Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

DE10238041A1 - Wasserstofferzeuger - Google Patents

Wasserstofferzeuger Download PDF

Info

Publication number
DE10238041A1
DE10238041A1 DE10238041A DE10238041A DE10238041A1 DE 10238041 A1 DE10238041 A1 DE 10238041A1 DE 10238041 A DE10238041 A DE 10238041A DE 10238041 A DE10238041 A DE 10238041A DE 10238041 A1 DE10238041 A1 DE 10238041A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
hydrogen
nitrogen
air
synthesis gas
hydrocarbons
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Ceased
Application number
DE10238041A
Other languages
English (en)
Inventor
German Kurz
Peter Dr.-Ing. Neumann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CALORIC ANLAGENBAU GmbH
Original Assignee
CALORIC ANLAGENBAU GmbH
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 CALORIC ANLAGENBAU GmbH filed Critical CALORIC ANLAGENBAU GmbH
Priority to DE10238041A priority Critical patent/DE10238041A1/de
Publication of DE10238041A1 publication Critical patent/DE10238041A1/de
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/02Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
    • B01D53/04Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography with stationary adsorbents
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B13/00Oxygen; Ozone; Oxides or hydroxides in general
    • C01B13/02Preparation of oxygen
    • C01B13/0229Purification or separation processes
    • C01B13/0248Physical processing only
    • C01B13/0251Physical processing only by making use of membranes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B13/00Oxygen; Ozone; Oxides or hydroxides in general
    • C01B13/02Preparation of oxygen
    • C01B13/0229Purification or separation processes
    • C01B13/0248Physical processing only
    • C01B13/0259Physical processing only by adsorption on solids
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C01B3/382Multi-step processes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H01M8/0687Reactant purification by the use of membranes or filters
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2253/00Adsorbents used in seperation treatment of gases and vapours
    • B01D2253/10Inorganic adsorbents
    • B01D2253/106Silica or silicates
    • B01D2253/108Zeolites
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2253/00Adsorbents used in seperation treatment of gases and vapours
    • B01D2253/10Inorganic adsorbents
    • B01D2253/116Molecular sieves other than zeolites
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2256/00Main component in the product gas stream after treatment
    • B01D2256/12Oxygen
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2257/00Components to be removed
    • B01D2257/10Single element gases other than halogens
    • B01D2257/102Nitrogen
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2259/00Type of treatment
    • B01D2259/40Further details for adsorption processes and devices
    • B01D2259/402Further details for adsorption processes and devices using two beds
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/02Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
    • B01D53/04Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography with stationary adsorbents
    • B01D53/047Pressure swing adsorption
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0244Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being an autothermal reforming step, e.g. secondary reforming processes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06Integration with other chemical processes
    • C01B2203/066Integration with other chemical processes with fuel cells
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0838Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by heat exchange with exothermic reactions, other than by combustion of fuel
    • C01B2203/0844Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by heat exchange with exothermic reactions, other than by combustion of fuel the non-combustive exothermic reaction being another reforming reaction as defined in groups C01B2203/02 - C01B2203/0294
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/14Details of the flowsheet
    • C01B2203/142At least two reforming, decomposition or partial oxidation steps in series
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/80Aspect of integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas not covered by groups C01B2203/02 - C01B2203/1695
    • C01B2203/82Several process steps of C01B2203/02 - C01B2203/08 integrated into a single apparatus
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10Process efficiency
    • Y02P20/129Energy recovery, e.g. by cogeneration, H2recovery or pressure recovery turbines

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umsetzung von Kohlenwasserstoffen mit Wasserdampf und Luftsauerstoff als Einsatzstoffe an einem Katalysator in ein wasserstoffreiches Synthesegas, dient dazu, Wasserstoff zu gewinnen, wobei aus dem Wasserstoff beispielsweise in Brennstoffzellen elektrischer Strom erzeugt werden kann. Das Verfahren umfasst den Schritt des Abreicherns des Stickstoffanteils von dem Prozess zuzuführender Luft in einer Stickstoffabreicherungseinrichtung, um mit stickstoffarmer Luft als Sauerstofflieferant den Prozess zur Synthesegaserzeugung auszuführen. Die Vorrichtung umfasst eine Gastrennstufe zur Stickstoffabreicherung, wobei die Gastrennstufe z. B. eine Druckwechseladsorptionsanlage oder eine Membranstufe aufweist. Die deutliche Verminderung des Stickstoffanteils der Luft vermindert den Ballastgasanteil und führt zu einem energetisch günstigen Verfahren, das eine hohe Wasserstoffausbeute im Synthesegas und ggf. ein nach Abtrennung des Wasserstoffs brennbares Restgas liefert, das ebenfalls genutzt werden kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wasserstofferzeuger zur Erzeugung von Wasserstoff bzw. eines wasserstoffreichen Synthesegases.
  • Beispielsweise wird im Zuge der Optimierung der Nutzung von fossilen Brennstoffen in Gebäudekomplexen, wie Bürogebäuden, Krankenhäusern oder dgl., zunehmend der Einsatz von Brennstoffzellen in Betracht gezogen, die elektrischen Strom erzeugen und die bei der Stromerzeugung anfallende Wärme in den Gebäuden zu Heizzwecken verfügbar halten.
  • Fernziel ist dabei die unmittelbare Umsetzung von fossilen Brennstoffen, wie Erdgas, in der Brennstoffzelle zu Strom und Wärme. Obwohl es bereits Hochtemperaturbrennstoffzellen gibt, die verschiedene Stoffkombinationen umsetzen können, erfolgt üblicherweise die eigentliche Stromerzeugung in der Brennstoffzelle durch die Rekombination von Sauerstoff und Wasserstoff zu Wasser, wobei die dabei freiwerdende Energie in einem großen Anteil als elektrischer Strom anfällt.
  • Die unmittelbare Umsetzung fossiler Brennstoffe im technischen Maßstab ist mit der derzeit bestehenden Brennstoffzellentechnik bisher nicht erreicht, deshalb benötigen bestehende Systeme einen Wasserstofferzeuger, der aus fossilen Brennstoffen als Einsatzstoffe Wasserstoff erzeugt und damit die Brennstoffzelle(n) speist.
  • Es ist eine Vielzahl großtechnischer Verfahren zur Wasserstofferzeugung aus Kohlenwasserstoffen, aus denen die fossilen Brennstoffe, wie Erdgas, LPG aus Erdöl etc. im Wesentlichen bestehen, bekannt. Diese Verfahren sind als Reforming bekannt und setzen die Kohlenwasserstoffe mit Was serdampf in einem Reformer zu einem wasserstoffreichen Synthesegas um.
  • Aus dem Stand der Technik ist als großtechnisch dominierendes Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff das Dampfreformierungsverfahren oder Steam-Reforming bekannt und wird weltweit eingesetzt. In diesem Verfahren wird in von außen beheizten Rohren an einem Nickel-Katalysator ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen und Wasserdampf in einem Temperaturbereich von 800–900°C in ein wasserstoffreiches Synthesegas umgesetzt. In einer nachfolgenden CO-Konvertierung wird Kohlenmonoxid in Anwesenheit von Wasserdampf in der sogenannten Wassergasreaktion in Kohlendioxid und Wasserstoff umgesetzt. In einer anschließenden Reinigungsstufe (typischerweise eine Druckwechseladsorptionsanlage) wird der Wasserstoff in der gewünschten Reinheit erhalten.
  • Dieses Verfahren wird üblicherweise im großtechnischen Einsatz verwendet. Die anlagentechnischen Anforderungen sind bei den erforderlichen Betriebsbedingungen sehr hoch und erst in entsprechendem Größenmaßstab wirtschaftlich zu verwirklichen.
  • Ein anderes bekanntes Verfahren setzt Kohlenwasserstoffe mit Wasserdampf und Sauerstoff an einem Katalysator in einem Reformer um, wobei die für die Umsetzung erforderliche Wärme durch Reaktion eines Teils der Kohlenwasserstoffe mit dem Sauerstoff am Katalysator im Reformer selbst erzeugt wird. Weil keine äußere Beheizung erfolgt, wird ein solcher Reformer als ein autothermer Reformer bezeichnet. In ausgeführten großtechnischen Anlagen wird der erforderliche Sauerstoff durch Luftrektifikation gewonnen. Eine solche Zerlegung von Luft in ihre Bestandteile erfordert erhebliche anlagentechnische Aufwendungen, so dass der Einsatz dieses Verfahrens nur für Großanlagen wirtschaftlich vertretbar ist.
  • Aus dem Stand der Technik ein weiterer Wasserstofferzeuger bekannt, der einen Steam-Reformer verwendet, um Wasserstoff für den Einsatz in einer Brennstoffzelle bereitzustellen. Bei diesem Verfahren wird das Synthesegas in einer nachgeschalteten, mehrstufigen Gasaufbereitung derart behandelt, dass zum einen die Wasserstoffausbeute erhöht wird und zum anderen der Kohlenmonoxidgehalt im Synthesegas hinreichend reduziert wird, um die eingesetzte Brennstoffzelle nicht zu schädigen. Die Brennstoffzelle wird in diesem Fall mit dem Synthesegas und Luft betrieben.
  • Es ist zudem ein Wasserstofferzeuger bekannt, der einen autothermen Reformer verwendet, der mit Luft als Sauerstoffquelle betrieben wird. Das in diesem Reformer erzeugte Synthesegas hat in etwa die folgende Zusammensetzung (trocken):
    34 Vol% H2
    7 Vol% CO
    10 Vol% CO2
    49 Vol% N2 + Ar
  • In einer anschließenden Reinigungsstufe mit einer Druckwechseladsorptionsanlage wird der Wasserstoff in der gewünschten Reinheit abgetrennt.
  • Die Erfinder haben erkannt, dass diese bekannte Vorgehensweise jedoch mit den folgenden Nachteilen behaftet ist:
    Die bei Einsatz von Luft durch das gesamte Verfahren geführte Gasmenge ist, wegen des lediglich als Ballast mitgeführten Stickstoffs, im Vergleich zur erhaltenen Wasser stoffmenge groß. Somit ist eine größere Menge teuren Katalysators erforderlich, um eine Umsetzung der Kohlenwasserstoffe bei einem insgesamt erhöhten Gasdurchsatz sicherzustellen. Zudem muss lediglich als Ballaststoff mitgeführter Stickstoff ebenfalls auf die Reaktionstemperatur des Katalysators erwärmt werden. Die im Sinne des Verfahrens überflüssige Erwärmung des Stickstoffballasts kostet jedoch Energie. Dadurch steigt der Kohlenwasserstoffverbrauch je erhaltener Wasserstoffmenge, was bei Einsatz von Erdgas unmittelbar einen höheren Primärenergieverbrauch der Anlage bedeutet.
  • Bedingt durch den größeren Gasdurchsatz ist zudem eine größere Dimensionierung der Reinigungsstufe (z.B. kann die Reinigungsstufe als Druckwechseladsorptionsanlage oder als eine mehrstufige CO-Konvertierung ausgeführt sein) und anderer Anlagenbestandteile, wie Wärmetauscher zur Einsatzstoffvorwärmung, zwingend erforderlich. Entsprechend größer bemessene Anlagen haben neben erhöhten Investitionskosten auch einen entsprechend höheren Energieverbrauch.
  • Angesichts obiger Überlegungen, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Wasserstofferzeugung sowie einen Wasserstofferzeuger zur Erzeugung von Wasserstoff vorzuschlagen, mit denen Wasserstoff in vergleichsweise geringen Mengen wirtschaftlich aus Kohlenwasserstoffen und Luft gewonnen werden kann. Vergleichsweise geringe Mengen bedeutet hier deutlich weniger als im großtechnischen Maßstab, jedoch mehr als im Labor- oder Technikumsmaßstab. Bevorzugt ist hiermit eine Größenordnung von etwa 50 bis 300 Nm3/h H2 und besonders bevorzugt eine Größenordnung von 100 Nm3/h H2 gemeint.
  • Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens mit einem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und hinsichtlich der Vorrich tung mit einem Wasserstofferzeuger mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
  • 1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens und einer beispielhaften Vorrichtung zur Erzeugung wasserstoffreichen Synthesegases; und
  • 2 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur weiteren Verarbeitung und Nutzung des wasserstoffreichen Synthesegases.
  • In 1 ist ein autothermer Reformer 1 gezeigt, der ein Gehäuse 12 umfasst, das ein Katalysatorbett 11 aus einem nickelhaltigen Katalysator enthält. Dem Reformer 1 werden die Stoffströme Dampf (Leitung a), Erdgas (Leitung c) und die stickstoffabgereicherte aufbereitete Luft (Leitung b) zugeführt. Im Reformer, dessen Energiebedarf aus einer Umsetzung eines Teils des Erdgases zusammen mit dem Sauerstoff der Luft gedeckt wird, wird ein Synthesegas mit in etwa folgender Zusammensetzung (trocken) erzeugt:
    69 Vol% H2
    13 Vol% CO
    16 Vol% CO2
    2 Vol% N2 + Ar (bei einer stickstoffabgereicherten Luftzusammensetzung von etwa 95 Vol% O2 und etwa 5 Vol% N2 und Ar).
  • Im Vergleich zum eingangs beschriebenen Stand der Technik fällt besonders auf, dass in dem mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Synthesegas ein deutlich höherer Volumenanteil an Wasserstoff im Gemisch enthalten ist. Im gesamten weiteren Verfahrensablauf muss also nur ein Synthesegas weiterverarbeitet werden, das bereits einen großen Volumenanteil der gewünschten Komponente enthält. Dadurch ist der Gesamtenergieverbrauch reduziert, der sich in der Erdgasbilanz als ein Minderverbrauch von etwa 15 % bei der gleichen Menge erzeugten Wasserstoffs gegenüber einer luftbetriebenen Anlage darstellt.
  • Um stickstoffarme Luft zu erhalten, mit der der Reformer gespeist wird, ist gemäß 1 eine Stickstoffabreicherungseinrichtung vorgesehen. Diese Einrichtung umfasst einen Verdichter 3 und eine Gastrennstufe 2. Der Verdichter 3 kann vor oder nach oder sowohl vor als auch nach der Gastrennstufe 2 vorgesehen sein, dies ist von der Bauart der Gastrennstufe 2, und dem Druckniveau des nachfolgenden Prozesses abhängig. Als Gastrennstufe 2 kann eine Druckwechseladsorptionsanlage (PSA, Pressure Swing Adsorption) vorgesehen sein, die Stickstoff abtrennt. Diese kann beispielsweise so ausgelegt sein, dass Stickstoff in den Molekularsieben aufgehalten, d.h. adsorbiert wird, während die verbleibenden Luftbestandteile die Molekularsiebe passieren können. In einer Desorption wird dann der an den Molekularsieben adsorbierte Stickstoff abgeführt und das Molekularsieb ist zur erneuten Stickstoffaufnahme vorbereitet. Vorzugsweise werden mindestens zwei Molekularsiebe zeitversetzt abwechselnd einer Adsorption und einer anschließenden Desorption unterworfen, um einen kontinuierlichen Strom stickstoffarmer Luft zu erhalten. Der abgetrennte Stickstoff kann als Abgas anfallen oder einer anderen Verwendung zugeführt werden.
  • An die Trenngenauigkeit der Gastrennstufe sind keine übermäßigen Genauigkeitsanforderungen zu stellen, es genügt, wenn der übliche Stickstoffanteil der Luft von etwa 79 Vol% spürbar, d.h. um mehrere Volumenprozent, reduziert wird. Von besonderem Vorteil ist es, wenn der Stickstoffanteil in den einstelligen Prozentbereich, insbesondere auf 5 Vol% oder weniger, reduziert wird.
  • In einer alternativen Lösung kann die Gastrennstufe 2 auch als eine Membrantrennstufe ausgeführt sein, die selektiv Stickstoff aus der Luft abtrennt.
  • Des weiteren zeigt 1 einen Anfahrvorwärmer 4, der vorzugsweise elektrisch beheizt ist, sowie Wärmetauscher 5 und 6, die Wärme von dem heißen Synthesegas zur Vorwärmung auf die Einsatzstoffe übertragen. In der Darstellung gemäß 1 werden mit dem Wärmetauscher 5 Dampf in Leitung a und die damit vermischte stickstoffarme Luft in Leitung b vorgewärmt. Wärmetauscher 6 erwärmt Erdgas in Leitung c bevor dieses dem Reformer 1 zugeführt wird.
  • Anhand der 1 ergibt sich folgender Verfahrensablauf: Zunächst wird über die Leitung a vorzugsweise Stickstoff als inerter Wärmeträger zum Reformer 1 geführt, wobei der Anfahrvorwärmer 4 den Stickstoff aufheizt, damit dieser beim Durchströmen das Katalysatorbett 11 auf eine Temperatur erhitzt, bei der die exotherme Reaktion von Erdgas mit Luftsauerstoff einsetzen kann. Wenn die Startemperatur im Reformer erreicht ist, wird Wasserdampf über die Leitung a, die stickstoffarme Luft über die Leitungen b, a und Erdgas durch die Leitung c zugeführt. Der Stickstoff wird lediglich zum Anfahren und ggf. späteren Spülen des Reformers 1 zugeführt.
  • Alternativ können die Einsatzstoffe stickstoffarme Luft und Wasserdampf direkt durch den elektrischen Anfahrvorwärmer 4 vorgeheizt werden, bis die Starttemperatur erreicht ist.
  • Am Katalysator erfolgt der Umsatz der Einsatzstoffe (bei Verwendung von Erdgas) im Wesentlichen nach den folgenden Gleichungen: CH4 + H2O <-> CO + 3 H2 CO + H2O <-> CO2 + H2 CH4 + CO2 <-> 2 CO + 2 H2
  • Das dabei entstehende Synthesegas wird in der Leitung d abgeführt und passiert dabei die Wärmetauscher 5 und 6 in denen es einen Teil seiner Wärme an die Einsatzstoffe abgibt. Das erzeugte Synthesegas hat typischerweise die zuvor erwähnte Zusammensetzung und besteht nicht aus reinem Wasserstoff, sondern enthält etwa 69 Vol% H2 (trocken).
  • Im Zusammenhang mit 1 ist schließlich zu erwähnen, dass ggf. erforderliche Fördereinrichtungen, wie beispielsweise ein Verdichter für das Erdgas, nicht dargestellt sind. Solche Anlagenelemente sind im Bedarfsfall vorzusehen.
  • 2 zeigt beispielhaft eine mögliche weitere Anlagengestaltung zur Weiterverwendung des wasserstoffreichen Synthesegases in einer Kraft-Wärmekopplungsanlage mit Brennstoffzellen.
  • Über die Leitung d wird das wasserstoffreiche Synthesegas, das nach dem Wärmetausch mit dem Erdgas im Wärmetauscher 6 ggf. in weiteren Wärmetauschern (nicht dargestellt) weiter heruntergekühlt wurde, einer Gasreinigungsstufe 7 zugeführt. Nach der Abtrennung des Wasserstoffs liegt in Lei tung e der nahezu reine Wasserstoff vor, der einer Brennstoffzelle 8 zugeleitet wird.
  • Die Brennstoffzelle 8 ist keine einzelne Zelle, sondern üblicherweise ein Stapel aus einer Vielzahl von Einzelzellen, die entsprechend der geforderten elektrischen Leistung vorgesehen sind. Hier wird die Funktionseinheit Brennstoffzelle, zu der weitere Peripheriegeräte gehören, der Einfachheit halber als die Brennstoffzelle 8 bezeichnet.
  • Der erzeugte Wasserstoff wird der Brennstoffzelle zugeführt, die diesen mit Luftsauerstoff in elektrischen Strom und Wasser umsetzt. Hier ist anzumerken, dass je nach Typ der eingesetzten Brennstoffzelle auch stickstoffabgereicherte Luft aus der Gastrennstufe 2 zugeführt werden kann. In diesem Fall wäre die Gasmengenbelastung im Verhältnis zur erhaltenen Leistung geringer, was die volumetrischen Leistung der Brennstoffzelle begünstigt. In Abhängigkeit von der Arbeitstemperatur der Brennstoffzelle kann der Wasserstoff in der Leitung e über einen weiteren Wärmetauscher (nicht gezeigt) von der Restwärme des Synthesegases vorgewärmt werden. Gleichermaßen kann es sinnvoll sein, das von der Brennstoffzelle erzeugte Wasser, das auch dampfförmig anfallen kann, dem Reformer an geeigneter Stelle wieder zuzuführen. Diese Überlegungen hängen jedoch vom gewählten Brennstoffzellentyp ab.
  • Das in der Reinigungsstufe 7 abgetrennte Restgas wird über die Leitung f beispielsweise einem Gasmotor 9 zugeführt, der dieses mit Luftsauerstoff in mechanische Energie umsetzt und dabei das schließlich übrige Abgas, das im Wesentlichen aus Stickstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf besteht, abgibt. Die vom Gasmotor 9 erzeugte mechanische Energie kann in einem Generator 10 ebenfalls in elektrische Energie umgewandelt werden. Der Gasmotor 9 kann abweichend davon auch einen der Verdichter oder andere mechanisch anzutreibende Anlagenbestandteile, wie Pumpen oder dergleichen, im Wasserstofferzeugungsprozess oder im nachfolgenden Wasserstoffnutzungsprozess unmittelbar antreiben. Alternativ kann das Restgas in einem Brenner z.B. zu Heizzwecken einfach verfeuert werden.
  • In einer alternativen Gestaltung kann die Reinigungsstufe auch als eine Einrichtung ausgebildet sein, die eine ggf. mehrstufige weitere Umsetzung von Bestandteilen des Synthesegases in einer ggf. mehrstufigen CO-Konvertierung in Wasserstoff vornimmt und den Wasserstoffanteil des Synthesegases weiter erhöht. Auf diese Weise kann ein wasserstoffreiches Gas mit einem Wasserstoffgehalt erzeugt werden, der für den Betrieb der Brennstoffzellen ausreicht. In diesem Fall fällt kein Restgas aus der Reinigungsstufe an.
  • Aus den obigen Ausführungen werden wesentliche Vorteile des Verfahrens mit stickstoffarmer Luft deutlich. Einerseits ist die volumetrische Leistung des Reformers verbessert, was eine Energieeinsparung bedeutet, andererseits enthält das Restgas genug brennbare Bestandteile, so dass eine weitere Nutzung auch dieser Gasbestandteile möglich ist. Dies bedeutet einen merklichen Unterschied zu einem mit Umgebungsluft betriebenen Verfahren, bei dem das Restgas einen sehr großen Stickstoffanteil enthält und folglich nicht mehr brennbar ist. In einem solchen Verfahren ist die Entsorgung des unbrennbaren Restgases, das Kohlenmonoxid enthält, gerade bei der beispielhaft geschilderten Anwendung in einer Wärme-Kraftkopplungsanlage von Gebäudekomplexen, wegen der Giftigkeit von Kohlenmonoxid kritisch. Kann das Restgas wie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sinnvoll verbrannt oder vermieden werden, ist dieses Problem gelöst, ohne dass weitere Energie (Stützfeuerung) erforderlich ist.
  • Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Wasserstofferzeugung sowie der vorgeschlagene Wasserstofferzeuger ist nicht auf die geschilderte Anwendung in Verbindung mit Brennstoffzellen oder in Verbindung mit der Energiegewinnung/Umwandlung beschränkt. Die geschilderte Anwendung dient als ein Beispiel für einen Wasserstoffverbraucher.
  • Weitere Beispiele für einen Wasserstoffverbraucher sind eine Wasserstoff(groß)tankstelle oder die Versorgung kleinerer regionaler Tankstellennetze für wasserstoffbetriebene Kraftfahrzeuge.

Claims (22)

  1. Verfahren zur Umsetzung von Kohlenwasserstoffen mit Wasserdampf und Luftsauerstoff als Einsatzstoffe an einem Katalysator in ein wasserstoffreiches Synthesegas, insbesondere zum Betrieb einer Brennstoffzelle, mit den Schritten: Abreichern des Stickstoffanteils von dem Prozess zuzuführender Luft in einer Stickstoffabreicherungseinrichtung (2), Umsetzen der abgereicherten Luft und der Kohlenwasserstoffe in einem autothermen Reformer (1), der den Katalysator (11) enthält und die für die Umsetzung erforderliche Wärme durch exotherme Reaktion eines Teils der Kohlenwasserstoffe mit dem in der abgereicherten Luft enthaltenen Sauerstoff erzeugt, Vorwärmen von mindestens einem der Einsatzstoffe durch Wärmeaustausch mit dem Synthesegas.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stickstoffabreicherung in einer Druckwechseladsorptionsanlage (2) zur Abscheidung von Stickstoff erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stickstoffabreicherung in einer Membrananlage (2) zur Abscheidung von Stickstoff erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die abzureichernde Luft vor dem Abreicherungsschritt verdichtet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die abgereicherte Luft nach dem Abreicherungsschritt verdichtet wird.
  6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Vorwärmen von mindestens einem der Einsatzstoffe, um die katalytische Reaktion einzuleiten.
  7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bestandteile des Synthesegases in einer mindestens einstufigen Reinigungsstufe in weiteren Wasserstoff umgewandelt wird.
  8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Synthesegas in einer Reinigungsstufe (7) in Wasserstoff und ein Restgas aufgetrennt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff mit Luft und/oder mit stickstoffabgereicherter Luft in einer Brennstoffzelle (8) zur Erzeugung elektrischer Energie umgesetzt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Restgas mit Luft in einem Gasmotor (9) zu Erzeugung mechanischer Energie umgesetzt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Restgas mit Luft zur Erzeugung von Wärme verfeuert wird.
  12. Wasserstofferzeuger zur Umsetzung von Kohlenwasserstoffen mit Wasserdampf und Luftsauerstoff als Einsatzstoffe an einem Katalysator in ein wasserstoffreiches Synthesegas, insbesondere zum Betrieb einer Brennstoffzelle, mit einem autothermen Reformer (1), der den Katalysator (11) enthält und die für die Umsetzung erforderliche Wärme durch exotherme Reaktion eines Teils der Kohlenwasserstoffe mit dem Luftsauerstoff erzeugt, und einer Vorwärmeinrichtung (5, 6) zur Vorwärmung von mindestens einem der Einsatzstoffe durch Wärmeaustausch mit dem Synthesegas, gekennzeichnet durch eine Stickstoffabreicherungseinrichtung (2) zur Verminderung des Stickstoffanteils der dem Reformer (1) zuzuführenden Luft.
  13. Wasserstofferzeuger nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stickstoffabreicherungseinrichtung (2) eine Druckwechseladsorptionsanlage zur Abscheidung von Stickstoff aufweist.
  14. Wasserstofferzeuger nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stickstoffabreicherungseinrichtung (2) eine Membrananlage zur Abscheidung von Stickstoff aufweist.
  15. Wasserstofferzeuger nach einem der Ansprüche 12, 13 oder 14, gekennzeichnet durch einen Verdichter (3) zur Verdichtung der abzureichernden Luft.
  16. Wasserstofferzeuger nach einem der Ansprüche 12, 13 oder 14, gekennzeichnet durch einen Verdichter (3) zur Verdichtung der abgereicherten Luft.
  17. Wasserstofferzeuger nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 16, gekennzeichnet durch eine Anfahrvorwärmeinrichtung (4) zur Vorwärmung von mindestens einem der Einsatzstoffe zur Einleitung der katalytischen Reaktion.
  18. Wasserstofferzeuger nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 17, gekennzeichnet durch eine Reinigungsstufe, die mindestens einstufig ist und Bestandteile des Synthesegases in weiteren Wasserstoff umwandelt.
  19. Wasserstofferzeuger nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungsstufe eine mindestens einstufige CO-Konvertierung umfasst.
  20. Wasserstofferzeuger nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 19, gekennzeichnet durch eine Reinigungsstufe (7), die Wasserstoff aus dem Synthesegas abtrennt.
  21. Wasserstofferzeuger nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungsstufe (7) eine Druckwechseladsorptionsanlage ist, die ein in einem Gasmotor (9) nutzbares Desorbat liefert.
  22. Wasserstofferzeuger nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungsstufe (7) eine Druckwechseladsorptionsanlage ist und als Filtrat Wasserstoff an eine Brennstoffzelle (8) liefert.
DE10238041A 2002-08-20 2002-08-20 Wasserstofferzeuger Ceased DE10238041A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10238041A DE10238041A1 (de) 2002-08-20 2002-08-20 Wasserstofferzeuger

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10238041A DE10238041A1 (de) 2002-08-20 2002-08-20 Wasserstofferzeuger

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE10238041A1 true DE10238041A1 (de) 2004-03-04

Family

ID=31197116

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE10238041A Ceased DE10238041A1 (de) 2002-08-20 2002-08-20 Wasserstofferzeuger

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE10238041A1 (de)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1466864A2 (de) * 2003-04-09 2004-10-13 Forni-Tecnica S.r.l. Methode, System und Anlage zur Regulierung eines Gasgenerators
DE102011014217A1 (de) * 2011-03-17 2012-09-20 Thyssenkrupp Uhde Gmbh Verfahren zur Inbetriebnahme autothermer Reformierungsreaktoren
DE102013203313A1 (de) * 2013-02-27 2014-08-28 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Brennstoffzellensystem
DE102014202574A1 (de) * 2014-02-12 2015-08-13 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Brennstoffzellensystem

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1466864A2 (de) * 2003-04-09 2004-10-13 Forni-Tecnica S.r.l. Methode, System und Anlage zur Regulierung eines Gasgenerators
EP1466864A3 (de) * 2003-04-09 2004-12-29 Forni-Tecnica S.r.l. Methode, System und Anlage zur Regulierung eines Gasgenerators
DE102011014217A1 (de) * 2011-03-17 2012-09-20 Thyssenkrupp Uhde Gmbh Verfahren zur Inbetriebnahme autothermer Reformierungsreaktoren
DE102013203313A1 (de) * 2013-02-27 2014-08-28 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Brennstoffzellensystem
DE102014202574A1 (de) * 2014-02-12 2015-08-13 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Brennstoffzellensystem

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE4032993C1 (de)
DE69229839T2 (de) Methode zur Herstellung von Methanol unter Verwendung der Wärme eines Kernkraftwerkes
DE3532835C2 (de)
EP1082773B1 (de) Brennstoffzellensystem und verfahren zum erzeugen elektrischer energie mittels eines brennstoffzellensystems
EP0518868B1 (de) Verfahren und anlage zur erzeugung mechanischer energie
CH697901B1 (de) Polygenerationsanordnung.
DE3913581A1 (de) Verfahren zum betrieb von brennstoffzellen
DE68919380T2 (de) Verfahren zur Umwandlung von Brennstoff in Elektrizität.
EP2227524A1 (de) Verfahren zum aufreinigen von biogas
WO2006066892A1 (de) Verfahren zum erzeugen von wasserstoff und energie aus synthesegas
EP1082774A1 (de) Brennstoffzellensystem und verfahren zum erzeugen elektrischer energie mittels eines brennstoffzellensystems
DE102019214812A1 (de) Verfahren und Anlage zur Erzeugung von Synthesegas
WO2009059571A1 (de) Hochtemperaturbrennstoffzellensystem mit teilweisem kreislauf des anodenabgases und ausschleusung von gaskomponenten
DE60211275T2 (de) Schwefelkontrolle in ionenleitenden Membrananlagen
DE10238041A1 (de) Wasserstofferzeuger
EP0490925A1 (de) Verfahren und anlage zur erzeugung elektrischer energie.
WO1999054948A1 (de) Verfahren und anlage zur entfernung von kohlenmonoxid aus einem wasserstoffhaltigen reformatgasstrom
DE102014209635A1 (de) Herstellung von Synthesegas mit zwei autothermen Reformern
EP4028145B1 (de) Power-to-x-anlage mit optimierter wasserstofftrocknung und reinigung
EP0300151B1 (de) Verfahren zur Herstellung von Ammoniak aus Erdgas
DE10359231A1 (de) System und Verfahren zur Erzeugung eines Reformats
WO2004069739A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur abtrennung von co2 aus h2-haltigen gasgemischen
EP4249429A1 (de) Verfahren und anlage zur herstellung eines zielprodukts umfassend eine dampfreformierung
DE19954871A1 (de) Verfahren zur Wasserstofferzeugung
DE102022210053A1 (de) Anlage und Verfahren zur Erzeugung von grünem Harnstoff

Legal Events

Date Code Title Description
8110 Request for examination paragraph 44
8131 Rejection