Verfahren und Anlage zur Herstellung eines Verfahrensprodukts

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verfahrensprodukts, bei dem ein Einsatz unter Verwendung von thermischer Energie umgesetzt wird, sowie eine Anlage zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Hintergrund der Erfindung

Synthesegas, ein Gemisch, das überwiegend Wasserstoff und Kohlenmonoxid aufweist, aber auch gewisse Mengen Kohlendioxid enthalten kann, wird mittels unterschiedlicher Verfahren hergestellt, z.B. durch Dampfreformierung oder autotherme Reformierung von Erdgas oder anderen gasförmigen oder flüssigen Einsatzstoffen wie Flüssigerdgas oder Naphtha, Trockenreformierung von Erdgas und Kohlendioxid und anschließender Aufreinigung, oder durch Vergasung verschiedener Einsatzstoffe wie Kohle, Erdöl oder Erdgas und anschließender Aufreinigung. Auch Elektrolyseverfahren, beispielsweise eine Kohlendioxidelektrolyse und Ko-Elektrolyse von Wasser und Kohlendioxid, sind zur Herstellung von Kohlenmonoxid und Synthesegas bekannt. Auch kann Wasserstoff mittels Elektrolyse hergestellt werden und mittels einer reversen Wassergasshift (RWGS) kann Wasserstoff mit Kohlendioxid zu Synthesegas umgewandelt werden. Auch Kombination aller Verfahren sind möglich, um ein gewünschtes Synthesegasverhältnis einzustellen.

Synthesegas kann zur Herstellung von Wasserstoff verwendet werden, beispielsweise durch Wahl entsprechender Prozessbedingungen und Abtrennung anderer Komponenten aus dem Synthesegas. Da derartige Verfahren einen beträchtlichen Kohlendioxidfußabdruck aufweisen, wird der entsprechend bereitgestellte Wasserstoff auch als „grauer“ Wasserstoff bezeichnet.

Synthesegas kann aber auch alleine oder zusammen mit anderen Komponenten bekannten Folgereaktionen zugeführt werden, wobei dieses je nach Anforderung der Folgereaktion zunächst beispielsweise von Kohlendioxid befreit und danach mit weiterem Wasserstoff für die Folgereaktion optimal eingestellt werden kann. Beispiele für entsprechende Folgereaktionen sind Methanolsynthesen, Dimethylethersynthesen und Fischer-Tropsch- Verfahren. Die Anwendungen sollen hier ausdrücklich nicht auf die Umsetzung von ausschließlich Synthesegas oder dessen Komponenten limitiert sein. So kann auch zusammen mit einem Olefin ein Hydroformylierungsprodukt hergestellt werden.

Ein entsprechendes Verfahren ist in der beigefügten Figur 1 veranschaulicht, auf die an dieser Stelle vorab Bezug genommen werden soll. Das Verfahren umfasst die Verwendung eines Reformierreaktors 110, der überwiegend oder ausschließlich durch eine Verbrennung eines Brennstoffs bzw. Brenngases in einer Brenneranordnung 111 beheizt wird. Der Begriff „überwiegend“ soll hier eine Bereitstellung von mindestens 90, 95 oder 99% in der jeweils genannten Weise bezeichnen.

In dem Verfahren gemäß Figur 1 wird im dargestellten Beispiel ein Einsatzstrom 1 bereitgestellt, der beispielsweise Erdgas umfassen kann und in dem Reformierreaktor 110 als Einsatz verwendet wird. Anstelle von Erdgas kann beispielsweise auch ein Biogasstrom oder ein anderer, Kohlenwasserstoffe enthaltender Einsatzstrom verwendet werden. Allgemein kann hier beispielsweise eine Mischung aus Methan, Kohlendioxid und anderen Gasen, aber auch beispielsweise Naphtha, zum Einsatz kommen. Es handelt sich also, wie auch unten angegeben, um einen Kohlenwasserstoff enthaltenen Einsatz zur Reformierung zu Synthesegas. Dem Reformierreaktor zugeführter Dampf ist nicht veranschaulicht.

In einer Brenneranordnung 111 wird Brenngas 2 mit Verbrennungsluft 3 verfeuert. Weitere, optional vorhandene Komponenten, wie beispielsweise ein bekannter Pre- Reformer, sind hier nicht explizit gezeigt. Durch die Brenneranordnung 111 bereitgestellte Wärme ist mit 4 bezeichnet, ein Abgasstrom ist nicht veranschaulicht.

Dem Reformierreaktor 110 wird ein Rohgas 5 entnommen und in einer Wärmeintegration und Konditionierung 120, ggf. unter Zugabe von Wasserstoff s und Entfernung von Kohlendioxid 7 unter Erhalt von Synthesegas in Form eines Folgestroms 8 aufbereitet. Der Folgestrom 8 wird einem Folgeschritt 130 bzw. einer Synthesereaktion der erläuterten Art zugeführt. Aus dem Folgeschritt 130, dem auch beispielsweise rezykliertes Synthesegas 9 zugeführt wird, wird ein Rohprodukt 10 ausgeführt, welches einer Produkttrennung 140 unterworfen wird. In der Produkttrennung 140 werden nicht umgesetztes Synthesegas 11 und Nebenprodukte (nicht dargestellt) von einem Produkt 12 abgetrennt. Bei Nebenprodukten kann es sich beispielsweise um eine an Ethanol reiche Fraktion aus einem Seitenabzug einer Rektifikationskolonne handeln, die zur Produktauftrennung nach einer Methanolsynthese eingesetzt wird. Das nicht umgesetzte Synthesegas 11 wird im hier veranschaulichten Beispiel teilweise in Form des bereits erwähnten Stroms 9 in den Folgeschritt 130 (oder wahlweise auch in den Reformierreaktor 110) zurückgeführt und teilweise als sogenanntes Purgegas 13 verworfen d.h. im hier veranschaulichten Beispiel in die Brenneranordnung 111 zurückgeführt, um die Anreicherung von inerten Komponenten wie Stickstoff und Argon im Kreislauf zu limitieren. Von dem in der Wärmeintegration und Konditionierung 120 abgetrennten Kohlendioxid 7 kann ein Teil 14 ausgeführt bzw. anderweitig verwendet und ein Teil 15 beispielsweise in den Reformierreaktor 110 zurückgeführt werden.

Im Zuge der Klimadiskussion und entsprechender regulatorischer Vorgaben gewinnen Maßnahmen zur Vermeidung und Rückgewinnung von Kohlendioxid zunehmend an Bedeutung. Eine langfristig angestrebte Lösung kann beispielsweise die Gewinnung von Wasserstoff mittels Elektrolyse umfassen, die bei Einsatz von erneuerbaren Energiequellen kohlendioxidneutral sein kann, so dass entsprechend hergestellter Wasserstoff auch als „grün“ bezeichnet wird.

Zumindest bis zur wirtschaftlich erfolgreichen Realisierung von Verfahren zur Herstellung von „grünem“ Wasserstoff können Brückentechnologien eingesetzt werden. Bei Verfahren, die durch Befeuerung beheizt sind, wie der Dampfreformierung, kommt es bei der Herstellung von Synthesegas zu Kohlendioxidemissionen im Rauchgas. Diese Kohlendioxidemissionen sind nur mit hohem Aufwand wie z.B. durch Rückgewinnung und Lagerung oder Verwendung von Kohlendioxid (engl. Carbon Capture and Storage, CCS bzw. Carbon Capture and Utilization, CCU), vermeidbar.

Eine Möglichkeit, die Kohlendioxidemissionen entsprechender Verfahren zu verringern, ist die Verwendung elektrisch beheizter Reformierreaktoren. Hierbei können entweder die Reaktionsrohre direkt elektrisch beheizt sein (Widerstandheizung der Reaktionsrohre), es kann aber auch eine indirekte elektrische Beheizung (durch Strahlung eines Widerstandselements) erfolgen. Alternativ kann auch eine induktive Beheizung oder eine direkte Beheizung des Katalysators verwendet werden (Strom wird durch Katalysator geleitet). Auch Mischformen aus elektrischer und nichtelektrischer Beheizung und Mischformen der elektrischen Beheizung können grundsätzlich verwendet werden. Je nachdem in welcher Zone wieviel Wärme zur Verfügung gestellt werden soll, können die Konzepte kombiniert werden oder durch gezielte elektrische Widerstände angepasst werden. Kommen derartige Verfahren zum Einsatz, wird auch von „blauem” Wasserstoff gesprochen.

Durch die Verwendung eines elektrisch beheizten Reformierreaktors steht jedoch verfahrenstechnisch keine Senke mehr für Purgegas (vgl. Strom 13 in Figur 1) zur Verfügung. Entsprechendes gilt auch bei Verfahren wie die partielle Oxidation (POX) und autotherme Reformierung (ATR), bei denen die erforderliche Energie für die Reaktion durch Zugabe und interner Verbrennung von Sauerstoff bereitgestellt wird. Auch in Reformierungsverfahren bzw. ähnlichen Verfahren, in denen keine Folgereaktion zum Einsatz kommt, sondern der Wasserstoff aus dem Synthesegas selbst das Verfahrensprodukt darstellt, gilt dies, wie unten genauer erläutert.

Es werden daher verbesserte Verfahren und Anlagen zur Herstellung von Synthesgas und/oder hieraus gebildeten Folgeprodukten benötigt.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Verfahrensprodukts, bei dem ein Einsatz unter Verwendung von thermischer Energie umgesetzt wird, sowie eine Anlage zur Durchführung eines solchen Verfahrens mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der folgenden Beschreibung.

Die Vorteile der Erfindung und ihrer Ausgestaltungen ergeben sich im Wesentlichen dadurch, dass das Purgegas einer elektrolytischen Bearbeitung unterworfen wird, wodurch einerseits unerwünschte Nebenprodukte aus dem Verfahren ausgeschleust werden, und andererseits eine unerwünschte Emission von Kohlendioxid, wie sie bei herkömmlicher thermischer Verwertung von Nebenprodukten typischerweise auftritt, vermieden wird. Die vorliegende Erfindung schlägt insgesamt ein Verfahren zur Herstellung eines oder mehrerer Verfahrensprodukte (insbesondere Synthesegas, Wasserstoff, oder aus Syntgesegas gebildete Folgeprodukte) vor, bei dem ein Einsatz der erläuterten Art, der einen oder mehrere Einsatzstoffe enthält, unter Erhalt eines zumindest Wasserstoff enthaltenden Rohgases unter Verwendung thermischer Energie in einer Reaktoreinheit umgesetzt wird. Die thermische Energie wird hierbei überwiegend oder ausschließlich unter Verzicht auf eine externe Befeuerung bereitgestellt. Das Rohgas wird zumindest zum Teil einer Aufbereitung und/oder Folgereaktion unterworfen, wobei das eine oder die mehreren Verfahrensprodukte ein oder mehrere, in der Aufbereitung und/oder Folgereaktion gebildete Fraktionen oder Folgeprodukte umfassen. In oder stromab der Aufbereitung und/oder in oder stromab der Folgereaktion wird bzw. werden unter Verbleib des einen oder der mehreren Verfahrensprodukte eine oder mehrere Fraktionen abgetrennt. Die abgetrennte(n) Fraktion(en) kann bzw. können dabei zumindest einen Teil in der Reaktoreinheit nicht umgesetzter und später nicht anderweitig abgetrennter Einsatzstoffe, aber auch einen Teil des einen oder der mehreren Verfahrensprodukte enthalten. Letzteres ist insbesondere dann der Fall, wenn beispielswiese eine Druckwechseladsorption verwendet wird, die zwar ein sehr reines Produkt erzeugen kann, dessen Ausbeute aber dabei nicht vollständig ist. Zumindest ein Teil der einen oder der mehreren abgetrennten Fraktionen wird einer elektrochemischen Bearbeitung unterworfen.

Wenngleich die vorliegende Erfindung nachfolgend überwiegend auf die thermische Umsetzung von Kohlenwasserstoffen, insbesondere mit Dampf, in der Reaktoreinheit Bezug nimmt, kann die vorliegende Erfindung grundsätzlich auch auf andere Einsatzstoffe zurückgreifen, beispielsweise auf Ammoniak in einem sogenannten Ammoniakcracker. Im Falle der thermischen Umsetzung von Kohlenwasserstoffen wird das Rohgas als (zumindest) Wasserstoff und Kohlenmonoxid sowie ggf. Kohlendioxid enthaltendes Syntheserohgas gebildet. Falls beispielsweise ein Ammoniakcracker zum Einsatz kommt, enthält das Rohgas dagegen Stickstoff und Wasserstoff.

Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung können auch sogenannte HyCO-Anlagen (Wasserstoff-Kohlenmonoxid-Anlagen) betreffen, in denen Wasserstoff und Kohlenmonoxid als getrennte Produkte bereitgestellt werden.

Insbesondere kann in Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung die thermische

Energie zu weniger als 25%, 10%, 5%, 2% oder 1% durch externe Befeuerung bereitgestellt werden. Somit ist ein weitgehender Betrieb auf Basis erneuerbarer

Energien ermöglicht und Emissionen von klimarelevanten Gasen werden minimiert.

In Ausgestaltungen der Erfindung kann die thermische Energie zumindest teilweise mittels elektrischer Energie und/oder über eine oder mehrere exotherme Reaktionen in dem Einsatz, deren Reaktionsprodukt(e) Teil des Rohgases werden, bereitgestellt werden. Entsprechende exotherme Reaktionen sind insbesondere die erwähnte autotherme Reformierung, die partielle Oxidation oder eine katalytische partielle Oxidation. In entsprechenden Verfahren ergeben sich, wie erwähnt, dieselben Probleme wie bei der Verwendung eines elektrisch beheizten Reformierreaktors. Insbesondere in den Fällen, in denen die thermische Energie über eine oder mehrere exotherme Reaktionen in dem Einsatz, deren Reaktionsprodukt(e) Teil des Rohgases werden, bereitgestellt, kann die vorliegende Erfindung eingesetzt werden, da hier kein oder nur wenig elektrischer Strom benötigt wird und daher die elektrolytische Umsetzung der abgetrennte(n) Fraktion(en) - etwa im Gegensatz zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels Brennstoffzellentechnik aus einem entsprechenden Restgas - vorteilhaft ist. Generell kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Reformierreaktor auch zur Durchführung einer Reformierung von Erdgas oder eines anderen methanhaltigen Gasgemischs und Kohlendioxid ausgebildet sein. Es ist also immer die Zugabe von Kohlendioxid im Feed zur Synthesegasstufe möglich.

In einer Ausgestaltung der Erfindung kann das Rohgas der Aufbereitung und der Folgereaktion unterworfen werden, wobei die Aufbereitung eine Wärmeintegration und Konditionierung umfassen kann und die Folgereaktion eine katalytische Umsetzung zu dem einen oder den mehreren Folgeprodukten umfassen kann. Hierbei sind grundsätzlich alle technisch sinnvollen Verfahrensschritte kombinierbar. Auch beliebige Schritte der Produktauftrennung können vorgesehen sein.

In einer Ausgestaltung der Erfindung kann das Rohgas beispielsweise Kohlendioxid enthalten und die Konditionierung kann eine Kohlendioxidentfernung umfassen (nicht bei einer anschließenden Methanolsynthese) und/oder die Konditionierung kann eine Zugabe von Wasserstoff und/oder Kohlenwasserstoffen umfassen, beispielsweise zur Einstellung eines gewünschten Wasserstoffgehalts oder zur Bereitstellung von Reaktanden für die Folgereaktion. In allen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung kann bei der Konditionierung beispielsweise auch zusätzlicher Wasserstoff, z.B. aus einer Elektrolyse oder Pipeline, zugemischt werden, um den notwendigen Wasserstoffgehalt bzw., im Fall eines Syntheserohgases, ein Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenmonoxid zu erhalten. Insbesondere kann dazu in der elektrochemischen Bearbeitung gebildeter Wasserstoff verwendet werden.

Wie bereits erwähnt, kann in Ausgestaltungen der Erfindung die katalytische Umsetzung aus einer Methanolsynthese, einer Dimethylethersynthese und einem Fischer-Tropsch-Verfahren ausgewählt sein, wobei das Verfahrensprodukt ein Produkt der katalytischen Umsetzung sein kann. Die vorliegende Erfindung entfaltet ihre Vorteile in allen derartigen Verfahren.

Das Rohgas kann in diesen oder anderen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung auch (nur) der Aufbereitung und/oder einer Produktaufreinigung unterworfen werden, wobei die Aufbereitung eine Wassergasshiftreaktion unter Erhöhung eines Wasserstoffgehalts in dem Rohgas (in diesem Fall einem Syntheserohgas) umfassen kann und das Verfahrensprodukt Wasserstoff darstellen kann.

Das Rohgas kann in anderen Ausgestaltungen der Erfindung ebenfalls (nur) der Aufbereitung unterworfen werden, wobei die Aufbereitung (im Fall eines kohlendioxidhaltigen Syntheserohgases) eine Kohlendioxidabtrennung unter Erhalt eines Synthesereingases umfassen kann. Eines der Verfahrensprodukte kann dabei ein Teil des Synthesereingases sein, wobei ein weiterer Teil des Synthesereingases einer Wasserstoffabtrennung unterworfen wird, und wobei ein weiteres der Verfahrensprodukte in der Wasserstoffabtrennung abgetrennter Wasserstoff ist. Dieser Wasserstoff kann auch beispielsweise zur Vermeidung von Verkokungen in die elektrochemische Bearbeitung zurückgeführt oder zur Entschwefelung des Einsatzes verwendet werden. In allen Fällen kann zur Abtrennung insbesondere eine Druckwechseladsorption (PSA) zum Einsatz kommen, der der Wasserstoff in besonders reiner Form entnommen werden kann.

In allen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung kann die elektrolytische Bearbeitung insbesondere die Verwendung einer Festoxid-Elektrolysezelle (engl. solid oxide electrolysis cell, SOEC) umfassen. Im Fall der Verwendung einer Festoxid-Elektrolysezelle kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Strombedarf der Elektrolyse signifikant gesenkt werden, da eine Verbrennungsreaktion des erfindungsgemäß eingesetzten Gasgemischs auf der Anodenseite einen Teil der Reaktionsenthalpie in Form von Wärme zur Verfügung stellen kann. Hierbei kann zur Festoxid-Elektrolysezelle zusätzlicher Brennstoff anodenseitig geführt werden, um den Strombedarf zu senken. Zudem kann Überschussdampf gleichzeitig zumindest teilweise kathodenseitig eingespeist werden, der beispielweise durch die Kühlung des exothermen Reaktors der chemischen Reaktion entsteht, um diesen in vorteilhafter Weise zu Wasserstoff umzuwandeln. Dieser Wasserstoff kann beispielsweise bei Bedarf für die Konditionierung des Synthesegases verwendet werden. Vorteil der anodenseitigen Einspeisung des Purgegases liegt in der Abführung inerter Komponenten aus dem Verfahren und der möglichen vollständigen Verwertung des Purgegases. Bei einem an Kohlendioxid reichen Purgas kann aus diesem zumindest teilweise mit Überschussdampf in der Festoxid-Elektrolysezelle kathodenseitig auch zusätzliches Synthesegas erzeugt werden.

Vorteile der Verwendung des Purgegases bei der Festoxid-Elektrolysezelle auf der Kathodenseite umfassen, dass das Purgegas bereits Wasserstoff enthält und somit eine Oxidation am Zelleneintritt verhindert und somit ein Recycle aus dem Produktstrom der Elektrolysezelle entfallen kann. Ebenfalls ist dieses Purgegas i.d.R. bereits schwefelfrei, was sowohl für die Festoxid-Elektrolysezelle als auch eine Festoxid-Brennstoffzelle eine zusätzliche Aufreinigung unnötig macht.

Die vorliegende Erfindung kann auch die elektrolytische Umsetzung in einem elektrochemischen Kompressor umfassen. Der Aufbau eines elektrochemischen Kompressors ist vergleichbar mit einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle. Ein elektrochemischer Kompressor weist eine Anode auf, eine protonenleitende Membran als Elektrolyt, und eine Kathode. Anders als in der Brennstoffzelle wird im elektrochemischen Kompressor keine elektrische Arbeit produziert, sondern im Prozess verbraucht. Wenn auf der Anode befeuchteter Wasserstoff zugegeben wird, führt die angelegte Spannung zu einer Aufspaltung der Wasserstoffmoleküle in Protonen und Elektronen. Die Potentialdifferenz zwingt die Protonen durch die Membran zur Kathode zu wandern, wo sie wieder mit Elektronen zu molekularem Wasserstoff rekombinieren. Wenn der Kathodenausgang verschlossen ist, wird durch die Spannung weiter Wasserstoff zur Kathode transportiert und der Druck steigt. Auch eine Wasserelektrolyse kann eingesetzt werden.

Der Einsatz einer Festoxid-Elektrolysezelle oder eines elektrochemischen Kompressors sind ausgehend vom Stand der Technik nicht naheliegend. Ein grundlegendes Problem besteht in entsprechenden Verfahren darin, dass Inertkomponenten aus einem gebildeten Kreislauf abgeführt werden müssen. Dabei ist naheliegend, diese zu verbrennen oder auch in eine Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) zu schicken, wo sie im Endeffekt auch verbrennen (und dabei direkt Strom erzeugen). Ein elektrochemischer Kompressor nimmt dagegen eine Auftrennung vor, wobei der Wertstoff Wasserstoff zurückgewonnen wird. Es handelt sich also um ein grundlegend anderes Verfahren. Der Kompressor hat hier den Vorteil, sehr selektiv den Wertstoff Wasserstoff zurückzugewinnen, was gleichzeitig unter hohem Druck (z.B. im Gegensatz zu einer Druckwechseladsorption, PSA) erfolgt. Der Reststrom des elektrochemischen Kompressors wird vorteilhafterweise noch weiterbehandelt, z.B. mittels einer Verbrennung, um Inerte loszuwerden. Er steigert aber die Effizienz des Verfahrens. Die Verwendung in einer Festoxid-Elektrolysezelle auf der Anodenseite ist ebenfalls eine Verbrennung, aber ebenfalls grundlegend anders als in einer Festoxid- Brennstoffzelle (SOFC), da hier Wasserstoff i.d.R. durch Strom erzeugt wird. Dieser Strombedarf wird durch die auf Anodenseite stattfinden Verbrennung reduziert. Die Verwendung in der Elektrolyse auf der Kathodenseite erzeugt aus Wasser, Kohlendioxid und Kohlenwasserstoffen wieder Syngas, löst das Problem der Inerten alleine aber nicht. Inerte müssen also weiter abgetrennt werden, z.B. durch eine Druckwechseladsorption mit Reststromverbrennung. Aber auch ein solcher Einsatz der Elektrolyse steigert die Effizienz, da Wasserstoff und Kohlenstoff aus Kohlendioxid und Kohlenwasserstoffen in Form von Kohlenmonoxid zurückgewonnen werden.

Der erzeugte Wasserstoff kann zur Entschwefelung genutzt werden, aber auch dem Verfahren an anderer Stelle zugeführt werden. Das nicht zurückgewonnene Purgegas kann (katalytisch) verbrannt werden, um Wärme zu erzeugen. Die Option, nicht umgesetztes Purgegas (katalytisch) zu verbrennen, um Wärme und Dampf zu erzeugen, ist besonders vorteilhaft.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann zur Trennung von Stoffgemischen aller Art auf an sich bekannte Verfahren und entsprechende Einheiten zurückgegriffen werden, z.B. Temperaturwechseladsorption (TSA), Druckwechseladsorption (PSA) oder Vakuum-Druckwechseladsorption (VPSA). Es ist auch möglich, eine Membrantrennung zu verwenden, wobei selbstverständlich auch andere geeignete Trennverfahren wie eine Rektifikation eingesetzt werden können.

Eine Anlage zur Herstellung eines oder mehrerer Verfahrensprodukte ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Diese Anlage ist dafür eingerichtet, einen Einsatz, der einen oder mehrere Einsatzstoffe enthält, unter Erhalt eines zumindest Wasserstoff enthaltenden Rohgases unter Verwendung thermischer Energie in einer Reaktoreinheit umzusetzen. Die Anlage ist ferner dafür eingerichtet, die thermische Energie überwiegend oder ausschließlich unter Verzicht auf eine externe Befeuerung bereitzustellen, das Rohgas zumindest zum Teil einer Aufbereitung und/oder Folgereaktion zu unterwerfen, als das eine oder die mehreren Verfahrensprodukte ein oder mehrere, in der Aufbereitung und/oder der Folgereaktion gebildete Fraktionen oder Folgeprodukte bereitzustellen, in oder stromab der Aufbereitung und/oder in oder stromab der Folgereaktion unter Verbleib des einen oder der mehreren Verfahrensprodukte eine oder mehrere Fraktionen abzutrennen, und zumindest einen Teil der einen oder der mehreren abgetrennten Fraktionen einer elektrolytischen Bearbeitung zu unterwerfen.

Zu Merkmalen und Vorteilen einer entsprechenden Anlage und möglicher Ausgestaltungen sei auf die obigen Erläuterungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner Ausgestaltungen ausdrücklich verwiesen.

Anlagen gemäß Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung weisen insbesondere Mittel auf, die sie zur Durchführung eines vorstehend beschriebenen Verfahrens und entsprechender Ausgestaltungen ertüchtigen. Die erfindungsgemäße Anlage bzw. deren vorteilhafte Ausgestaltungen profitieren dementsprechend von den Vorteilen des jeweils entsprechenden Verfahrens in analoger Weise und umgekehrt.

Im Folgenden werden weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt ein Verfahren gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausgestaltung.

Figur 2 zeigt ein Verfahren gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.

Figur 3 zeigt ein Verfahren gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.

Figur 4 zeigt ein Verfahren gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.

In den Figuren werden Verfahrensschritte und Vorrichtungskomponenten teilweise gemeinsam beschrieben bzw. mit identischen Bezugszeichen angegeben. Generell betreffen Erläuterungen zu Verfahrensschritten die entsprechenden Vorrichtungskomponenten in gleicher weise und umgekehrt. Verfahrensschritte bzw. Vorrichtungskomponenten mit identischer oder vergleichbarer Funktion oder mit identischer oder vergleichbarer baulicher Realisierung sind dabei mit identischen Bezugszeichen angegeben.

Ausführungsform(en) der Erfindung

Figur 1 und das dort veranschaulichte nicht erfindungsgemäße Verfahren wurden bereits eingangs ausführlich erläutert.

In Figur 2 ist ein Verfahren gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung in Form eines vereinfachten Blockdiagramms dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet.

Im Gegensatz zu dem in Figur 1 veranschaulichten Verfahren wird hier der Reformierreaktor 110 überwiegend oder ausschließlich unter Verzicht auf externe Befeuerung beheizt. Beispielsweise kann die Beheizung, die hier der Unterscheidung halber mit 16 angegeben ist, im Wesentlichen elektrisch und/oder durch interne (also innerhalb des Reaktors ablaufende) exotherme Reaktionen erfolgen. Dies schließt jedoch nicht aus, dass, beispielsweise zum Starten des Reformierreaktors 110, ein Pilotbrenner verwendet werden kann. Insgesamt ist es im Rahmen der Erfindung jedoch vorteilhaft, wenn höchstens 10%, 5%, 2% oder 1% der thermischen Energie, die für den Reaktorbetrieb erforderlich ist, mittels externer Befeuerung bereitgestellt werden. Im Übrigen wird die zum Betrieb des Reformierreaktors 110 erforderliche thermische Energie elektrisch und/oder durch interne exotherme Reaktionen bereitgestellt, wobei diese Bereitstellungsvarianten auch miteinander kombiniert werden können. Zur elektrischen Beheizung kann elektrischer Strom beispielsweise direkt durch die Reaktorrohre und/oder den in dem Reaktor vorgesehenen Katalysator direkt oder induktiv geleitet werden, um diese mittels Widerstandsheizung zu erwärmen. Alternativ oder zusätzlich können dedizierte Heizelemente zur Beheizung vorgesehen sein (z.B. Strahlungsheizung, Konvektion).

Nachdem in dem Verfahren 100 gemäß Figur 2 bzw. einer entsprechenden Anlage kein Brenner (dauerhaft) betrieben wird, kann das Purgegas 13, das in dem Verfahren gemäß Figur 1 verfeuert werden kann, um ein kontinuierliches Anhäufen von unerwünschten Nebenprodukten und/oder inerten Bestandteilen zu verhindern, nicht durch Verbrennung in dem Verfahren selbst genutzt werden.

Es ist daher in dem Verfahren 100 gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, das Purgegas 13, sowie gegebenenfalls weitere Anteile des Stoffstroms 9, einer elektrochemischen Bearbeitung 150 zuzuführen, die insbesondere eine Elektrolyse und/oder eine Umsetzung in einer Brennstoffzellenanordnung umfassen kann. Ein verbleibender Rest des Stoffstroms 9 kann auch in den Folgeschritt 130 zurückgeführt werden, um dort weiter umgesetzt zu werden. Je nach Zusammensetzung des Purgegases 13 kann beispielsweise Kohlendioxid in einer Elektrolyse kathodenseitig zu höherwertigen Stoffen (z.B. Kohlenmonoxid und Sauerstoff) umgesetzt werden oder Überschussdampft zumindest teilweise kathodenseitig zu Wasserstoff umgesetzt werden und/oder der Strombedarf der Elektrolyse durch anodenseitige Zuführung von zumindest einem Teil des Purgegases gesenkt werden. In den hier gezeigten Ausgestaltungen sind insbesondere hochtemperaturfähige elektrolytische Bearbeitungen vorteilhaft, so dass in Ausgestaltungen der Erfindung insbesondere Festoxid-Elektrolysezellen (SOEC oder co-SOEC) zum Einsatz kommen können.

Wird in einer entsprechenden Ausgestaltung des Verfahrens 100 (aber auch in den nachfolgenden Ausgestaltungen) eine Festoxid-Brennstoffzelle eingesetzt, können ca. 60% des in dem Strom 13 enthaltenen Brennwerts zu Strom umgewandelt werden und weitere 20% des Brennwerts für die Wärmeintegration genutzt werden. Neben dem Strom 13 kann zur Festoxid-Brennstoffzelle auch noch Brennstoff eingeleitet werden, um weiteren Strom zu erzeugen bzw. den Betrieb der Festoxid-Brennstoffzelle besser und unabhängig von Strom 13 zu regeln. Je nach Zusammensetzung des Purgegases, kann zumindest teilweise der Überschussdampf, der beispielweise durch die Kühlung des exothermen Reaktors der chemischen Reaktion entsteht, den Dampfbedarf der Festoxid-Brennstoffzelle decken. Kohlendioxid kann in einer derartigen Konfiguration besonders einfach abgetrennt werden, da das Abgas der Festoxid-Brennstoffzelle hoch konzentriert ist und im wesentlichen Wasser abgetrennt werden muss. Kohlendioxid kann also besonders einfach für einen weiteren Prozess genutzt oder sequestriert werden. Bei einer geeigneten Ausschleusung der (immer noch vorhandenen) Inertgaskomponenten, beispielsweise wenn Kohlendioxid verflüssigt wird, kann es im Verfahren 100 selbst verwendet werden. Ähnliches kann durch eine Membrantrennung geschehen.

In Figur 3 ist ein Verfahren gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung in Form eines vereinfachten Blockdiagramms dargestellt und insgesamt mit 200 bezeichnet.

In der in Figur 3 veranschaulichten Variante des Verfahrens 100 ist im Wesentlichen eine Wasserstoffproduktion vorgesehen. Diese umfasst insbesondere eine Wassergasshift 160 zur Erhöhung des Wasserstoffgehalts und eine Aufreinigung 170, beispielsweise durch Druckwechseladsorption, des Wasserstoffs. Hierbei fällt das hier mit 18 bezeichnete Tailgas an, das, wie zuvor, in herkömmlichen Reaktorkonzepten verfeuert werden kann, hier aber mit denselben Vorteilen wie zuvor in die elektrochemische Bearbeitung 150 geführt wird.

In Figur 4 ist ein Verfahren gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung in Form eines vereinfachten Blockdiagramms dargestellt und insgesamt mit 300 bezeichnet.

In der in Figur 3 veranschaulichten Variante des Verfahrens 200 wird aus einem Kohlendioxid enthaltenden (Synthese-)Rohgas 5, beispielsweise mittels Druckwechseladsorption, Kohlendioxid abgetrennt und in einer Fraktion 20 mit anderen Komponenten einer elektrochemischen Bearbeitung 150 zugeführt. Auf diese Weise wird ein Synthesereingas 21 erhalten, das zu einem Teil 22 für weitere Zwecke bereitgestellt werden kann. Ein Teilstrom 23 wird dagegen in eine weitere Abtrennung 190 geführt, um hier Wasserstoff, beispielsweise für eine Entschwefelung zu gewinnen. Auch diese weitere Abtrennung kann eine Druckwechseladsorption umfassen, wobei ein Reinwasserstoffstrom 19 und eine Restgasfraktion 24 gebildet werden. Letztere kann mit denselben Vorteilen wie zuvor in die elektrochemische Bearbeitung 150 geführt oder nach Kompression wieder zumindest teilweise für die Konditionierung des Synthesegases verwendet werden.

In den zuletzt erläuterten Ausgestaltungen kann alternativ anstatt einer Druckwechseladsorption auch Wasserstoff zur Entschwefelung in einem elektrochemischen Kompressor erzeugt werden. In diesem Fall entsteht kein Abgas. In dem Verfahren 300 könnte Kohlendioxid dann z.B. durch eine Aminwäsche (also eine hinsichtlich Kohlendioxid selektivere Entfernung als bei der Druckwechseladsorption) abgetrennt werden.