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WO2017064059A1 - Vorrichtung und verfahren zur erzeugung von synthesegas - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur erzeugung von synthesegas Download PDF

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WO2017064059A1
WO2017064059A1 PCT/EP2016/074339 EP2016074339W WO2017064059A1 WO 2017064059 A1 WO2017064059 A1 WO 2017064059A1 EP 2016074339 W EP2016074339 W EP 2016074339W WO 2017064059 A1 WO2017064059 A1 WO 2017064059A1
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WO
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gas
reaction zone
synthesis gas
synthesis
plasma
Prior art date
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PCT/EP2016/074339
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French (fr)
Inventor
Stephan Fabig
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Deutsche Lufthansa AG
Original Assignee
Deutsche Lufthansa AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Deutsche Lufthansa AG filed Critical Deutsche Lufthansa AG
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Ceased legal-status Critical Current

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    • C01B2203/1235—Hydrocarbons
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Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for the production of synthesis gas.
  • a thermal decomposition of Kohlenwas ⁇ hydrobromofluorocarbons wherein a hydrogen-containing carrier gas (synthesis gas) a signal generated by a plasma torch plasma flows and the hydrocarbons by the thermal energy of the plasma (and of the arc) may be cleaved in a ers ⁇ th reaction zone takes place.
  • synthesis gas is generated using the cleavage products of the first reaction zone, thereby typically ⁇ additionally C02 and / or H20 is supplied.
  • Plasma done This is especially advantageous if Excess electrical energy is available for example from rege ⁇ nerative sources, which can be implemented in this way advantageous in ultimately bound in a fuel ⁇ fuel chemical energy.
  • This synthesis gas is allowed to react for example by the above ge ⁇ called Fischer-Tropsch process to produce liquid fuel.
  • the invention has for its object to provide a device and a method of the type mentioned, or allow efficient operation. Furthermore, there should be a possibility in the use of regeneratively generated electrical energy to take into account the fluctuations of energy sources such as, for example, wind power or solar power.
  • a device according to the invention for the production of synthesis gas which comprises: a. a first reaction zone (1) for thermal Spal ⁇ processing of hydrocarbons in a plasma, b. a second reaction zone (2) for generating
  • Synthesis gas using the fission products of the first reaction zone a first gas inlet (3) upstream of the first action zone (1), d. a second gas inlet (8) in the region of the first reaction zone, e. a third gas inlet (9) in the region of the second reaction zone, characterized in that it further comprises: f. a device for setting an operating state in which all gas inlets (7, 8, 9) are fed exclusively with synthesis gas.
  • a first reaction zone is designed for thermal cracking of hydrocarbons in a plasma. Plas A ⁇ mafackel generated from constituents of the carrier gas (Synthe ⁇ segas) by an electrical discharge between two Electrodes a high-temperature plasma. Such a Plasmafa ⁇ ckel is the skilled worker in general and needs no further explanation. The thermal energy of the plasma serves to cleave the hydrocarbons (usually methane) preferably in elemental hydrogen and carbon.
  • a first reaction zone may be designed, for example, as a Kvaerner reactor.
  • a second reaction zone serves to generate synthesis gas using the cleavage products of the first reaction zone.
  • synthesis gas Gasmi designates a ⁇ research, whose main constituents are hydrogen and Kohlenmono- hydroxide (optionally in different mixing behaves ⁇ nits).
  • "Using the cleavage products” means that additional reactants can be used in the second reaction zone, typically CO 2 and / or water
  • One embodiment of such a second reaction zone is the CO 2 converter or Boudouard reactor as described above.
  • Boudouard reactor means in this context always that there in addition to a Boudouard reaction (in the case of the supply of C02) even when supplying water, a - known to the expert -.
  • the first gas inlet upstream of the the first reaction zone serves in normal operation of the device the supply of carrier gas for the plasma, typically syngas.
  • Optional can ⁇ additionally in normal operation by this first gas inlet for cleaving hydrocarbons in certain micro research are introduced with the carrier gas.
  • the optional second gas inlet in the region of the first reaction zone is used in normal operation of the supply of for cleavage of certain hydrocarbons.
  • This second gas inlet can be designed, for example, as a central feed lance, which is guided through a plasma flare designed as a tubular hollow body.
  • the second gas inlet can be arranged somewhat downstream of the plasma electrodes, in order to avoid or reduce direct contact of the hydrocarbons with the electrodes and an electrode filling caused thereby by deposition of elemental carbon.
  • the third gas inlet in the region of the second reaction zone is used in normal operation of the supply of carbon dioxide and / or water to the Boudouard reactor or water gas conversion reactor.
  • Synthesis gas are fed, an operation of Vorrich ⁇ tion can be done in a state in which in particular in the first reaction zone at least no appreciable amounts regardsifies ⁇ thermally cleavable hydrocarbons are not or present.
  • the invention has recognized that, in particular when starting or stopping a device according to the invention unfavorable operating conditions can occur. When starting and stopping the operation, a slow heating or cooling of the device is required to avoid temperature-induced stress and damage. The device runs through temperatures or states in which a normal operation is no longer possible because, for example, the temperature threshold from which a splitting of the hydrocarbons takes place, is not or no longer reached.
  • the core of the invention is such load change states as start-up or shut-down or even idling operation (operation in a basically suitable for normal operation operating point, but without a splitting of
  • Hydrocarbons or generation of synthesis gas takes place without it can lead to undesirable side reactions and thus, for example, associated impurities of the device.
  • a slow start of the retraction o- or a setting of the desired operating point can be carried out without causing tr foundedungen to any affected.
  • the carrier gas for the plasma also referred to as plasma gas
  • ⁇ finished syngas under all operating conditions (including starting up or shutting and normal operation) in the behaves inertly first reaction zone and the second reaction zone in ⁇ We sentlichen and there are no adverse reactions or side reactions.
  • Essentially means inertness that the synthesis gas while the plasma magas enables the plasma formation and to the extent, of course, responds that it does not come to chemical Reginareaktio ⁇ nen that significantly change the chemical composition of the Plasmaga ⁇ ses. Only after reaching a desired and defined operating point of the normal operation is absorbed by feeding the intended for normal operation gases in the gas inlets.
  • the invention is of particular advantage in particular when a device according to the invention is fed with regeneratively generated electrical energy which is subject to fluctuations.
  • the then regularly required change of operating conditions can be carried out according to the invention, without causing undesirable high signs of wear or frequent operating conditions with non-optimal implementation of the starting materials used.
  • means are provided for recirculating gas from the outlet of the second reaction zone to the gas inlets.
  • a means for recirculating gas from the exit of the second reaction zone to the gas inlets means that synthesis gas can be recirculated and recycled to some or all of the existing gas inlets.
  • the device according to the invention may additionally have a reservoir for synthesis gas.
  • a reservoir for synthesis gas.
  • the reservoir may be provided for temporarily stored synthesis gas from the previous operation han ⁇ punching, alternatively or additionally, the synthesis gas from an external source, for example by mixing externally provided carbon monoxide and hydrogen.
  • the plasma introduces an energy input into the device, which is not used for chemical reactions (splitting up of the hydrocarbons). Since this energy input ⁇ possible greater than the desired energy input for heating the device when starting, advantageously, a means for cooling at least a partial flow of the recirculated synthesis gas can be provided. It may be that cooler, which is usually provided anyway for cooling the synthesis gas before Wei ⁇ tergabe to the Fischer-Tropsch reactor. Cooling at least a part-stream allows to adjust by mixing of cooled and uncooled parts of the synthesis gas a ge ⁇ desired energy input or a desired temperature profile.
  • At least one mixing device is provided for mixing an uncooled recirculated partial flow of the gas recirculated from the outlet of the second reaction zone to the gas inlets with a cooled partial stream of this gas and / or a partial stream taken from the synthesis gas reservoir.
  • a separate mixing device may preferably be provided for each gas inlet, so that the introduction temperature at each gas inlet set different and thus the total setting ⁇ ment a desired temperature profile is facilitated in the device.
  • Another object of the invention is a method for operating a device for generating synthesis gas during a load change state and / or in an idle ⁇ running state. This device has a first reaction zone for the thermal cleavage of hydrocarbons in a plasma and a second reaction zone for the production of synthesis gas using the cleavage products of the first reaction zone.
  • Idle operation essentially without chemical reactions, side reactions or other unwanted accompanying circumstances.
  • the method according to the invention can be carried out particularly advantageously with a device according to the invention described above.
  • An operation exclusively with synthesis gas over at least one subsection includes that, for example, a further subsection of a load change can already take place with supply of reactive gas components such as, for example, hydrocarbons. If, for example, in the first reaction zone, a cleavage of the hydrocarbons in a certain temperature window and / or
  • Pressure window can be done, can be started with the introduction of hydrocarbons as soon as the lower limit of this temperature window is reached when starting. It can then ⁇ follow with already hydrocarbon feeds another load change through, for example, in the middle of this temperature window and / or pressure window.
  • an operation according to the invention can exclu ⁇ Lich with synthesis gas to the slow cooling of the apparatus take place.
  • the operation can eventually be made from ⁇ with synthesis gas to maintain a desired temperature and / or pressure levels.
  • a short-term idle state can be useful, for example, in the operation of the plasma with regeneratively generated electrical energy to provide short-term control energy for the operation of an electrical grid.
  • This device according to the invention will initially be described in its normal operation.
  • the device according to the invention has a first reaction zone 1 (designed as a Kvaerner reactor) and a second reaction zone 2 (designed as a Boudouard reactor and / or a water gas conversion reactor).
  • Synthesis gas is introduced as plasma gas into the first reaction zone through a first gas inlet 7 arranged upstream of the electrodes 3. Between the electrodes 3, a plasma is ignited.
  • Hydrocarbons are introduced through the second gas inlet 8, which are thermally partly directly in the plasma, partly split in the hot zone of the plasma slightly downstream on ⁇ into hydrogen and elemental carbon.
  • the gas / solid mixture thus produced enters the second reaction zone 2.
  • Through the third gas inlet 9 C02 and / or water is supplied. Elemental carbon can be converted into carbon monoxide with carbon dioxide in a Boudouard reaction. Alternatively or additionally, a water gas conversion reaction can be carried out with water introduced.
  • the ⁇ segas is removed. In normal operation, this is cooled in a kuh ⁇ ler 4 to a desired temperature level and supplied for example to a subsequent reactor for the production of liquid hydrocarbons at 15, in ⁇ game as a Fischer-Tropsch reactor.
  • synthesis gas (uncooled or cooled) can be recycled before the cooler 4 at 16 and after the cooler at 17 and pumped by means of pumps 18, 19 in the direction of the gas inlets 7, 8, 9.
  • Mixer 10, 11, 12 allow to set for each of the gas inlets to flow a desired mixing ratio of refrigerated and unrefrigerated part ⁇ and thus to control the inlet temperature at each of the gas inlets individually.
  • a reservoir 5 is additionally provided. It can be a tank that is fed with syngas in normal operation and keeps it in stock for the next start-up.
  • 13 may be used hydrogen or carbon monoxide from supply containers ⁇ 6, if necessary.

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Synthesegas, die eine erste Reaktionszone (1) zur thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen in einem Plasma, eine zweite Reaktionszone (2) zur Erzeugung von Synthesegas unter Verwendung der Spaltprodukte der ersten Reaktionszone, einen ersten Gaseinlass (7) stromauf der ersten Reaktionszone (1), optional einen zweiten Gaseinlass (8) im Bereich der ersten Reaktionszone (1), sowie einen dritten Gaseinlass (9) im Bereich der zweiten Reaktionszone (2) aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Einrichtung zur Rückführung von Gas vom Ausgang der zweiten Reaktionszone (2) zu den Gaseinlässen (7, 8, 9), sowie eine Einrichtung zur Einstellung eines Betriebszustands, bei dem sämtliche Gaseinlässe (7, 8, 9) ausschließlich mit Synthesegas gespeist werden, vorgesehen ist. Ein weiterer Gegen¬ stand der Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Reaktors in Lastwechselzuständen sowie im Leerlauf. Der Betrieb in diesen Zuständen ausschließlich mit Synthesegas erlaubt ein kontrolliertes An- und Abfahren ohne unerwünschte Nebenreaktionen.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas. Dabei erfolgt in einer ers¬ ten Reaktionszone eine thermische Spaltung von Kohlenwas¬ serstoffen, bei der ein Wasserstoffhaltiges Trägergas (Syn- thesegas) ein von einer Plasmafackel erzeugtes Plasma durchströmt und die Kohlenwasserstoffe durch die thermische Energie des Plasmas (und des Lichtbogens) gespalten werden. In einer zweiten Reaktionszone (i.d.R. als Boudouard-Reak- tor und/oder Wassergas-Konvertierungsreaktor ausgebildet) wird Synthesegas unter Verwendung der Spaltprodukte der ersten Reaktionszone erzeugt, dabei wird typischerweise zu¬ sätzlich C02 und/oder H20 zugeführt.
Die Herstellung als Treibstoffe geeigneter flüssiger Koh- lenwasserstoffe aus Kohle und/oder gasförmigen Kohlenwas¬ serstoffen ist bekannt. Eines der ältesten bekannten Verfahren ist das Fischer-Tropsch-Verfahren ausgehend von sogenannten Synthesegas (Mischung aus Wasserstoff und Kohlen- monoxid) .
Es ist ebenfalls bereits bekannt, den Wasserstoffanteil von Synthesegas durch bevorzugt thermische Aufspaltung von Me¬ than in Kohlenstoff und Wasserstoff zu gewinnen. Der erfor¬ derliche Energieeintrag kann in einem sogenannten Kvaerner- Reaktor durch ein mittels elektrischer Energie erzeugtes
Plasma erfolgen. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn überschüssige elektrische Energie beispielsweise aus rege¬ nerativen Quellen zur Verfügung steht, die sich auf diese Art und Weise vorteilhaft in letztendlich in einem Treib¬ stoff gebundene chemische Energie umsetzen lässt.
In einem Kvaerner-Reaktor gewonnener Wasserstoff und Kohlenstoff kann in einem zweiten Schritt in einem C02- Konverter, der das Boudouard-Gleichgewicht nutzt, bzw. ei¬ nem Wassergas-Konvertierungsreaktor unter Zusatz von C02 und Wasser in Synthesegas umgesetzt werden.
Dieses Synthesegas wird beispielsweise nach dem oben ge¬ nannten Fischer-Tropsch-Verfahren zu Flüssigtreibstoff reagieren gelassen.
Die initiale Aufspaltung von Methan im Kvaerner-Reaktor unter Zufuhr regenerativ erzeugter elektrischer Energie und der im zweiten Schritt erfolgende Einsatz von Kohlendioxid bewirkt, dass die C02-Bilanz so erzeugten Flüssigtreib- Stoffs wesentlich vorteilhafter ist als die von Treibstoff auf Mineralölbasis.
Ein System und eine Anlage in der eingangs genannten Art ist beispielsweise in WO 2013/091879 AI beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, die bzw. das einen effizienten Betrieb ermöglichen. Ferner soll beim Einsatz regenerativ erzeugter elektrischer Ener- gie eine Möglichkeit bestehen, den Schwankungen von Energiequellen wie beispielsweise Windstrom oder Solarstrom Rechnung zu tragen. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine erfindungsgemäße Vor¬ richtung zur Erzeugung von Synthesegas, die aufweist: a. eine erste Reaktionszone (1) zur thermischen Spal¬ tung von Kohlenwasserstoffen in einem Plasma, b. eine zweite Reaktionszone (2) zur Erzeugung von
Synthesegas unter Verwendung der Spaltprodukte der ersten Reaktionszone, einen ersten Gaseinlass (3) stromauf der ersten aktionszone (1), d. einen zweiten Gaseinlass (8) im Bereich der ersten Reaktionszone, e. einen dritten Gaseinlass (9) im Bereich der zweiten Reaktionszone, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiter aufweist: f. eine Einrichtung zur Einstellung eines Betriebszustands, bei dem sämtliche Gaseinlässe (7, 8, 9) ausschließlich mit Synthesegas gespeist werden.
Zunächst seien einige im Rahmen der Erfindung verwendete Begriffe erläutert.
Eine erste Reaktionszone ist zur thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen in einem Plasma ausgebildet. Eine Plas¬ mafackel erzeugt aus Bestandteilen des Trägergases (Synthe¬ segas) durch eine elektrische Entladung zwischen zwei Elektroden ein Hochtemperaturplasma. Eine solche Plasmafa¬ ckel ist dem Fachmann grundsätzlich geläufig und bedarf hier keiner näheren Erläuterung. Die thermische Energie des Plasmas dient der Spaltung der Kohlenwasserstoffe (i.d.R. Methan) bevorzugt in elementaren Wasserstoff und Kohlenstoff. Eine erste Reaktionszone kann beispielsweise als Kvaerner-Reaktor ausgebildet sein.
Eine zweite Reaktionszone dient der Erzeugung von Synthese- gas unter Verwendung der Spaltprodukte der ersten Reaktionszone. Der Begriff Synthesegas bezeichnet eine Gasmi¬ schung, deren Hauptbestandteile Wasserstoff und Kohlenmono- xid (gegebenenfalls in unterschiedlichen Mischungsverhält¬ nissen) sind. „Unter Verwendung der Spaltprodukte" bedeu- tet, dass in der zweiten Reaktionszone zusätzliche Reaktan- ten eingesetzt werden können, typischerweise C02 und/oder Wasser. Eine Ausführungsform einer solchen zweiten Reaktionszone ist der C02-Konverter bzw. Boudouard-Reaktor wie eingangs beschrieben. Boudouard-Reaktor meint in diesem Zu- sammenhang stets, dass dort neben einer Boudouard-Reaktion (im Fall der Zufuhr von C02) auch bei Zufuhr von Wasser eine - dem Fachmann geläufige - Wassergas-Konvertierungsre¬ aktion stattfinden kann. Der erste Gaseinlass stromauf der ersten Reaktionszone dient im Normalbetrieb der Vorrichtung der Zufuhr von Trägergas für das Plasma, typischerweise Synthesegas. Optional können im Normalbetrieb durch diesen ersten Gaseinlass zu¬ sätzlich zur Spaltung bestimmte Kohlenwasserstoffe in Mi- schung mit dem Trägergas eingeleitet werden.
Der optional vorhandene zweite Gaseinlass im Bereich der ersten Reaktionszone dient im Normalbetrieb der Zufuhr von zur Spaltung bestimmten Kohlenwasserstoffen. Dieser zweite Gaseinlass kann beispielsweise als zentrale Einspeisungs- lanze ausgebildet sein, die durch eine als rohrförmiger Hohlkörper ausgebildete Plasmafackel hindurch geführt ist. In einer weiteren denkbaren Ausführungsform kann der zweite Gaseinlass etwas stromab der Plasmaelektroden angeordnet sein, um einen unmittelbaren Kontakt der Kohlenwasserstoffe mit den Elektroden und ein dadurch bewirktes Elektrodenfou- ling durch Ablagerung von elementarem Kohlenstoff zu ver- meiden oder zu vermindern.
Der dritte Gaseinlass im Bereich der zweiten Reaktionszone dient im Normalbetrieb der Zufuhr von Kohlendioxid und/oder Wasser zum Boudouard-Reaktor bzw. Wassergas-Konvertierungs- reaktor.
Der Begriff Normalbetrieb bezeichnet den Betrieb der Vor¬ richtung unter im Wesentlichen gleichbleibender Last, bei dem in den beiden Reaktionszonen die bestimmungsgemäßen Re- aktionen stattfinden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Einrichtung zur Einstellung eines Betriebszustands, bei dem sämtliche Ga- seinlässe ausschließlich mit Synthesegas gespeist werden, vorgesehen ist. Dies bedeutet, dass der Vorrichtung in die¬ sem Betriebszustand keine spaltbaren Kohlenwasserstoffe zu¬ geführt werden.
In dem genannten Betriebszustand, bei dem sämtliche Gasein- lässe, sofern diese in Betrieb sind, ausschließlich mit
Synthesegas gespeist werden, kann ein Betrieb der Vorrich¬ tung in einem Zustand erfolgen, in dem insbesondere in der ersten Reaktionszone keine oder jedenfalls keine nennens¬ werten Mengen thermisch spaltbarer Kohlenwasserstoffe vorhanden sind. Die Erfindung hat erkannt, dass insbesondere beim Anfahren oder Abfahren einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ungünstige Betriebszustände auftreten können. Beim Starten und Beenden des Betriebs ist ein langsames Erwärmen bzw. Abkühlen der Vorrichtung erforderlich, um temperaturinduzierte Spannungen und Schäden zu vermeiden. Die Vorrichtung durchläuft dabei Temperaturen bzw. Zustände, in denen ein bestimmungsgemäßer Betrieb nicht mehr möglich ist, da beispielsweise die Temperaturschwelle, ab der eine Aufspaltung der Kohlenwasserstoffe erfolgt, noch nicht oder nicht mehr erreicht ist.
Kern der Erfindung ist es, solche Lastwechselzustände wie Anfahren oder Abfahren oder auch einen Leerlaufbetrieb (Betrieb in einem grundsätzlich für den Normalbetrieb geeigne- ten Betriebspunkts, ohne dass jedoch eine Aufspaltung von
Kohlenwasserstoffen bzw. Erzeugung von Synthesegas erfolgt) durchzuführen, ohne dass es zu unerwünschten Nebenreaktionen und damit beispielsweise verbundenen Verunreinigungen der Vorrichtung kommen kann.
In dem erfindungsgemäß vorgesehenen Betriebszustand aus¬ schließlich mit Synthesegas kann ein langsames Anfahren o- der Abfahren bzw. eine Einstellung des gewünschten Betriebspunkts erfolgen, ohne dass es zu irgendwelchen Beein- trächtigungen kommt. Dies deswegen, da sich das als Trägergas für das Plasma (auch als Plasmagas bezeichnet) verwen¬ dete Synthesegas unter allen denkbaren Betriebsbedingungen (einschließlich An- oder Abfahren und Normalbetrieb) in der ersten Reaktionszone sowie der zweiten Reaktionszone im We¬ sentlichen inert verhält und es zu keinen unerwünschten Reaktionen oder Nebenreaktionen kommt. Im Wesentlichen inertes Verhalten bedeutet, dass das Synthesegas zwar als Plas- magas die Plasmabildung ermöglicht und insoweit natürlich reagiert, dass es jedoch nicht zu chemischen Folgereaktio¬ nen kommt, die die chemische Zusammensetzung des Plasmaga¬ ses wesentlich ändern. Erst nach Erreichen eines gewünschten und definierten Betriebspunkts wird der Normalbetrieb aufgenommen durch Einspeisen der für den Normalbetrieb vorgesehenen Gase in die Gaseinlässe.
Die Erfindung ist insbesondere dann von besonderem Vorteil, wenn eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit regenerativ er- zeugter elektrischer Energie gespeist wird, die Schwankungen unterliegt. Der dann regelmäßig erforderliche Wechsel der Betriebszustände kann erfindungsgemäß erfolgen, ohne dass es zu unerwünschten hohen Verschleißerscheinungen oder häufigen Betriebszuständen mit nicht optimaler Umsetzung der eingesetzten Ausgangsstoffe kommt.
Bevorzugt ist eine Einrichtung zur Rückführung von Gas vom Ausgang der zweiten Reaktionszone zu den Gaseinlässen, vorgesehen. Eine Einrichtung zur Rückführung von Gas vom Aus- gang der zweiten Reaktionszone zu den Gaseinlässen bedeutet, dass Synthesegas im Kreis geführt und zu einigen oder allen der vorhandenen Gaseinlässe rückgeführt werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zusätzlich ein Reser- voir für Synthesegas aufweisen. Ein solches Reservoir erleichtert insbesondere das Anfahren, wenn die außer Betrieb befindliche Vorrichtung zunächst mit Synthesegas gespeist werden muss. Bei dem Reservoir kann es sich um temporär gespeichertes Synthesegas aus dem vorhergehenden Betrieb han¬ deln, alternativ oder zusätzlich kann Synthesegas aus externen Quellen beispielsweise durch Mischung extern zur Verfügung gestellten Kohlenstoffmonoxids und Wasserstoffs zur Verfügung gestellt werden.
Beim Anfahren, Abfahren oder im Leerlaufbetrieb erfolgt durch das Plasma ein Energieeintrag in die Vorrichtung, der nicht für chemische Reaktionen (Aufspaltung der Kohlenwasserstoffe) genutzt wird. Da dieser Energieeintrag möglich¬ erweise größer ist als der gewünschte Energieeintrag zur Erwärmung der Vorrichtung beim Anfahren, kann vorteilhafterweise eine Einrichtung zur Kühlung wenigstens eines Teilstroms des rückgeführten Synthesegases vorgesehen sein. Es kann sich dabei um denjenigen Kühler handeln, der in der Regel sowieso zur Kühlung des Synthesegases vor einer Wei¬ tergabe an den Fischer-Tropsch-Reaktor vorgesehen ist. Kühlung wenigstens eines Teilstroms erlaubt es, durch Mischung gekühlter und ungekühlter Teile des Synthesegases einen ge¬ wünschten Energieeintrag bzw. ein gewünschtes Temperaturprofil einzustellen.
Vorzugsweise ist wenigstens eine Mischeinrichtung zur Mi- schung eines ungekühlten rückgeführten Teilstroms des vom Ausgang der zweiten Reaktionszone zu den Gaseinlässen rückgeführten Gases mit einem gekühlten Teilstrom dieses Gases und/oder einem dem Reservoir für Synthesegas entnommenen Teilstrom vorgesehen. Es kann vorzugsweise für jeden Gaseinlass eine separate Mischeinrichtung vorgesehen sein, so dass die Einleitungstemperatur an jedem Gaseinlass un- terschiedlich eingestellt und damit insgesamt die Einstel¬ lung eines gewünschten Temperaturprofils in der Vorrichtung erleichtert wird. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur Erzeugung von Synthesegas während eines Laständerungszustands und/oder in einem Leer¬ laufzustand . Diese Vorrichtung weist eine erste Reaktionszone zur ther¬ mischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen in einem Plasma und eine zweite Reaktionszone zur Erzeugung von Synthesegas unter Verwendung der Spaltprodukte der ersten Reaktionszone auf .
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass beide Reaktionszonen über wenigstens einen Teilabschnitt des Laständerungszu¬ stands und/oder Leerlaufzustands ausschließlich mit Synthe¬ segas gespeist werden. Eine Speisung ausschließlich mit Synthesegas bedeutet im Rahmen der Erfindung, dass reakti¬ onsfähige weitere Bestandteile wie insbesondere Kohlenwas¬ serstoffe in den Reaktionszonen nicht oder allenfalls in geringem Umfang vorhanden sind. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine kontrollierte Laständerung (insbeson- dere Anfahren oder Abfahren) sowie einen kontrollierten
Leerlaufbetrieb im Wesentlichen ohne chemische Reaktionen, Nebenreaktionen oder sonstige unerwünschten Begleitumstände . Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft mit einer vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung durchführbar. Ein Betrieb ausschließlich mit Synthesegas über wenigstens einen Teilabschnitt beinhaltet, dass beispielsweise ein weiterer Teilabschnitt einer Laständerung bereits unter Zufuhr reaktionsfähiger Gasbestandteile wie beispielsweise Kohlenwasserstoffe erfolgen kann. Wenn beispielsweise in der ersten Reaktionszone eine Spaltung der Kohlenwasserstoffe in einem bestimmten Temperaturfenster und/oder
Druckfenster erfolgen kann, kann mit der Einleitung der Kohlenwasserstoffe begonnen werden, sobald beim Anfahren die Untergrenze dieses Temperaturfensters erreicht ist. Es kann dann bei bereits eingeleiteten Kohlenwasserstoffen eine weitere Laständerung bis hin beispielsweise in die Mitte dieses Temperaturfensters und/oder Druckfensters er¬ folgen .
Erfindungsgemäß kann bei einem Anfahrvorgang somit ein Be¬ trieb ausschließlich mit Synthesegas erfolgen, bis ein gewünschtes Temperatur- und/oder Druckniveau erreicht ist, ab dem eine effiziente Spaltung von Kohlenwasserstoffen in der ersten Reaktionszone erfolgen kann.
Beim Abfahren kann erfindungsgemäß ein Betrieb ausschlie߬ lich mit Synthesegas zum langsamen Abkühlen der Vorrichtung erfolgen .
Schließlich kann in einem Leerlaufzustand der Betrieb aus¬ schließlich mit Synthesegas zur Aufrechterhaltung eines gewünschten Temperatur- und/oder Druckniveaus erfolgen. Ein solcher kurzfristiger Leerlaufzustand kann beispielsweise beim Betrieb des Plasmas mit regenerativ erzeugter elektrischer Energie sinnvoll sein, um kurzfristig Regelenergie zum Betrieb eines elektrischen Verbundnetzes zur Verfügung zu stellen. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an¬ hand der Zeichnung erläutert. Diese zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
Diese erfindungsgemäße Vorrichtung wird zunächst in ihrem Normalbetrieb beschrieben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine erste Reakti- onszone 1 (ausgebildet als Kvaerner-Reaktor) und eine zweite Reaktionszone 2 (ausgebildet als Boudouard-Reaktor und/oder Wassergas-Konvertierungsreaktor) auf.
In die erste Reaktionszone wird durch einen stromauf von den Elektroden 3 angeordneten ersten Gaseinlass 7 Synthesegas als Plasmagas eingeleitet. Zwischen den Elektroden 3 wird ein Plasma gezündet.
Über den zweiten Gaseinlass 8 werden Kohlenwasserstoffe eingeleitet, die thermisch teilweise direkt im Plasma, teilweise in der heißen Zone etwas stromab des Plasmas auf¬ gespalten werden in Wasserstoff und elementaren Kohlenstoff. Die so erzeugte Gas/Feststoffmischung tritt in die zweite Reaktionszone 2 ein. Durch den dritten Gaseinlass 9 wird C02 und/oder Wasser zugeführt. Elementarer Kohlenstoff kann mit Kohlendioxid in einer Boudouard-Reaktion zu Kohlenmono- xid umgesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann mit eingeleitetem Wasser eine Wassergas-Konvertierungsreaktion erfolgen . Am Ausgang der zweiten Reaktionszone 2 wird bei 14 Synthe¬ segas entnommen. Im Normalbetrieb wird dieses in einem Küh¬ ler 4 auf ein gewünschtes Temperaturniveau heruntergekühlt und bei 15 beispielsweise einem nachfolgenden Reaktor zur Erzeugung flüssiger Kohlenwasserstoffe zugeführt, bei¬ spielsweise einem Fischer-Tropsch-Reaktor .
Der bisher beschriebene Normalbetrieb entspricht dem Stand der Technik.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass vor dem Kühler 4 bei 16 sowie nach dem Kühler bei 17 Synthesegas (ungekühlt bzw. gekühlt) rückgeführt und mittels Pumpen 18, 19 in Richtung der Gaseinlässe 7, 8, 9 gepumpt werden kann. Mischer 10, 11, 12 erlauben es, für jeden der Gaseinlässe ein gewünschtes Mischungsverhältnis von gekühlten und ungekühlten Teil¬ strömen einzustellen und somit die Einlasstemperatur an jedem der Gaseinlässe individuell zu regeln. Insbesondere bei einem Anfahrvorgang steht häufig zunächst nicht ausreichend Synthesegas zur Zündung und Aufrechter¬ haltung eines Plasmas zur Verfügung. Daher ist zusätzlich ein Reservoir 5 vorgesehen. Es kann sich um einen Behälter handeln, der im Normalbetrieb mit Synthesegas gespeist wird und dieses für den nächsten Anfahrvorgang vorrätig hält.
Zusätzlich kann Wasserstoff bzw. Kohlenmonoxid aus Vorrats¬ behältern 6, 13 verwendet werden, sofern erforderlich.

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zur Erzeugung von Synthesegas, die aufweist: a. eine erste Reaktionszone (1) zur thermischen Spal¬ tung von Kohlenwasserstoffen in einem Plasma, b. eine zweite Reaktionszone (2) zur Erzeugung von
Synthesegas unter Verwendung der Spaltprodukte der ersten Reaktionszone, c. einen ersten Gaseinlass (7) stromauf der ersten Re¬ aktionszone (1), d. einen zweiten Gaseinlass (8) im Bereich der ersten Reaktionszone (1), e. einen dritten Gaseinlass (9) im Bereich der zweiten Reaktionszone (2), dadurch gekennzeichnet, dass sie weiter aufweist: f. eine Einrichtung zur Einstellung eines Betriebszustands, bei dem sämtliche Gaseinlässe (7, 8, 9) ausschließlich mit Synthesegas gespeist werden.
Vorrichtung zur Erzeugung von Synthesegas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Ein¬ richtung zur Rückführung von Gas vom Ausgang der zweiten Reaktionszone (2) zu den Gaseinlässen (7, 8, 9) aufweist . Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass sie zusätzlich ein Reservoir (5, 6, für Synthesegas aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Einrichtung (4) zur Küh¬ lung wenigstens eines Teilstroms des vom Ausgang der zweiten Reaktionszone zu den Gaseinlässen (7, 8, 9) rückgeführten Gases aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens eine Mischeinrich¬ tung (10, 11, 12) zur Mischung eines ungekühlten rückgeführten Teilstroms des vom Ausgang der zweiten Reaktionszone zu den Gaseinlässen (7, 8, 9) rückgeführten Gases mit einem gekühlten Teilstrom dieses Gases auf¬ weist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens eine Mischeinrich¬ tung (10, 11, 12) zur Mischung eines ungekühlten rückgeführten Teilstroms des vom Ausgang der zweiten Reaktionszone zu den Gaseinlässen (7, 8, 9) rückgeführten Gases mit einem dem Reservoir (5, 6, 13) für Synthese¬ gas entnommenen Teilstrom aufweist.
7. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur Erzeugung von Synthesegas, die aufweist: a. eine erste Reaktionszone (1) zur thermischen Spal¬ tung von Kohlenwasserstoffen in einem Plasma, b. eine zweite Reaktionszone (2) zur Erzeugung von
Synthesegas unter Verwendung der Spaltprodukte der ersten Reaktionszone (1), in einem Laständerungszustand und/oder einem Leerlaufzustand, dadurch gekennzeichnet, dass beide Reaktionszonen (1,2) über wenigstens einen Teilabschnitt des Laständerungszustands und/oder Leerlaufzustands ausschließlich mit Synthesegas gespeist werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendete Vorrichtung eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Laständerungszustand ein Anfahrvorgang ist und der Betrieb ausschließlich mit Synthesegas bis zur Einstellung eines gewünschten Temperatur- und/oder Druckniveaus erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Laständerungszustand ein Abfahrvorgang ist und der Betrieb ausschließlich mit Synthesegas zur Abkühlung der Vorrichtung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Leerlaufzustand der Betrieb ausschlie߬ lich mit Synthesegas zur Aufrechterhaltung eines gewünschten Temperatur- und/oder Druckniveaus erfolgt.
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