Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas. Dabei erfolgt in einer ers ^¬ ten Reaktionszone eine thermische Spaltung von Kohlenwas ^¬ serstoffen, bei der ein Wasserstoffhaltiges Trägergas (Syn- thesegas) ein von einer Plasmafackel erzeugtes Plasma durchströmt und die Kohlenwasserstoffe durch die thermische Energie des Plasmas (und des Lichtbogens) gespalten werden. In einer zweiten Reaktionszone (i.d.R. als Boudouard- Reaktor und/oder Wassergas-Konvertierungsreaktor ausgebil- det) wird Synthesegas unter Verwendung der Spaltprodukte der ersten Reaktionszone erzeugt, dabei wird typischerweise zusätzlich C02 und/oder H20 zugeführt.

Die Herstellung als Treibstoffe geeigneter flüssiger Koh- lenwasserstoffe aus Kohle und/oder gasförmigen Kohlenwas ^¬ serstoffen ist bekannt. Eines der ältesten bekannten Verfahren ist das Fischer-Tropsch-Verfahren ausgehend von sogenannten Synthesegas (Mischung aus Wasserstoff und Kohlen- monoxid) .

Es ist ebenfalls bereits bekannt, den Wasserstoffanteil von Synthesegas durch bevorzugt thermische Aufspaltung von Me ^¬ than in Kohlenstoff und Wasserstoff zu gewinnen. Der erfor ^¬ derliche Energieeintrag kann in einem sogenannten Kvaerner- Reaktor durch ein mittels elektrischer Energie erzeugtes

Plasma erfolgen. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn überschüssige elektrische Energie beispielsweise aus rege ^¬ nerativen Quellen zur Verfügung steht, die sich auf diese Art und Weise vorteilhaft in letztendlich in einem Treib ^¬ stoff gebundene chemische Energie umsetzen lässt.

In einem Kvaerner-Reaktor gewonnener Wasserstoff und Kohlenstoff kann in einem zweiten Schritt in einem C02- Konverter, der das Boudouard-Gleichgewicht nutzt, unter Zu ^¬ satz von C02 und Wasser in Synthesegas umgesetzt werden.

Dieses Synthesegas wird beispielsweise nach dem oben ge ^¬ nannten Fischer-Tropsch-Verfahren zu Flüssigtreibstoff reagieren gelassen. Die initiale Aufspaltung von Methan im Kvaerner-Reaktor unter Zufuhr regenerativ erzeugter elektrischer Energie und der im zweiten Schritt erfolgende Einsatz von Kohlendioxid bewirkt, dass die C02-Bilanz so erzeugten Flüssigtreib ^¬ stoffs wesentlich vorteilhafter ist als die von Treibstoff auf Mineralölbasis.

Ein System und eine Anlage in der eingangs genannten Art ist beispielsweise in WO 2013/091879 AI beschrieben. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, die bzw. das einen effizienten Betrieb ermöglichen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine erfindungsgemäße Vor- richtung zur Erzeugung von Synthesegas, die aufweist: a. eine erste Reaktionszone zur thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen in einem Plasma, b. eine zweite Reaktionszone zur Erzeugung von Synthe ^¬ segas unter Verwendung der Spaltprodukte der ersten Reaktionszone, c. einen ersten Gaseinlass stromauf der ersten Reakti ^¬ onszone , d. eine Einrichtung zur Rückführung von Synthesegas vom Ausgang der zweiten Reaktionszone zum ersten Gaseinlass , e. einen zweiten Gaseinlass im Bereich der ersten Reaktionszone, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiter aufweist: f. eine Einrichtung zur Mischung von Wasser, C02 und Kohlenwasserstoffen und Zufuhr dieser Mischung zum zweiten Gaseinlass.

Zunächst seien einige im Rahmen der Erfindung verwendete Begriffe erläutert.

Eine erste Reaktionszone ist zur thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen in einem Plasma ausgebildet. Eine Plas ^¬ mafackel erzeugt aus Bestandteilen des Trägergases (Synthe ^¬ segas) durch eine elektrische Entladung zwischen zwei

Elektroden ein Hochtemperaturplasma. Eine solche Plasmafa ^¬ ckel ist dem Fachmann grundsätzlich geläufig und bedarf hier keiner näheren Erläuterung. Die thermische Energie des Plasmas dient der Spaltung der Kohlenwasserstoffe (i.d.R. Methan) bevorzugt in elementaren Wasserstoff und Kohlenstoff. Eine erste Reaktionszone kann beispielsweise als Kvaerner-Reaktor ausgebildet sein. Der Begriff Kvaerner- Reaktor bezeichnet im Rahmen der Erfindung bevorzugt einen Reaktor zur thermischen Aufspaltung von Kohlenwasserstoffen, wobei die thermische Aufspaltung mittels einer Plasma ^¬ fackel durchgeführt wird und wobei die Plasmafackel zumin ^¬ dest eine Elektrode aufweist, welche bevorzugt Graphit um- fasst.

Eine zweite Reaktionszone dient der Erzeugung von Synthese ^¬ gas unter Verwendung der Spaltprodukte der ersten Reaktionszone. Der Begriff Synthesegas bezeichnet eine Gasmi- schung, deren Hauptbestandteile Wasserstoff und Kohlen- stoffmonoxid (gegebenenfalls in unterschiedlichen Mi ^¬ schungsverhältnis) sind. „Unter Verwendung der Spaltprodukte" bedeutet, dass in der zweiten Reaktionszone zusätzliche Reaktanten eingesetzt werden können, typischerweise C02 und/oder Wasser. Eine Ausführungsform einer solchen zweiten Reaktionszone ist der C02-Konverter bzw. Boudouard-Reaktor wie eingangs beschrieben. Boudouard-Reaktor meint in diesem Zusammenhang stets, dass dort neben einer Boudouard- Reaktion (im Fall der Zufuhr von C02) auch bei Zufuhr von Wasser eine - dem Fachmann geläufige - Wassergas- Konvertierungsreaktion stattfinden kann.

Der erste Gaseinlass stromauf der ersten Reaktionszone dient der Zufuhr von Trägergas für das Plasma, typischer- weise Synthesegas. Optional können durch diesen ersten Ga ^¬ seinlass zusätzlich zur Spaltung bestimmte Kohlenwasserstoffe in Mischung mit dem Trägergas eingeleitet werden. Der zweite Gaseinlass im Bereich der ersten Reaktionszone dient der Zufuhr von zur Spaltung bestimmten Kohlenwasserstoffen. Dieser zweite Gaseinlass kann zentral innerhalb der Plasmafackel oder etwas stromab der Plasmaelektroden angeordnet sein, um einen unmittelbaren Kontakt der Kohlenwasserstoffe mit den Elektroden und ein dadurch bewirktes Elektrodenfouling durch Ablagerung von elementarem Kohlenstoff zu vermeiden oder zu vermindern. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Einrichtung zur

Mischung von Wasser, C02 und Kohlenwasserstoffen und Zufuhr dieser Mischung zum zweiten Gaseinlass vorgesehen ist.

Kern der Erfindung ist es somit, bereits im Bereich der ersten Reaktionszone nicht nur Kohlenwasserstoffe (typi ^¬ scherweise Methan) zur thermischen Spaltung in das Plasma einzuleiten, sondern zusätzlich C02 und/oder H20. Diese zusätzlichen Bestandteile bewirken, dass in der ersten Reaktionszone weniger oder kein elementarer Kohlenstoff mehr erzeugt wird sondern entweder durch eine direkte Reaktion oder eine sofortige Weiterreaktion erzeugten elementaren Kohlenstoffs eine teilweise oder vollständige Umsetzung zu CO stattfindet. Die im Stand der Technik vorhandene räumliche Trennung zwi ^¬ schen erster und zweiter Reaktionszone wird erfindungsgemäß aufgehoben. Wenn somit im Rahmen des Patentanspruchs von erster und zweiter Reaktionszone die Rede ist, schließt dies ein, dass diese räumlich nicht klar getrennt sind und ganz oder teilweise räumlich überlappen.

Erfindungsgemäß entsteht somit in der ersten Reaktionszone weniger oder kein elementarer Kohlenstoff. Dies hat zur Folge, dass die im Stand der Technik vorhandenen Probleme des Foulings (Ablagerung von Kohlenstoff oder Kohlenstoff ^¬ verbindungen an Elektroden und/oder Auskleidung des Reaktors) vermieden oder zumindest vermindert werden. Die übli- cherweise aus Graphit bestehende Auskleidung des Reaktors wird zudem weniger von oxidierenden Bestandteilen angegriffen. Dies insgesamt erlaubt es, das Reaktorvolumen bezogen auf einen bestimmten Gasdurchsatz zu vermindern. Erfindungsgemäß ist es von besonderem Vorteil, wenn die Mi ^¬ schung von Wasser, C02 und Kohlenwasserstoffen überwiegend oder weiter vorzugsweise vollständig dem zweiten Gaseinlass zugeführt wird. Dieser zweite Gaseinlass ist bevorzugt zentral innerhalb einer Elektrode, welche von einer zweiten Elektrode in konzentrischer Art umgegeben ist, angeordnet, wobei die elektrische Entladung vorzugsweise in dem sich ergebenden Ring zwischen den beiden Elektroden erfolgt. In alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen ist der zweite Gaseinlass etwas stromab der Plasmaelektroden ange- ordnet. Auf diese Weise vermeidet man es, dass reaktionsfä ^¬ hige Bestandteile (insbesondere die Kohlenwasserstoffe) mit den Elektroden in Berührung kommen und dort zu unerwünschtem Fouling führen können. Im Stand der Technik muss am Ausgang der ersten Reaktionszone immer noch eine verhältnismäßig hohe Temperatur herr ^¬ schen, da die Temperatur in der ersten Reaktionszone hoch genug zur thermischen Spaltung der Kohlenwasserstoffe sein muss. Der erfindungsgemäß mögliche „fließende Übergang" zwischen erster und zweiter Reaktionszone erlaubt es, den

Temperaturgradienten im Endbereich der ersten Reaktionszone und am Übergang zur zweiten Reaktionszone effizient zur Durchführung bereits einer wenigstens teilweisen Umsetzung in die gewünschten Endprodukte des Synthesegases (Kohlenmo- noxid und Wasserstoff) zu nutzen und so insgesamt am Aus ^¬ gang des Reaktors eine niedrigere Temperatur von beispiels ^¬ weise 1200°C zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß kann zusätzlich ein dritter Gaseinlass im Bereich der zweiten Reaktionszone vorhanden sein. Bei dieser Variante der Erfindung ist es möglich, einen Teil der Umsetzung des durch Spaltung der Kohlenwasserstoffe erhal- tenen elementaren Kohlenstoffs zu CO bereits im Bereich der ersten Reaktionszone (bzw. des „Kombinationsbereichs" von erster und zweiter Reaktionszone) durchzuführen und einen weiteren Teil der Umsetzung im Bereich der zweiten Reaktionszone mit zusätzlicher Zufuhr von C02 und/oder H20, wie im Stand der Technik üblich.

Erfindungsgemäß kann die Gesamtenergiebilanz der Vorrichtung dadurch weiter verbessert werden, dass zusätzlich Wärmetauscher vorgesehen sind, die zur Vorwärmung von zuge- führtem Wasser, C02 und/oder Kohlenwasserstoffen durch die Abwärme des aus der zweiten Reaktionszone abströmenden Syn ^¬ thesegases ausgebildet sind. Die Temperatur des aus der zweiten Reaktionszone austretenden Synthesegases ist in der Regel höher, als die am Eingang eines nachfolgenden Fi- scher-Tropsch-Reaktors erforderliche Temperatur. Auf der anderen Seite ermöglicht die Vorwärmung der Gase, dass nicht der gesamte Energieeintrag bis zur erforderlichen Re ^¬ aktionstemperatur durch das Plasma erfolgen muss. In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung weiterhin eine Steuereinheit auf, welche dazu ausge ^¬ staltet ist, die Menge des der ersten Reaktionszone zuge ^¬ führten Wassers und/oder C02 zu steuern. Bevorzugt ist die Steuereinheit zudem zur Steuerung der Menge der der ersten Reaktionszone zugeführten Kohlenwasserstoffe ausgebildet.

Die Vorrichtung kann weiterhin einen Sensor aufweisen, wel- eher zur Ermittlung der Gaszusammensetzung am Ende der ersten Reaktionszone und zur Ausgabe eines entsprechenden Messwertes ausgebildet ist. Die Steuereinheit weist bevor ^¬ zugt einen Eingang für den Messwert auf und ist weiter be ^¬ vorzugt dazu ausgestaltet, die Menge des der ersten Reakti- onszone zugeführten Wassers und/oder C02 und/oder der Kohlenwasserstoffe in Abhängigkeit des Messwertes zu steuern.

Die Steuereinheit kann weiterhin dazu ausgebildet sein, die Menge des der ersten Reaktionszone zugeführten Wassers und/oder C02 und/oder der Kohlenwasserstoffe so einzustel ^¬ len, dass bereits in der ersten Reaktionszone zwischen 10% und 95%, bevorzugt mehr als 50%, weiter bevorzugt mehr als 80% des durch Spaltung der Kohlenwasserstoffe gebildeten Kohlenstoffs umgesetzt wird in CO. Vorteilhafterweise ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, die Mengen des der ers ^¬ ten Reaktionszone zugeführten Wassers und/oder C02 und/oder der Kohlenwasserstoffe so einzustellen, dass bereits in der ersten Reaktionszone eine weitgehende Umsetzung des durch Spaltung der Kohlenwasserstoffe gebildeten Kohlenstoffs in CO stattfindet.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur Erzeugung von Synthesegas. Diese Vorrichtung weist eine erste Reaktionszone zur ther ^¬ mischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen in einem Plasma und eine zweite Reaktionszone zur Erzeugung von Synthesegas unter Verwendung der Spaltprodukte der ersten Reaktionszone auf .

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der ersten Reaktions- zone eine Mischung von Wasser, C02 und Kohlenwasserstoffen zugeführt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt den vorstehend be ^¬ schriebenen Betrieb unter Vermeidung unerwünschter Ablage- rungen oder Fouling des Reaktors.

Abhängig von Mengen und Verhältnissen der im Bereich der ersten Reaktionszone zugeführten Reaktanten kann dort eine wenigstens teilweise Umsetzung zu Synthesegas beispielswei- se durch Boudouard-Reaktion und/oder Wassergas- Konvertierungsreaktion stattfinden, wenn elementarer Kohlenstoff als temporäres Zwischenprodukt entsteht. Alterna ^¬ tiv sind auch direkte Reaktionen von Kohlenwasserstoffen (beispielsweise Methan) entweder mit Wasser und/oder mit C02 zu Synthesegas möglich.

Die Menge des der ersten Reaktionszone zugeführten Wassers und/oder C02 kann so eingestellt werden, dass bereits in der ersten Reaktionszone zwischen 10% und 95%, bevorzugt mehr als 50%, weiter bevorzugt mehr als 80% des durch Spal ^¬ tung der Kohlenwasserstoffe gebildeten Kohlenstoffs umge ^¬ setzt wird in CO.

Vorteilhafterweise können die Mengen des der ersten Reakti ^¬ onszone zugeführten Wassers und/oder C02 so eingestellt werden, dass bereits in der ersten Reaktionszone eine weit ^¬ gehende Umsetzung des durch Spaltung der Kohlenwasserstoffe gebildeten Kohlenstoffs in CO stattfindet. Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft mit einer vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung durchführbar. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an ^¬ hand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Figur 1: eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; .

Figur 2: eine schematische Darstellung eines Teils einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung . Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine erste Reakti ^¬ onszone 1 (ausgebildet als Kvaerner-Reaktor) und eine zwei ^¬ te Reaktionszone 2 (ausgebildet als Boudouard-Reaktor und/oder Wassergas-Konvertierungsreaktor) auf. In die erste Reaktionszone wird durch einen stromauf von den Elektroden 3 angeordneten ersten Gaseinlass 7 Synthesegas als Plasmagas eingeleitet. Zwischen den Elektroden 3 wird ein Plasma gezündet. Über den zweiten Gaseinlass 8 wird eine Mischung aus Kohlenwasserstoffen (Methan) , C02 und H20 eingeleitet, wobei die Mengenverhältnisse über eine nicht gezeigte Steuerein ^¬ heit gesteuert werden können. Die Kohlenwasserstoffe werden thermisch teilweise direkt im Plasma, teilweise in der hei- ßen Zone etwas stromab des Plasmas aufgespalten in Wasser ^¬ stoff und elementaren Kohlenstoff. Elementarer Kohlenstoff kann sofort oder in einem etwas weiter stromab gelegenen Bereich der ersten Reaktionszone mit dem ebenfalls zuge- führten C02 und/oder H20 unter Bildung von CO und gegebenenfalls Wasserstoff reagieren. Ebenfalls möglich sind di ^¬ rekte Reaktionen des Methans mit C02 und/oder H20 zu Synthesegas ohne die Zwischenstufe des elementaren Kohlen- Stoffs.

Der Gaseinlass 8 kann seitlich vom Plasma, wie in der Fig. 1 dargestellt, angeordnet sein. In alternativen Ausführungsbeispielen können andere Anordnungen des Gaseinlasses 8 vorgesehen sein. Es können beispielsweise auch mehrere Gaseinlässe 8 vorgesehen sein. In vorteilhaften Ausführungsbeispielen ist ein Gaseinlass 8 zentral in einer inne ^¬ ren Elektrode 3 angeordnet. Der Gaseinlass 7 für das Plas ^¬ magas liegt in diesem vorteilhaften Ausführungsbeispiel au- ßen, ringförmig um die innere Elektrode 3. Die innere

Elektrode 3 ist vorzugsweise von einer äußeren Elektrode 3 umgegeben. In Figur 2 ist eine solche Ausführungsform mit einer inneren Elektrode 3 und einer äußeren Elektrode 3 schematisch dargestellt, wobei lediglich der obere Teil der Vorrichtung gezeigt ist. Der übrige in Figur 2 nicht ge ^¬ zeigte Teil stimmt mit demjenigen der ersten Ausführungs ^¬ form überein.

Die so erzeugte Gas/Feststoffmischung hat erfindungsgemäß einen vergleichsweise geringeren Feststoffanteil (elementa ^¬ rer Kohlenstoff) als im Stand der Technik und bewirkt somit kein oder lediglich ein geringeres Fouling von Elektroden und Innenwänden des Reaktors. Diese Mischung tritt in die zweite Reaktionszone 2 ein.

Durch den dritten Gaseinlass 9 wird C02 und/oder Wasser zugeführt. Noch vorhandener elementarer Kohlenstoff kann mit Kohlendioxid in einer Boudouard-Reaktion zu Kohlenmonoxid umgesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann mit eingeleitetem Wasser eine Wassergas-Konvertierungsreaktion erfolgen. Die Zuführung von C02 und/oder Wasser am dritten Gaseinlass 9 kann auch separat und gegebenenfalls auch mit- tels jeweils mehrerer Einlässe erfolgen, ohne dass dies dem ausgeführten Gaseinlass 9 entgegensteht. Es kann daher ein Bereich für den Gaseinlass 9 vorgesehen sein.

Das aus der zweiten Reaktionszone 2 abströmende Synthesegas gibt einen Teil seiner thermischen Energie in Wärmetauscher 15, 16, und 17 an die mittels Leitungen 10, 11 und 12 zuge ^¬ führten Reaktanten Methan, C02 und Wasser ab, um diese vorzuwärmen. Von diesen vorgewärmten Ausgangsstoffen wird die Gesamtmenge Methan und eine Teilmenge der Bestandteile C02 und Wasser als Mischung dem zweiten Gaseinlass 8 zugeführt.

Eine zweite Teilmenge des C02 und Wassers wird bei 20, 21 abgezweigt und dem dritten Gaseinlass 9 im Bereich der zweiten Reaktionszone 2 zugeführt.

Am Ausgang der zweiten Reaktionszone 2 wird bei 14 Synthe ^¬ segas entnommen. Sofern erforderlich, wird dieses in einem Kühler 4 noch weiter auf ein gewünschtes Temperaturniveau heruntergekühlt und bei 22 beispielsweise einem nachfolgen- den Reaktor zur Erzeugung flüssiger Kohlenwasserstoffe zugeführt, beispielsweise einem Fischer-Tropsch-Reaktor .

Eine Teilmenge des Synthesegases wird mittels einer Pumpe 19 als Plasmagas zum ersten Gaseinlass 7 zurückgeführt, um das Plasma aufrecht zu erhalten.