleichen Anmelderin am gleichen Tag beim EPA (Amtliches Aktenzeichen PCT/EP2022 / 053608 ) eingereicht . Der Of fenbarungsgehalt dieser Anmeldung wird hiermit durch diese Bezugnahme dem Inhalt dieser Patentanmeldung hinzugefügt .
Zwischen den Elektroden des Plasmagenerators kann aber auch eine Wechselspannung angelegt werden .
Unabhängig von der Art der Stromversorgung der Elektroden, entsteht zwischen den Elektroden eine dünne stabförmige nichtthermische Gasentladung . Um die Energieübertragung von der stabförmigen Gasentladung auf das über den gesamten Querschnitt der Ringelektrode in den Reaktorraum einströmende Gas zu optimieren, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, mit Hil fe von Magneten (Elektromagneten oder Permanentmagneten) den Lichtbogen bzw . die Glimmentladung in Bewegung zu versetzen, so dass sie in einer Kreisbewegung um die Sti ftelektrode herumwandert . Zusammen mit der Strömungsbewegung des Gases , welche durch den Ring strömt , ergibt sich damit eine sehr gute Energieübertragung auf das Gas , welches durch die Ringelektrode strömt . Durch den gleichmäßigen Energieeintrag kann bei j eder Durchströmung ein großer Umsatz der chemischen Prozesse im Plasma erreicht werden .
Alternativ oder in Ergänzung zu dieser Lösung mit Magneten ist es auch möglich, stromaufwärts der Elektroden ein Leitelement für das einströmende Gas vorzusehen . Dieses Leitelement kann beispielsweise als wabenförmige Struktur ausgebildet sein, die als Strömungsgleichrichter und Flammsieb dient . Andererseits ist es auch möglich, die Kanäle dieses Leitelements so aus zurichten, dass dem in den Reaktorraum einströmenden Gas ein Drall aufgeprägt wird . Dadurch kann die Gasentladung ebenfalls in Bewegung versetzt werden .
Damit die im Reaktorraum ablaufenden Prozesse kontinuierlich ablaufen können, ist in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen, eine Schleuse zum Einschleusen von Feststof f in den Reaktorraum vorzusehen . Diese Schleuse ist bevorzugt eine gasdichte Schleuse , so dass während des Einbringens von Feststof fen in den Reaktorraum durch die Schleuse kein Gas in die Umgebung entweichen kann .
Die Verfahrensansprüche 10 f f . sind auf besonders vorteilhafte uns beispielhafte Anwendungen des erfindungsgemäßen Reaktors gerichtet . Anwendung I: Plasmabasierte Kunststoff-Pyrolyse
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Synthesegas in einem Feststoff-Plasma-Reaktor umfasst die Verfahrensschritte : Vergasen und/oder Pyrolysieren eines organischen Feststoffs und Reformieren des entstehenden Gases mit Kohlendioxid und / oder Wasserdampf.
Als organische Feststoff können Polyethylen, Polypropylen, Polystyren, Phenoplast, Polyamid, Polycarbonat, Polyurethan, Polyethylenterephtalat , Polyacrlyat, Polyester, Polyvinylchlorid, Cellulose, Holz, biogene Reststoffe oder eine Mischung dieser Komponenten eingesetzt werden.
In einer bevorzugten Aus führungs form wird ein Teilstrom des Synthesegases (Kohlendioxid (CO2) und Kohlenmonoxid (CO) ) dem Reaktor) als Produktgas entnommen.
In dem erfindungsgemäßen Reaktor werden organische Reststoffe, zum Beispiel Kunststoff-Abfälle, durch die Wärme des nichtthermischen Plasmas zunächst vergast. Dieses Pyrolyse-Gas wird im selben Reaktor mit Wasserdampf oder CO2 reformiert, um ein Synthesegas herzustellen.
Das Plasma ist nicht-thermisch und wird durch Gleichspannung oder Wechselspannung zwischen der Ring- und der Stiftelektrode des Plasmagenerators erzeugt.
Dabei laufen folgende Reaktionen ab: Das Festbett / der Feststoff 15 aus organischen Bestandteilen wird vergast bzw. reagiert durch die Hitze mit anderen Gasbestandteilen .
Mögliche Reaktionen sind für Polyethylen (Wiederholeinheit CH2) als Feststoff z.B.
2 CH2 - C + CH4 C + CO2 ^2CO
Die entstehenden Gase werden mit CO2 und/oder Wasserdampf gemischt. Das Gasgemisch wird durch das Plasma geführt. Mögliche Reaktionen dabei sind z.B. :
CH4 + 3CO2 ~^2H2O + 4CO CH4 + H2O -► CO + 3 H2
Ein kleiner Teil des entstehenden Gases wird nach dem Plasma dem Reaktorbehälter (über den Gasauslass 6) als Produktgas entnommen. Der größere Teil des entstehenden Gases wird im Reaktorbehälter umgewälzt, um die Wärme an das Festbett/den Feststoff 15 zu übertragen. Das erfolgt bevorzugt mit Hilfe der Rezirkulationsleitung 7.
In dem Reaktorbehälter laufen zwei Reaktionen geleichzeitig ab. Die Pyrolyse des Feststoffs und die Reformierung. Beide Prozesse sind endotherm. Die dazu erforderliche Energie wird dem Gas durch den Plasmagenerator auf einem sehr hohen Temperaturniveau und ohne nennenswerte Übertragungsverluste zugeführt, so dass die Pyrolyse auch sehr stabiler Verbindungen ohne weiteres möglich ist.
Bei diesem Anwendungsfall kommen die Vorteile des erfindungsgemäßen Plasmareaktors zum Tragen: Im Plasma treten hohe Temperaturen auf, so dass organische Moleküle (z.B. Giftstoffe) sehr verlässlich zersetzt werden können. Dadurch können viele und auch verschiedene kohlenstoffhaltige Ausgangsstoffe nahezu rückstandsfrei pyrolysiert werden.
Verunreinigungen wie Halogene (z.B. aus PVC) stellen kein Problem dar, da keine Katalysatoren eingesetzt werden. Sie beeinflussen lediglich die Zusammensetzung des produzierten Gases, bzw. die Gasaufbereitung
Die Umsetzung von zwei Prozessen in einem Reaktorbehälter ermöglich einen internen Energieaustausch zwischen den Prozessen, so dass nur die für die Gesamtbilanz beider Prozesse notwendige Reaktionsenthalpie durch den Plasmagenerator zugeführt werden muss. Somit kann die sonst zusätzlich nötige Wärmeenergie für eine Pyrolyse, Vergasung oder thermische Zersetzung gespart werden.
Anwendung 2 : Herstellung von Branntkalk und Kohlenmonoxid
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Branntkalk in einem Feststoff-Plasma-Reaktor wird als Feststoff Kalk (CaCO3) eingesetzt. Es umfasst die Verfahrensschritte : Zersetzen des Kalks (CaCO3) in Calciumoxid (CaO) und Kohlendioxid (C02) durch die hohen Temperaturen des Plasmas, und das Zerlegen des Kohlendioxids (C02) in Kohlenmonoxid (CO) und Sauerstoff (02) durch das Plasma. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung kann ein Sauerstoff absorber eingesetzt werden und/oder ein Teilstrom des entstehenden Kohlenmonoxids (CO) dem Reaktor als Produktgas entnommen werden.
Bei dieser Anwendung wird Branntkalk hergestellt bei gleichzeitiger Vermeidung von Kohlendioxidemissionen in die Umwelt. Letzter Aspekt ist von größter Bedeutung, weil die herkömmliche Herstellung von Branntkalk für einen erheblichen Teil der weltweiten C02-Emissionen verantwortlich ist. Heutzutage wird Branntkalk aus Kalk hergestellt. Dafür muss Kalk (CaCO3) bei hohen Temperaturen (über 900°C) gebrannt werden. Dabei entstehen an zwei Stellen CO2- Emissionen: Um die nötigen hohen Temperaturen zu erzeugen, wird ein fossiler Brennstoff verbrannt. Außerdem wird beim Brennen des Kalk CO2 f rei .
Bei der erfindungsgemäßen Herstellung von Branntkalk wird kein CO2 freigesetzt, sondern nur der gewünschte Branntkalk sowie Kohlenmonoxid und Sauerstoff; zumindest für das Kohlenmonoxid besteht eine Nachfrage, so dass sich aus dessen Verkauf nennenswerte Erlöse erzielen lassen.
Als fester Reaktand wird Kalk (CaCO3) eingesetzt. Dieser zerfällt durch die von dem Plasma abgegeben Wärme in Calciumoxid (Branntkalk bzw. Zement) und Kohlendioxid CO2 ) . Nach Umwälzung wird das Kohlendioxid (CO2) in Kohlenmonoxid (CO) und Sauerstoff (O2) getrennt.
Die Reaktionsgleichungen sind wie folgt:
Thermische Zersetzung von Kalk: 1000 °C CaCO3 - > CaO + CO2 T \ H = +181 kJmol 1
Spaltung von CO2 :
1 CO2 -+ CO + -O2 I AH = +283 kJ mo 1
Ein Großteil des Gases wird als Umwälzstrom im Kreis geführt, um Wärme zu transportieren.
Um den Wirkungsgrad zu erhöhen wird ein Sauerstoff absorber eingesetzt. Sauerstoff kann durch verschiedene Prozesse extrahiert werden, z.B. diffusionsgetriebene Membranen, elektrochemisch, durch Adsorption oder durch feste lonenleiter .
Dieser kann sich je nach Technologie im Reaktorraum des erfindungsgemäßen Reaktors oder außerhalb befinden. Bevorzugt wird dafür eine Keramikmembran eingesetzt, die bei hohen Temperaturen Sauerstoff ionen selektiv leiten kann.
Zum Brennen von Kalk in dem erfindungsgemäßen Plasmareaktor wird kein fossiler Rohstoff benötigt. Die thermische Energie wird elektrisch durch das Plasma bereitgestellt. Das dabei entstehende CO2 wird direkt im Reaktor gespalten, so dass neben dem Branntkalk als zweites Produkt Kohlenmonoxid (CO) entsteht. Kohlenmonoxid stellt eine wertvolle Kohlenstoff quelle für die Chemieindustrie Industrie der Zukunft dar. Durch den Verkauf des Kohlenmonoxids werden Erlöse erzielt, welche einen Deckungsbeitrag für die Energiekosten leisten. Bei diesem Prozess wird kein Kohlendioxid ( CO2 ) in die Umwelt abgegeben . Das ist ein wichtiger Beitrag zur Bekämpfung des Klimawandels .
In ähnlicher Weise ist das Brennen von verschiedenen Metall- Carbonaten nach demselben Prozess möglich . Es entsteht das Oxid des Metalls neben Kohlenmonoxid und Sauerstof f .
Sauerstof f kann im selben Reaktor oder außerhalb des Reaktors im Umwäl z-Gasstrom aus dem Gas extrahiert werden .
Sauerstof f kann bei hohen Temperaturen oder nach Kühlung des Gases wie zuvor beschrieben extrahiert werden .
In einer besonders bevorzugten Variante wird das Plasma direkt im Reaktorraum des Reaktors ) und nicht in einer separaten Kavität erzeugt . Das verbessert die Wärmeübertragung vom Gas auf den Feststof f . Infolge dessen steigen der Wirkungsrad und die Umsetzungsrate .
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar . Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Ansprüchen of fenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein .
Zeichnung
Es zeigen : Figur 1 eine vereinfachte und schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Reaktors ;
Figur 2 ein Detail betref fend die Ringelektrode und die Sti ftelektrode und das Leitelement aus der Figur 1 ;
Figur 3 , 4 und 5 verschiedene Konfigurationen erfindungsgemäßer Reaktoren;
Figur 6 die Einbindung eines erfindungsgemäßen Reaktors in ein Verfahren zur Herstellung von CO und C02 ; und
Figur 7 den Wirkungsgrad und Umsatz bei der Spaltung von CO2 .
Beschreibung der Aus führungsbeispiele
In der Figur 1 ist stark vereinfacht der erfindungsgemäße Plasmareaktor 1 dargestellt . Er umfasst einen Reaktorbehälter 3 mit einem Gaseinlass 5 , einem Gasauslass 6 für den Produktstrom und einer Rezirkulationsleitung 7 .
Im Inneren des Reaktorbehälters 3 , dem Reaktorraum 12 , befindet sich ein Teil des Plasmagenerators , nämlich eine Sti ftelektrode 9 und eine Ringelektrode 11 . Die Sti ftelektrode 9 ist bei einer Gasentladung in der Regel die Kathode , während die Ringelektrode 11 bevorzugt als Anode ausgebildet ist .
Die dazu erforderliche elektrische Schaltung ist in einem externen Gehäuse untergebracht , das in den Figuren 3 bis 5 dargestellt ist . Der Gaseinlass 5 ist so geführt , dass das einströmende Gas durch eine ( zylindrischen) Kavität 17 oberhalb der Ringelektrode 11 und an der zentralen Sti ftelektrode 9 vorbei zur Ringelektrode 11 strömt .
In der Kavität 17 ist ein Leitelement 21 für das einströmende Gasgemisch vorhanden, das zum Beispiel als of fenporiger Keramikschaum ausgeführt sein kann . Es dient als Strömungsgleichrichter und verhindert Wärmeeintrag vom Reaktorraum 12 in die Kavität 17 und den Gaseinlass 5 . Das Leitelement 21 kann aber auch als wabenförmige Struktur ausgebildet sein, die dem Gas einen Drall aufprägt .
Zwischen der Spitze der Sti ftelektrode 9 und der eigentlichen Ringelektrode 11 entsteht ein Lichtbogen bzw . eine Glimmentladung, nachfolgend als Gasentladung 13 bezeichnet . Das einströmende Gas wird durch die Gasentladung zumindest teilweise in ein nicht-thermisches Plasma überführt und erreicht dabei sehr hohe Temperaturen ( die Elektronen haben Temperaturen größer 10 . 000 K, die Ionen haben Temperaturen größer 1 . 000 K) .
Dieses Plasma gelangt anschließend in den eigentlichen Reaktorraum 12 . Dort überträgt es die Wärme durch Strahlung und Wärmeleitung, auf die anderen im Reaktorraum 12 befindlichen gas förmigen Bestandteile und aber auch auf dem im unteren Teil des Reaktorraums 12 befindlichen Feststof fs 15 , der zumeist in Form eine Schüttung vorliegt .
Die extrem hohe Temperatur der Elektronen bewirkt eine sehr gute , schnelle und vollständige Pyrolyse des im Reaktorraums vorhandenen Feststof fs 15 . Sie gewährleistet aber auch eine sehr gute Wärmeübertragung (überwiegend durch Gasstrahlung) auf den Feststof f .
Es kann sich bei dem Feststof f zum Beispiel um ein Granulat oder Schreddergut aus Kunststof f abfällen, wie zum Beispiel Polypropylen, Polystyren, Phenoplast , Polyamid, Polycarbonat , Polyurethan, Polyethylenterephtalat , Polyacrlyat , Polyester, Polyvinylchlorid, Cellulose , oder Hol z , handeln .
Der Feststof f 15 samt den dazugehörigen Verunreinigungen oder Schadstof fen wird bei sehr hohen Temperaturen zuverlässig in seine chemischen Bestandteile zersetzt . Die hohen Temperaturen führen dazu, dass Gi ft- oder Schadstof fe in nutzbare Verbindungen auf gebrochen werden . In der Regel werden die Moleküle der Feststof fe in flüchtige Moleküle auf gespaltet . Die auf diese Weise aus dem Feststof f gewonnenen gas förmigen Ausgangsprodukte verbinden sich mit den durch den Gaseinlass eingeströmten gas förmigen Komponenten in der Reaktions zone des Plasmareaktors zu den gewünschten neuen Verbindungen, dem Produktgas .
Dadurch, dass ein Teil des im Reaktorraum befindlichen Gases über die Rezirkulationsleitung 7 in den Gaseinlass 5 transportiert wird, können die Aufenthaltsdauer des Gases im Reaktorraum 12 und die Energie , die dem Gas durch das Plasma 13 zugeführt wird, gesteuert werden
An der Begrenzung der Kavität 17 sind Magnete 39 angeordnet . Sie können als Permanent- oder Elektromagnete ausgeführt sein . Die dadurch entstehenden Magnetfeldlinien sind durch punktierte Linien angedeutet . Aufgrund der Magnetfeldlinien macht die Glimmentladung 13 eine kreis förmige Bewegung um die Sti ftelektrode 9 herum und überstreicht dadurch die gesamte kreisringförmige Fläche zwischen Ringelektrode 11 und Sti ftelektrode 9 . Dadurch wird die Anregung des durch die kreisringförmige Fläche strömenden Gases intensiviert . Das in der Reaktions zone entstehende Plasma hat in erster Näherung durch die schnelle Rotation eines Entladungskanals zwischen der Sti ftelektrode 9 und der Ringelektrode 11 mit 50 Hz bis zu mehreren kHz die Form einer Scheibe und nimmt ein großes Volumen ein .
In der Figur 2 ist ein Detail des erfindungsgemäßen Reaktors etwas vergrößert dargestellt .
Das Leitelement 21 kann auch, ähnlich wie bei einem Katalysator, eine wabenförmige Struktur aufweisen (nicht dargestellt ) . Durch diese parallel zueinander und parallel zur Längsachse der Sti ftelektrode 9 verlaufenden Kanäle strömt das Gas von 17 in den Reaktorraum 12 . Auch diese Aus führungs form eines Leitelements 21 verhindert den Wärmeeintrag in die Kavität 17 und wirkt als Gleichrichter .
Es ist aber auch möglich, die nicht dargestellten Kanäle eines Leitelements 21 so anzuordnen und zu formen, dass sie dem Gas einen Drall aufprägen . Dann tritt das Gas , nachdem es das Leitelement 21 und die Glimmentladung 13 durchströmt hat , mit einem Drall in den Reaktorraum 3 . Dadurch wird die Verteilung des Plasmas bzw . des hocherhitzten Gases im Reaktorraum weiter verbessert . In manchen Fällen können dadurch die Magnete 39 entfallen .
In den Figuren 3 , 4 und 5 sind vereinfachte
Schnittdarstellungen verschieden konfigurierter erfindungsgemäßer Reaktoren 1 dargestellt . Die meisten
Bauteile dieser Schnittdarstellungen sind bereits bekannt .
Daher werden sie nicht nochmals erläutert .
Die elektrische Schaltung des Plasmagenerators 23 , welche die Elektroden 9 , 11 mit Hochspannung ( Gleichspannung oder Wechselspannung) versorgt , um die Glimmentladung zu starten und aufrecht zu erhalten ist schematisch durch einen Block 41 dargestellt . Details dieser Schaltung können, wie bereits erwähnt , einer Patentanmeldung der Anmelderin entnommen werden, die beim DPMA am gleichen Tag eingereicht wurde .
In den Figuren 3 bis 5 ist der Reaktorraum 12 seitlich von dem Plasmagenerator 23 angeordnet . Zwischen dem Plasmagenerator 23 und der Reaktorbehälter 3 ist ein Zwischenstück 43 vorgesehen, an welches der Gaseinlass 5 und der Auslass 6 für das Produktgas angeschlossen sind .
Bei den Aus führungsbeispielen gemäß Figur 3 und 5 ist ein Rost 25 im Reaktorraum 12 vorgesehen . Auf diesem Rost 25 befindet sich der Feststof f 15 . Die Aus führungsbeispiele der Figuren 3 und 5 unterscheiden sich vor allem hinsichtlich der Anordnung des Rosts 25 relativ zu dem Zwischenstück 43 . Auf dem Rost 15 ist ein Feststof f 15 auf geschichtet . Am oberen Ende des Reaktorbehälter 3 zweigt die Rezirkulationsleitung 7 ab .
In der Figur 4 ist eine Konstellation mit schräggestelltem Rost dargestellt . Am Boden des Reaktorbehälters 3 ist der Feststof f 15 und an dem in Figur 4 rechten Ende des Reaktorbehälters 3 ist die Rezirkulationsleitung 7 angeordnet . Das Aus führungsbeispiel gemäß Figur 5 entspricht weitgehend dem Aus führungsbeispiel gemäß Figur 3 . Im Wesentlichen unterscheiden sich die Positionen der Roste 15 voneinander .
In der Figur 6 ist ein weiteres Aus führungsbeispiel des erfindungsgemäße Reaktor 1 dargestellt . Es ist eingebunden in eine Anlage zur Erzeugung von Kohlenmonoxid CO oder Synthesegas auf Basis von CO2 als gas förmigen Ausgangsstof f und Polyethylen, Polypropylen, Polystyren, Phenoplast , Polyamid, Polycarbonat , Polyurethan, Polyethylenterephtalat , Polyacrlyat , Polyester, Polyvinylchlorid, Cellulose , Hol z oder einem Gemisch das einen oder mehrere dieser Stof fe enthält , als Feststof f 15 .
An dem Reaktorbehälter 3 ist eine Schleuse 27 vorgesehen, um den Feststof f 15 in den Reaktorbehälter 3 zu befördern . Diese Schleuse 27 ist bevorzugt gasdicht und ermöglicht es , mit Hil fe einer Fördereinrichtung 29 Feststof fe aus einem Vorratsbehälter 31 kontinuierlich oder getaktet in den Reaktorbehälter 3 zu fördern .
Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in den anderen Figuren die Schleuse 27 und die Fördereinrichtung 29 nicht dargestellt .
Der Reaktor 1 umfasst bei diesem Aus führungsbeispiel zwei Plasmageneratoren 23 . Die beiden Plasmareaktoren 23 sind in die Decke des Reaktorraums 12 eingesetzt . Der Gaseinlass 5 versorgt die Plasmageneratoren 23 mit Gas . In dem Gaseinlass 5 ist ein Gebläse 33 angeordnet , welches den Volumenstrom, der durch den Gaseinlass 5 in den Reaktorraum 12 strömt , bestimmt .
Die Rezirkulationsleitung 7 mündet stromaufwärts des Gebläses 33 in den Gaseinlass 5 . Das Gebläse 33 saugt daher auch das durch die Rezirkulationsleitung 7 strömende Gas an und fördert es zusammen mit den in dem Gaseinlass 5 befindlichen Gas (hier CO2 ) in den Reaktorraum 12 .
Es ist auch möglich, dass in der Rezirkulationsleitung 7 ein Gebläse oder eine Saugstrahlpumpe angeordnet sind (nicht dargestellt ) . Es ist auch möglich, dass in dem Gaseinlass 5 und/oder der Rezirkulationsleitung 7 ein Stromventil angeordnet ist (nicht dargestellt ) . Beide dienen dazu, den Volumenstrom im Gaseinlass 5 und der Rezirkulationsleitung 7 zu steuern und damit eine bessere Prozess führung zu ermöglichen .
In der Rezirkulationsleitung 7 sind ein erster Abscheider 35 und ein Wärmetauscher 37 angeordnet . Mit dem ersten Abscheider 35 können beispielsweise flüchtige Metalle , Halogene , oder andere sonstige unerwünschte Stof fe aus dem Gas abgeschieden werden . Mit Hil fe des Wärmetauschers 37 wird das Gas in der Rezirkulationsleitung 7 abgekühlt und die dabei gewonnene Wärme wird dann mit Hil fe des Wärmetauschers 37 in einem der nachfolgenden Prozessschritte genutzt werden, zum Beispiel in der Regeneration eines Gasabsorbers oder der Trocknung von festen Reaktanden .
Der Gasauslass 6 für den Produktstrom mündet in einen weiteren Abscheider 45 , in dem z . B . Halogensäuren und Wasser aus dem Produktgas ausgeschieden werden, so dass es bei diesem Anwendungs fall nur noch CO2 und CO enthält . Anschließend wird das Produktgas in seine Gasbestandteile CO2 und CO getrennt .
Ein Teil des CO2 kann in den Gaseinlass 5 gefördert werden . Ein anderer Teil des CO2 kann in anderen Prozessen eingesetzt werden oder in tiefen Erdschichten zwischengelagert werden; dieser Vorgang wird auch als Carbon Capture and Storage ( CCS ) bezeichnet .
Der energetische Wirkungsgrad und der Umsatz eines erfindungsgemäßen Glimmentladungs-Plasmagenerators bei der Spaltung von CO2 ist in der Figur 7 dargestellt . Dabei kommt eine Elektrodenanordnung, wie sie in der Figur 2 angedeutet wurde , zum Einsatz . Der lichte Durchmesser der Ringelektrode 11 betrug 22 Millimeter . Die Spitze der Sti ftelektrode 9 endete ( anders als in der Figur 2 dargestellt ) etwa drei Millimeter oberhalb der Oberkante der Ringelektrode 11 . Diese Konfiguration vorausgesetzt , konnten die in der Figur 7 dargestellten Ergebnisse erzielt werden .
Es ist zu sehen, dass durch die Elektrodenanordnung und Beschaf fenheit der Entladung sowohl ein hoher Wirkungsgrad von über 40% bei gleichzeitig hohem Umsatz von 28 % erreicht werden kann . Das ist durch den gleichmäßigen Energieeintrag in das Plasma und die verwendete Elektrodenanordnung möglich . Nachfolgend werden anhand von zwei ausgewählten Anwendungen, der Kunststof f-Pyrolyse und der Herstellung von Branntkalk die Vorteile des erfindungsgemäßen Reaktors erläutert .
Liste der Bezugs zeichen Plasmareaktor Reaktorbehälter Gaseinlass Auslass für das Produktgas Rezirkulationsleitung Stiftelektrode Ringelektrode Reaktorraum Gasentladung Feststof f Kavität zylindrischer Abschnitt der Ringelektrode 11 Leitelement Plasmagenerator Rost Schleuse Förderschnecke Vorratsbehälter Gebläse erster Abscheider Wärmetauscher Magnet Gehäuse Zwischenstück zweiter Abscheider

Claims

Patentansprüche Reaktor umfassend einen Reaktorraum (12) , mindestens einen Plasmagenerator (23) mit zwei Elektroden (9, 11) , mindestens einen Gaseinlass (5) , einen Gasauslass (6) für den Produktstrom und eine Rezirkulationsleitung (7) , wobei der mindestens eine Plasmagenerator (23) zwischen dem Gaseinlass (5) und dem Reaktorraum (12) angeordnet ist, so dass er von dem durch den Gaseinlass (5) in den Reaktorraum (12) strömenden Gas oder Gasgemisch durchströmt wird. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das durch den mindestens Gaseinlass (5) in den Reaktorraum (12) einströmende Gas oder Gasgemisch durch die Reaktionszone des Plasmas und anschließend direkt auf einen in den Reaktorraum (12) befindlichen Feststoff geleitet wird. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rezirkulationsleitung (7) einen Abscheider (35) und/oder einen Wärmetauscher (37) durchströmt. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Reaktorraum (12) ein Rost (25) oder ein Drehrohr vorgesehen ist. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasauslass (6) für den Produktstrom zwischen Plasmagenerator und Rost oder Feststoffen angeordnet ist. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rezirkulationsleitung (7) so angeordnet ist, dass das durch den Reaktorraum (12) in die Rezirkulationsleitung (7) strömende Gas (zuvor) an einem im Reaktorraum (12) befindlichen Feststoff (15) vorbeiströmt und/oder durch den Feststoff (15) strömt. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmagenerator (23) eine Stiftelektrode (9) und eine Ringelektrode (11) umfasst. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmagenerator (23) eine nicht-thermische Gasentladung (13) mittels Gleichspannung erzeugt. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmagenerator (23) Permanentmagnete oder eine Magnetspule (39) umfasst, welche einen zwischen Stiftelektrode (9) und Ringelektrode (11) vorhandenen Lichtbogen oder eine Glimmentladung (13) in Bewegung versetzen. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts der Elektroden (9, 11) ein Leitelement (21) für das einströmende Gas vorgesehen ist, wobei das Leitelement (21) das durch den Gaseinlass (5) in den Plasmagenerator (23) strömende Gas ausrichtet und / oder mit einem Drall versieht. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Schleuse (27) zum kontinuierlichen oder intervallweisen Einschleusen von Feststoff (15) in den Reaktorraum (12) umfasst.
12. Verfahren zur Herstellung von Synthesegas in einem Feststoff-Plasma-Reaktor (1) umfassend die Verfahrensschritte :
Vergasen und/oder Pyrolysieren eines organischen Feststoffs (15) , und
Reformieren des entstehenden Gases mit Kohlendioxid (CO2) und / oder Wasserdampf (H20) .
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der organische Feststoff Polyethylen, Polypropylen, Polystyren, Phenoplast, Polyamid, Polycarbonat, Polyurethan, Polyethylenterephtalat , Polyacrlyat, Polyester, Polyvinylchlorid, Cellulose, Holz, biogene Reststoffe oder eine Mischung dieser Komponenten enthält .
14. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilstrom des Synthesegases (Kohlendioxid (CO2) und Kohlenmonoxid (CO) ) dem Reaktor (1) als Produktgas entnommen wird.
15. Verfahren zur Herstellung eines Metalloxids (MxOy) in einem Feststoff-Plasma-Reaktor (1) bei dem als Feststoff das Carbonat desselben Metalls (Mx(CO3)y) eingesetzt wird, umfassend die Verfahrensschritte:
Zersetzen des Metallcarbonats (Mx(CO3)y) in dessen Oxid (MxOy) und Kohlendioxid (CO2) durch die hohen Temperaturen des Plasmas, und
Zerlegen des Kohlendioxids (CO2) in Kohlenmonoxid (CO) und Sauerstoff (O2) durch das Plasma (13) .
16. Verfahren nach 15, insbesondere Herstellung von Branntkalk, (CaO) , in einem Feststoff-Plasma-Reaktor (1) bei dem als Feststoff Kalk (CaCOs) eingesetzt wird, umfassend die Verfahrensschritte:
Zersetzen von Kalk (CaCOs) in Calciumoxid (CaO) und Kohlendioxid (CO2) durch die hohen Temperaturen des Plasmas, und
- Zerlegen des Kohlendioxids (CO2) in Kohlenmonoxid (CO) und Sauerstoff (O2) durch das Plasma (13) .
17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sauerstoff absorber eingesetzt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilstrom des Kohlenmonoxids dem Reaktor (1) (CO) als Produktgas entnommen wird.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es unter Verwendung eines Reaktors (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchgeführt wird.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma direkt im Reaktorraum (12) des Reaktors (1) und nicht in einer separaten Kavität erzeugt wird.
PCT/EP2022/053663 2022-02-15 2022-02-15 Feststoff-plasma-reaktor und verfahren zum betreiben eines festbettreaktors WO2023155974A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2022/053663 WO2023155974A1 (de) 2022-02-15 2022-02-15 Feststoff-plasma-reaktor und verfahren zum betreiben eines festbettreaktors
TW112105209A TW202333855A (zh) 2022-02-15 2023-02-14 固體電漿反應器以及固定床反應器之操作方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2022/053663 WO2023155974A1 (de) 2022-02-15 2022-02-15 Feststoff-plasma-reaktor und verfahren zum betreiben eines festbettreaktors

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023155974A1 true WO2023155974A1 (de) 2023-08-24

Family

ID=80738958

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2022/053663 WO2023155974A1 (de) 2022-02-15 2022-02-15 Feststoff-plasma-reaktor und verfahren zum betreiben eines festbettreaktors

Country Status (2)

Country Link
TW (1) TW202333855A (de)
WO (1) WO2023155974A1 (de)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3631015A1 (de) 1985-09-25 1987-04-16 Skf Steel Eng Ab Verfahren zur erzeugung eines kohlenmonoxid-wasserstoff enthaltenden reingases
US20040168905A1 (en) * 2002-12-12 2004-09-02 Frank Duvinage Method of generating nitrogen oxides and pertaining system
CN101468788A (zh) * 2008-04-25 2009-07-01 周开根 垃圾、生物质原料生产合成气的系统及设备
EP2597137B1 (de) * 2010-07-20 2017-05-24 Sunshine Kaidi New Energy Group Co., Ltd Verfahren und vorrichtung zur biomassepyrolysegasifizierung über zwei miteinander verbundene öfen
US20170349434A1 (en) * 2014-10-31 2017-12-07 Deutsche Lufthansa Ag Method and plant for the production of synthesis gas
EP2740322B1 (de) * 2011-08-04 2018-05-02 Stephen Lee Cunningham Plasma-lichtbogenbrenner und anwendungen

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3631015A1 (de) 1985-09-25 1987-04-16 Skf Steel Eng Ab Verfahren zur erzeugung eines kohlenmonoxid-wasserstoff enthaltenden reingases
US20040168905A1 (en) * 2002-12-12 2004-09-02 Frank Duvinage Method of generating nitrogen oxides and pertaining system
CN101468788A (zh) * 2008-04-25 2009-07-01 周开根 垃圾、生物质原料生产合成气的系统及设备
EP2597137B1 (de) * 2010-07-20 2017-05-24 Sunshine Kaidi New Energy Group Co., Ltd Verfahren und vorrichtung zur biomassepyrolysegasifizierung über zwei miteinander verbundene öfen
EP2740322B1 (de) * 2011-08-04 2018-05-02 Stephen Lee Cunningham Plasma-lichtbogenbrenner und anwendungen
US20170349434A1 (en) * 2014-10-31 2017-12-07 Deutsche Lufthansa Ag Method and plant for the production of synthesis gas

Also Published As

Publication number Publication date
TW202333855A (zh) 2023-09-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69731767T2 (de) Verfahren und vorrichtungen zur herstellung von wasserstoff durch plasmareforming
EP3008218B1 (de) Hochofen und verfahren zum betrieb eines hochofens
DE3224328A1 (de) Verfahren und anlage zur umwandlung von abfallstoffen in bestaendige endprodukte
DE2849151A1 (de) Brennstoffzellenstromversorgungsanlage und verfahren zum betreiben derselben
DE3913581A1 (de) Verfahren zum betrieb von brennstoffzellen
DE102007025551A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Verbrennung von kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffen
WO2011101209A2 (de) Verfahren und vorrichtung zur verwertung von emissionen eines kraftwerks
DE102014203039A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Trennung von Abgas bei der Verbrennung bestimmter Metalle
EP1218290A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur erzeugung eines wasserstoff- oder synthesegases und verwendung derselben
EP3212566B1 (de) Verfahren und anlage zur herstellung von synthesegas
DE102011051906A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Vergasung kohlenstoffhaltiger fester Stoffe mit Wasserdampf und Kohlendioxid und deren Gemische
WO1996007210A1 (de) Verfahren zur erzeugung von elektrischer energie aus regenerativer biomasse
DE102011112093A1 (de) Verfahren und Anlage zur kohlendioxidarmen, vorzugsweise kohlendioxidfreien, Erzeugung eines flüssigen kohlenwasserstoffhaltigen Energieträgers und/oder zur Direktreduktion von Metalloxiden
DE3605715A1 (de) Verfahren und einrichtung zum vergasen fossiler brennstoffe und reformieren gasfoermigen brennstoffes zwecks erzeugung eines hauptsaechlich co und h(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts) enthaltenden gases
WO2023155974A1 (de) Feststoff-plasma-reaktor und verfahren zum betreiben eines festbettreaktors
EP1456119B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur umwandlung eines brennstoffes
WO2012013485A1 (de) Verfahren zur wiederverwendung von co2-haltigen abgasen
EP3498665B1 (de) Verfahren zur herstellung von synthesegas
WO2023155975A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur gewinnung von kohlenmonoxid aus atmosphärischem kohlendioxid mit einem feststoff-plasma-reaktor
CA2903174C (en) Waste disposal
DE102006032956A1 (de) Reformer und Verfahren zum Umsetzen von Brennstoff und Oxidationsmittel zu gasförmigem Reformat
EP1167492B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Brenngases aus Biomasse
DE10163474A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung und/oder Reformierung von gasförmigen Brennstoffen und zugehörige Anwendung
WO2011101217A2 (de) Verfahren und vorrichtung zur verwertung von emissionen einer industriellen anlage
DE102014209529A1 (de) Verbrennung von Lithium bei unterschiedlichen Temperaturen, Drücken und Gasüberschüssen mit porösen Rohren als Brenner

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22709997

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1