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 CH ₂ ) als Feststoff z.B.

2 CH ₂ - C + CH ₄ C + CO ₂ ^2CO

Die entstehenden Gase werden mit CO ₂ und/oder Wasserdampf gemischt. Das Gasgemisch wird durch das Plasma geführt. Mögliche Reaktionen dabei sind z.B. :

CH ₄ + 3CO ₂ ~^2H ₂ O + 4CO CH ₄ + H ₂ O -► CO + 3 H ₂

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 (O ₂ ) getrennt.

Die Reaktionsgleichungen sind wie folgt:

Thermische Zersetzung von Kalk: 1000 °C CaCO ₃ - > CaO + CO ₂ T \ H = +181 kJmol ¹

Spaltung von CO2 :

1 CO ₂ -+ CO + -O ₂ 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