DE102006014196A1

DE102006014196A1 - Betriebsverfahren für ein System mit einem Reformer sowie mit einer das Reformat verarbeitenden Einheit

Info

Publication number: DE102006014196A1
Application number: DE200610014196
Authority: DE
Inventors: Juergen Kammerer; Lutz Dr. Hartmann
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2007-10-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für ein System mit einem Reformer zur Gewinnung von Wasserstoff aus einem Kohlenwasserstoffgemisch durch partielle Oxidation sowie mit einer das im Reformer gewonnene Reformat verarbeitenden Einheit, wobei eine Teilmenge des Reformats nach Austritt aus dem Reformer sowie vor Eintritt in die genannte Einheit abgezweigt und nach Abkühlung in den Eintrittsbereich des Reformers zurückgeführt wird. Hierdurch wird die Gefahr der Verrußung der genannten Einheit reduziert. Vorzugsweise erfolgt die Abkühlung des zurückgeführten Reformats im Wärmetausch mit dem dem Reformer zugeführten Luftstrom und/oder Kraftstoffstrom.

Description

Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für ein System mit einem Reformer zur Gewinnung von Wasserstoff aus einem Kohlenwasserstoffgemisch durch partielle Oxidation, sowie mit einer das im Reformer gewonnene Reformat verarbeitenden Einheit.
Ein mögliches Anwendungsgebiet für die vorliegende Erfindung ist im weiteren Sinne eine Brennkraftmaschinen-Anlage für ein Kraftfahrzeug, wobei entweder der Brennkraftmaschine selbst oder einer dieser zugeordneten Abgasnachbehandlungsvorrichtung zumindest partiell Wasserstoff zugeführt wird. Dieser Wasserstoff wird dabei aus konventionellen Kraftstoffen für Kraftfahrzeuge, d.h. aus aus Erdöl gewonnenen Diesel- oder Benzinkraftstoffen mit der allgemeinen chemischen Formel C_nH_m (= Kohlenwasserstoffgemisch) in einem sog. Reformer gewonnen. Diese Kraftstoff-Reformer setzen bei relativ hohen Temperaturen (in der Größenordnung von 750°C bis 1000°C) vorzugsweise auf katalytischem Weg den Kraftstoff mittels partieller Oxidation in sog. Reformat oder Synthesegas um. Bei dieser partiellen Oxidation wird der Kraftstoff mit zu geringer Luftmenge bspw. katalytisch teilverbrannt, wobei sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ in der Größenordnung von λ = 0,3 bis λ = 0,4 bewegt. Hierbei handelt es sich um eine sog. fette Verbrennung.
Die entsprechende Reaktionsgleichung lautet wie folgt: CnHm + n2 O2 ⇔ n CO + m2 H2
Hingegen gilt für eine vollständige Verbrennung von Kraftstoffen mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit λ = 1 (stöchiometrische Verbrennung) oder größer (magere Verbrennung), dass ausreichend Luftsauerstoff anwesend ist, um sämtliche Kohlenwasserstoffverbindungen im Kraftstoff gemäß folgender Reaktionsgleichung zu oxidieren: CnHm + (n + m4 )O2 ⇔ n CO2 + m2 H2O
Die Reaktionstemperatur bei der vollständigen Verbrennung liegt mit Werten von in etwa 2200°C weitaus höher, wobei auch die entstehende Reaktionswärme sehr viel höher ist. Katalysatoren zur Unterstützung der Verbrennung sind in diesen Temperaturbereichen nicht mehr einsetzbar.
Das in einem Reformer gewonnene Produkt, nämlich das sog. Reformat, besteht typischerweise aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid (ca. 18% bis 25% als Produkte der partiellen Oxidation), ferner aus Kohlendioxid und Wasser (ca. 2%–5% als Produkte einer sog. Nebenreaktion in Form einer vollständigen Verbrennung) und weiterhin aus Stickstoff (45% bis 60% als inertem Bestandteil des Edukts Luft) und weiterhin aus Nebenprodukten wie Aromaten, kurzkettigen Alkanen etc. (kleiner 1 % bis 2%. aus der unvollständigen Verbrennung).
Innsbesondere der gewonnene Wasserstoff wird nun in einer hier sog. und nicht näher spezifizierten Einheit weiterverarbeitet, vorzugsweise oxidiert. Neben einer solchen reinen Verbrennung von Wasserstoff kann es in dieser Einheit jedoch weiterhin zu einer Ablagerung von Ruß (Kohlenstoff C) und/oder teerähnlichen Kohlenwasserstoffverbindungen kommen, und zwar aufgrund verschiedener chemischer Mechanismen. Zu nennen ist hierbei die Kondensation von Kohlenwasserstoffverbindungen in der besagten Einheit oder in deren Peripherie, ferner das Boudouard-Gleichgewicht (CO₂ + C ↔ 2CO) oder die sog. Wassergasreaktion, nämlich die Kombination der Hauptbestandteile im Reformat (CO + H₂ ↔ C + H₂O ); daneben auch thermisches Cracken oder Pyrolyse. Diese Ablagerung von Kohlenstoff oder (teerähnlichen) Kohlenwasserstoffverbindungen kann reversibel oder irreversibel sein; unabhängig hiervon jedoch die besagte Einheit oder deren Peripherie in ihrer Funktion zumindest beeinträchtigen wenn nicht sogar bleibend beschädigen.
Eine Abhilfemaßnahme für die diese Problematik aufzuzeigen ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung Die Lösung dieser genannten Aufgabe ist durch ein Betriebsverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit den kennzeichnenden Merkmalen dieses Anspruchs 1 gegeben, nämlich dass eine Teilmenge des Reformats nach Austritt aus dem Reformer sowie vor Eintritt in die genannte Einheit abgezweigt und nach Abkühlung in den Eintrittsbereich des Reformers zurückgeführt wird.
Aus der oben angegebenen Wassergasreaktion CO + H₂ ↔ C + H₂O ist erkennbar, dass bei Anwesenheit von Wasser das Gleichgewicht in Richtung der Bestandteile CO und H2 verschoben und somit eine Russbildung, d.h. die Bildung von freiem Kohlenstoff C verringert wird. Folglich kann die Gefahr einer Verrußung einer dem Reformer nachgeschalteten und das Reformat verarbeitenden Einheit bei höheren Bestandteilen von Wasser im Reformat reduziert werden. Nachdem diese Wassergas-Reaktion in Richtung Wasser und Kohlenstoff exotherm ist, verhindern auch hohe Temperaturen die Ablagerung von Ruß bzw. Kohlenstoff.
Mit einem Reformer, der mit partieller Oxidation im üblichen λ-Bereich von λ = 0,3 bis λ = 0,4 betrieben wird und somit eine charakteristische Zusammensetzung bzgl. Wasserstoff und Kohlenmonoxid hat, ist wie ausgeführt eine Verrußung der genannten Einheit zu beobachten. Ein wünschenswertes Verschieben der Gleichgewichtskonzentration in Richtung vollständiger Verbrennung und somit erhöhten Wasserdampfgehalt ist zunächst jedoch dadurch limitiert, dass ein bzw. der Katalysator im Reformer die bei höherem Sauerstoffanteil, d.h. bei einem λ-Wert größer 0,4 (in Richtung zu λ = 1) überproportional ansteigenden Temperaturen thermisch nicht verträgt.
Mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hingegen kann der Reformer im λ-Bereich zwischen λ = 0,35 bis hin zu λ = 0,6 (oder noch größer) betrieben werden, indem eine Rezirkulierung von erzeugtem Reformat in den Reformer durchgeführt wird. Dabei kann das zurückgeführte Reformat als kühlendes Medium und insbesondere leicht verfügbares Medium, das selbst keinen freien Sauerstoff enthält, wirken, wenn – wie weiterhin angegeben – das zurückgeführte Reformat in einem geeigneten Wärmetauscher oder dgl. vor Rückführung in den Reformer abgekühlt wird. Mit dem dann möglichen geringfügig höheren λ-Wert für den Reformer-Betrieb wird quasi der Anteil der vollständigen Verbrennung vergrößert und somit ein höherer Wasseranteil gebildet, wodurch die Russbildung herabgesetzt wird, wie vorhergehend erläutert wurde. Das in einem Wärmetauscher oder dgl. abgekühlte Medium des Rezyklats (= rezirkulierten Reformats) erlaubt es somit, den Reformer praktisch zwischen den bekannten, üblichen Betriebszuständen der partiellen Oxidation (λ = 0,3 bis λ = 0,4 und somit „Reformer-typisch") einerseits und einer nahezu vollständigen Verbrennung (λ = 1, „Brenner-typisch") andererseits zu betreiben. Hierbei ist der Wasserbestandteil der Reaktion ausreichend hoch, um die besagte Einheit nicht zu verrußen und die Temperatur noch ausreichend niedrig, um den Reformer bzw. einen in diesem enthaltenen Katalysator nicht zu schädigen. Als besonderer Vorteil des vorgeschlagenen Betriebsverfahrens ist im übrigen zu nennen, dass durch die Anhebung der Luftverhältnisses eine Absenkung der Partialdrücke einhergeht, die thermodynamisch eine weitere Absenkung der Rußbildungsund Ablagerungsmechanismen hervorruft.
Die Abkühlung des in den Eintrittsbereich des Reformers rückzuführenden Reformats kann in einem Wärmetausch erfolgen, vorzugsweise mit der dem Reformer zugeführten Luft und/oder dem dem Reformer zugeführten Kraftstoff, was vorteilhaft ist, da eine Erwärmung zumindest eines dieser Medien dem Reformer-Prozess selbst förderlich ist. Wie ausgeführt kann ein Reformer nach dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren mit höheren λ-Werten als bisher üblich betrieben werden, bspw. im Bereich von λ = 0,35 bis λ = 0,6. Entsprechend kann dann die zugeführte Luft-Kraftstoff-Zusammensetzung eingestellt werden, insbesondere auch in Abhängigkeit von der Menge sowie der Temperatur des rezyklierten Reformats. Grundsätzlich kann die Rückführung bzw. das Rezirkulieren des Reformats mittels einer geeigneten Fördervorrichtung (bspw. in Form eines Verdichters oder einer Treibstrahlpumpe oder dgl.) erfolgen, wie auch aus dem beigefügten Schaltplan eines Systems aus einem Reformer und einer diesem nachgeschalteten Einheit in der das Reformat verarbeitet, insbesondere oxidiert wird, und an dem das erfindungsgemäße Betriebverfahren durchgeführt werden kann, hervorgeht.
Mit der Bezugsziffer 1 ist ein dem Fachmann grundsätzlich bekannter Reformer gekennzeichnet, dem ein Kraftstoff-Strom 3 sowie ein Luft-Strom 4 zugeführt wird, um ein wasserstoffhaltiges Reformat 6 zu erzeugen. Dieses bzw. ein Großteil desselben wird einer nicht näher spezifizierten sog. Einheit 7 zugeführt, in der das Reformat 6 vorzugsweise oxidiert wird. Eine mit der Bezugsziffer 5 gekennzeichnete Teilmenge des Reformats 6 wird vor Eintritt in die Einheit 7 abgezweigt und in den Eintrittsbereich des Reformers 1 zurückgeführt, wofür bspw. ein Verdichter oder dgl. vorgesehen sein kann, was jedoch nicht unbedingt erforderlich ist. Wesentlich hingegen ist, dass das rückgeführte Reformat 5 vor dem Eintritt in den Reformer 1 abgekühlt wird, hier mittels eines Wärmetauschers 2, durch den ferner der dem Reformer 1 zugeführte Luft-Strom 4 geführt wird. Zusätzlich oder alternativ kann als „Kühlmittel" dieses Wärmetauschers 2 auch der dem Reformer 1 zugeführte Kraftstoff 3 fungieren, wobei noch darauf hingewiesen sei, dass durchaus eine Vielzahl von Details abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims

Betriebsverfahren für ein System mit einem Reformer (1) zur Gewinnung von Wasserstoff aus einem Kohlenwasserstoffgemisch durch partielle Oxidation, sowie mit einer das im Reformer (1) gewonnene Reformat (6) verarbeitenden Einheit (7), dadurch gekennzeichnet, dass eine Teilmenge (5) des Reformats (6) nach Austritt aus dem Reformer (1) sowie vor Eintritt in die genannte Einheit (7) abgezweigt und nach Abkühlung in den Eintrittsbereich des Reformers (1) zurückgeführt wird.
Betriebsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung des zurückgeführten Reformats (5) im Wärmetausch mit dem dem Reformer (1) zugeführten Luftstrom (4) und/oder Kraftstoffstrom (3) erfolgt.