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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Trocknen und Reinigen von Wasserstoff enthaltenden Gasen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 20 2019 001 610 U1 bzw.
EP 3 721 972 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trocknen und Reinigen von Wasserstoff enthaltenden Gasen bekannt, die bei der elektrolytischen Wasserspaltung mit elektrischem Strom in Form eines sauerstoffreichen Gases und eines wasserstoffreichen Gases anfallen, welche Reste des jeweils anderen Gases enthalten. Das sauerstoffreiche Gas wird in die Atmosphäre oder an einen Verbraucher abgeführt und das wasserstoffreiche Gas in einem mit Katalysator befüllten Reaktor einer exothermen Reaktion unterworfen, bei der ein heißes feuchtes Prozessgas entsteht, dessen Wasser durch Adsorption an einem Adsorptionsmittel aus dem Prozessgas gebunden wird, wobei das Wasser des gesättigten Adsorptionsmittels durch Aufheizen desorbiert und das Adsorptionsmittel regeneriert wird.
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Dieser Stand der Technik ermöglicht es, bei Ausfall oder Wegfall der Elektroenergieversorgung, die Regeneration des mit Wasser beladenen Adsorbers durch Zuschalten eines elektrischen Stromes aus einer internen/externen Stromquelle für die an der Regeneration beteiligten Aggregate wie Gas-Booster, Elektro-Heizkörper, Schaltventile und Steuereinheit ordnungsgemäß abzuschließen.
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Nach Beendigung der Regeneration verbleibt das gebildete Reingas unter Druck in der bekannten Vorrichtung, das im Reaktor befindliche Gas kühlt während des Stillstandes ab und das im Gas gebundene Wasser kondensiert als freies Wasser aus, das den Katalysator irreversibel schädigt, wodurch erhebliche Verluste an Material und Kosten entstehen.
Nach einem längeren Stillstand der Anlage muss der Reaktor erneut vorgewärmt werden. Ebenso muss das Adsorptionsmittel im trockenen Zustand vorliegen. Insbesondere bei häufigem kurzzeitigem Ausfall der Elektroenergieversorgung geht deshalb das Wiederanfahren von Reaktor und Adsorber mit Produktivitäts- und Zeitverlusten einher, weil der Katalysator vorher getrocknet und entsprechend vorgewärmt werden muss.
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Aufgabenstellung
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Bei diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den im Reaktor befindlichen Katalysator zu trocknen und die Temperatur des Katalysators während des Ausfalls der Elektroenergieversorgung nicht unter eine Minimaltemperatur absinken und nicht über eine Maximaltemperatur steigen zu lassen, um ein sofortiges Anfahren des Reaktors und die Betriebsbereitschaft der Adsorber bei Bereitstellung der Elektroengieversorgung sicherzustellen sowie die Wirtschaftlichkeit zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind den Unteransprüchen entnehmbar.
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Die Lösung der Aufgabe geht von der Erkenntnis aus, den elektrischen Strom aus der internen/externen Stromquelle zu nutzen, um das vorliegende Reingas als ein Wärmeträgergas zu verwenden und mit dem Wärmeträgergas den Katalysator zu trocknen und bei Bedarf den Katalysator vorzuwärmen oder auf Betriebstemperatur zu halten.
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Die Lösung der Aufgabe wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch erreicht, dass der Gas-Booster in mindestens einen inneren Kreislauf-Strömungsweg von der Steuereinheit angesteuerte, den Leitungen zugehörigen Schaltventile und zugeordnete Schaltventile schaltbar eingebunden ist, wobei der Gas-Booster das in der Vorrichtung vorhandene, unter Druck stehende, vom Erhitzer und/oder Elektro-Heizkörper aufgeheizte Reingas als Wärmeträgergas zum Trocknen des Katalysators im Reaktor bis zum Erreichen der vollständigen Trocknung über das Adsorptionsmittel der Adsorber umwälzt, wobei das Adsorptionsmittel in Abhängigkeit seines Beladungszustandes das Restwasser des Wärmeträgergases beim Umwälzen bindet, und dass der Gas-Booster auch in den Kreislauf-Strömungsweg schaltbar eingebunden ist, wobei der Gas-Booster das getrocknete und vom Erhitzer und/oder Elektro-Heizkörper erneut aufgeheizte Wärmeträgergas als Regenerationsgas bis zum Abschluss der Regeneration umwälzt, und dass der Gas-Booster in einen weiteren nur über den Elektro-Heizkörper, Erhitzer und Reaktor führenden inneren Kreislauf-Strömungsweg von der Steuereinheit angesteuerte, den Leitungen zugehörige/zugeordnete Schaltventile schaltbar eingebunden ist, wobei der Gas-Booster das im Erhitzer und/oder Elektro-Heizkörper erhitzte Wärmeträgergas zum Vorwärmen und/oder Temperaturhalten des Katalysators im Reaktor bei längerem Stillstand zwischen einer Minimaltemperatur von 40 °C und einer Maximaltemperatur von 400 °C im Saugkreislauf umwälzt.
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Nach einem bevorzugten Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist im Reaktor zum Ermitteln der Temperatur des Katalysators ein mit der Steuereinheit verbundener Temperatursensor angeordnet, der mit einem im Erhitzer positionierten Zweipunkt-Regler verbunden ist, welcher über die Steuerleitung mit der Steuereinheit in Verbindung steht, die die Minimaltemperatur und die Maximaltemperatur für den Zweipunkt-Regler vorgibt, der den Gas-Booster bei Unterschreiten der Minimaltemperatur einschaltet oder bei Überschreiten der Maximaltemperatur den Gas-Booster ausschaltet.
Je nach den vorliegenden Betriebsbedingungen kann zusätzlich der Elektro-Heizkörper mit dem Erhitzer über die Steuereinheit zu- oder abgeschaltet werden, wenn beispielsweise eine höhere oder niedrigere Katalysatortemperatur notwendig ist.
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In einem weiteren vorteilhaften Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst der Kreislauf-Strömungsweg für die Trocknung des Katalysators:
- - einen ersten Abschnitt der Regenerationsgasleitung, der durch ein Schaltventil zur Reingasleitung hin geöffnet ist, wobei die Reingasleitung durch das ihr zugeordnete Schaltventil zum Verbraucher hin geschlossen ist,
- - den in den zweiten Abschnitt der Regenerationsgasleitung eingebundenen Gas-Booster und den Elektro-Heizkörper,
- - eine durch ein zugehöriges Schaltventil geöffnete Verbindungsleitung, die mit dem zweiten Abschnitt der Regenerationsgasleitung und der Zuführleitung strömungsseitig vor dem Erhitzer in Verbindung steht, wobei der in die kopfseitige Verbindungsleitung führende zweite Abschnitt der Regenerationsgasleitung durch ein zugehöriges Schaltventil und die Zuführleitung gegenüber dem Elektrolyseur durch ein Schaltventil abgesperrt ist,
- - mindestens den Erhitzer und den Reaktor,
- - die Prozessgasleitung, in die der Kühler und der Abscheider eingebunden sind, wobei die Desorptionsgasleitung durch in der fußseitigen Verbindungsleitung angeordnete Schaltventile geschlossen ist,
- - einen durch das Schaltventil geöffneten ersten oder zweiten Abschnitt der fußseitigen Verbindungsleitung, wobei der zweite oder erste Abschnitt der fußseitigen Verbindungsleitung durch das zugehörige Schaltventil und die andere fußseitige Verbindungsleitung durch das Schaltventil geschlossen sind,
- - den entsprechend zugeordneten Adsorber,
- - einen durch das Schaltventil geöffneten ersten oder zweiten Abschnitt der kopfseitigen Verbindungsleitung, wobei der zweite oder erste Abschnitt der kopfseitigen Verbindungsleitung durch das zugehörige Schaltventil und die andere fußseitige Verbindungsleitung durch das Schaltventil geschlossen sind,
- - die über den Filter führende Reingasleitung und
- - den von der Reingasleitung zurückführenden ersten Abschnitt der Regenerationsgasleitung.
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Die weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass der Kreislauf-Strömungsweg für das Umwälzen des Wärmeträgergases ausschließlich durch den Reaktor zum Vorwärmen und/oder Temperaturhalten des Katalysators umfasst:
- - einen ersten Abschnitt der Regenerationsgasleitung, der die durch ein zugehöriges Schaltventil zur Reingasleitung hin geschlossen ist,
- - den in den zweiten Abschnitt der Regenerationsgasleitung eingebundenen Gas-Booster und den Elektro-Heizkörper,
- - eine durch ein zugehöriges Schaltventil geöffnete Verbindungsleitung, die mit dem zweiten Abschnitt der Regenerationsgasleitung und die Zuführleitung strömungsseitig vor dem Erhitzer in Verbindung steht, wobei der in die kopfseitige Verbindungsleitung führende zweite Abschnitt durch ein zugehöriges Schaltventil und die Zuführleitung gegenüber dem Elektrolyseur durch ein zugehöriges Schaltventil abgesperrt sind,
- - mindestens den Erhitzer und den Reaktor,
- - die Prozessgasleitung, die durch in der fußseitigen Verbindungsleitung angeordneten Schaltventile strömungsseitig abgesperrt ist,
- - die Desorptionsgasleitung, die durch in die fußseitige Verbindungsleitung integrierte Schaltventile strömungsseitig geschlossen ist, und
- - eine von der Desorptionsgasleitung abzweigende, in den ersten Abschnitt der Regenerationsgasleitung einbindende, durch ein zugehöriges Schaltventil geöffnete Rücklaufleitung.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst beim Trocknen des Katalysators der Kreislauf-Strömungsweg für das gleichzeitige Umwälzen des Wärmeträgergases durch die Adsorber:
- - einen ersten Abschnitt der Regenerationsgasleitung, der durch ein Schaltventil zur Reingasleitung hin geöffnet ist, wobei die Reingasleitung abströmseitig durch das ihr zugeordnete Schaltventil zum Verbraucher hin geschlossen ist,
- - den in den zweiten Abschnitt der Regenerationsgasleitung eingebundenen Gas-Booster und Elektro-Heizkörper,
- - eine durch ein zugehöriges Schaltventil geöffnete Verbindungsleitung, die mit dem zweiten Abschnitt der Regenerationsgasleitung und der Zuführleitung strömungsseitig vor dem Erhitzer in Verbindung steht, wobei der in die kopfseitige Verbindungsleitung führende zweite Abschnitt der Regenerationsgasleitung durch ein zugehöriges Schaltventil und die Zuführleitung gegenüber dem Elektrolyseur durch ein zugehöriges Schaltventil abgesperrt sind,
- - mindestens den Erhitzer und den Reaktor,
- - die Prozessgasleitung, in die der Kühler und der Abscheider eingebunden sind, wobei die Desorptionsgasleitung durch in der fußseitigen Verbindungsleitung angeordnete Schaltventile geschlossen ist,
- - eine durch die Schaltventile zu den Adsorbern hin geöffnete fußseitige Verbindungsleitung und eine durch die Schaltventile geschlossene fußseitige Verbindungsleitung zum Aufteilen des Wärmeträgergases in Teilströme, wobei die in die Adsorber führende Prozessgasleitung durchströmungsoffen ist,
- - die entsprechenden Adsorber,
- - eine durch die Schaltventile geöffnete kopfseitige Verbindungsleitung und eine durch die Schaltventile geschlossene Verbindungsleitung zum Zusammenführen der Teilströme in die Reingasleitung,
- - die über den Filter führende Reingasleitung und
- - den von der Reingasleitung zurückführenden, durch ein Schaltventil geöffneten ersten Abschnitt der Regenerationsgasleitung.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dient die bereits vorhandene Brennstoffzellen-Einheit und/oder die USV-Stromquelle und/oder das Notstromaggregat als interne/externe Stromquelle für das Aufheizen des Wärmeträgergases.
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Nach einer vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung sind die Schaltventile druckgesteuerte Ventile, die mit der Steuereinheit über die Steuerleitung verbunden sind.
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Die Lösung der Aufgabe wird auch dadurch erreicht, dass vor Durchführung der Regeneration das in der Vorrichtung verbliebene, unter Druck stehende Reingas in mindestens dem Erhitzer und/oder Elektro-Heizkörper aufgeheizt und vom Gas-Booster im Saugstrom als Wärmeträgergas in einem über den Reaktor, Kühler, Abscheider und Adsorber durch ein von der Steuereinheit ausgelöstes Umschalten der Schaltventile führenden Strömungsweg bis zum vollständigen Trocknen des Katalysators im Reaktor und im Adsorber umgewälzt wird, wobei das heiße Wärmeträgergas zunächst in den Katalysator zwecks Aufnahme des Wassers geleitet, das mit Wasser beladene heiße Wärmeträgergas im Kühler abgekühlt und das auskondensierte Wasser aus dem Wärmeträgergas im Abscheider abgetrennt, und anschließend das mit nichtauskondensiertem Restwasser beladene Wärmeträgergas in das Adsorptionsmittel der Adsorber geführt und am Adsorptionsmittel in Abhängigkeit seines Beladungszustandes gebunden wird, und dass sodann das so getrocknete und abgekühlte Wärmeträgergas mit dem Erhitzer und/oder Elektro-Heizkörper auf Regenerationstemperatur aufgeheizt und vom Gas-Booster als Regenerationsgas nach Umschalten in den Strömungsweg bis zum Abschluss der Regeneration umgewälzt wird, und dass anschließend nach Abschluss der Regeneration das in der Vorrichtung vorliegende getrocknete und abgekühlte Reingas bei Bedarf, insbesondere langem Ausfall der ordnungsgemäßen Elektroenergieversorgung, durch den Erhitzer und/oder Elektro-Heizkörper erneut aufgeheizt und vom Gas-Booster als Wärmeträgergas durch ein von der Steuereinheit ausgelöstes Umschalten der Schaltventile führenden weiteren Kreislauf-Strömungsweg zum Vorwärmen und/oder Temperaturhalten des Katalysators auf eine Temperatur zwischen einem Minimalwert von 40 °C und einem Maximalwert von 400 °C bis zum Wiederanfahren der Elektrolyseurs im Kreislauf umgewälzt wird.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Adsorber gleichzeitig mit dem durch Restwasser beladenen Wärmeträgergas beaufschlagt, wobei der Saugstrom des Wärmeträgergases durch ein gleichzeitiges Öffnen und Schließen der zu den Strömungskanälen gehörigen und zugeordneten Schaltventile in Teilströme aufgeteilt wird, die die jeweiligen Adsorber gleichzeitig durchströmen und nach Verlassen des jeweiligen Adsorbers durch ein gleichzeitiges Öffnen und Schließen der zu den Strömungskanälen gehörigen und zugeordneten Schaltventile wieder zusammengeführt werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Wärmeträgergas zum Vorwärmen und/oder Temperaturhalten des Katalysators durch einen weiteren Kreislauf-Strömungsweg in den Reaktor unter Umgehung der Adsorber geführt.
Der Strömungsweg des Wärmeträgergases zum Vorwärmen bzw. Temperaturhalten des Katalysators im Reaktor wird durch Absperren eines ersten Abschnittes der Regenerationsgasleitung zur Reingasleitung hin mit einem Schaltventil), Offenhalten des zweiten Abschnitts der Regenerationsgasleitung über den Gas-Booster und Elektro-Heizkörper in eine den zweiten Abschnitt der Regenerationsgasleitung mit der durch ein Schaltventil abgesperrten Zuführleitung verbundenen Verbindungsleitung über das Schaltventil bis zum Erhitzer und Reaktor, Offenhalten der Prozessgasleitung bis zum Schaltventil der fußseitigen Verbindungsleitung und vom Schaltventil der fußseitigen Verbindungsleitung gesperrten Desorptionsgasleitung und Offenhalten einer von der Desorptionsgasleitung abzweigenden in den abgesperrten ersten Abschnitt der Regenerationsgasleitung einmündenden durch ein Schaltventil geöffneten Rücklaufleitung gebildet.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung wird die Temperatur des Katalysators im Reaktor durch einen mit der Steuereinheit verbundenen Temperatursensor gemessen und die Messwerte an einen im Erhitzer positionierten, mit der Steuereinheit verbundenen Zweipunkt-Regler übermittelt, der über die Steuereinheit den Gas-Booster bei Unterschreiten der Minimaltemperatur einschaltet und bei Überschreiten der Maximaltemperatur ausschaltet, wobei die Steuereinheit die Minimal- und Maximaltemperatur für den Zweipunkt-Regler vorgibt. Die Vorwärmung und die Temperaturhaltung des Katalysators während des Ausfalls der regenerativen Stromversorgung ist mit dem Vorteil verbunden, dass die exotherme Reaktion im Reaktor und die Adsorption im Adsorber nach Bereitstellung des Stromes sofort weitergeführt werden kann, ohne dass ein erneutes energieaufwändiges Anfahren aus dem Stillstand notwendig ist.
Von weiterem Vorteil ist, dass die Temperatur des Wärmeträgergases durch ein Zu- oder Abschalten eines weiteren Erhitzers und/oder des Elektro-Erhitzers je nach Erfordernis variiert werden kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Minimaltemperatur und die Maximaltemperatur in Abhängigkeit der Art des Katalysators im Reaktor durch die Steuereinheit vorgegeben, so dass die Erfindung an unterschiedliche Katalysatoren optimal anpassbar ist.
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Je nach der Anzahl der verschalteten Adsorber können ein oder mehrere seriell oder parallel angeordnete Reaktoren zum Einsatz kommen, so dass die Erfindung an unterschiedliche Betriebsbedingungen anpassbar ist.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Kreislauf-Strömungsweg des Wärmeträgergases zum Trocknen des Katalysators im Reaktor durch Absperren der Reingasleitung mit dem zugehörigen Schaltventil zum Verbraucher hin, Offenhalten des von der Reingasleitung abzweigenden ersten Abschnittes der Regenerationsgasleitung über den Gas-Booster und Elektro-Heizkörper bis in eine den zweiten Abschnitt der Regenerationsgasleitung mit einer durch ein zugehöriges Schaltventil abgesperrten Zuführleitung verbundenen Verbindungsleitung, Offenhalten des Erhitzers und Reaktors, Absperren der Desorptionsgasleitung und der Rücklaufteilung durch die zu diesen Leitungen gehörigen und zugeordneten Schaltventile, Offenhalten der Prozessgasleitung über den Kühler und Abscheider bis in den entsprechenden Adsorber durch Schließen des zur fußseitigen Verbindungsleitung gehörigen Schaltventils, Offenhalten eines ersten oder zweiten Abschnitts der fußseitigen Verbindungsleitung in den Adsorber mit dem zugehörigen Schaltventil und Absperren des zweiten oder ersten Abschnitts der fußseitigen Verbindungsleitung mit dem zugehörigen Schaltventil, Offenhalten eines ersten oder zweiten Abschnitts der kopfseitigen Verbindungsleitung mit dem zugehörigen Schaltventil bei durch das zugehörige Schaltventil geschlossenem zweiten oder ersten Abschnitt der kopfseitigen Verbindungsleitung und Absperren der kopfseitigen Verbindungsleitung mit dem zugehörigen Schaltventil, Offenhalten der Reingasleitung über den Filter zurück in den ersten Abschnitt der Regenerationsgasleitung durch das geöffnete Schaltventil gebildet wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Trocknung des Katalysators im Reaktor in folgenden Schritten:
- a) Einschalten der in den entsprechenden Kreislauf-Strömungsweg eingebundenen elektrischen Verbraucher wie Gas-Booster, Erhitzer, Elektro-Heizkörper, Steuereinheit, ggf. Pumpe und aller Schaltventile mit der internen/externen Stromquelle vor Durchführung der Regeneration;
- b) Absperren der Zuführleitung und der Reingasleitung zum Verbraucher hin durch die zugehörigen Schaltventile;
- c) Bilden des Strömungswegs für das Wärmeträgergas durch Öffnen oder Schließen der den Leitungen zugehörigen und zugeordneten Schaltventile mit der Steuereinheit;
- d) Aufheizen des Reingases mit dem Erhitzer und/oder Elektro-Heizkörper und Verwenden des aufgeheizten Reingases als Wärmeträgergas zum Trocknen des Katalysators im Reaktor;
- e) Umwälzen des Wärmeträgergases im entsprechenden Kreislauf-Strömungsweg mit dem Gas-Booster bis zum Erreichen der vollständigen Trocknung des Katalysators im Reaktor;
- f) Verwenden des trocknen Wärmeträgergases als Regenerationsgas, Aufheizen des Regenerationsgases und Bilden des Strömungsweges für das Regenerationsgas durch ein von der Steuereinheit ausgelöstes Umschalten der entsprechenden Schaltventile;
- g) Umwälzen des Regenerationsgases bis zum ordnungsgemäßen Abschluss der Regeneration in an sich bekannter Weise.
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Die Vorwärmung und/oder Temperaturhaltung des Katalysators im Reaktor umfasst folgende Schritte:
- h) Einschalten bzw. Weiterbetrieb der in dem entsprechenden Kreislauf-Strömungsweg eingebundenen elektrischen Verbraucher wie Gas-Booster, Erhitzer und/oder Elektro-Heizkörper, Zweipunkt-Regler, Steuereinheit und aller Schaltventile mit der internen/externen Stromquelle nach der Durchführung der Regeneration;
- i) Bilden des weiteren Kreislauf-Strömungswegs für das Wärmeträgergas zum Vorwärmen und/oder Temperaturhalten durch Öffnen oder Schließen der den Leitungen zugehörigen und zugeordneten Schaltventile über die Steuereinheit;
- j) Aufheizen des Wärmeträgergases mit dem Erhitzer zum Vorwärmen und/oder Temperaturhalten des Katalysators im Reaktor auf eine Temperatur zwischen der Minimaltemperatur und der Maximaltemperatur durch Messen der Temperatur mit einem Temperatursensor im Reaktor und Einregeln der Temperatur mit einem von der Steuereinheit eingestellten Zweipunkt-Regler;
- k) Umwälzen des erhitzten Wärmeträgergases im Kreislauf-Strömungsweg mit dem Gas-Booster, wobei der Zweipunkt-Regler den Gas-Booster bei Unterschreiten der Minimaltemperatur einschaltet und bei Überschreiten der Maximaltemperatur ausschaltet und
- l) Fortführen der Schritte j) und k) bis zum Wiederanfahren des Elektrolyseurs, Abschalten der internen/externen Stromquelle und Umschalten auf die reguläre Stromversorgung.
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Besonders bedeutsam für die Erfindung ist, dass während des Wegfalls der Stromversorgung ebenso die interne/externe Stromquelle einer Brennstoffzellen-Einheit und/oder USV-Quelle und/oder ein Notstromaggregat weitergenutzt werden kann, weil für das Umwälzen des Wärmeträgergases der Verbrauch an Elektroenergie der stromverbrauchenden Aggregate wie Bas-Booster, Elektro-Heizkörper, Erhitzer und Schaltventile verhältnismäßig gering ist.
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Ausführungsbeispiele
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Die Erfindung soll nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Es zeigen
- 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus der Adsorptionsvorrichtung nach dem Stand der Technik gemäß DE 20 2019 001 610 U1 bzw. EP 3 721 972 A1
- 2 eine schematische Darstellung der Regeneration im Kreislauf-Saugbetrieb des in der Vorrichtung verbliebenen Restgases bei abgeschalteter Wasserspaltung nach dem Stand der Technik gemäß DE 20 2019 001 610 U1 bzw. EP 3 721 972 A1 ,
- 3a und 3b schematische Darstellungen der Trocknung des Katalysators vor Durchführung der Regeneration im Saugbetriebs des Wärmeträgergases auf dem Kreislauf-Strömungsweg M bzw. N,
- 4 eine schematische Darstellung der Trocknung des Katalysators bei gleichzeitiger Beaufschlagung der Adsorber mit dem Wärmeträgergas und
- 5 eine schematische Darstellung der Vorwärmung und/oder Temperaturhaltung des Katalysators nach Durchführung der Regeneration.
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In einem Elektrolyseur 1 wird Wasser mittels elektrischem Strom aus regenerativer Sonnenenergie und/oder Windkraft in ein sauerstoffreiches Gas A und in eine wasserstoffreiches B elektrolytisch zerlegt. Das sauerstoffreiche Gas A enthält als Hauptbestandteil Sauerstoff, Reste von Wasserstoff und Wasser, das wasserstoffreiche Gas Reste von Sauerstoff und Wasser.
Die fluktuierende Natur der regenerativen Stromquellen bedingt, dass der Elektrolyseur 1 nicht kontinuierlich mit Strom versorgt werden kann und bei Wegfall der regenerativen Stromversorgung abgeschaltet werden muss, wenn nicht andere Stromquellen zur Verfügung stehen. Die nachfolgende Trocknung und Reinigung des wasserstoffreichen Gases B ist damit auch betroffen.
Das erzeugte sauerstoffreiche Gas A gelangt durch eine Abführleitung 2 in die Atmosphäre oder zu einem nicht weiter beschriebenen Verbraucher und das wasserstoffreiche Gas B über die Zuführleitung 3 in die Adsorptionsvorrichtung. Im Wesentlichen umfasst die Adsorptionsvorrichtung einen Erhitzer 4 zum Vorwärmen des wasserstoffreichen Gases B, einen Reaktor 5 für die katalytische exotherme Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff zu einem heißen Prozessgas C, einen Kühler 6 zum Kühlen des Prozessgases C mit Wasser, einen Abscheider 7 zum Abscheiden des bei der Kühlung auskondensierten Wassers, eine Pumpe 8 zum Ausschleusen des abgeschiedenen Wassers in die Förderleitung 15 des Elektrolyseurs 1, mindestens zwei mit Adsorptionsmittel gefüllte Adsorber 9 und 10, einen Filter 11 für das die Adsorber 9 oder 10 verlassende Reingas D, einen Gas-Booster 12 zum Entnehmen einer Teilmenge TR aus dem Reingas D als Regenerationsgas E, einen Elektro-Heizkörper 13 und eine interne Stromquelle, beispielsweise in Form einer Brennstoffzellen-Einheit 40 zum Aufheizen des Regenerationsgases E auf Desorptionstemperatur.
Diese Baueinheiten bzw. Baugruppen sind durch Leitungen und Ventile verbunden. Eine Steuereinheit 21 steuert die Ventile und somit das Umschalten der Adsorber in den Adsorptions- oder Regenerationszustand und umgekehrt, das Entnehmen der Teilmenge TR an Reingas D als Regenerationsgas E und die Zu- oder Abschaltung der Brennstoffzellen-Einheit 40.
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Das wasserstoffreiche Gas B gelangt über eine Zuführleitung 3 in den Erhitzer 4, in dem es beispielsweise um 10 bis 20 °C aufgeheizt wird, um eine Blockierung des Katalysators im Reaktor 5 zu vermeiden. Das wasserstoffreiche Gas B wird mit dem enthaltenden Restsauerstoff durch die exotherme Reaktion in ein heißes Prozessgas C und Wasser umgewandelt.
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Die Prozessgasleitung 14 führt in Stromrichtung des Prozessgases in den Kühler 6, in welchem das heiße Prozessgas C auf etwa 10 bis 30 °C abgekühlt wird. Mit dem in Stromrichtung dem Kühler 6 nachgeordneten Abscheider 7 wird das auskondensierte Wasser ausgeschleust und von der Pumpe 8 über eine Förderleitung 15 in die Wasserzuleitung für den Elektrolyseur 1 zurückbefördert. Das gekühlte Prozessgas C gelangt sodann fußseitig in den auf Adsorption geschalteten Adsorber 9, in dem das Prozessgas C am Adsorptionsmittel getrocknet wird. Das getrocknete Prozessgas C verlässt als Reingas D kopfseitig den Adsorber 9 und wird durch die geöffnete Reingasleitung 16 über den Filter 11 zum Verbraucher abgeführt.
Die Regenerationsgasleitung 18 führt kopfseitig in den Adsorber 10, so dass das aufgeheizte Regenerationsgas E das Adsorptionsmittel im Adsorber 10 im Gegenstrom zur Stromrichtung der Adsorption im Adsorber 9 durchströmt und den Adsorber 10 fußseitig durch die Desorptionsgasleitung 19 als Desorptionsgas F verlässt. Die Desorptionsgasleitung 19 mündet in Stromrichtung des Prozessgases C nach dem Reaktor 5 aber vor dem Kühler 6 in die Prozessgasleitung 14 ein.
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Die zum Adsorber 9 fußseitig einmündende Prozessgasleitung 14 und die vom Adsorber 10 fußseitig kommende Desorptionsgasleitung 19 sind untereinander durch zwei parallel angeordnete Verbindungsleitungen 23 und 24 vermascht und jede der Leitungen 23 und 24 ist mit zwei druckgesteuerten Schaltventilen 25, 26 bzw. 27, 28 in Offenstellung und Schließstellung bringbar, so dass die Adsorber 9 und 10 wechselseitig von der Adsorptionsphase in die Regenerationsphase und umgekehrt umgeschaltet werden können. Die kopfseitig vom Adsorber 9 abgehende Reingasleitung 16 und die kopfseitig in den Adsorber 10 führende Regenerationsgasleitung 18 sind ebenso durch zwei parallel angeordnete Verbindungsleitungen 29 bzw. 30 vermascht und jede der Leitungen 29 und 30 können mit zwei druckgesteuerten Schaltventilen 31, 32 bzw. 33, 34 geöffnet und geschlossen werden. Die Schaltventile 25, 26, 27, 28 und die Schaltventile 31, 32, 33, 34 sind über die Steuerleitung 22 mit der Steuereinheit 21 verbunden, die die Schaltventile 25 bis 28 bzw. 31 bis 34 in Abhängigkeit des Adsorptions- und Regenerationsprozesses ansteuert.
Für den Fall, dass der Adsorber 9 im Adsorptionszustand und der Adsorber 10 im Regenerationszustand ist, befindet sich das fußseitige Schaltventil 25 und das kopfseitige Schaltventil 33 des Adsorbers 9 in Offenstellung, die fußseitigen Schaltventile 26 und 27 sowie die kopfseitigen Schaltventile 31 und 34 des Adsorbers 9 in Schließstellung, während das kopfseitige Schaltventil 32 und das fußseitige Schaltventil 28 des Adsorbers geöffnet ist.
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Der Gas-Booster 12, der in der Regenerationsgasleitung 18 angeordnet ist, saugt die Teilmenge TR an Reingas D als Regenerationsgas E an und fördert die Teilmenge Tr des Regenrationsgases E durch die Regenerationsgasleitung 18 über den Elektro-Heizkörper 13 kopfseitig in den jeweilig auf Regeneration geschalteten Adsorber 9 oder 10, wobei die Teilmenge des Regenerationsgases auf Desorptionstemperatur aufgeheizt wird.
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Die 2 zeigt die Darstellung des Weiterbetriebs der Regeneration bei Wegfall der regenerativen Stromversorgung nach dem Stand der Technik,
In die Einspeiseleitung 36 für die regenerative Stromversorgung ist eine elektronische Schalteinrichtung 37 integriert, die einen Schalter 38 zum Ab- und Zuschalten der regenerativen Stromversorgung und einen Schalter 39 zum Zu- und Abschalten der internen Stromquelle 40, beispielweise einer Brennstoffzellen-Einheit, umfasst. Die elektronische Schalteinrichtung 37 detektiert den Wegfall oder das erneute Zuschalten der regenerativen Stromversorgung und gibt diese Information über die Steuerleitung 22 an die Steuereinheit 21 weiter, die ihrerseits den entsprechenden Schaltvorgang an den Schaltern 38 bzw. 39 zum Zu- oder Abschalten der internen Stromquelle 40 auslöst und die Verbindung zu der Stromleitung 48 der Verbraucher sicherstellt. Als interne Stromquelle kommt beispielsweise eine Brennstoffzellen-Einheit 40 zum Einsatz, die aus einem mit Reingas D (Wasserstoff) als Reaktionsgas gefüllten Puffer 41 und aus der Luft mit Sauerstoff versorgt wird. Der Puffer 41 ist mit der Reingasleitung 16 über eine Zuführleitung 42 verbunden und nimmt eine ausreichende Menge des von der Adsorptionsvorrichtung zuvor erzeugten Reingases D auf.
Die Brennstoffzellen-Einheit 40 besitzt ein Steuerglied 46, das über die Steuerleitung 22 mit der Steuereinheit 21 verbunden ist. In die Abzweigleitung 42 von der Reingasleitung 16 zum Puffer 4 ist ein druckgesteuertes Schaltventil integriert. Vom Puffer 41 zur Brennstoffzellen-Einheit 40 führt eine Zuführleitung 44, in die ein druckgesteuertes Schaltventil 45 zum Öffnen oder Schließen der Wasserstoffzufuhr in die Brennstoffzellen-Einheit 40 eingebunden ist. Der Stromanschluss der Brennstoffzellen-Einheit 40 ist über einen Wechselrichter 47 mit der Schalteinrichtung 37 verbunden, die auf Veranlassung der Steuereinheit 21 je nach Erfordernis die Stromversorgung der Verbraucher wie den Gas-Booster 12, den Elektro-Heizkörper 13, die Pumpe 8, Steuereinheit 21 und die Schaltventile 25 bis 28 bzw. 33 bis 34, 43, 45 und 49 zu- oder abschaltet.
Der Schaltvorgang an den Schaltventilen 43 und 45 zum Öffnen der Abzweigleitung 42 und Zuführleitung 44 für die Versorgung der Brennstoffzellen-Einheit 40 mit Wasserstoff erfolgt in Verbindung mit dem Steuerglied 46 über die Steuerleitung 22 durch die Steuereinheit 21.
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In der Adsorptionsvorrichtung nach dem Stand der Technik befindet sich bei Wegfall der regenerativen Stromversorgung Restgas G aus wasserstoffreichem Gas, Prozess-, Rein-, Regenerations- und Desorptionsgas.
Die Prozessgasleitung 14 bildet über den durch die offenen Schaltventile 25 bzw. 33 und die geschlossenen Schaltventile 27 bzw. 34 auf Adsorption geschalteten Adsorber 9 und die Regenerationsgasleitung 18 über den durch die offenen Schaltventile 28 bzw. 32 und die geschlossenen Schaltventile 31, 34, 26 bzw. 27 auf Regeneration geschalteten Adsorber 10 mit der Desorptionsgasleitung 19 einen Strömungsweg K für das aus dem Restgas G an den Adsorbern 9 und 10 gebildete Reingas D, das durch den mit Strom aus der internen Stromquelle versorgten Gas-Booster 12 angesaugt und solange im Kreislauf durch den Strömungsweg K befördert wird, bis die Regeneration ordnungsgemäß abgeschlossen ist.
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Bei Abstellung des Elektrolyseurs 1 infolge des Ausfalls der regulären Energieversorgung ist der Vorrichtungsteil, insbesondere die Zuführleitung 3, der Erhitzer 4, der Reaktor 5 mit Katalysator und die Prozessgasleitung 14 bis zur Desorptionsgasleitung 19 mit feuchten Wasserstoff (Prozessgas C) gefüllt. Gerade der Katalysator im Reaktor 5 ist der Gefahr einer irreversiblen Schädigung durch die Bildung von freiem Wasser ausgesetzt, so dass die Trocknung des Katalysators, d.h. die Entfernung des im Prozessgas C gebundenen Wassers noch vor der Durchführung der Regeneration notwendig ist.
Hier setzt die erfindungsgemäße Lösung an, in der die Bezugszeichen der Merkmale des Standes der Technik nach
DE 20 2019 001 610 U1 beibehalten und die Bezugszeichen für die Merkmale der Erfindung entsprechend fortlaufend nummeriert sind. Das bis zum Zeitpunkt der Abstellung des Elektrolyseurs 1 gebildete Reingas D verbleibt unter Druck in der Adsorptionsvorrichtung wie in einem nach außen geschlossenen Drucksystem und wird nicht zum Verbraucher abgeführt.
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Die Stromversorgung der stromverbrauchenden Aggregate wie Gas-Booster 12, Elektro-Heizkörper 13, Steuereinheit 21, Zweipunkt-Regler 58, aller Schaltventile und ggf. Pumpe 8 mit der zuschaltbaren internen/externen Stromquelle 40 entspricht der in der
DE 20 2019 001 610 U1 beschriebenen Stromversorgung. Ebenso kommt der aus der
DE 20 2019 001 610 U1 bekannte Gas-Booster 12 zum Einsatz.
Die vorliegende Erfindung nimmt deshalb hierauf ausdrücklich Bezug.
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Die 3a und 3b zeigen die Trocknung des Katalysators am Beispiel der Kreislauf-Strömungswegs M und N des Sauggasstroms des Wärmeträgergases W durch den Reaktor 5 und die Adsorber 9 oder 10 in schematischer Darstellung.
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Der Gas-Booster 12 saugt gemäß 3a eine Teilmenge des vorhandenen unter Druck stehenden Reingases D an und befördert die Teilmenge auf einen in sich geschlossenen Strömungsweg M, der in der 3 durch Pfeile kenntlich gemacht ist.
Das Reingas D gelangt über den Elektro-Heizkörper 13 in den Erhitzer 4, wo es entsprechend der Art und Beschaffenheit des Katalysators aufgeheizt wird und strömt anschließend als Wärmeträgergas W in den Reaktor 5 zum Trocknen des Katalysators. Der Gas-Booster 12 wälzt das Wärmeträgergas W auf dem Kreislauf-Strömungsweg M um bis der Katalysator getrocknet ist.
Der Erhitzer 4 ist so ausgelegt, dass seine Wärmeleistung ausreicht, um die erforderliche Temperatur zum Trocknen des Katalysators zu gewährleisten. Je nach Erfordernis kann in Abhängigkeit der Art und Beschaffenheit des Katalysators des Elektro-Heizkörper 13 über die Steuereinheit zu- oder abgeschaltet werden, um die Wärmeleistung entsprechend der Erfordernisse anzupassen.
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Das aufgeheizte Wärmeträgergas W nimmt das am Katalysator gebildete Wasser auf und strömt über die Prozessgasleitung 14 in den Kühler 6, wo es abgekühlt wird und das Wasser bis auf eine Restwassermenge auskondensiert. Im nachfolgenden Abscheider 7 wird das kondensierte Wasser abgetrennt und abgeführt. Das mit Restwasser beladene Wärmeträgergas W wird dem Adsorber 9 oder 10 zugeführt, wobei das jeweilige Adsorptionsmittel entsprechend seines Beladungszustandes mit dem Restwasser aus dem Wärmeträgergas W vorbeladen oder weiter beladen wird.
In dem der Trocknung des Katalysators nachfolgenden an sich bekannten Regeneration des Adsorptionsmittels des Adsorbers 9 oder 10 nach Patent
EP 3 721 972 A1 wird dieses Wasser wieder entfernt.
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Der Saugstrom des Wärmeträgergases W wird nach Durchströmen des Reaktors 5 auf dem Kreislauf-Strömungsweg M zunächst in den Adsorber 9 geführt.
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Die Reingasleitung 16 ist zum Verbraucher hin geschlossen und der Gas-Booster 12 saugt eine Teilmenge des in Vorrichtung verbliebenen Reingases in einen ersten Abschnitt 63 der Regenerationsgasleitung 18 an. Die angesaugte Menge gelangt über den Elektro-Heizkörper 13 und den zweiten Abschnitt 64 der Regenerationsgasleitung 18 in die Verbindungsleitung 50, die strömungsseitig vor dem Erhitzer 4 mit der Zuführleitung 3 verbunden ist, welche gegenüber dem Elektrolyseur 1 durch ein mit der Steuereinheit 21 verbundenes druckgesteuertes Schaltventil 52 geschlossen ist.
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Im Erhitzer 4 wird die angesaugte Mange an Reingas D aufgeheizt und gelangt als Wärmeträgergas W in den Reaktor 5, wo es den Katalysator aufheizt und das gebildete Wasser aufnimmt.
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Das mit Wasser beladene aufgeheizte Wärmeträgergas W gelangt durch die Prozessgasleitung 14 in den Kühler 6, in dem durch Kühlung des Wärmeträgergases W das aufgenommene Wasser kondensiert, das im nachfolgenden Abscheider 7 ausgeschleust und beispielsweise durch die Pumpe 8 abgepumpt wird.
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Die strömungsseitig vor dem Kühler 6 abzweigende Desorptionsgasleitung 19 ist für den Durchfluss des Wärmeträgergases W von den in die Verbindungsleitung 24 integrierten druckgesteuerten Schaltventilen 27 und 28 gesperrt. Das mit Restwasser beladene Wärmeträgergas W strömt aus der Prozessgasleitung 14 in die fußseitige Verbindungsleitung 23, deren erster Abschnitt 59 durch das druckgesteuerte Schaltventil 25 für den Durchfluss in den Adsorber 9 geöffnet und deren zweiter Abschnitt 60 vom druckgesteuerten Schaltventil 26 geschlossen ist. Die andere fußseitige Verbindungsleitung 24 ist durch die druckgesteuerten Schaltventile 27 und 28 geschlossen.
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Das Wärmeträgergas W durchströmt das im Adsorber 9 befindliche Adsorptionsmittel, welches das Restwasser des Wärmeträgergases W aufnimmt, und wird über einen ersten Abschnitt 30 der kopfseitigen Verbindungsleitung 30 geführt, die durch das druckgesteuerte Schaltventil 33 geöffnet ist, so dass das Wärmeträgergas W über den Filter 11 in die Reingasleitung 16 und wieder in den von der Reingasleitung 16 abzweigenden ersten Abschnitt 63 der Regenerationsgasleitung 18 gelangt, der durch das druckgesteuerte Schaltventil 55 geöffnet ist.
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Zum Kreislauf-Strömungsweg M für das Wärmeträgergas W zum Trocknen des Katalysators gehören:
- - ein ersten Abschnitt 63 der Regenerationsgasleitung 18, der durch ein Schaltventil 55 zur Reingasleitung 16 hin geöffnet ist, wobei die Reingasleitung 16 durch das ihr zugeordnete Schaltventil 49 zum Verbraucher hin geschlossen ist,
- - die in den zweiten Abschnitt 64 der Regenerationsgasleitung 18 eingebundenen Gas-Booster 12 und Elektro-Heizkörper 13,
- - eine durch ein zugehöriges Schaltventil 51 geöffnete Verbindungsleitung 50, die mit dem zweiten Abschnitt 64 der Regenerationsgasleitung 18 und der Zuführleitung 3 strömungsseitig vor dem Erhitzer 4 in Verbindung steht, wobei der in die kopfseitige Verbindungsleitung 29 führende zweite Abschnitt 64 der Regenerationsgasleitung 18 durch ein zugehöriges Schaltventil 53 und die Zuführleitung 3 gegenüber dem Elektrolyseur 1 durch ein Schaltventil 52 abgesperrt sind,
- - mindestens der Erhitzer 4 und der Reaktor 5,
- - die Prozessgasleitung 14, in die der Kühler 6 und der Abscheider 7 eingebunden sind, wobei die Desorptionsgasleitung 19 durch in der fußseitigen Verbindungsleitung 23 angeordnete Schaltventile 27,28 geschlossen ist,
- - ein durch das Schaltventil 25 geöffneten ersten Abschnitt 59 der fußseitigen Verbindungsleitung 23, wobei der zweite Abschnitt 60 der fußseitigen Verbindungsleitung 23 durch das zugehörige Schaltventil 26 und die andere fußseitige Verbindungsleitung 24 durch die Schaltventile 27 und 28 geschlossen sind,
- - den entsprechend zugeordneten Adsorber 9,10,
- - ein durch das Schaltventil 33 geöffneten ersten Abschnitt 61 der kopfseitigen Verbindungsleitung 30, wobei der zweite Abschnitt 62 der kopfseitigen Verbindungsleitung 30 durch das zugehörige Schaltventil 34 und die andere kopfseitige Verbindungsleitung 29 durch das Schaltventil 31 geschlossen sind,
- - die über den Filter führende Reingasleitung 16 und
- - den von der Reingasleitung 16 zurückführenden ersten Abschnitt 63 der Regenerationsgasleitung.
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Die über den Kreislauf-Strömungsweg M ausgeführte Trocknung des Katalysators im Reaktor 5 und das ordnungsgemäße Beenden der Regeneration des Adsorptionsmittels nach Durchführung der Trocknung umfasst folgende Schritte:
- a) Einschalten der in den entsprechenden Kreislauf-Strömungsweg M, N eingebundenen elektrischen Verbraucher wie Gas-Booster 12, Erhitzer 4, Elektro-Heizkörper 13, Steuereinheit 21, ggf. Pumpe 8 und aller Schaltventile mit der internen/externen Stromquelle 40 vor Durchführung der Regeneration;
- b) Absperren der Zuführleitung 3 und der Reingasleitung 16 zum Verbraucher hin durch die zugehörigen Schaltventile 52 und 49;
- c) Bilden des Strömungswegs M für das Wärmeträgergas W durch Öffnen oder Schließen der den Leitungen zugehörigen und zugeordneten Schaltventile mit der Steuereinheit 21;
- d) Aufheizen des Reingases D mit dem Erhitzer 4 und/oder Elektro-Heizkörper 13 und Verwenden des aufgeheizten Reingases D als Wärmeträgergas W zum Trocknen des Katalysators im Reaktor 5;
- e) Umwälzen des erhitzen Wärmeträgergases W im Kreislauf-Strömungsweg M mit dem Gas-Booster 12 bis zum Erreichen der vollständigen Trocknung des Katalysators im Reaktor 5;
- f) Aufheizen des trockenen Wärmeträgergases W nach Beendigung der Trocknung des Katalysators und Verwenden des trocknen Wärmeträgergases W als Regenerationsgas, Aufheizen des Regenerationsgases und Bilden des Strömungsweges für das Regenerationsgas durch ein von der Steuereinheit 21 ausgelöstes Umschalten der entsprechenden Schaltventile in den an sich bekannten Strömungsweg K;
- g) Umwälzen des Regenerationsgases bis zum ordnungsgemäßen Abschluss der Regeneration in an sich bekannter Weise.
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Es wird jetzt auf die 3b Bezug genommen, die den Saugbetrieb des Wärmeträgergases W im Kreislauf-Strömungsweg N bei der Trocknung des Katalysators schematisch zeigt.
Der Kreislauf-Strömungsweg N für das Wärmeträgergas W unterscheidet sich vom Kreislauf-Strömungsweg M lediglich dadurch, dass das mit Restwasser beladene Wärmeträgergas W in den durch das druckgesteuerte Schaltventil 26 geöffneten zweiten Abschnitt 60 der Verbindungsleitung 23 geführt wird und der erste Abschnitt 59 der Verbindungsleitung 23 durch das druckgesteuerte Schaltventil 25 gesperrt ist. Das den Adsorber 10 verlassende Wärmeträgergas W strömt über den zweiten vom druckgesteuerten Schaltventil 34 geöffneten Abschnitt 62 der kopfseitigen Verbindungsleitung 30 in die Reingasleitung 16, die zurück in den ersten Abschnitt 63 der Regenerationsgasleitung 18 führt. Dadurch unterscheidet sich nur der Kreislauf-Strömungsweg des Wärmeträgergases W, der durch eine entsprechende Ansteuerung der Schaltventile 25 und 26 in der Verbindungsleitung 23 und der Schaltventile 33 und 34 in der Verbindungsleitung 30 mit der Steuereinheit 21 erreicht wird.
Der Aufbau des Strömungsweges N ist somit mit dem Aufbau des Strömungsweges M deckungsgleich.
Die Trocknung des Katalysators im Reaktor 5 über den Kreislauf-Strömungsweg N entspricht der Verfahrensweise, welche über den Kreislauf-Strömungsweg M beschrieben wurde.
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Die 4 zeigt das gleichzeitige Beaufschlagen von zwei mit dem Reaktor 5 verschalteten Adsorber 9 und 10 mit dem Wärmeträgergas W. Der Kreislauf-Strömungsweg O ist durch einen strichpunktierten Pfeil gekennzeichnet. Der Strömungsweg O des Wärmeträgergases W unterscheidet sich gegenüber dem Strömungsweg M nur durch die Ansteuerung der entsprechenden Schaltventile mit der Steuereinheit 21. Der Saugstrom des Wärmeträgergases W wird gleichzeitig in die Adsorber 9 und 10 gelenkt, wobei der Saugstrom durch ein simultanes Öffnen der Schaltventile 25 und 26 und ein simultanes Schließen der Schaltventile 24 und 28 in den fußseitigen Verbindungsleitungen 23 und 24 in Teilströme aufgeteilt wird, die die Adsorber 9 und 10 zeitgleich durchströmen und nach Verlassen des jeweiligen Adsorbers 9 und 10 durch ein simultanes Öffnen der Schaltventile 33 und 34 sowie simultanes Schließen der Schaltventile 31 und 32 in den kopfseitigen Verbindungsleitungen 61 und 62 vor Eintritt in die Reingasleitung 16 wieder zusammengeführt werden.
Es versteht sich, dass ohne die Erfindung zu verlassen, mehr als zwei Adsorber verschaltet werden können.
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Der Kreislauf-Strömungsweg O für das gleichzeitige Beaufschlagen der Adsorber 9 und 10 mit dem Wärmeträgergas W entspricht dem des Kreislauf-Strömungswegs M mit dem Unterschied, dass die Ansteuerung der entsprechenden Schaltventile eine Aufteilung des Wärmeträgergases W in Teilströme erlaubt.
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In der 5 ist der Kreislauf-Strömungsweg L des Wärmeträgergases W beim Vorwärmen und/oder Temperaturhalten des Katalysators nach einem längeren Stillstand dargestellt.
Nach Abschluss der Trocknung des Katalysators im Reaktor 5 und der ordnungsgemäßen Regeneration der Adsorber 9 und 10 kühlt der Katalysator ab. Insbesondere bei einem längeren Ausfall der regenerativen Stromversorgung des Elektrolyseurs 1 und bei geringer Außentemperatur nimmt der Katalysator Feuchtigkeit (Wasser) auf, die dazu führt, dass bei Wiederanfahren des Elektrolyseurs 1 der Reaktor 5 nicht betriebsbereit und auf Reaktionstemperatur aufgeheizt werden muss.
Für diesen Fall besitzt ein nach dem Elektro-Heizkörper 13 angeordneter zweiter Abschnitt 64 der Regenerationsgasleitung 18, der über die durch die Schaltventile 31 und 32 bzw. 33 und 34 in die Offen- und Schließlage bringbare Verbindungsleitungen 29 und 30 kopfseitig in den Adsorber 9 bzw. 10 führt, eine Verbindungsleitung 50, die mit Zuführleitung 3 verbunden ist und strömungsseitig vor dem Erhitzer 4 in die Zuführleitung 3 einmündet.
In die Verbindungsleitung 50 ist ein druckgesteuertes Schaltventil 51 eingebunden, das mit Steuereinheit 21 über die Steuerleitung 22 zum Öffnen oder Schließen der Verbindungsleitung 50 gegenüber der Zuführleitung 3 in Verbindung steht, welche ihrerseits durch ein mit der Steuereinheit 21 verbundenes Schaltventil 52 zum Elektrolyseur 1 hin geöffnet oder im Fall des Wegfalls der regenerativen Stromversorgung geschlossen werden kann. Der kopfseitig in die Adsorber 9 und 10 führende zweite Abschnitt 64 der Regenerationsgasleitung 18 ist durch ein mit der Steuereinheit 21 verbundenes druckgesteuertes Schaltventil 53 geschlossen.
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Von der mit der Prozessgasleitung 14 verbundenen Desorptionsgasleitung 19 zweigt eine Rücklaufleitung 54 ab, die strömungsseitig vor dem Gas-Booster 12 in den von der Reingasleitung 16 abzweigenden ersten Abschnitt 63 der Regenerationsgasleitung 18 zurückführt, welcher durch ein mit der Steuereinheit 21 verbundenes druckgesteuertes Schaltventil 55 geöffnet oder geschlossen werden kann. Die Rücklaufleitung 54 kann durch ein mit der Steuereinheit 21 in Verbindung stehendes druckgesteuertes Schaltventil 56 gegenüber der Regenerationsgasleitung 18 geöffnet oder geschlossen werden.
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Dem Reaktor 5 ist ein Temperatursensor 57 zugeordnet, der die Temperatur des Katalysators ermittelt und die Messwerte an einen im Erhitzer 4 angeordneten Zweipunkt-Regler 58 übergibt, der über die Steuerleitung 22 mit der Steuereinheit 21 verbunden ist. Die Steuereinheit 21 gibt dem Zweipunkt-Regler 58 entsprechend der Art des im Reaktor 5 befindlichen Katalysators eine Minimaltemperatur und eine Maximaltemperatur vor, nach der der Zweipunkt-Regler 58 bei Unterschreiten der Minimaltemperatur einen Schaltbefehl zum Einschalten des Gas-Boosters 12 und bei Überschreiten der Maximaltemperatur einen Schaltbefehl zum Ausschalten des Gas-Boosters 12 ausgibt. Die Minimaltemperatur kann beispielsweise mindestens 40 °C und die Maximaltemperatur 400 °C betragen.
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Der Gas-Booster 12 saugt eine Teilmenge des vorhandenen unter Druck stehenden Reingases D an und befördert die Teilmenge durch den in sich geschlossenen Kreislauf-Strömungsweg L, dessen Strömungsweg in der 5 durch Pfeile kenntlich gemacht ist. Das Reingas D gelangt in den Erhitzer 4, wo es entsprechend der Art und Beschaffenheit des Katalysators zum Wärmeträgergas W aufgeheizt wird und strömt anschließend zum Vorwärmen oder Temperaturhalten des Katalysators in den Reaktor 5 und von dort zum Gas-Booster 12 zurück, wobei das aufgeheizte Wärmeträgergas W solange auf dem Strömungsweg L umgewälzt wird, bis die vorgegebene Minimal- bzw. Maximaltemperatur des Katalysators erreicht ist.
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Der Strömungsweg L für das Umwälzen des Wärmeträgergases W zum Vorwärmen und/oder Temperaturhalten wird durch einen ersten Abschnitt 63 der Regenerationsgasleitung 18, der mit ihrem druckgesteuerten Schaltventil 55 zur Reingasleitung 16 hin strömungsseitig gesperrt ist, die in den zweiten Abschnitt 64 der Regenerationsgasleitung 18 eingebundenen Gas-Booster 12 und Elektro-Heizkörper 13, die über ein zugehöriges druckgesteuertes Schaltventil 51 geöffnete Verbindungsleitung 50, die den zweiten Abschnitt 64 der Regenerationsgasleitung 18 und die Zuführleitung 3 strömungsseitig vor dem Erhitzer 4 verbindet, wobei die Zuführleitung 3 gegenüber dem Elektrolyseur 1 durch ein Schaltventil 52 abgesperrt ist, den Erhitzer 4 und Reaktor 5, die Prozessgasleitung 14, die durch die in der fußseitigen Verbindungsleitung 23 angeordneten druckgesteuerten Schaltventile 25 und 26 strömungsseitig abgesperrt ist, die Desorptionsgasleitung 19, die bis zur abzweigenden Rücklaufleitung 54 durchströmungsoffen ist und danach durch die in die fußseitige Verbindungsleitung 24 integrierten druckgesteuerten Schaltventile 27 und 28 geschlossen ist, und die von der Desorptionsgasleitung 19 abzweigende in den ersten Abschnitt 63 der Regenerationsgasleitung 18 einbindende, durch ein Schaltventil 56 geöffnete Rücklaufleitung 54 gebildet. Es entsteht somit ein in sich geschlossener Kreislauf- Strömungsweg L für das aufgeheizte Wärmeträgergas, der unter Umgehung der Adsorber 9 und 10 nur durch den Reaktor 5 führt.
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Das Vorwärmen und/oder Temperaturhalten des Katalysators im Reaktor 5 umfasst bis zum Wiederanfahren des Elektrolyseurs folgende Schritte:
- h) Einschalten bzw. Weiterbetrieb der Stromversorgung in dem entsprechenden Kreislauf-Strömungsweg L eingebundenen elektrischen Verbraucher wie Gas-Booster 12, Erhitzer 4 und/oder Elektro-Heizkörper 13, Zweipunkt-Regler 58, Steuereinheit 21 und aller Schaltventile mit der internen/externen Stromquelle 40 nach der Durchführung der Regeneration;
- i) Bilden des weiteren Kreislauf-Strömungswegs L für das Wärmeträgergas W zum Vorwärmen und/oder Temperaturhalten durch Öffnen oder Schließen der den Leitungen zugehörigen und zugeordneten Schaltventile über die Steuereinheit 21;
- j) Aufheizen des Wärmeträgergases W mit dem Erhitzer 4 und/oder Elektro-Heizkörper 13 zum Vorwärmen und/oder Temperaturhalten des Katalysators im Reaktor 5 auf eine Temperatur zwischen der Minimaltemperatur und der Maximaltemperatur durch Messen der Temperatur mit einem Temperatursensor 57 im Reaktor 5 und Einregeln der Temperatur mit dem von der Steuereinheit (21) eingestellten Zweipunkt-Regler 58;
- k) Umwälzen des erhitzten Wärmeträgergases W im Kreislauf-Strömungsweg mit dem Gas-Booster 12, wobei der Zweipunkt-Regler 58 den Gas-Booster 12 bei Unterschreiten der Minimaltemperatur einschaltet und bei Überschreiten der Maximaltemperatur ausschaltet.
- l) Fortführen der Schritte j) und k) bis zum Wiederanfahren des Elektrolyseurs 1, Abschalten der internen/externen Stromquelle 40 und Umschalten auf die reguläre Stromversorgung.
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Bezugszeichenliste
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Bezugszeichen des Standes der Technik
- 1
- Elektrolyseur
- 2
- Abführleitung für sauerstoffreiches Gas A
- 3
- Zuführleitung für wasserstoffreiches Gas B
- 4
- Erhitzer
- 5
- Reaktor
- 6
- Flüssig-Gas-Wärmetauscher (Kühler)
- 7
- Abscheider
- 8
- Pumpe
- 9, 10
- Adsorber
- 11
- Filter
- 12
- Gas-Booster
- 13
- Elektro-Heizkörper
- 14
- Prozessgasleitung
- 15
- Förderleitung
- 16
- Reingasleitung (Reingas D)
- 17
- Temperatursensor
- 18
- Regenerationsgasleitung
- 19
- Desorptionsgasleitung
- 20
- Schaltkreis
- 21
- Steuereinheit
- 22
- Steuerleitung
- 23, 24
- Fußseitige Verbindungsleitungen
- 25, 26, 27, 28
- Fußseitige druckgesteuerte Schaltventile
- 29, 30
- Kopfseitige Verbindungsleitungen
- 31, 32, 33, 34
- Kopfseitige druckgesteuerte Schaltventile
- 35
- Durchflusstransmitter
- 36
- Einspeiseleitung für regenerativen Strom
- 37
- Schalteinrichtung
- 38
- Schalter für regenerativen Strom
- 39
- Schalter für internen/externen Strom
- 40
- Interne/externe Stromquelle/ Brennstoffzellen-Einheit
- 41
- Puffer für Reingas D/Wasserstoff
- 42
- Abzweigleitung
- 43
- Schaltventil in 42
- 44
- Zuführleitung
- 45
- Schaltventil in 44
- 46
- Steuerglied von 40
- 47
- Wechselrichter
- 48
- Stromleitung für Verbraucher
- 4
- Schaltventil in 16
- A
- Sauerstoffreiches Gas
- B
- Wasserstoffreiches Gas
- AK
- Adsorptionskreis
- C
- Prozessgas
- D
- Reingas
- E
- Regenerationsgas
- F
- Desorptionsgas
- G
- Restgas aus C, D, E und F
- K
- Strömungskanal
- RK
- Regenerationskreis
- TR
- Teilmenge an Reingas D für Regenerationsgas E
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Bezugszeichen der Erfindung
- 50
- Verbindungsleitung von 3 zu 18
- 51
- Schaltventil von 50
- 52
- Schaltventil von 3 zum Elektrolyseur
- 53
- Schaltventil vom 2. Abschnitt von 18 in 29
- 54
- Rücklaufleitung
- 55
- Schaltventil des 1. Abschnitts von 18
- 56
- Schaltventil von 54
- 57
- Temperatursensoren
- 58
- Zweipunkt-Regler
- 59
- erster Abschnitt von 23
- 60
- zweiter Abschnitt von 23
- 61
- erster Abschnitt von 30
- 62
- zweiter Abschnitt von 30
- 63
- erster Abschnitt von 18
- 64
- zweiter Abschnitt von 18
- M, N, O
- Strömungswege
- W
- Wärmeträgergas
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202019001610 U1 [0002, 0026, 0027, 0035, 0036]
- EP 3721972 A1 [0002, 0026, 0027, 0039]
