Kohlenmonoxid aus atmosphärischem Kohlendioxid mit einem Feststof f-Plasma-Reaktor

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Feststoff-Plasma-Reaktor und dessen Anwendung bei der Gewinnung von Kohlenmonoxid aus Umgebungsluft. Der erfindungsgemäße Feststoff-Plasma-Reaktor stellt eine Technologie bereit, die nicht auf die beanspruchte Anwendung 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 Rohstoffe einsetzt, um letztendlich die CCh-Emissionen zu reduzieren. Im Zusammenhang mit der Erfindung wird der Begriff

"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 gasförmiges Oxidationsmittel in den Vergaser eingeblasen wird. In dem Vergaser werden beispielsweise Holz 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 Hilfe 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, ein effizientes und wirtschaftlich durchführbares Verfahren zur Herstellung von Kohlenmonoxid aus Umgebungsluft bereitzustellen, bei dessen Durchführung kein Kohlendioxid freigesetzt wird. Die Gewinnung von Kohlenmonoxid aus Umgebungsluft wird auch als „direct air capture" (DAC) oder „carbon capture and utilization" (CCU) bezeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein zweistufiges Verfahren erreicht. In der ersten Stufe (dem ersten Apparat) wird Kohlendioxid aus Luft in einem kaustischen Absorber in Lösung mit einer basischen Lösung eines Metallhydroxids oder von Calciumhydroxid (Ca(OH) ₂ ) gebracht. Dabei reagiert die basische Lösung über Zwischenschritte mit dem Kohlendioxid aus der Luft zu Metallcarbonat oder Calciumcarbonat ( CaCO ₃ ) .

Das Metallcarbonat bzw . Calciumcarbonat fällt aus der Lösung als pulverförmiger Feststof f aus und kann an geeigneter Stelle dem Absorber entnommen werden .

Die Absorption des Kohlendioxids aus der Luft ist eine an sich bekannte und etablierte Technik . Sie erfolgt mit Hil fe eines Absorbers/eines Luftwäschers . Dazu wird eine große Kontaktoberfläche der basischen Lösung mit der Luft benötigt . Herkömmliche Luftwäscher, mit oder ohne Schüttbett , sind dazu bestens geeignet . Die Luft und die basische Lösung können im Gleichstrom oder im Gegenstrom geführt werden .

Eine Möglichkeit ist der Einsatz eines Gegenstrom-Luftwäschers mit Schüttbett , bei dem die flüssige Lösung schwerkraftgetrieben von oben nach unten strömt und die Luft mittels eines Gebläses von unten nach oben durch den Luftwäscher gefördert wird . Eine Alternative stellt ein Berieselungsturm dar, in dem die Luft durch Auf- oder Abwind bewegt wird .

Das feuchte Metallcarbonat oder Calciumcarbonat kann entweder in einem gesonderten Trocknungsprozess (bevorzugt mit Abwärme aus dem erfindungsgemäßen Reaktor ) getrocknet werden oder ohne vorherige Trocknung direkt in den erfindungsgemäßen Feststof f- Plasma-Reaktor ( zweiter Apparat ) gefördert werden . in der zweiten Stufe wird das Metallcarbonat oder Calciumcarbonat (CaCOs) in dem erfindungsgemäßen Reaktor in Metalloxid oder Calciumoxid (CaO, Zementklinker) umgewandelt.

Dabei wird in dem Reaktor das aus der Atmosphäre absorbierte Kohlendioxid (CO2) wieder freigesetzt. Dieses Kohlendioxid wird in dem Plasma des Reaktors in Kohlenmonoxid und Sauerstoff zerlegt, so dass nach der Extraktion des Sauerstoffs reines Kohlenmonoxid vorliegt. Der Erfindungsgemäße Feststoff-Plasma- Reaktor wird weiter unten im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 5 näher erläutert.

Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ablaufenden Reaktionen sind nachfolgend zusammengefasst, wenn das Verfahren auf der Basis von Calciumoxid und Calciumcarbonat durchgeführt wird. Alternativ kann das Verfahren auch auf der Basis von Metalloxiden und Metallcarbonaten durchgeführt werden.

Stufe 1: Absorption.

Kohlendioxid (CO2) aus der Luft reagiert mit der basischen Lösung /Lauge (hier NaOH) des Absorptionsmediums. Die Konzentration beträgt z.B. 1 bis 7 mol/1

2 NaOH + C0 ₂ -► Na ₂ CO ₃ + H ₂ 0

Dabei entsteht Natriumcarbonat (NaCOs) . Dieses reagiert in einer Kaustifizierung weiter mit Calciumhydroxid, wobei Natriumhydroxid regeneriert wird.

Ca OH) ₂ + Na ₂ CO ₃ -> 2 NaOH + CaCO ₃ Das Calciumcarbonat fällt als Pulver aus und wird der Lösung entnommen .

Das Calciumcarbonat wird getrocknet ( optional ) und einem erfindungsgemäßen Plasmareaktor zugeführt . Durch die im Reaktorraum herrschenden hohen Temperaturen wird das Calciumcarbonat zu Calciumoxid gebrannt :

CaCO ₂ -> CaO + CO ₂ \ H = +181 kJ mol ^-1

Das als Feststof f vorliegende Calciumoxid wird regelmäßig oder kontinuierlich dem Reaktorraum entnommen . Dieses Calciumoxid kann in der wässrigen Lösung des Absorbers gelöst werden, um den Kreislauf zu schließen :

CaO + H ₂ O -► Ca OH) ₂

Das beim Brennen freigesetzte Kohlendioxid wird im Plasma des Reaktors gespaltet : +283 kJ moC ¹

Der dabei entstehende Sauerstof f wird extrahiert . Dabei können verschiedene aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren und Apparate eingesetzt werden, um den Wirkungsgrad zu erhöhen . Der Sauerstof f kann durch verschiedene Prozesse extrahiert werden, z . B . di f fusionsgetriebene Membranen, elektrochemisch, durch Adsorption oder durch feste lonenleiter . Bevorzugt wird dafür eine Keramikmembran eingesetzt , die bei hohen Temperaturen Sauerstof f ionen selektiv leiten kann . Diese Sauerstof f absorption kann - j e nach Technologie - im Reaktorraum des erfindungsgemäßen Reaktors oder außerhalb statt finden .

Somit wird in einem zweistufigen Prozess aus Luft Kohlenmonoxid gewonnen . Alle anderen Massenströme im Kreislauf sind geschlossen . Die Gesamtreaktion lautet

Die dazu erforderliche Energie kann ausschließlich als elektrische Energie zugeführt werden . Wenn diese elektrische Energie regenerativ erzeugt wurde , dann ist das erfindungsgemäße Verfahren eine Kohlendioxid-Senke .

Luftwäscher (Kaustische Absorber ) werden bereits zur Gewinnung von CO2 aus Luft eingesetzt . Ihr Vorteil ist , dass sie umweltfreundlich und wenig komplex sind; es ist eine ausgerei fte und bewährte Technologie . Der Nachteil ist , dass zum Brennen des entstehenden Carbonats hohe Temperaturen erforderlich sind .

Dieses Problem wird mit Hil fe des erfindungsgemäßen Feststof f- Plasma-Reaktors gelöst und zwar durch den Einsatz elektrischer Energie . Die zum Brennen des Carbonats benötigte Energie wird als nicht-thermisches Plasma bei sehr hohen Temperaturen in dem Plasma-Reaktor bereitgestellt . Außerdem wird mit Hil fe des Plasmas das beim Brennen des Carbonats entstehende Kohlendioxid in Kohlenmonoxid und Sauerstof f zerlegt . Die Wärme von Plasmaprozessen fällt bei besonders hohen Temperaturen an und ist deshalb besonders geeignet , um das Carbonat und das Kohlendioxid zu zerlegen . Es ist ein rein elektrisches Brennen des Carbonats möglich, ohne den Einsatz fossiler Energieträger .

Alternativ zu dem exemplarisch und aus führlich erläuterten Calciumcarbonat können auch Carbonate von anderen Alkali- und Erdalkalimetallen als Absorptionsmedium verwendet werden .

Der Zwischenschritt in dem Natriumcarbonat zu Calciumcarbonat reagiert ist nicht zwingend erforderlich, es könnte auch direkt Natriumcarbonat gebrannt werden . Allerdings erleichtert die geringere Löslichkeit von Calciumcarbonat die Extraktion aus der Lösung . In dem oben beschriebenen Prozess reagiert zunächst NaOH mit CO2 aus der Luft . Das ist aus zwei Gründen sinnvoll :

. NaOH ist sehr gut löslich in Wasser .

. Die Reaktion findet sehr schnell statt .

Erst in Lösung wird das Carbonation vom Natrium an das Calciumion übertragen, weil diese Reaktion langsamer als die CO2-Bindung von Statten geht . Der Vorteil ist , dass Calciumcarbonat eine sehr geringe Löslichkeit hat .

Alkalimetalle wie Natrium oder Kalium sind besser löslich und sind daher schwerer aus der Lösung zu entnehmen . Aber es ist möglich .

Stufe 2 : Plasmaprozess

In dem erfindungsgemäßen Plasmareaktor wird kein fossiler Rohstof f benötigt . Die thermische Energie wird elektrisch durch das Plasma bereitgestellt . Das dabei entstehende Kohlendioxid wird direkt im Reaktor zerlegt , so dass neben dem Metalloxid bzw . dem Calciumoxid als Hauptprodukt Kohlenmonoxid ( CO) entsteht . Kohlenmonoxid stellt eine wertvolle

Kohlenstof f quelle für die Chemieindustrie dar .

Wenn zum Betrieben dieses Verfahrens regenerativ erzeugter Strom eingesetzt wird, dann wird dabei nicht nur kein Kohlendioxid ( CO2 ) in die Umwelt abgegeben, sondern vielmehr Kohlendioxid ( CO2 ) aus der Luft entnommen . Es ist demnach eine Kohlendioxidsenke .

In ähnlicher Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren auch unter Einsatz von verschiedenen Metall-Carbonaten durchgeführt werden . 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 . Der Sauerstof f kann bei hohen Temperaturen oder nach Kühlung des Gases 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 .

Ein zur Durchführung des Verfahren einsetzbarer Reaktor umfasst einen Reaktorraum, mindestens einen Plasmagenerator mit zwei Elektroden, mindestens einen Gaseinlass , mindestens einen Gasauslass für den Produktstrom und mindestens eine Rezirkulationsleitung, 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 Metallcarbonaten oder Calciumcarbonat in ein Metall- oder Calciumoxid und Kohlendioxid .

Insbesondere sind folgende Metallcarbonate besonders geeignet : Lithium, Natrium, Kalium, Magnesium, Calcium und Zink

Die dafür benötigte Energie wird dem in den Reaktorraum einströmenden Gas oder Gasgemisch mittels einer Glimmentladung oder eines 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 (nachfolgend auch als Kavität bezeichnet ) 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 in 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 (hier Kohlenmonoxid) vor . Ein Teil dieses Produktgases kann über den Gasauslass für den Produktstrom abgezogen werden .

Der im Reaktorraum verbleibende Teil des Produktgases strömt auf den im Reaktorraum vorhandenen Feststof f (Metallcarbonat oder Calciumcarbonat oder strömt durch ihn durch, wenn er als Schüttung vorliegt . Dabei überträgt er Wärme auf den Feststof f . Durch den Wärmeeintrag wird das Metall- oder Calciumcarbonat zersetzt und es entstehen ein Metall- oder Calciumoxid sowie Kohlendioxid, das in dem Reaktor weiter zerlegt wird in Kohlenmonoxid ( Produktgas ) und Sauerstof f .

Die Wärmeübertragung von dem sehr heißen nicht-thermischen Plasma auf den im Reaktorbehälter befindliche Feststof f ( durch 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 vorhandenen Feststof f . Durch den hohen Energieeintrag bei hohen Temperaturen können unterschiedlichste Carbonate in dem erfindungsgemäßen Reaktor zuverlässig in das entsprechende Oxid und Kohlendioxid zerlegt werden . Bei der erfindungsgemäßen Anwendung wird Metallcarbonat oder Calciumcarbonat ( CaCOs ) in ein Metalloxid oder Calciumoxid ( CaO) umgewandelt ; das erfordert sehr hohe Temperaturen . Gleichzeitig wird das dabei freiwerdende Kohlendioxid ( CO2 ) in das gewünschte Kohlenmonoxid umgewandelt . Unter anderem daraus leitet sich die große Bandbreite möglicher Anwendungen 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 Strom 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 auf die im Reaktorraum befindlichen Feststof fe übertragen . Die Wärmeübertragung erfolgt nicht nur über Wärmeleitung, sondern ebenfalls 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 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 findenden Reaktionen gesteuert werden.

Der Anteil an neu zugeführtem Gas im Verhältnis zu rezirkuliertem Gas kann je nach Anwendung zwischen 0% und 50% liegen. Das rückgeführte Gas kann durch ein Gebläse, einen Kompressor oder eine Strahlpumpe 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 vor- oder nachgelagerten Prozess genutzt werden . Dadurch wird die Ef fi zienz des Gesamt- Prozesses erhöht . Zum Beispiel kann die Abwärme zum Trocknen des aus einem Luftwäscher entnommenen feuchten Calciumcarbonats eingesetzt werden .

Das ist ohne weiteres möglich, da die Abwärme bei Plasmaprozessen auf einem hohen Temperaturniveau anfällt . So kann beispielsweise eine Absorptionsanlage zur Rückgewinnung von Kohlendioxid aus dem Produktgas mit der anfallenden Abwärme regeneriert werden .

In manchen Anwendungen des erfindungsgemäßen Reaktors ist der Bedarf an hochenergetischen Elektronen zur Zersetzung/Pyrolyse des Feststof fs im Reaktorraum so hoch, dass Abwärme anfällt .

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 , welche ( s ) 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 ein 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 Ausgangsstof fs Calciumcarbonat in Calciumoxid 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 kurze Moleküle . Diese gelangen durch Umwäl zung wieder in die Reaktions zone des Plasmareaktors . Das rezirkulierte Gas ist also mit Zwischenprodukten angereichert . In der Reaktions zone des Plasmagenerators werden die Zwischenprodukten in das gewünschte Produktgas Kohlenmonoxid 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 einströmenden 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 . Die Frequenz dieser Kreisbewegung kann in einem Bereich zwischen 50 Hz und mehreren Kilohertz liegen . 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 .

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 und

Figur 6 ein Gegenstrom-Luftwäscher (Absorber ) zum Einfangen von Kohlendioxid aus der Luft und

Figur 7 eine Abbildung des Gesamtprozesses

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 zur Erzeugung des Plasmas 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 verringert den 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 den im unteren Teil des Reaktorraums 12 befindlichen Feststof f 15 , der zumeist in Form eine Schüttung vorliegt .

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 Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 entspricht weitgehend dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3. Im Wesentlichen unterscheiden sich die Positionen der Roste 15 voneinander.

In der Figur 6 sind die beiden Stufen oder Prozessschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens samt den zugehörigen Apparaten vereinfacht dargestellt.

Mit 49 ist ein an si^h bekannter Luftwäscheri (kaustische Absorber) 49 dargestellt. Er umfasst einen Windturm 51 und einen Kreislauf für die basische Lösung (Hier Na2CO ₃ (aq) + CA(OH)2 (aq) => 2 NaOH (aq) + CaCO ₃ .

In den Windturm 51 strömt bei diesem Ausführungsbeispiel von oben CO2-reiches Gas (Luft) ein. In einem Boden 53 wird die von einer Umwälzpumpe 55 geförderte wässrige Lösung in den Windturm 49 eingesprüht.

Tröpfchen dieser Lösung regnen dann nach unten in ein

Auf f angbecken 57, das auch als Vorratsbehälter dient. Während der Flugphase der Tröpfchen zwischen dem Boden 53 und dem Vorratsbehälter 57 absorbieren die Tröpfchen Kohlendioxid aus der Luft.

In dem Auf f angbecken 57 scheidet sich Calciumcarbonat (CaCo3) ab, das entweder regelmäßig oder kontinuierlich aus dem Auf f angbecken 57 abgezogen wird. Das kann durch eine Zentrifuge, einen Filter oder Sedimentation erfolgen. Um die Stof fbilanz aus zugleichen werden Calciumoxid und Wasser zugeführt . (Wasser wird in großem Überschuss eingesetzt um Verdunstung aus zugleichen)

Das aus dem Auf f angbecken 57 abgezogene Calciumcarbonat ( CaCo3 ) wird dem erfindungsgemäßen Plasmareaktor 1 zugeführt , der um unteren Teil der Figur 6 schematisch dargestellt ist .

Der Transport des Calciumcarbonats ( CACO3 ) in den Reaktor 1 und der Transport des Calciumoxids ( CAO) aus dem den Reaktor 1 könne beispielsweise mittels eines Drehrohrs (nicht dargestellt ) erfolgen . An einem ersten Ende des Drehrohrs wird das Calciumcarbonat zugegeben . Die von dem Plasma 13 erzeugten heißen Gase durchströmen das Drehrohr und wandeln das Calciumcarbonat in Calciumoxid und Kohlendioxid um . An dem anderen Ende des Drehrohrs kommt Calciumoxid an . Dieses Calciumoxid kann anschließend wieder in dem Luftwäscher 49 eingesetzt werden .

In der Figur 7 ist sind die Stof fströme des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Art eines Blockschaltbilds dargestellt .

Bezugs zeichenliste

I Plasmareaktor

3 Reaktorbehälter

5 Gaseinlass

6 Auslass für das Produktgas

7 Rezirkulationsleitung

9 Sti ftelektrode

I I Ringelektrode 12 Reaktorraum

13 Gasentladung

15 Feststof f

17 Kavität

19 - 21 Leitelement

23 Plasmagenerator

25 Rost

27 Schleuse

29 -

31 Vorratsbehälter

33 Gebläse

35 erster Abscheider

37 Wärmetauscher

39 Magnet

41 Gehäuse

43 Zwischenstück

49 Luftwäscher ( kaustischer Absorber )

51 Windturm

53 Boden

55 Umwäl zpumpe

57 Auf f angbecken