EP4373209A1 - Elektrische aufheizung von gas - Google Patents

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Publication number
EP4373209A1
EP4373209A1 EP22207556.6A EP22207556A EP4373209A1 EP 4373209 A1 EP4373209 A1 EP 4373209A1 EP 22207556 A EP22207556 A EP 22207556A EP 4373209 A1 EP4373209 A1 EP 4373209A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pipe
gas
resistance heating
tube
heating element
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP22207556.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Franz Hauzenberger
Robert Millner
Marco Rische
Axel WALTHER
Martin Ennen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Primetals Technologies Austria GmbH
ABP Induction Systems GmbH
Original Assignee
Primetals Technologies Austria GmbH
ABP Induction Systems GmbH
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 Primetals Technologies Austria GmbH, ABP Induction Systems GmbH filed Critical Primetals Technologies Austria GmbH
Priority to EP22207556.6A priority Critical patent/EP4373209A1/de
Publication of EP4373209A1 publication Critical patent/EP4373209A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/40—Heating elements having the shape of rods or tubes
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/022—Heaters specially adapted for heating gaseous material
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2214/00—Aspects relating to resistive heating, induction heating and heating using microwaves, covered by groups H05B3/00, H05B6/00
    • H05B2214/03—Heating of hydrocarbons

Definitions

  • the application relates to a method for heating a gas flowing through a pipe by means of electric current, as well as to a pipe provided with a heating element.
  • catalytic reforming is often used to prepare the reducing gas.
  • the reducing gas is based on one or more precursor gases.
  • At least one precursor gas is based on reformer gas obtained by catalytic reforming of hydrocarbon-containing gas in a reformer.
  • hydrocarbon-containing gas is reformed in a reformer, which requires heat energy that must be supplied to the reformer.
  • the gas supplied to the reformer for reforming flows through reformer tubes filled with catalyst. The reformer or the reformer tubes are heated so that the thermodynamic and kinetic conditions required for the economically viable course of the reforming reactions catalyzed by the catalyst prevail.
  • a method and a device are to be presented which allow heating of a gas flowing through a pipe, or heating of a reformer tube of a reformer - or heating of a gas flowing through a reformer tube of a reformer - with electrical current.
  • This object is achieved by a method for heating a gas flowing through a pipe by means of electric current, wherein thermal energy is transferred directly and/or indirectly to the gas from a resistance heating element.
  • a is an indefinite article; heat energy can be transferred by a single resistance heating element or by several resistance heating elements.
  • the tubes through which the gas to be heated flows are, for example, reformer tubes of a reformer; the gas to be heated flows through the reformer tubes for the purpose of reforming.
  • the gas flowing through the tube may consist of a single component or it may be a mixture of several components.
  • the gas stream flowing through the tube may be a mixture containing hydrogen and one or more other components, such as methane CH4 or higher hydrocarbons.
  • the method is used in the direct reduction of metal oxides using a reducing gas based at least partly on reformer gas obtained by catalytic reforming of hydrocarbon-containing gas in a reformer.
  • the gas fed to the reformer for reforming contains hydrocarbons; the hydrocarbons are subjected to the reforming reactions.
  • the gas fed to the reformer for reforming may, for example, be a mixture of exhaust gas from a direct reduction reactor with a hydrocarbon-containing gas such as natural gas.
  • the method can be used to heat hydrocarbon-containing gas to be introduced into the reformer for reforming in pipes of a hydrocarbon gas pipe feed line.
  • the method can be used to heat gas flowing through reformer pipes in the reformer for reforming.
  • the method can be used to heat a precursor gas to be mixed with the reformer gas in a precursor gas pipe feed line; for example, hydrogen H2 or a gas containing hydrogen H2 can be mixed with the reformer gas.
  • the electric current is used for heating based on the principle of resistance heating. Resistance heating elements are passed through by the electric current and thus heat up; thermal energy can then be transferred from them to other bodies or media.
  • the transfer can be direct, whereby thermal energy is transferred directly into the body or medium to be heated - for example the gas flowing through a pipe - is transferred; or it can be indirect, whereby heat energy from the resistance heating element is not transferred directly into the body or medium for which the heating is intended to set a desired temperature, but rather is transferred directly from the resistance heating element into another body and/or another medium, and only then is it transferred from the other body and/or the other medium directly or indirectly via further bodies and/or media into the body or medium for which the heating is intended to set a desired temperature.
  • Heating can be carried out using only electrical current, or one or more other heating methods can be used in addition, for example burners.
  • the pipe through which the gas flows can itself be the resistance heating element. Then the gas flowing through is in direct contact with the resistance heating element. The heat energy is then transferred directly from the resistance heating element pipe to the gas.
  • the pipe through which the gas flows which is not itself a resistance heating element, can be in direct or indirect contact with a resistance heating element, so that heat energy is transferred from the resistance heating element to the pipe, and from the pipe to the gas.
  • the gas is thus heated indirectly by the resistance heating element.
  • the tube can be heated from the outside using heating coils or other resistance heating elements, which leads to heating of the gas inside the tube.
  • the gas flowing through is then in direct contact with the resistance heating element.
  • the heat energy is then transferred directly from the resistance heating element to the gas.
  • a pipe for a gas to have both direct and indirect contact with resistance heating elements. Heating of the gas by transferring thermal energy then takes place both directly and indirectly. It is preferable for direct heating to take place before indirect heating.
  • direct and indirect procedures for example, a combination of two or more of the above-mentioned variants is used.
  • the tube is filled with catalyst for the desired reforming reaction.
  • it is a reformer tube of a reformer.
  • the reformer tube of a reformer can be heated as described above for heating a gas in a tube, whereby it either serves as a resistance heating element itself or is in direct or indirect contact with a resistance heating element. As explained with regard to the tube, it is also possible for a reformer tube to have both direct and indirect contact with resistance heating elements.
  • Reforming reactions supported by a catalyst for example nickel (Ni) based, are for example reforming of CH4 methane with CO2 carbon dioxide or H2O water to form CO carbon monoxide and H2 hydrogen after CH4 + CO2 ⁇ 2 CO + 2 H2O CH4 + H2O ⁇ CO + 3 H2
  • the temperature of the resistance heating element and/or the heating power of the resistance heating element can be controlled and/or regulated along the longitudinal extent of the pipe through which the gas flows.
  • the heating can be carried out starting from different temperatures of the resistance heating element and/or with different heating power.
  • the temperature difference to the gas can be influenced - which influences the heat flow - or the maximum temperature the pipe can reach - exceeding the maximum permissible temperature for the pipe material can be counteracted in this way.
  • the heating power in watts (W)
  • W is defined as the product of voltage (in volts (V)) * current (in amperes (A)) * efficiency ( ⁇ ).
  • the temperature of the resistance heating element and/or the heating power of the resistance heating element can be controlled and/or regulated along the longitudinal extent of the reformer pipe. This means that the heating can be carried out at different temperatures of the resistance heating element and/or with different heating power depending on the position along the length. This can, for example, influence how quickly or completely the reactions on a catalyst in the tube take place.
  • the water vapor content or natural gas content in a hydrocarbon-containing gas that is fed to a reformer can be controlled based on the methane content or CO 2 content of the reformer gas; the reformer gas is the gas that exits the reformer tube.
  • the latter parameters provide information about the extent of the reforming reaction in the reformer. Overall, the effectiveness and efficiency of the reforming can be controlled in this way.
  • a further subject matter of the present application is a tube provided with at least one resistance heating element, suitable for heating a gas flowing through the tube by means of an electric current through direct and/or indirect transfer of thermal energy from the resistance heating element to the gas to be heated.
  • the tube has a tube body with a hollow space for conducting the gas to be heated.
  • a tube provided with a resistance heating element can be designed in different ways.
  • the tube comprises, in addition to a tube body with a cavity for conducting the gas to be heated, a resistance heating element constructed separately from the tube body - which is in direct or indirect contact with the tube body with regard to heat conduction, for example.
  • One type of execution is, for example, that the pipe body itself is the resistance heating element - if the pipe is provided with only one resistance heating element or is one of several existing resistance heating elements.
  • One type of execution is, for example, that a resistance heating element constructed separately from the tube body is arranged in the cavity of the tube without being in contact with the tube body with regard to heat conduction.
  • Resistance heating element in the cavity without contact with the tube body for the purpose of heat conduction there may be a connection to the tube body for the purpose of support on the tube body or with regard to wires for electrical current led through the tube body to the resistance heating element.
  • One type of design is, for example, a pipe that has any two or all of the three variants of design mentioned above - that is, in addition to a pipe body with a cavity for conducting the gas, a resistance heating element constructed separately from the pipe body as well as a section of the pipe body that itself acts as a resistance heating element.
  • the pipe can have a multi-layer construction. This is a "pipe in pipe” construction.
  • the gas flows through an inner pipe element, then, looking outward from the cavity of the inner pipe element, there are resistance heating elements and/or insulation - insulation in the sense of thermal insulation. If there is only insulation, the inner pipe element itself can serve as a resistance heating element, for example, or the pipe contains a resistance heating element constructed separately from the pipe body in the cavity of the inner pipe element.
  • an outer pipe element which, for example, takes on the function of a pressure-bearing part.
  • an actively controlled or passive pressure equalization can be provided between the cavity in the inner pipe element and the space between the inner pipe element and the outer pipe element.
  • the pressure in the gap should only differ slightly from the pressure in the inner pipe element, so that the inner pipe element practically does not have to withstand any pressure. This is achieved by a gas connection between the cavity of the inner pipe element and the gap.
  • the gas connection must be designed for only a small amount so that the outer pipe element only heats up to a negligible level if hot gas flows into the gap.
  • the atmosphere in the gap is advantageously inert, for example a nitrogen atmosphere.
  • the pressure equalization can, for example, be actively controlled by pressurizing the space between the inner tube element and the outer tube element with nitrogen so that the pressure of the nitrogen is set slightly - for example 1 - 25 kPa - above the pressure of the gas flowing through the inner tube element.
  • passive pressure equalization can be realized in that there is a small connection between the interior of the inner tube element and the space between the inner tube element and the outer tube element, which limits the gas exchange so that practically only a negligible heating of the outer tube element occurs.
  • Additional nitrogen can also be introduced into the space between the two, so that a largely inert atmosphere is present.
  • the advantage of a multi-layer construction based on the "tube-in-tube” principle is that the outer tube element is heated less than the inner tube element - for example, the outer tube element has a temperature ⁇ 200 °C, while the inner tube element has a temperature > 800 °C.
  • the outer tube element acts as a pressure-bearing component, which is easier to implement at lower temperatures.
  • the pipe has an inner diameter and an outer diameter at every point along its length.
  • the gas flows through the hollow space of the pipe, which is delimited by a wall.
  • the wall of the pipe that delimits the hollow space through which the gas flows has a certain volume of material per unit length at every point along its length.
  • the volume of material per unit length is also constant along the length of the pipe. If the inner diameter and the outer diameter of the pipe change along the length of the pipe, while the thickness of the wall remains the same along the length of the pipe, the volume of material per unit length changes along the length of the pipe. If only the inner diameter or only the outer diameter of the pipe changes along the If the diameter of one pipe changes along the length of the pipe and the other diameter remains the same along the length of the pipe, the thickness of the wall of the pipe changes and, accordingly, the volume of material per unit length along the length of the pipe also changes.
  • the material volume per unit length for the wall delimiting the cavity has different values along the longitudinal extension of the tube. This changes the electrical resistance in the longitudinal direction, which causes a different electrical heating output in the longitudinal direction when the tube itself acts as a heating element.
  • the tube has a thickness of the wall delimiting the cavity that is inconsistent over its longitudinal extension.
  • the inner diameter of the tube - i.e. the diameter of the cavity through which the gas to be heated flows - can remain constant and only the outer diameter of the tube delimiting the cavity can change, or vice versa, or both.
  • the material mass and the material volume per unit length and thus the electrical resistance in the longitudinal direction of the tube change, which causes a different electrical heating output in the longitudinal direction when the tube itself acts as a heating element.
  • a preferred embodiment is that the tube has an inconsistent thickness of the wall delimiting the cavity over its longitudinal extent with an inconsistent outer diameter of the tube.
  • the tube has a constant thickness of the wall delimiting the cavity over its longitudinal extent with an inconstant outer diameter of the tube.
  • the pipe can therefore have different external diameters in the longitudinal direction with a constant thickness of the wall delimiting the cavity.
  • the change in the external diameter of the pipe can be continuous - for example in the case of a truncated cone-shaped pipe - or abrupt.
  • the different diameters result in a different circumference and, as a result, different amounts of pipe material are used for a unit of length. This results in different material masses of the pipe and different material volumes per unit of length in the longitudinal direction of the pipe.
  • These different material masses or material volumes also result in a changing electrical resistance in the longitudinal direction, which, with a constant current strength, causes a different electrical heating output in the longitudinal direction if the pipe itself acts as a heating element.
  • the tube is a reformer tube filled with catalyst.
  • reformer tubes can be housed in an enclosure, which is called a reformer box, for example.
  • a reformer box containing several reformer tubes is preferred, in which the atmosphere can be adjusted so that the service life of the resistance heating elements is extended or maximized as much as possible; for example, a nitrogen or argon atmosphere can be adjusted by introducing nitrogen or argon into the reformer box.
  • a reformer box containing several reformer tubes which has a device for adjusting the atmosphere in the reformer box. This device allows the atmosphere in the reformer box to be adjusted so that the service life of resistance heating elements is extended or maximized as much as possible; for this purpose, it can, for example, comprise one or more gas supply lines for introducing nitrogen and/or argon-containing gas into the reformer box.
  • Cooling may be required during operation of the reformer box to limit the temperature in the reformer box and/or the reformer box.
  • the heat removed during cooling may be used, for example, to preheat gases that may be used in direct reduction, or to generate hot water that may be used in direct reduction, or to generate steam that may be used in direct reduction.
  • Figure 1a shows an embodiment of a tube 20 provided with a resistance heating element - here a heating wire 10 - which is suitable for heating gas flowing through the tube 20 - shown by an arrow - by means of an electric current.
  • a tube 20 is shown which is wound spirally with a heating wire 10. The gas flows through the hollow space 30 of the tube 20. If current flows through the heating wire 10, it will heat the tube 20, and the gas flow flowing through the hollow space 30 in the tube 20 will indirectly - transmitted through the heated tube 20 - receive heat energy from the resistance heating element heating wire 10.
  • the heating wire 10 connects the supply and discharge lines for electric current.
  • the heating wire 10, as a resistance heating element constructed separately from the tube body 21, is in direct contact with the tube body 21.
  • the gap can be filled with a heat-conducting material, or there can simply be a gas such as air or an inert gas such as nitrogen in the gap - the heating wire 10 would be in indirect contact with the tubular body 21.
  • Figure 1b shows a longitudinal section through the Figure 1a shown pipe 20.
  • Figure 1c shows schematically a tube 40 in which the tube body 41 itself is the resistance heating element; the tube 40 has a supply line 51 and a discharge line 52 for electrical current.
  • Figure 1d shows schematically a pipe 60 in which the two Figures 1a and 1c shown variants are implemented; the section A of the longitudinal extension L of the tubular body 61 itself acts as a resistance heating element, in the section B of the longitudinal extension L of the tubular body a heating wire 70 acts as a resistance heating element.
  • Figure 1e shows schematically a tube 80 in which a resistance heating element 90, which is constructed separately from the tube body and around which the gas to be heated flows, is present in the cavity 92 and is not in contact with the tube body.
  • This resistance heating element is a separate component from the tube 80.
  • the resistance heating element 90 directly heats the gas flow in a front part of the longitudinal extension L of the tube 80 - viewed in the direction of the gas flow.
  • indirect heating takes place over the entire longitudinal extent L of the tube 80 by means of a further resistance heating element 91.
  • This can be insulated against heat flow not directed into the tube 80 by insulation.
  • Figure 1f shows a schematic of a tube 100 in which a resistance element 110 constructed separately from the tube body - which is not in contact with the tube body - in the cavity 111 directly heats the gas flow only in the first part C of the longitudinal extension L of the tube 100 - viewed in the gas flow direction. Only in the second part D of the longitudinal extension of the tube 100 is indirect heating carried out by means of a further resistance heating element 120.
  • Figure 1g shows a schematic of a pipe 130 in which the gas flow is heated directly in the first part E of the longitudinal extension L of the pipe 130 - viewed in the gas flow direction - whereby the pipe 130 itself serves as a resistance heating element. Heating is also carried out indirectly over the entire longitudinal extension L of the pipe 130 by means of a resistance heating element 140. The combination of several heating methods in parallel is useful if one heating method alone cannot provide the desired heating output. In the second part F of the longitudinal extension L of the pipe 130 - viewed in the gas flow direction - heating is only carried out indirectly by means of a separate resistance heating element 140.
  • Figure 1h shows schematically a tube 150 in which in the first part G - seen in the gas flow direction - of the longitudinal extension L of the tube 150 the gas flow is only heated directly, whereby the tube 150 itself serves as a heating element, and in the second part H of the longitudinal extension of the tube 150 only indirect heating takes place by means of resistance heating element 160
  • Figure 1i shows schematically a tube 170 in which the gas flow is heated directly over the entire longitudinal extent L of the tube 170, whereby the tube 170 itself serves as a resistance heating element, and in the first - seen in the gas flow direction - part l of the longitudinal extent L of the tube 170, but not in the second - seen in the gas flow direction - part J of the longitudinal extent L of the tube 170, indirect heating also takes place by means of resistance heating element 180.
  • the combination of several heating methods in parallel is useful if one heating method alone cannot provide the desired heating output.
  • Figure 1j shows a schematic of a tube 190 in which a resistance element 200 constructed separately from the tube body is located in the cavity 191 and is not in contact with the tube body in terms of heat conduction.
  • a connection to the tube body with regard to wires for electrical current guided through the tube body to the resistance heating element 200 is present.
  • the resistance heating element 200 directly heats the gas flow in the first part K of the longitudinal extension L of the tube 200 - viewed in the gas flow direction.
  • indirect heating takes place via the longitudinal extension L of the tube 190 by means of the resistance heating element 210.
  • direct heating takes place via the longitudinal extension L of the tube 190, with the tube 190 itself serving as a resistance heating element.
  • the combination of several heating methods in parallel is useful if one heating method alone cannot provide the desired heating output.
  • FIG. 2 shows an embodiment with a multi-layered construction of the pipe.
  • the gas flow flows through an inner pipe element X.
  • the inner pipe element X is designed as a resistance heating element and is provided with a supply and discharge line for electrical current.
  • the inner pipe element X is covered by insulation Y.
  • the inner pipe element X and insulation Y are located inside the outer pipe element Z; this can serve as a pressure-bearing part.
  • an actively controlled or passive pressure equalization between the space in the pipe element X and the space between the pipe elements X and Z can be provided; this is not shown separately in the drawing.
  • Figure 3a shows an embodiment in which the tube 220 has an inconsistent wall thickness over its longitudinal extension L.
  • Figure 3b shows this embodiment in a side section.
  • the inner diameter d i.e. the diameter of the cavity 230 through which gas can flow, remains constant, while the outer diameter D changes abruptly - the wall thickness of the tube 220 is therefore inconstant, it changes abruptly over the longitudinal extent L of the tube 220.
  • Figure 4a shows an embodiment in which the tube 240 has an inconsistent wall thickness over its longitudinal extension L.
  • Figure 4b shows this embodiment in a side section.
  • the inner diameter d i.e. the diameter of the cavity 250 through which gas can flow, decreases continuously from left to right, i.e. in the direction of the gas flow, while the outer diameter D remains constant - the wall thickness of the tube 240 is therefore inconstant, it changes continuously over the longitudinal extent L of the tube 240.

Landscapes

  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

Verfahren zur Aufheizung eines durch ein Rohr (80) strömenden Gases mittels elektrischen Stroms, wobei Wärmeenergie von einem Widerstandsheizelement (90, 91) direkt und/oder indirekt auf das Gas übertragen wird.Mit zumindest einem Widerstandsheizelement (90, 91) versehenes Rohr (80), geeignet zur Aufheizung eines durch das Rohr strömenden Gases mittels elektrischen Stromes durch direkte und/oder indirekte Übertragung von Wärmeenergie vom Widerstandsheizelement (90, 91) auf das aufzuheizende Gas.

Description

    Gebiet der Technik
  • Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Aufheizung eines durch ein Rohr strömenden Gases mittels elektrischen Stroms, sowie ein mit Heizelement versehenes Rohr.
    • Stand der Technik
  • Bei der Direktreduktion von Metalloxiden mittels eines Reduktionsgases wird oft katalytische Reformierung bei der Zubereitung des Reduktionsgases genutzt. Das Reduktionsgas basiert auf einem oder mehreren Vorläufergasen. Zumindest ein Vorläufergas basiert auf durch katalytische Reformierung von kohlenwasserstoffhaltigem Gas in einem Reformer erhaltenem Reformergas. Bei der katalytischen Reformierung wird kohlenwasserstoffhaltiges Gas in einem Reformer reformiert, dabei wird Wärmeenergie benötigt, die dem Reformer zugeführt werden muss. Bei der Reformierung strömt das dem Reformer zwecks Reformierung zugeführte Gas durch mit Katalysator befüllte Reformerrohre. Damit die für ökonomisch sinnvollen Ablauf der vom Katalysator katalysierten Reformierungsreaktionen erforderlichen thermodynamischen und kinetischen Bedingungen herrschen, werden der Reformer beziehungsweise die Reformerrohre beheizt. Es ist üblich, mittels Brennern zu erhitzen, was jedoch zu gegebenenfalls ungewünschten Abgasen führt; beispielsweise wird bei Verwendung fossiler kohlenstoffbasierter Energieträger in den Brennern CO2 emittiert. Aus WO2014040997A1 ist es auch grundsätzlich bekannt, einen Reformer elektrisch zu beheizen.
    • Zusammenfassung der Erfindung Technische Aufgabe
  • Es sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung vorgestellt werden, die Aufheizung eines durch ein Rohr strömenden Gases, beziehungsweise Beheizung eines Reformerrohres eines Reformers - beziehungsweise Aufheizung eines durch ein Reformerrohr eines Reformers strömenden Gases - mit elektrischem Strom erlauben.
    • Technische Lösung
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Aufheizung eines durch ein Rohr strömenden Gases mittels elektrischen Stroms, wobei Wärmeenergie von einem Widerstandsheizelement direkt und/oder indirekt auf das Gas übertragen wird.
  • In der Formulierung "von einem Widerstandsheizelement" ist "einem" ein unbestimmter Artikel; es kann von einem einzigen Widerstandsheizelement oder von mehreren Widerstandsheizelementen Wärmeenergie übertragen werden.
    • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • Die Rohre, durch die das aufzuheizende Gas strömt, sind beispielsweise Reformerrohre eines Reformers; das aufzuheizende Gas strömt zwecks Reformierung durch die Reformerrohre.
  • Das durch das Rohr strömende Gas kann aus einem einzigen Bestandteil bestehen, oder es kann ein Gemisch mehrerer Bestandteile sein. Beispielsweise kann der Gasstrom, der durch das Gas strömt, ein Gemisch sein, das Wasserstoff und eine oder mehrere andere Komponenten enthält, wie beispielsweise Methan CH4 oder höhere Kohlenwasserstoffe. Vorzugsweise wird das Verfahren eingesetzt bei der Direktreduktion von Metalloxiden unter Verwendung eines Reduktionsgases, das auf zumindest teilweise auf durch katalytische Reformierung von kohlenwasserstoffhaltigem Gas in einem Reformer erhaltenem Reformergas basiert. Das dem Reformer zwecks Reformierung zugeführte Gas ist kohlenwasserstoffhaltig; die Kohlenwasserstoffe werden den Reformierungsreaktionen unterworfen. Das dem Reformer zwecks Reformierung zugeführte Gas kann beispielsweise ein Gemisch aus Abgas eines Direktreduktionsreaktors mit einem kohlenwasserstoffhaltigen Gas wie beispielsweise Erdgas sein.
  • Das Verfahren kann dazu dienen, zur Reformierung in den Reformer einzuleitendes kohlenwasserstoffhaltiges Gas in Rohren einer Kohlenwasserstoffgasrohrzuleitung aufzuheizen. Das Verfahren kann dazu dienen, in dem Reformer zwecks Reformierung durch Reformerrohre strömendes Gas aufzuheizen. Das Verfahren kann dazu dienen, ein dem Reformergas zuzumischendes Vorläufergas in einer Vorläufergasrohrzuleitung aufzuheizen; beispielsweise kann Wasserstoff H2 beziehungsweise ein Wasserstoff H2-haltiges Gas dem Reformergas zugemischt werden.
  • Der elektrische Strom dient der Aufheizung beziehungsweise Beheizung basierend auf dem Prinzip der Widerstandsheizung. Widerstandsheizelemente werden vom elektrischen Strom durchflossen und erhitzen sich dadurch; Wärmeenergie kann dann von ihnen auf andere Körper beziehungsweise Medien übertragen werden. Die Übertragung kann direkt sein, wobei Wärmeenergie nach dem Verlassen des Widerstandsheizelementes direkt in den aufzuheizenden Körper beziehungsweise das aufzuheizende Medium - also beispielsweise das durch ein Rohre strömendes Gas - übergeht; oder sie kann indirekt sein, wobei Wärmeenergie vom Widerstandsheizelement nicht direkt in den Körper beziehungsweise das Medium übergeht, für welche die Aufheizung eine gewünschte Temperatur einstellen soll, sondern vom Widerstandsheizelement direkt in einen anderen Körper und/oder ein anderes Medium übergeht, und danach erst von dem anderen Körper und/oder dem anderen Medium direkt oder indirekt über weitere Körper und/oder Medien in den Körper beziehungsweise das Medium übergeht, für welche die Aufheizung eine gewünschte Temperatur einstellen soll.
  • Die Aufheizung beziehungsweise Beheizung kann nur mit elektrischem Strom erfolgen, oder es können zusätzlich dazu auch eine oder mehrere andere Methoden zur Aufheizung beziehungsweise Beheizung eingesetzt werden; beispielsweise Brenner.
  • Nach einer Variante kann das vom Gas durchströmte Rohr selbst das Widerstandsheizelement sein. Dann ist das durchströmende Gas in direktem Kontakt mit dem Widerstandsheizelement. Dann wird die Wärmeenergie direkt vom Widerstandsheizelement Rohr auf das Gas übertragen.
  • Nach einer anderen Variante kann das vom Gas durchströmte Rohr, welches selbst kein Widerstandsheizelement ist, mit einem Widerstandsheizelement direkt oder indirekt in Kontakt stehen, so dass Wärmeenergie von dem Widerstandsheizelement auf das Rohr übertragen wird, und vom Rohr auf das Gas übertragen wird. Das Gas wird also indirekt vom Widerstandsheizelement aufgeheizt.
  • Das Rohr kann beispielsweise von außen mittels Heizspiralen oder andersartigen Widerstandsheizelementen erwärmt werden, was zur Erwärmung des Gases im Inneren des Rohres führt.
  • Nach einer anderen Variante ist im Rohr zumindest ein vom aufzuheizenden Gas umströmtes Widerstandheizelement vorhanden - als vom Rohr separates Bauelement. Dann ist das durchströmende Gas in direktem Kontakt mit dem Widerstandsheizelement. Dann wird die Wärmeenergie direkt vom Widerstandsheizelement auf das Gas übertragen.
  • Es ist auch möglich, dass bei einem Rohr für ein Gas sowohl direkter als auch indirekter Kontakt mit Widerstandsheizelementen gegeben sind. Aufheizung des Gases durch Übertragung von Wärmeenergie erfolgt dann sowohl direkt als auch indirekt. Dabei ist es bevorzugt, wenn direkte Aufheizung erfolgt, bevor indirekte Aufheizung erfolgt. Für direktes und indirektes Vorgehen wird beispielsweise eine Kombination von zwei oder mehr der voranstehend genannten Varianten eingesetzt.
  • Nach einer Variante des Verfahrens ist das Rohr mit Katalysator für die gewünschte Reformierungsreaktion befüllt. In so einem Fall handelt es sich beispielsweise um ein Reformerrohr eines Reformers.
  • Das Reformerrohr eines Reformers kann wie voranstehend für die Aufheizung eines Gases in einem Rohr ausgeführt beheizt werden, wobei es also entweder selbst als Widerstandsheizelement dient oder mit einem Widerstandsheizelement direkt oder indirekt in Kontakt steht. Wie bezüglich Rohr ausgeführt, ist es auch möglich, dass bei einem Reformerrohr sowohl direkter als auch indirekter Kontakt mit Widerstandsheizelementen gegeben sind.
  • Durch einen Katalysator, beispielsweise Nickel (Ni) basiert, unterstützte Reformierungsreaktionen sind beispielsweise Reformierung von CH4 Methan mit CO2 Kohlendioxid oder H2O Wasser unter Bildung von CO Kohlenmonoxid und H2 Wasserstoff nach

             CH4 + CO2 → 2 CO + 2 H2O

             CH4 + H2O → CO + 3 H2

  • Vorzugsweise kann die Temperatur des Widerstandsheizelementes und/oder die Heizleistung des Widerstandsheizelementes entlang der Längserstreckung des vom Gas durchströmten Rohres gesteuert und/oder geregelt werden. Somit kann die Aufheizung beziehungsweise Beheizung je nach Position entlang der Längserstreckung ausgehend von verschiedener Temperatur des Widerstandsheizelementes und/oder mit verschiedener Heizleistung erfolgen. Auf diese Weise kann beispielsweise beeinflusst werden, welche Temperaturdifferenz zum Gas besteht - was den Wärmefluss beeinflusst -, beziehungsweise welche Temperatur das Rohr maximal erreichen kann - einer Überschreitung der maximal zulässigen Temperatur für das Rohrmaterial kann so entgegengewirkt werden. Die Heizleistung (in Watt (W)) ist als Produkt von Spannung (in Volt (V)) * Stromstärke (in Ampere (A)) * Wirkungsgrad (η) definiert. Entsprechend ist es bevorzugt, wenn die Temperatur des Widerstandsheizelementes und/oder die Heizleistung des Widerstandsheizelementes entlang der Längserstreckung des Reformerrohres gesteuert und/oder geregelt werden kann. Somit kann die Aufheizung beziehungsweise Beheizung je nach Position entlang der Längserstreckung ausgehend von verschiedener Temperatur des Widerstandsheizelementes und/oder mit verschiedener Heizleistung erfolgen. Dadurch kann beispielsweise beeinflusst werden, wie schnell oder vollständig die Umsetzungen an einem Katalysator im Rohr ablaufen.
  • Vorzugsweise wird zumindest ein Parameter des aufgeheizten Gases aus der Gruppe von Parametern bestehend aus
    • Gastemperatur,
    • Methan CH4-Gehalt,
    • Kohlendioxid CO2-Gehalt,
      • bestimmt
        und
      • zur Regelung und/oder Steuerung zumindest eines Parameters
      • aus der Gruppe von Parametern bestehend aus.
    • Temperatur des Widerstandsheizelementes,
    • Heizleistung des Widerstandsheizelementes,
    • Wasserdampfgehalt des in das Rohr eintretenden Gases,
    • Erdgasanteil im in das Rohr eintretenden Gas,
      herangezogen.
  • Auf diese Weise kann beispielsweise Wasserdampfgehalt oder Erdgasanteil in einem kohlenwasserstoffhaltigen Gas, das einem Reformer zugeführt wird, geregelt werden auf Basis von Methangehalt oder CO2-Gehalt des Reformergases; das Reformergas ist das aus dem Reformerrohr austretende Gas. Letztere Parameter geben Auskunft über das Ausmaß der Reformierungsreaktion im Reformer. Insgesamt kann so die Effektivität und Effizienz der Reformierung geregelt werden.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist ein mit zumindest einem Widerstandsheizelement versehenes Rohr, geeignet zur Aufheizung eines durch das Rohr strömenden Gases mittels elektrischen Stromes durch direkte und/oder indirekte Übertragung von Wärmeenergie vom Widerstandsheizelement auf das aufzuheizende Gas. Das Rohr weist einen Rohrkörper mit Hohlraum zur Leitung des aufzuheizenden Gases auf.
  • Ein Rohr versehen mit einem Widerstandsheizelement kann auf verschiedene Arten ausgeführt sein.
  • Eine Art der Ausführung ist beispielweise
    dass das Rohr neben einem Rohrkörper mit Hohlraum zur Leitung des aufzuheizenden Gases ein separat vom Rohrkörper konstruiertes Widerstandsheizelement umfasst - das mit dem Rohrkörper bezüglich Wärmeleitung beispielsweise direkt oder indirekt in Kontakt steht.
  • Eine Art der Ausführung ist beispielsweise,
    dass der Rohrkörper selbst das Widerstandsheizelement - wenn das Rohr mit nur einem Widerstandsheizelement versehen ist beziehungsweise eines von mehreren vorhandenen Widerstandsheizelementen ist.
  • Eine Art der Ausführung ist beispielsweise,
    dass ein separat vom Rohrkörper konstruiertes Widerstandsheizelement im Hohlraum des Rohres angeordnet ist, ohne dass es mit dem Rohrkörper bezüglich Wärmeleitung in Kontakt steht.
  • Bei der letztgenannten Anordnung eines separat vom Rohrkörper konstruierten Widerstandsheizelements im Hohlraum ohne Kontakt mit dem Rohrkörper zum Zweck einer Wärmeleitung kann eine Verbindung mit dem Rohrkörper zwecks Abstützung am Rohrkörper oder hinsichtlich durch den Rohrkörper zum Widerstandsheizelement geführter Drähte für elektrischen Strom vorhanden sein.
  • Eine Art der Ausführung ist beispielsweise ein Rohr, das beliebige zwei oder alle der voranstehend genannten drei Varianten von Arten der Ausführung aufweist - also sowohl neben einem Rohrkörper mit Hohlraum zur Leitung des Gases ein separat vom Rohrkörper konstruiertes Widerstandsheizelement als auch einen selbst als Widerstandsheizelement wirkenden Abschnitt des Rohrkörpers.
  • Das Rohr kann eine mehrschichtige Konstruktion aufweisen. Es handelt sich dabei um eine "Rohr in Rohr"-Konstruktion. Durch ein inneres Rohrelement strömt das Gas, anschließend vom Hohlraum des inneren Rohrelementes in Richtung nach außen gesehen befinden sich Widerstandsheizelemente und / oder eine Isolierung - Isolierung im Sinne von Wärmeisolierung. Falls nur eine Isolierung vorhanden ist, kann beispielsweise das innere Rohrelement selbst als Widerstandsheizelement dienen, oder das Rohr umfasst im Hohlraum des inneren Rohrelementes ein separat vom Rohrkörper konstruiertes Widerstandheizelement. Anschließend folgt ein äußeres Rohrelement, das beispielsweise die Funktion eines drucktragenden Teils übernimmt.
  • Um den Druck im Zwischenraum zwischen den beiden Rohrelementen definiert einzustellen, kann ein aktiv geregelter oder passiver Druckausgleich zwischen Hohlraum im inneren Rohrelement und Zwischenraum zwischen inneren Rohrelement und äußerem Rohrelement vorgesehen werden.
  • Es soll der Druck im Zwischenraum nur geringfügig vom Druck im inneren Rohrelement abweichen, damit das innere Rohrelement praktisch keinem Druck standhalten muss. Dies wird durch eine Gasverbindung zwischen Hohlraum des inneren Rohrelementes und dem Zwischenraum erreicht.
  • Die Gasverbindung muss jedoch für eine nur geringe Menge ausgelegt sein, damit sich das äußere Rohrelement im Falle, dass heißes Gas in den Zwischenraum strömt, nur vernachlässigbar erwärmt. Vorteilhafterweise ist die Atmosphäre im Zwischenraum inert, beispielsweise eine Stickstoffatmosphäre.
  • Beispielsweise mögliche Varianten einer Gasverbindung zwischen Hohlraum des inneren Rohrelementes und Zwischenraum:
    • Variante 1: Vorhandensein zumindest eines kleinen Lochs in der Wand des inneren Rohrelementes, das eine Verbindung zum Zwischenraum darstellt. Optional auch separate Gaseinspeisung, beispielsweise Stickstoff (N2), in den Zwischenraum, geregelt oder
      ungeregelt. Vorteilhafterweise befinden sich das kleine Loch und die Gaseinspeisung in Längsrichtung des Rohres gesehen möglichst weit voneinander entfernt. Optional Messung des Differenzdruckes zwischen Zwischenraum und Hohlraum des inneren Rohrelementes und Regelung des Drucks im Zwischenraum auf einen Sollwert durch Regelung der Menge der Gaseinspeisung.
    • Variante 2: Vorhandensein einer Verbindungsleitung zwischen Hohlraum des inneren Rohrelementes und Zwischenraum; optional mit Durchflussbegrenzung wie beispielsweise Ventilen. Die Verbindungsleitung ist dabei nicht durch die Wand des inneren Rohrelementes geführt. In die Verbindungsleitung kann eine Gaseinspeisung erfolgen, um die bei Variante 1 bezüglich Gaseinspeisung erläuterten Spielarten zu ermöglichen. Optional sind Verbindungsleitung und Gaseinspeisung getrennt, vorteilhafterweise ist der Abstand zwischen Verbindungsleitung und Gaseinspeisung möglichst groß.
  • Der Druckausgleich kann zum Beispiel aktiv geregelt werden, indem der Zwischenraum zwischen innerem Rohrelement und äußerem Rohrelement mit Stickstoff beaufschlagt wird, sodass der Druck des Stickstoffes geringfügig - beispielsweise 1 - 25 kPa - über dem Druck des durch das innere Rohrelement strömenden Gas eingestellt wird.
  • Die Realisierung eines passiven Druckausgleiches kann dahingehend realisiert werden, dass es eine kleine Verbindung zwischen dem Innenraum des inneren Rohrelements und dem Zwischenraum zwischen innerem Rohrelement und äußerem Rohrelement gibt, die den Gasaustausch begrenzt, sodass praktisch nur eine vernachlässigbare Erwärmung des äußeren Rohrelements erfolgt.
  • In den Zwischenraum kann auch zusätzlich Stickstoff eingeleitet werden, sodass sich hier eine großteils inerte Atmosphäre befindet.
  • Der Vorteil einer mehrschichtigen Konstruktion nach dem "Rohr-im-Rohr"-Prinzip ist, dass das äußere Rohrelement weniger stark erwärmt wird als das innere Rohrelement - beispielsweise weist das äußere Rohrelement eine Temperatur < 200 °C auf, während das innere Rohrelement eine Temperatur > 800 °C aufweist. Das äußere Rohrelement wirkt als drucktragender Bauteil, was bei niedrigeren Temperaturen einfacher zu realisieren ist.
  • Das Rohr hat an jeder Stelle seiner Längserstreckung einen inneren Durchmesser und einen äußeren Durchmesser. Durch den Hohlraum des Rohres strömt das Gas, er wird durch eine Wand begrenzt. Die den Hohlraum, durch welchen das Gas strömt, begrenzende Wand des Rohres weist an jeder Stelle ihrer Längserstreckung ein bestimmtes Materialvolumen pro Längeneinheit auf.
  • Wenn die Wand über die Längserstreckung des Rohres konstante Dicke aufweist und innerer Durchmesser des Rohres und äußerer Durchmesser des Rohres ebenfalls über die Längserstreckung des Rohres konstant bleiben, ist auch das Materialvolumen pro Längeneinheit über die Längserstreckung des Rohres konstant. Wenn sich innerer Durchmesser und äußerer Durchmesser des Rohres über die Längserstreckung des Rohres ändern, während die Dicke der Wand über die Längserstreckung des Rohres gleich bleibt, ändert sich das Materialvolumen pro Längeneinheit über die Längserstreckung des Rohres. Wenn sich nur innerer Durchmesser oder nur äußerer Durchmesser des Rohres über die Längserstreckung des Rohres ändern, und der jeweils andere Durchmesser über die Längserstreckung des Rohres gleich bleibt, ändert sich die Dicke der Wand des Rohres und entsprechend auch das Materialvolumen pro Längeneinheit über die Längserstreckung des Rohres.
  • Bevorzugt ist es, wenn das Materialvolumen pro Längeneinheit für die den Hohlraum begrenzende Wand entlang der Längserstreckung des Rohres verschiedene Werte aufweist. Dadurch ändert sich der elektrische Widerstand in Längsrichtung, was eine unterschiedliche elektrische Heizleistung in Längsrichtung bewirkt, wenn das Rohr selbst als Heizelement wirkt. Nach einer Ausführungsform weist das Rohr eine über seine Längserstreckung inkonstante Dicke der den Hohlraum begrenzenden Wand auf. Dabei kann beispielsweise der innere Durchmesser des Rohres - also der Durchmesser des Hohlraums, durch den das aufzuheizende Gas strömt - konstant bleiben und sich nur der äußere Durchmesser des den Hohlraum begrenzenden Rohres ändern, oder umgekehrt oder beides. Durch die in Längsrichtung verschiedene Dicke der Wand und/oder verschiedenen Umfang in Längsrichtung ändern sich die Materialmasse und das Materialvolumen pro Längeneinheit und somit der elektrische Widerstand in Längsrichtung des Rohres, was eine unterschiedliche elektrische Heizleistung in Längsrichtung bewirkt, wenn das Rohr selbst als Heizelement wirkt.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform ist, dass das Rohr eine über seine Längserstreckung inkonstante Dicke der den Hohlraum begrenzenden Wand aufweist bei inkonstantem äußerem Durchmesser des Rohres.
  • Nach einer Ausführungsform weist das Rohr eine über seine Längserstreckung konstante Dicke der den Hohlraum begrenzenden Wand auf bei inkonstantem äußerem Durchmesser des Rohres.
  • Das Rohr kann also auch in Längsrichtung unterschiedliche äußere Durchmesser bei konstanter Dicke der den Hohlraum begrenzenden Wand aufweisen. Änderung des äußeren Durchmessers des Rohres kann kontinuierlich sein - beispielsweise bei einem kegelstumpfförmigen Rohr-, oder sprunghaft. Durch die unterschiedlichen Durchmesser ergibt sich ein verschiedener Umfang und damit verbunden wird für eine Längeneinheit verschieden viel Rohrmaterial eingesetzt. Somit ergeben sich unterschiedliche Materialmassen des Rohres und unterschiedliches Materialvolumina pro Längeneinheit in Längsrichtung des Rohres. Durch diese unterschiedliche Materialmassen beziehungsweise Materialvolumina ergibt sich ebenfalls ein sich ändernder elektrischer Widerstand in Längsrichtung, was bei gleichbleibender Stromstärke eine unterschiedliche elektrische Heizleistung in Längsrichtung bewirkt, wenn das Rohr selbst als Heizelement wirkt.
  • Nach einer Ausführungsform ist das Rohr ein mit Katalysator befülltes Reformerrohr.
  • Mehrere Reformerrohre können in einer Umhüllung untergebracht sein, die beispielsweise Reformerbox genannt wird.
  • Bevorzugt ist eine mehrere Reformerrohre enthaltende Reformerbox, in der die Atmosphäre so eingestellt werden kann, dass die Lebensdauer der Widerstandsheizelemente möglichst verlängert beziehungsweise maximiert wird; beispielsweise kann eine Stickstoff- oder ArgonAtmosphäre durch Einleiten von Stickstoff oder Argon in die Reformerbox eingestellt werden. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist eine mehrere Reformerrohre enthaltende Reformerbox, die eine Vorrichtung zur Einstellung der Atmosphäre in der Reformerbox aufweist. Durch diese Vorrichtung kann die Atmosphäre in der Reformerbox so eingestellt werden, dass die Lebensdauer von Widerstandheizelementen möglichst verlängert beziehungsweise maximiert wird; sie kann dazu beispielsweise eine oder mehrere Gaszuleitungen zur Einleitung von Stickstoff- und/oder Argon-haltigem Gas in die Reformerbox umfassen.
  • Beim Betrieb der Reformerbox kann eine Kühlung erforderlich sein, um die Temperatur in der Reformerbox und/oder der Reformerbox zu begrenzen. Die bei der Kühlung abgeführte Wärme kann genutzt werden, beispielsweise zur Vorwärmung von gegebenenfalls bei der Direktreduktion verwendeten Gasen, oder zur Erzeugung von gegebenenfalls bei der Direktreduktion verwendetem Heißwasser, oder zur Erzeugung von gegebenenfalls bei der Direktreduktion verwendetem Dampf. Dasselbe gilt für Reformerrohre, die nicht in einer Reformerbox untergebracht sind; auch bei diesen kann ein Kühlung im Betrieb erforderlich sein.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen, die im Zusammenhang mit den schematischen und beispielhaften Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:
    • Fig. 1a - 1j Ausführungsformen mit verschiedenen Varianten der Ausführung und Anordnung von Widerstandheizelementen und Rohr.,
    • Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform mit mehrschichtiger Konstruktion des Rohres.
    • Fig. 3a und 3b zeigen eine Ausführungsform, bei der das Rohr eine über seine Längsersteckung L inkonstante Wanddicke aufweist.
    • Fig 4a und 4b zeigen eine Ausführungsform, bei der das Rohr 240 eine über seine Längsersteckung L inkonstante Wanddicke aufweist.
    Beschreibung der Ausführungsformen Beispiele
  • Figur 1a zeigt eine Ausführungsform eines mit einem Widerstandsheizelement - hier einem Heizdraht 10 - versehenen Rohres 20, das geeignet ist, durch das Rohr 20 strömendes Gas - dargestellt durch einen Pfeil - mittels elektrischen Stromes aufzuheizen. Dargestellt ist ein Rohr 20, das mit einem Heizdraht 10 spiralförmig umwickelt ist. Das Gas strömt durch den Hohlraum 30 des Rohres 20. Wenn der Heizdraht 10 von Strom durchflossen wird, wird er das Rohr 20 beheizen, und der durch den Hohlraum 30 strömende Gasstrom im Rohr 20 wird indirekt - übertragen durch das aufgeheizte Rohr 20 - Wärmeenergie vom Widerstandsheizelement Heizdraht 10 empfangen. Der Heizdraht 10 verbindet Zuleitung und Ableitung für elektrischen Strom. Der Heizdraht 10 als separat vom Rohrkörper 21 konstruiertes Widerstandsheizelement steht mit dem Rohrkörper 21 direkt in Kontakt. Wenn zwischen Widerstandsheizelement Heizdraht 10 und Rohrkörper 21 ein Abstand besteht - wobei der Abstand mit einem wärmeleitenden Material ausgefüllt sein kann, oder sich in dem Abstand einfach nur ein Gas wie beispielsweise Luft oder ein Inertgas wie etwa Stickstoff befinden kann -, würde der Heizdraht 10 indirekt mit dem Rohrkörper 21 in Kontakt stehen.
  • Figur 1b zeigt einen Längsschnitt durch das in Figur 1a dargestellte Rohr 20.
  • Figur 1c zeigt schematisch ein Rohr 40, bei dem der Rohrkörper 41 selbst das Widerstandsheizelement ist; am Rohr 40 sind Zuleitung 51 und Ableitung 52 für elektrischen Strom vorhanden.
  • Figur 1d zeigt schematisch ein Rohr 60, bei dem die beiden in Figuren 1a und 1c dargestellten Varianten verwirklicht sind; der Abschnitt A der Längserstreckung L des Rohrkörpers 61 wirkt selbst als Widerstandsheizelement, im Abschnitt B der Längserstreckung L des Rohrkörpers wirkt ein Heizdraht 70 als Widerstandsheizelement.
  • Figur 1e zeigt schematisch ein Rohr 80, bei dem ein separat vom Rohrkörper konstruiertes, vom aufzuheizenden Gas umströmtes Widerstandsheizelement 90 im Hohlraum 92 vorhanden ist, das mit dem Rohrkörper nicht in Kontakt steht. Dieses Widerstandsheizelement ist ein vom Rohr 80 separates Bauelement. Das Widerstandsheizelement 90 heizt den Gasstrom in einem vorderen Teil der Längserstreckung L des Rohres 80 - gesehen in Richtung des Gasstroms - direkt auf.
  • Zusätzlich erfolgt in der dargestellten Variante über die gesamte Längserstreckung L des Rohres 80 eine indirekte Aufheizung mittels eines weiteren Widerstandsheizelementes 91. Dieses kann durch eine Isolierung gegen nicht in das Rohr 80 gerichteten Wärmefluss isoliert sein.
  • Figur 1f zeigt schematisch ein Rohr 100, bei dem ein separat vom Rohrkörper konstruiertes Widerstandselement 110- das mit dem Rohrkörper nicht in Kontakt steht - im Hohlraum 111 den Gasstrom nur im ersten - gesehen in Gasflussrichtung - Teil C der Längserstreckung L des Rohres 100 direkt aufheizt. Nur im zweiten Teil D der Längserstreckung des Rohres 100 erfolgt indirekte Aufheizung mittels eines weiteren Widerstandsheizelementes 120.
  • Figure 1g zeigt schematisch ein Rohr 130, bei dem im ersten - gesehen in Gasflussrichtung - Teil E der Längserstreckung L des Rohres 130 der Gasstrom direkt aufgeheizt wird, wobei das Rohr 130 selbst als Widerstandsheizelement dient. Über die gesamte Längserstreckung L des Rohres 130 wird auch indirekt mittels Widerstandsheizelement 140 aufgeheizt. Die Kombination aus mehreren Heizmethoden parallel bietet sich an, wenn eine Heizmethode allein nicht die gewünschte Heizleistung liefern kann. Im zweiten - gesehen in Gasflussrichtung - Teil F der Längserstreckung L des Rohres 130 wird nur indirekt mittels separatem Widerstandsheizelement 140 aufgeheizt.
  • Figure 1h zeigt schematisch ein Rohr 150, bei dem im ersten Teil G- gesehen in Gasflussrichtung - der Längserstreckung L des Rohres 150 der Gasstrom nur direkt aufgeheizt wird, wobei das Rohr 150 selbst als Heizelement dient, und im zweiten Teil H der Längserstreckung des Rohres 150 nur indirekte Aufheizung mittels Widerstandsheizelement 160 erfolgt
  • Figur 1i zeigt schematisch ein Rohr 170, bei dem über die gesamte Längserstreckung L des Rohres 170 der Gasstrom direkt aufgeheizt wird, wobei das Rohr 170 selbst als Widerstandsheizelement dient, und im ersten - gesehen in Gasflussrichtung - Teil l der Längserstreckung L des Rohres 170, nicht aber im zweiten - gesehen in Gasflussrichtung - Teil J der Längserstreckung L des Rohres 170, auch indirekte Aufheizung mittels Widerstandsheizelement 180 erfolgt. Die Kombination aus mehreren Heizmethoden parallel bietet sich an, wenn eine Heizmethode allein nicht die gewünschte Heizleistung liefern kann.
  • Figur 1j zeigt schematisch ein Rohr 190, bei dem im Hohlraum 191 ein separat vom Rohrkörper konstruiertes Widerstandselement 200, das mit dem Rohrkörper bezüglich Wärmeleitung nicht in Kontakt steht. Eine Verbindung mit dem Rohrkörper hinsichtlich durch den Rohrkörper zum Widerstandsheizelement 200 geführter Drähte für elektrischen Strom ist vorhanden. Das Widerstandsheizelement 200 heizt den Gasstrom im ersten - gesehen in Gasflussrichtung - Teil K der Längserstreckung L des Rohres 200 direkt auf. Zusätzlich erfolgt über die Längserstreckung L des Rohres 190 indirekte Aufheizung mittels Widerstandsheizelement 210. Zusätzlich erfolgt über die Längserstreckung L des Rohres 190 direkte Aufheizung, wobei das Rohr 190 selbst als Widerstandsheizelement dient. Die Kombination aus mehreren Heizmethoden parallel bietet sich an, wenn eine Heizmethode allein nicht die gewünschte Heizleistung liefern kann.
  • Figur 2 zeigt eine Ausführungsform mit mehrschichtiger Konstruktion des Rohres. Durch ein inneres Rohrelement X strömt der Gasstrom. Das innere Rohrelement X ist als Widerstandsheizelement ausgeführt und ist mit Zuleitung und Ableitung für elektrischen Strom versehen. Das innere Rohrelement X ist von einer Isolierung Y umhüllt. Inneres Rohrelement X und Isolierung Y befinden sich innerhalb des äußeren Rohrelementes Z; dieses kann als drucktragendes Teil dienen. Um den Druck im Raum zwischen den beiden Rohrelementen X und Z definiert einzustellen, kann ein aktiv geregelter oder passiver Druckausgleich zwischen dem Raum im Rohrelement X und dem Raum zwischen den Rohrelemente X und Z vorgesehen werden; was nicht extra zeichnerisch dargestellt ist.
  • Figur 3a zeigt eine Ausführungsform, bei der das Rohr 220 eine über seine Längsersteckung L inkonstante Wanddicke aufweist. Figur 3b zeigt diese Ausführungsform seitlich im Schnitt. Der innere Durchmesser d, also der Durchmesser des Hohlraums 230, durch den Gas strömen kann, bleibt konstant, während der äußere Durchmesser D sich einmal sprunghaft ändert - die Wanddicke des Rohres 220 ist also inkonstant, sie ändert sich sprunghaft über die Längserstreckung L des Rohres 220.
  • Figur 4a zeigt eine Ausführungsform, bei der das Rohr 240 eine über seine Längsersteckung L inkonstante Wanddicke aufweist. Figur 4b zeigt diese Ausführungsform seitlich im Schnitt. Der innere Durchmesser d, also der Durchmesser des Hohlraums 250, durch den Gas strömen kann, nimmt von links nach rechts, also in Richtung des Gasstroms stetig ab, während der äußere Durchmesser D konstant bleibt - die Wanddicke des Rohres 240 ist also inkonstant, sie ändert sich stetig über die Längserstreckung L des Rohres 240.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
    • Liste der Bezugszeichen
    • 10
    Heizdraht
    20
    Rohr
    21
    Rohrkörper
    30
    Hohlraum
    40
    Rohr
    41
    Rohrkörper
    51
    Zuleitung für elektrischen Strom
    52
    Ableitung für elektrischen Strom
    60
    Rohr
    61
    Rohrkörper
    70
    Heizdraht
    80
    Rohr
    90
    Widerstandsheizelement
    91
    Widerstandsheizelement
    92
    Hohlraum
    100
    Rohr
    110
    Widerstandsheizelement
    111
    Hohlraum
    120
    Widerstandsheizelement
    130
    Rohr
    140
    Widerstandsheizelement
    150
    Rohr
    160
    Widerstandsheizelement
    170
    Rohr
    180
    Widerstandsheizelement
    190
    Rohr
    191
    Hohlraum
    200
    Widerstandsheizelement
    210
    Widerstandsheizelement
    220
    Rohr
    230
    Hohlraum
    240
    Rohr
    250
    Hohlraum
    L
    Längserstreckung
    A
    Abschnitt der Längserstreckung
    B
    Abschnitt der Längserstreckung
    C
    Teil der Längserstreckung
    D
    Teil der Längserstreckung
    E
    Teil der Längserstreckung
    F
    Teil der Längserstreckung
    G
    Teil der Längserstreckung
    H
    Teil der Längserstreckung
    I
    Teil der Längserstreckung
    J
    Teil der Längserstreckung
    K
    Teil der Längserstreckung
    X
    inneres Rohrelement
    Y
    Isolierung
    Z
    äußeres Rohrelement

Claims (15)

  1. Verfahren zur Aufheizung eines durch ein Rohr (80) strömenden Gases mittels elektrischen Stroms, wobei Wärmeenergie von einem Widerstandsheizelement (90, 91) direkt und/oder indirekt auf das Gas übertragen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Gas durchströmte Rohr (130, 150, 170, 190) selbst das Widerstandsheizelement ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Gas durchströmte Rohr (80) mit einem Widerstandsheizelement (91) direkt oder indirekt in Kontakt steht, und dass Wärmeenergie von diesem Widerstandsheizelement auf das Rohr übertragen wird, und vom Rohr auf das Gas übertragen wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Rohr (80) zumindest ein vom aufzuheizenden Gas umströmtes Widerstandheizelement (90) vorhanden ist als vom Rohr (80) separates Bauelement.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für das Gas sowohl direkter als auch indirekter Kontakt mit Widerstandsheizelementen (90, 91) gegeben sind.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr mit Katalysator für eine Reformierungsreaktion befüllt ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Widerstandsheizelementes (90, 91) und/oder die Heizleistung des Widerstandsheizelementes (90, 91) entlang der Längserstreckung des vom Gas durchströmten Rohres (80) gesteuert und/oder geregelt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Parameter des aufgeheizten Gases aus der Gruppe von Parametern bestehend aus
    - Gastemperatur,
    - Methan CH4-Gehalt,
    - Kohlendioxid CO2-Gehalt,
    bestimmt
    und
    zur Regelung und/oder Steuerung zumindest eines Parameters
    aus der Gruppe von Parametern bestehend aus.
    - Temperatur des Widerstandsheizelementes,
    - Heizleistung des Widerstandsheizelementes,
    - Wasserdampfgehalt des in das Rohr eintretenden Gases,
    - Erdgasanteil im in das Rohr eintretenden Gas,
    herangezogen wird.
  9. Mit zumindest einem Widerstandsheizelement (90, 91) versehenes Rohr (80), geeignet zur Aufheizung eines durch das Rohr strömenden Gases mittels elektrischen Stromes durch direkte und/oder indirekte Übertragung von Wärmeenergie vom Widerstandsheizelement (90, 91) auf das aufzuheizende Gas.
  10. Rohr nach Anspruch 9, wobei das Rohr (130, 150, 170, 190) einen Rohrkörper mit Hohlraum zur Leitung des aufzuheizenden Gases aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrkörper selbst das Widerstandsheizelement beziehungsweise eines von mehreren vorhandenen Widerstandsheizelementen ist.
  11. Rohr nach einem der Ansprüche 9 bis 10, wobei das Rohr einen Rohrkörper mit Hohlraum zur Leitung des aufzuheizenden Gases aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein separat vom Rohrkörper konstruiertes Widerstandsheizelement (90) im Hohlraum (92) des Rohres (80) angeordnet ist, ohne dass es mit dem Rohrkörper bezüglich Wärmeleitung in Kontakt steht.
  12. Rohr nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr eine mehrschichtige Konstruktion aufweist.
  13. Rohr nach einem der Ansprüche 9 bis 12, das einen Rohrkörper mit Hohlraum (92) zur Leitung des aufzuheizenden Gases aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Materialvolumen pro Längeneinheit für die den Hohlraum begrenzende Wand entlang der Längserstreckung des Rohres verschiedene Werte aufweist.
  14. Rohr nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es ein mit Katalysator befülltes Reformerrohr ist.
  15. Eine mehrere Reformerrohre nach Anspruch 14 enthaltende Reformerbox, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vorrichtung zur Einstellung der Atmosphäre in der Reformerbox aufweist.
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