WO2023155975A1 - Process and device for obtaining carbon monoxide from atmospheric carbon dioxide, using a solid-plasma reactor - Google Patents

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WO2023155975A1
WO2023155975A1 PCT/EP2022/053668 EP2022053668W WO2023155975A1 WO 2023155975 A1 WO2023155975 A1 WO 2023155975A1 EP 2022053668 W EP2022053668 W EP 2022053668W WO 2023155975 A1 WO2023155975 A1 WO 2023155975A1
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gas
plasma
carbon dioxide
solid
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PCT/EP2022/053668
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Kai Peter BIRKE
Maike LAMBARTH
Stephan RENNINGER
Jan Samuel STEIN
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Universität Stuttgart
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    • H05H2245/00—Applications of plasma devices
    • H05H2245/10—Treatment of gases

Definitions

  • Carbon monoxide from atmospheric carbon dioxide using a solid-state plasma reactor Carbon monoxide from atmospheric carbon dioxide using a solid-state plasma reactor
  • the invention relates to a solid plasma reactor and its use in the production of carbon monoxide from ambient air.
  • the solid plasma reactor according to the invention provides a technology that is not limited to the claimed application, but can contribute to solving global challenges of our time. It can contribute to the def ossilization of the economy and the closing of material cycles.
  • def ossilization means that the economy is increasingly using fewer fossil fuels and raw materials in production in order to ultimately reduce CCh emissions.
  • the term “def ossilization” means that the economy is increasingly using fewer fossil fuels and raw materials in production in order to ultimately reduce CCh emissions.
  • the term “def ossilization” means that the economy is increasingly using fewer fossil fuels and raw materials in production in order to ultimately reduce CCh emissions.
  • gas discharge used; it includes both glow discharges and arcs.
  • DE 36 31 015 A1 discloses a method for generating a clean gas containing carbon monoxide and hydrogen.
  • a raw gas is generated in a gasifier by blowing a gaseous oxidizing agent at a temperature of about 1000° into the gasifier.
  • a gaseous oxidizing agent for example, wood or coal is converted into a raw gas with a temperature of around 440° C. together with the oxidizing agent.
  • the raw gas is supplied with additional energy in an additional reaction chamber with the help of a plasma generator and then the gas is further processed in several cleaning steps.
  • This method and this system is complex in terms of system technology and requires both a large amount of thermal and electrical energy.
  • the invention is therefore based on the object of providing an efficient and economically feasible method for producing carbon monoxide from ambient air, during which no carbon dioxide is released.
  • the extraction of carbon monoxide from ambient air is also referred to as “direct air capture” (DAC) or “carbon capture and utilization” (CCU).
  • this object is achieved by a two-stage process.
  • carbon dioxide from air is dissolved in a caustic absorber with a basic solution of a metal hydroxide or calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ).
  • the basic solution reacts via intermediate steps with the carbon dioxide from the air to form metal carbonate or calcium carbonate (CaCO 3 ).
  • the metal carbonate Calcium carbonate precipitates out of the solution as a solid powder and can be removed from the absorber at a suitable point.
  • the absorption of carbon dioxide from the air is a known and established technique. It is done with the help of an absorber/an air washer. This requires a large contact surface of the basic solution with the air. Conventional air washers, with or without bulk bed, are ideally suited for this.
  • the air and basic solution can be co-current or counter-current.
  • a bulk bed countercurrent air washer in which the liquid solution flows downwards by gravity and the air is conveyed through the air washer from bottom to top by means of a fan.
  • a sprinkler tower in which the air is moved by updraft or downdraft.
  • the moist metal carbonate or calcium carbonate can either be dried in a separate drying process (preferably with waste heat from the reactor according to the invention) or conveyed directly into the solid plasma reactor according to the invention (second apparatus) without prior drying.
  • the metal carbonate or calcium carbonate (CaCOs) is converted into metal oxide or calcium oxide (CaO, cement clinker) in the reactor according to the invention.
  • the carbon dioxide (CO2) absorbed from the atmosphere is released again in the reactor.
  • This carbon dioxide is broken down into carbon monoxide and oxygen in the plasma of the reactor, so that pure carbon monoxide is present after the oxygen has been extracted.
  • the solid plasma reactor according to the invention is explained in more detail below in connection with FIGS.
  • concentration is, for example, 1 to 7 mol/l
  • NaCOs sodium carbonate
  • the calcium carbonate is dried (optional) and fed to a plasma reactor according to the invention. Due to the high temperatures prevailing in the reactor room, the calcium carbonate is burned to form calcium oxide:
  • the calcium oxide present as a solid is removed from the reactor space regularly or continuously. This calcium oxide can be dissolved in the aqueous solution of the absorber to complete the cycle:
  • the resulting oxygen is extracted.
  • Various methods and apparatuses known from the prior art can be used in order to increase the efficiency.
  • the oxygen can be extracted by various processes, e.g. B. di f fusion-driven membranes, electrochemical, by adsorption, or by solid ion conductors.
  • a ceramic membrane is preferably used for this purpose, which can selectively conduct oxygen ions at high temperatures. Depending on the technology, this oxygen absorption can take place in the reactor space of the reactor according to the invention or outside.
  • the energy required for this can only be supplied as electrical energy. If this electrical energy was generated regeneratively, then the method according to the invention is a carbon dioxide sink.
  • Air washers (caustic absorbers) are already being used to extract CO2 from air. Their advantage is that they are environmentally friendly and not complex; it is a mature and proven technology. The downside is that high temperatures are required to calcine the resulting carbonate.
  • the energy needed to burn the carbonate is provided as a non-thermal plasma at very high temperatures in the plasma reactor.
  • the carbon dioxide produced when the carbonate is burned is broken down into carbon monoxide and oxygen with the aid of the plasma.
  • the heat from plasma processes occurs at particularly high temperatures and is therefore particularly suitable for to decompose carbonate and carbon dioxide. It is possible to burn the carbonate purely electrically, without using fossil fuels.
  • carbonates of other alkali metals and alkaline earth metals can also be used as the absorption medium.
  • NaOH is very soluble in water.
  • Alkaline metals such as sodium or potassium are more soluble and are therefore more difficult to remove from the solution. But it's possible .
  • Stage 2 plasma process
  • the method according to the invention can also be carried out using various metal carbonates.
  • the oxide of the metal is formed along with carbon monoxide and oxygen.
  • Oxygen can be extracted from the gas in the same reactor or outside the reactor in the recycle gas stream.
  • the oxygen can be extracted at high temperatures or after cooling the gas.
  • the plasma is generated directly in the reactor space of the reactor and not in a separate cavity. This improves the heat transfer from the gas to the solid. As a result, the efficiency and the conversion rate increase.
  • a reactor that can be used to carry out the process comprises a reactor chamber, at least one plasma generator with two electrodes, at least one gas inlet, at least one gas outlet for the product stream and at least one recirculation line, the electrodes of the at least one plasma generator being arranged between the gas inlet and the reactor chamber, so that they from the through the Gas inlet in the reactor chamber flowing gas flows through or flows around.
  • the reactor according to the invention enables a very effective conversion of metal carbonates or calcium carbonate into a metal oxide or calcium oxide and carbon dioxide.
  • metal carbonates are particularly suitable: lithium, sodium, potassium, magnesium, calcium and zinc
  • the energy required for this is supplied to the gas or gas mixture flowing into the reactor chamber by means of a glow discharge or an electric arc. which is present between the electrodes of the plasma generator.
  • the arrangement of the gas inlet and the electrodes of the plasma generator according to the invention ensures that the gas flowing through the gas inlet into the reactor chamber flows in an intermediate space (also referred to below as cavity) between the electrodes of the plasma generator. As a result, the gas comes into contact with a gas discharge taking place between the electrodes. This gas discharge brings at least part of the gas into the plasma state.
  • At least part of the gas leaves the plasma generator as a non-thermal plasma with very high temperatures (the electrons have temperatures greater than 10,000 K, the ions have temperatures greater than 1,000 K) and flows directly into the reactor chamber. Because of the very high temperatures of the non-thermal plasma, the reactions and conversion processes in the reactor space take place very reliably and quickly.
  • the desired product gas here carbon monoxide
  • a portion of this product gas can be drawn off via the gas outlet for the product stream.
  • the part of the product gas remaining in the reactor space flows onto the solid present in the reactor space (metal carbonate or calcium carbonate) or flows through it if it is in bulk form. It transfers heat to the solid.
  • the heat input decomposes the metal or calcium carbonate and a metal or calcium oxide and carbon dioxide are formed, which is further broken down in the reactor into carbon monoxide (product gas) and oxygen.
  • the heat transfer from the very hot, non-thermal plasma to the solid in the reactor vessel takes place at high power and brings the solid to high temperatures reliably and quickly.
  • the part of the product gas drawn off via the gas outlet for the product stream also transfers energy to the solids present in the reactor space via thermal radiation. Due to the high energy input at high temperatures, a wide variety of carbonates can be reliably broken down into the corresponding oxide and carbon dioxide in the reactor according to the invention.
  • metal carbonate or calcium carbonate (CaCOs) is converted into a metal oxide or calcium oxide (CaO); this requires very high temperatures.
  • the carbon dioxide (CO2) that is released is converted into the desired carbon monoxide.
  • the wide range of possible applications of the reactor according to the invention is derived from this, among other things.
  • the electrical energy required to operate the plasma generator is transferred directly to the gas with almost no loss. If the solid-state plasma reactor according to the invention is supplied with electricity generated from renewable sources, the operation of the reactor does not cause any CO2 emissions.
  • Another advantage of the reactor according to the invention is that its power can be controlled very quickly and within a wide range (e.g. between 20% and 100% of the nominal power) without having a negative impact on the quality of the product gas or the solid products (e.g. burnt lime) .
  • This makes it possible whenever a surplus of regeneratively generated electricity is available in the power grids to buy this electricity very cheaply and thereby improve the economic efficiency of the reactor according to the invention.
  • the shutdown of systems for regenerative power generation photovoltaics, wind energy converters
  • the thermal energy of the hot gases/plasma in the reactor space is in turn transferred very efficiently and quickly to the solids in the reactor space.
  • the Heat transfer occurs not only by conduction, but also by thermal radiation.
  • the solid is broken down into its components at very high temperatures (greater than 1,000 °C) with almost no residue, depending on the application, or converted into a product (e.g. burnt lime).
  • the recirculation line connects the reactor space to the gas inlet. This means that part of the gas stream flowing into the reactor through the gas inlet has previously been in the reactor space.
  • the reactions taking place inside the reactor space can be controlled via the ratio between recirculated gas from the reactor space and the additional gas to be fed to the reactor.
  • the proportion of newly supplied gas in relation to recirculated gas can be between 0% and 50% depending on the application.
  • the recirculated gas can be moved by a fan, a compressor or an ejector in the recirculation line or in the gas inlet.
  • a separator in the recirculation line and/or in the product gas line. In this way, for example, volatile metals or other interfering gaseous components can be separated. This not only further increases the quality of the product gas, but also avoids damage to downstream equipment.
  • waste heat can be used elsewhere, e.g. B. be used in a reactor according to the invention upstream or downstream process. This increases the efficiency of the overall process.
  • the waste heat can be used to dry the moist calcium carbonate removed from an air washer.
  • an absorption system for recovering carbon dioxide from the product gas can be regenerated with the waste heat that occurs.
  • the need for high-energy electrons for the decomposition/pyrolysis of the solid in the reactor space is so high that waste heat is produced.
  • the waste heat can be dissipated through the heat exchanger and used elsewhere. It is also possible to provide an actuator, such as a slider or a flow control valve, in the recirculation line, preferably after the heat exchanger, in order to be able to actively control the flow rate of the gas through the recirculation line.
  • an actuator such as a slider or a flow control valve
  • a blower or jet pump is generally arranged in the gas inlet and/or the recirculation line, which sucks in the gas to be introduced into the process and the gas flowing through the recirculation line and conveys it into the reactor.
  • a controllable flap or a controllable flow control valve can be provided in the gas inlet and/or the recirculation line in addition or as an alternative to the fan or the jet pump.
  • a grate or rotary tube is provided in the reactor space in a preferred embodiment of the invention.
  • the solid is in the rotary tube and can therefore easily be flowed through by the hot gas/plasma in the reactor chamber. to be flown. This intensifies the decomposition and makes it more effective.
  • the gas outlet for the product stream is arranged between the plasma generator and the grate.
  • the recirculation line is arranged in such a way that the gas flowing through the reactor space into the recirculation line first flows past the solid in the reactor space and/or at least partially through the solid. This intensifies and accelerates the heat transfer from the hot gas to the solid and consequently accelerates the decomposition of the solid into atoms or short molecules. Through circulation, these return to the reaction zone of the plasma reactor.
  • the recirculated gas is therefore enriched with intermediate products. In the reaction zone of the plasma generator, the intermediate products are converted into the desired product gas, carbon monoxide.
  • the outlet of the recirculation line and the gas inlet or the plasma generator on different sides of the grate resp. of the rotary tube are arranged so that the gas has to flow through the solids before it gets into the recirculation line.
  • the plasma generator comprises a pin electrode and a ring electrode arranged concentrically thereto.
  • a non-thermal gas discharge occurs between the pin electrode and the ring electrode.
  • the geometry of the electrodes and their arrangement ensure that the entire gas mixture flowing through the gas inlet into the reactor chamber is guided through the reaction zone of the plasma reactor.
  • Preferred is a DC glow discharge or. a non-thermal arc caused by direct current.
  • the very high DC voltage required for this can be realized with the help of an electrical circuit to provide a DC voltage for the plasma generator.
  • an alternating voltage can also be applied between the electrodes of the plasma generator.
  • the invention provides for using magnets (electromagnets or permanent magnets) to arrest the arc or to set the glow discharge in motion so that it moves in a circular motion around the pin electrode.
  • the frequency of this circular movement can be in a range between 50 Hz and several kilohertz. Together with the flow movement of the gas that flows through the ring, this results in a very good energy transfer to the gas that flows through the ring electrode.
  • This guide element can be designed, for example, as a honeycomb structure that serves as a flow straightener and flame screen.
  • This guide element can be designed, for example, as a honeycomb structure that serves as a flow straightener and flame screen.
  • a further advantageous embodiment provides for a lock for introducing solids into the reactor space.
  • This lock is preferably a gas-tight lock, so that no gas can escape into the environment through the lock while solids are being introduced into the reactor space.
  • FIG. 1 shows a simplified and schematic illustration of the reactor according to the invention
  • FIG. 2 shows a detail relating to the ring electrode and the pin electrode and the guide element from FIG. 1;
  • Figure 6 shows a countercurrent air washer (absorber) for capturing carbon dioxide from the air
  • FIG. 1 shows the plasma reactor 1 according to the invention in a highly simplified manner. It comprises a reactor vessel 3 with a gas inlet 5 , a gas outlet 6 for the product stream and a recirculation line 7 .
  • a part of the plasma generator namely a pin electrode 9 and a ring electrode 11 , is located inside the reactor container 3 , the reactor space 12 .
  • the pin electrode 9 is generally the cathode, while the ring electrode 11 is preferably designed as the anode.
  • the electrical circuitry required to generate the plasma is housed in an external housing shown in FIGS. 3-5.
  • the gas inlet 5 is guided in such a way that the inflowing gas flows through a (cylindrical) cavity 17 above the ring electrode 11 and past the central pin electrode 9 to the ring electrode 11 .
  • a guide element 21 for the inflowing gas mixture which can be designed, for example, as an open-pore ceramic foam. It serves as a flow straightener and reduces the heat input from the reactor space 12 into the cavity 17 and the gas inlet 5 .
  • the guide element 21 can also be designed as a honeycomb structure that imparts a swirl to the gas.
  • a glow discharge hereinafter referred to as gas discharge 13 .
  • the inflowing gas is at least partially converted into a non-thermal plasma by the gas discharge and in the process reaches very high temperatures (the electrons have temperatures greater than 10,000 K, the ions have temperatures greater than 1,000 K).
  • This plasma then reaches the actual reactor space 12 . There it transfers the heat by radiation and thermal conduction to the solid material 15 located in the lower part of the reactor chamber 12, which is usually in the form of a bed.
  • Magnets 39 are arranged at the boundary of the cavity 17 .
  • They can be designed as permanent or electromagnets.
  • the resulting magnetic field lines are through dotted lines indicated. Due to the magnetic field lines, the glow discharge 13 makes a circular movement around the pin electrode 9 and thus sweeps over the entire annular surface between the ring electrode 11 and the pin electrode 9 . This intensifies the excitation of the gas flowing through the annular surface. Due to the rapid rotation of a discharge channel between the pin electrode 9 and the ring electrode 11 at 50 Hz to several kHz, the plasma produced in the reaction zone has the shape of a disk in a first approximation and occupies a large volume.
  • FIG. 2 shows a somewhat enlarged detail of the reactor according to the invention.
  • the guide element 21 can also have a honeycomb structure (not shown) similar to a catalytic converter.
  • the gas flows from 17 into the reactor chamber 12 through these channels, which run parallel to one another and parallel to the longitudinal axis of the pin electrode 9 .
  • This embodiment of a guide element 21 also prevents heat from entering the cavity 17 and acts as a rectifier.
  • FIGS. 3, 4 and 5 show simplified sectional views of differently configured reactors 1 according to the invention. Most of the components in these sectional views are already known. Therefore they will not be explained again.
  • the electrical circuit of the plasma generator 23 which supplies the electrodes 9 , 11 with high voltage (DC voltage or AC voltage) in order to start and maintain the glow discharge is represented schematically by a block 41 .
  • a block 41 The electrical circuit of the plasma generator 23 which supplies the electrodes 9 , 11 with high voltage (DC voltage or AC voltage) in order to start and maintain the glow discharge is represented schematically by a block 41 .
  • the reactor space 12 is arranged to the side of the plasma generator 23 .
  • An intermediate piece 43 is provided between the plasma generator 23 and the reactor container 3, to which the gas inlet 5 and the outlet 6 for the product gas are connected.
  • a grate 25 is provided in the reactor space 12 .
  • the solid matter 15 is located on this grate 25 .
  • the exemplary embodiments in FIGS. 3 and 5 differ primarily with regard to the arrangement of the grate 25 relative to the intermediate piece 43 .
  • a solid is layered on the grate 15 .
  • the recirculation line 7 branches off at the upper end of the reactor vessel 3 .
  • FIG. 4 shows a configuration with an inclined grate.
  • the solid 15 is located at the bottom of the reactor vessel 3 and the recirculation line 7 is located at the right-hand end of the reactor vessel 3 in FIG.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 5 largely corresponds to the exemplary embodiment according to FIG. 3.
  • the positions of the grates 15 differ essentially from one another.
  • FIG. 6 shows the two stages or process steps of the method according to the invention together with the associated apparatus in simplified form.
  • CO2-rich gas flows into the wind tower 51 from above.
  • the aqueous solution conveyed by a circulating pump 55 is sprayed into the wind tower 49 in a tray 53 .
  • Catch basin 57 which also serves as a storage tank. During the flight phase of the droplets between the floor 53 and the reservoir 57, the droplets absorb carbon dioxide from the air.
  • Calcium carbonate (CaCo3) separates out in the catch basin 57 and is drawn off from the catch basin 57 either regularly or continuously. This can be done by a centrifuge, a filter or sedimentation. Calcium oxide and water are added to equalize the material balance. (Water is used in large excess to compensate for evaporation)
  • the calcium carbonate (CaCo 3 ) withdrawn from the collecting tank 57 is fed to the plasma reactor 1 according to the invention, which is shown schematically in the lower part of FIG.
  • the calcium carbonate (CACO3) can be transported into the reactor 1 and the calcium oxide (CAO) can be transported out of the reactor 1, for example, by means of a rotary tube (not shown).
  • the calcium carbonate is added at a first end of the rotary tube.
  • the hot gases generated by the plasma 13 flow through the rotary tube and convert the calcium carbonate into calcium oxide and carbon dioxide.
  • Calcium oxide arrives at the other end of the rotary tube. This calcium oxide can then be used again in the air washer 49 .
  • FIG. 7 shows the material flows of the method according to the invention in the form of a block diagram.

Abstract

The invention relates to a process for producing carbon monoxide from atmospheric carbon dioxide, which can be carried out purely electrically.

Description

Titel: Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung vonTitle: Process and device for obtaining
Kohlenmonoxid aus atmosphärischem Kohlendioxid mit einem Feststof f-Plasma-Reaktor Carbon monoxide from atmospheric carbon dioxide using a solid-state plasma reactor
Beschreibung Description
Die Erfindung betrifft einen Feststoff-Plasma-Reaktor und dessen Anwendung bei der Gewinnung von Kohlenmonoxid aus Umgebungsluft. Der erfindungsgemäße Feststoff-Plasma-Reaktor stellt eine Technologie bereit, die nicht auf die beanspruchte Anwendung beschränkt ist, sondern zur Lösung globaler Herausforderungen unserer Zeit beitragen kann. Er kann zur Def ossilisierung der Wirtschaft und dem Schließen von Stoff- Kreisläufen beitragen. Mit dem Begriff "Def ossilisierung" ist gemeint, dass die Wirtschaft in der Produktion zunehmend weniger fossile Energieträger und Rohstoffe einsetzt, um letztendlich die CCh-Emissionen zu reduzieren. Im Zusammenhang mit der Erfindung wird der BegriffThe invention relates to a solid plasma reactor and its use in the production of carbon monoxide from ambient air. The solid plasma reactor according to the invention provides a technology that is not limited to the claimed application, but can contribute to solving global challenges of our time. It can contribute to the def ossilization of the economy and the closing of material cycles. The term "def ossilization" means that the economy is increasingly using fewer fossil fuels and raw materials in production in order to ultimately reduce CCh emissions. In connection with the invention, the term
"Gasentladung" gebraucht; er umfasst sowohl Glimmentladungen als auch Lichtbögen. "gas discharge" used; it includes both glow discharges and arcs.
Aus der DE 36 31 015 Al ist ein Verfahren zur Erzeugung eines Kohlenmonoxid-Wasserstof f enthaltenden Reingases bekannt. Dabei wird in einem Vergaser ein Rohgas erzeugt, indem ein etwa 1000° heißes gasförmiges Oxidationsmittel in den Vergaser eingeblasen wird. In dem Vergaser werden beispielsweise Holz oder Kohle zusammen mit dem Oxidationsmittel in ein Rohgas mit einer Temperatur von etwa 440° C umgewandelt. Anschließend wird dem Rohgas in einer zusätzlichen Reaktionskammer mit Hilfe eines Plasmagenerators weitere Energie zugeführt und anschließend in mehreren Reinigungsschritten das Gas weiter aufbereitet. Dieses Verfahren bzw. diese Anlage ist anlagentechnisch aufwändig und erfordert sowohl viel thermische als auch elektrische Energie. DE 36 31 015 A1 discloses a method for generating a clean gas containing carbon monoxide and hydrogen. A raw gas is generated in a gasifier by blowing a gaseous oxidizing agent at a temperature of about 1000° into the gasifier. In the gasifier, for example, wood or coal is converted into a raw gas with a temperature of around 440° C. together with the oxidizing agent. Then the raw gas is supplied with additional energy in an additional reaction chamber with the help of a plasma generator and then the gas is further processed in several cleaning steps. This method and this system is complex in terms of system technology and requires both a large amount of thermal and electrical energy.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein effizientes und wirtschaftlich durchführbares Verfahren zur Herstellung von Kohlenmonoxid aus Umgebungsluft bereitzustellen, bei dessen Durchführung kein Kohlendioxid freigesetzt wird. Die Gewinnung von Kohlenmonoxid aus Umgebungsluft wird auch als „direct air capture" (DAC) oder „carbon capture and utilization" (CCU) bezeichnet. The invention is therefore based on the object of providing an efficient and economically feasible method for producing carbon monoxide from ambient air, during which no carbon dioxide is released. The extraction of carbon monoxide from ambient air is also referred to as "direct air capture" (DAC) or "carbon capture and utilization" (CCU).
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein zweistufiges Verfahren erreicht. In der ersten Stufe (dem ersten Apparat) wird Kohlendioxid aus Luft in einem kaustischen Absorber in Lösung mit einer basischen Lösung eines Metallhydroxids oder von Calciumhydroxid (Ca(OH)2) gebracht. Dabei reagiert die basische Lösung über Zwischenschritte mit dem Kohlendioxid aus der Luft zu Metallcarbonat oder Calciumcarbonat ( CaCO3 ) . According to the invention, this object is achieved by a two-stage process. In the first stage (the first apparatus), carbon dioxide from air is dissolved in a caustic absorber with a basic solution of a metal hydroxide or calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ). The basic solution reacts via intermediate steps with the carbon dioxide from the air to form metal carbonate or calcium carbonate (CaCO 3 ).
Das Metallcarbonat bzw . Calciumcarbonat fällt aus der Lösung als pulverförmiger Feststof f aus und kann an geeigneter Stelle dem Absorber entnommen werden . The metal carbonate Calcium carbonate precipitates out of the solution as a solid powder and can be removed from the absorber at a suitable point.
Die Absorption des Kohlendioxids aus der Luft ist eine an sich bekannte und etablierte Technik . Sie erfolgt mit Hil fe eines Absorbers/eines Luftwäschers . Dazu wird eine große Kontaktoberfläche der basischen Lösung mit der Luft benötigt . Herkömmliche Luftwäscher, mit oder ohne Schüttbett , sind dazu bestens geeignet . Die Luft und die basische Lösung können im Gleichstrom oder im Gegenstrom geführt werden . The absorption of carbon dioxide from the air is a known and established technique. It is done with the help of an absorber/an air washer. This requires a large contact surface of the basic solution with the air. Conventional air washers, with or without bulk bed, are ideally suited for this. The air and basic solution can be co-current or counter-current.
Eine Möglichkeit ist der Einsatz eines Gegenstrom-Luftwäschers mit Schüttbett , bei dem die flüssige Lösung schwerkraftgetrieben von oben nach unten strömt und die Luft mittels eines Gebläses von unten nach oben durch den Luftwäscher gefördert wird . Eine Alternative stellt ein Berieselungsturm dar, in dem die Luft durch Auf- oder Abwind bewegt wird . One possibility is the use of a bulk bed countercurrent air washer, in which the liquid solution flows downwards by gravity and the air is conveyed through the air washer from bottom to top by means of a fan. An alternative is a sprinkler tower, in which the air is moved by updraft or downdraft.
Das feuchte Metallcarbonat oder Calciumcarbonat kann entweder in einem gesonderten Trocknungsprozess (bevorzugt mit Abwärme aus dem erfindungsgemäßen Reaktor ) getrocknet werden oder ohne vorherige Trocknung direkt in den erfindungsgemäßen Feststof f- Plasma-Reaktor ( zweiter Apparat ) gefördert werden . in der zweiten Stufe wird das Metallcarbonat oder Calciumcarbonat (CaCOs) in dem erfindungsgemäßen Reaktor in Metalloxid oder Calciumoxid (CaO, Zementklinker) umgewandelt. The moist metal carbonate or calcium carbonate can either be dried in a separate drying process (preferably with waste heat from the reactor according to the invention) or conveyed directly into the solid plasma reactor according to the invention (second apparatus) without prior drying. in the second stage the metal carbonate or calcium carbonate (CaCOs) is converted into metal oxide or calcium oxide (CaO, cement clinker) in the reactor according to the invention.
Dabei wird in dem Reaktor das aus der Atmosphäre absorbierte Kohlendioxid (CO2) wieder freigesetzt. Dieses Kohlendioxid wird in dem Plasma des Reaktors in Kohlenmonoxid und Sauerstoff zerlegt, so dass nach der Extraktion des Sauerstoffs reines Kohlenmonoxid vorliegt. Der Erfindungsgemäße Feststoff-Plasma- Reaktor wird weiter unten im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 5 näher erläutert. The carbon dioxide (CO2) absorbed from the atmosphere is released again in the reactor. This carbon dioxide is broken down into carbon monoxide and oxygen in the plasma of the reactor, so that pure carbon monoxide is present after the oxygen has been extracted. The solid plasma reactor according to the invention is explained in more detail below in connection with FIGS.
Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ablaufenden Reaktionen sind nachfolgend zusammengefasst, wenn das Verfahren auf der Basis von Calciumoxid und Calciumcarbonat durchgeführt wird. Alternativ kann das Verfahren auch auf der Basis von Metalloxiden und Metallcarbonaten durchgeführt werden. The reactions taking place in the process according to the invention are summarized below when the process is carried out on the basis of calcium oxide and calcium carbonate. Alternatively, the process can also be carried out on the basis of metal oxides and metal carbonates.
Stufe 1: Absorption. Stage 1: absorption.
Kohlendioxid (CO2) aus der Luft reagiert mit der basischen Lösung /Lauge (hier NaOH) des Absorptionsmediums. Die Konzentration beträgt z.B. 1 bis 7 mol/1 Carbon dioxide (CO2) from the air reacts with the basic solution/lye (here NaOH) of the absorption medium. The concentration is, for example, 1 to 7 mol/l
2 NaOH + C02 -► Na2CO3 + H20 2 NaOH + C0 2 -► Na 2 CO 3 + H 2 0
Dabei entsteht Natriumcarbonat (NaCOs) . Dieses reagiert in einer Kaustifizierung weiter mit Calciumhydroxid, wobei Natriumhydroxid regeneriert wird. This produces sodium carbonate (NaCOs). This further reacts with calcium hydroxide in a causticizing process, whereby sodium hydroxide is regenerated.
Ca OH)2 + Na2CO3 -> 2 NaOH + CaCO3 Das Calciumcarbonat fällt als Pulver aus und wird der Lösung entnommen . CaOH) 2 + Na 2 CO 3 -> 2 NaOH + CaCO 3 The calcium carbonate precipitates as a powder and is removed from the solution.
Das Calciumcarbonat wird getrocknet ( optional ) und einem erfindungsgemäßen Plasmareaktor zugeführt . Durch die im Reaktorraum herrschenden hohen Temperaturen wird das Calciumcarbonat zu Calciumoxid gebrannt : The calcium carbonate is dried (optional) and fed to a plasma reactor according to the invention. Due to the high temperatures prevailing in the reactor room, the calcium carbonate is burned to form calcium oxide:
CaCO2 -> CaO + CO2 \ H = +181 kJ mol-1 CaCO 2 -> CaO + CO 2 \ H = +181 kJ mol -1
Das als Feststof f vorliegende Calciumoxid wird regelmäßig oder kontinuierlich dem Reaktorraum entnommen . Dieses Calciumoxid kann in der wässrigen Lösung des Absorbers gelöst werden, um den Kreislauf zu schließen : The calcium oxide present as a solid is removed from the reactor space regularly or continuously. This calcium oxide can be dissolved in the aqueous solution of the absorber to complete the cycle:
CaO + H2O -► Ca OH)2 CaO + H2O -►CaOH) 2
Das beim Brennen freigesetzte Kohlendioxid wird im Plasma des Reaktors gespaltet : +283 kJ moC1
Figure imgf000006_0001
The carbon dioxide released during burning is split in the reactor's plasma: +283 kJ moC 1
Figure imgf000006_0001
Der dabei entstehende Sauerstof f wird extrahiert . Dabei können verschiedene aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren und Apparate eingesetzt werden, um den Wirkungsgrad zu erhöhen . Der Sauerstof f kann durch verschiedene Prozesse extrahiert werden, z . B . di f fusionsgetriebene Membranen, elektrochemisch, durch Adsorption oder durch feste lonenleiter . Bevorzugt wird dafür eine Keramikmembran eingesetzt , die bei hohen Temperaturen Sauerstof f ionen selektiv leiten kann . Diese Sauerstof f absorption kann - j e nach Technologie - im Reaktorraum des erfindungsgemäßen Reaktors oder außerhalb statt finden . The resulting oxygen is extracted. Various methods and apparatuses known from the prior art can be used in order to increase the efficiency. The oxygen can be extracted by various processes, e.g. B. di f fusion-driven membranes, electrochemical, by adsorption, or by solid ion conductors. A ceramic membrane is preferably used for this purpose, which can selectively conduct oxygen ions at high temperatures. Depending on the technology, this oxygen absorption can take place in the reactor space of the reactor according to the invention or outside.
Somit wird in einem zweistufigen Prozess aus Luft Kohlenmonoxid gewonnen . Alle anderen Massenströme im Kreislauf sind geschlossen . Die Gesamtreaktion lautet
Figure imgf000007_0001
In this way, carbon monoxide is obtained from air in a two-stage process. All other mass flows in the circuit are closed. The overall reaction is
Figure imgf000007_0001
Die dazu erforderliche Energie kann ausschließlich als elektrische Energie zugeführt werden . Wenn diese elektrische Energie regenerativ erzeugt wurde , dann ist das erfindungsgemäße Verfahren eine Kohlendioxid-Senke . The energy required for this can only be supplied as electrical energy. If this electrical energy was generated regeneratively, then the method according to the invention is a carbon dioxide sink.
Luftwäscher (Kaustische Absorber ) werden bereits zur Gewinnung von CO2 aus Luft eingesetzt . Ihr Vorteil ist , dass sie umweltfreundlich und wenig komplex sind; es ist eine ausgerei fte und bewährte Technologie . Der Nachteil ist , dass zum Brennen des entstehenden Carbonats hohe Temperaturen erforderlich sind . Air washers (caustic absorbers) are already being used to extract CO2 from air. Their advantage is that they are environmentally friendly and not complex; it is a mature and proven technology. The downside is that high temperatures are required to calcine the resulting carbonate.
Dieses Problem wird mit Hil fe des erfindungsgemäßen Feststof f- Plasma-Reaktors gelöst und zwar durch den Einsatz elektrischer Energie . Die zum Brennen des Carbonats benötigte Energie wird als nicht-thermisches Plasma bei sehr hohen Temperaturen in dem Plasma-Reaktor bereitgestellt . Außerdem wird mit Hil fe des Plasmas das beim Brennen des Carbonats entstehende Kohlendioxid in Kohlenmonoxid und Sauerstof f zerlegt . Die Wärme von Plasmaprozessen fällt bei besonders hohen Temperaturen an und ist deshalb besonders geeignet , um das Carbonat und das Kohlendioxid zu zerlegen . Es ist ein rein elektrisches Brennen des Carbonats möglich, ohne den Einsatz fossiler Energieträger . This problem is solved with the aid of the solid-state plasma reactor according to the invention, specifically through the use of electrical energy. The energy needed to burn the carbonate is provided as a non-thermal plasma at very high temperatures in the plasma reactor. In addition, the carbon dioxide produced when the carbonate is burned is broken down into carbon monoxide and oxygen with the aid of the plasma. The heat from plasma processes occurs at particularly high temperatures and is therefore particularly suitable for to decompose carbonate and carbon dioxide. It is possible to burn the carbonate purely electrically, without using fossil fuels.
Alternativ zu dem exemplarisch und aus führlich erläuterten Calciumcarbonat können auch Carbonate von anderen Alkali- und Erdalkalimetallen als Absorptionsmedium verwendet werden . As an alternative to the calcium carbonate explained by way of example and in detail, carbonates of other alkali metals and alkaline earth metals can also be used as the absorption medium.
Der Zwischenschritt in dem Natriumcarbonat zu Calciumcarbonat reagiert ist nicht zwingend erforderlich, es könnte auch direkt Natriumcarbonat gebrannt werden . Allerdings erleichtert die geringere Löslichkeit von Calciumcarbonat die Extraktion aus der Lösung . In dem oben beschriebenen Prozess reagiert zunächst NaOH mit CO2 aus der Luft . Das ist aus zwei Gründen sinnvoll : The intermediate step in which sodium carbonate reacts to form calcium carbonate is not absolutely necessary; sodium carbonate could also be burned directly. However, the lower solubility of calcium carbonate makes it easier to extract from solution. In the process described above, NaOH first reacts with CO2 from the air. This makes sense for two reasons:
. NaOH ist sehr gut löslich in Wasser . . NaOH is very soluble in water.
. Die Reaktion findet sehr schnell statt . . The reaction takes place very quickly.
Erst in Lösung wird das Carbonation vom Natrium an das Calciumion übertragen, weil diese Reaktion langsamer als die CO2-Bindung von Statten geht . Der Vorteil ist , dass Calciumcarbonat eine sehr geringe Löslichkeit hat . Only in solution is the carbonate ion transferred from the sodium to the calcium ion because this reaction takes place more slowly than the CO2 bond. The advantage is that calcium carbonate has a very low solubility.
Alkalimetalle wie Natrium oder Kalium sind besser löslich und sind daher schwerer aus der Lösung zu entnehmen . Aber es ist möglich . Alkaline metals such as sodium or potassium are more soluble and are therefore more difficult to remove from the solution. But it's possible .
Stufe 2 : Plasmaprozess Stage 2 : plasma process
In dem erfindungsgemäßen Plasmareaktor wird kein fossiler Rohstof f benötigt . Die thermische Energie wird elektrisch durch das Plasma bereitgestellt . Das dabei entstehende Kohlendioxid wird direkt im Reaktor zerlegt , so dass neben dem Metalloxid bzw . dem Calciumoxid als Hauptprodukt Kohlenmonoxid ( CO) entsteht . Kohlenmonoxid stellt eine wertvolleNo fossil raw material is required in the plasma reactor according to the invention. The thermal energy is provided electrically by the plasma. The resulting carbon dioxide is broken down directly in the reactor, so that in addition to the metal oxide or the calcium oxide as the main product carbon monoxide (CO) is formed. Carbon monoxide represents a valuable
Kohlenstof f quelle für die Chemieindustrie dar . carbon source for the chemical industry.
Wenn zum Betrieben dieses Verfahrens regenerativ erzeugter Strom eingesetzt wird, dann wird dabei nicht nur kein Kohlendioxid ( CO2 ) in die Umwelt abgegeben, sondern vielmehr Kohlendioxid ( CO2 ) aus der Luft entnommen . Es ist demnach eine Kohlendioxidsenke . If electricity generated from renewable sources is used to operate this process, then not only is no carbon dioxide (CO2) released into the environment, but rather carbon dioxide (CO2) is removed from the air. It is therefore a carbon dioxide sink.
In ähnlicher Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren auch unter Einsatz von verschiedenen Metall-Carbonaten durchgeführt werden . Es entsteht das Oxid des Metalls neben Kohlenmonoxid und Sauerstof f . In a similar way, the method according to the invention can also be carried out using various metal carbonates. The oxide of the metal is formed along with carbon monoxide and oxygen.
Sauerstof f kann im selben Reaktor oder außerhalb des Reaktors im Umwäl z-Gasstrom aus dem Gas extrahiert werden . Der Sauerstof f kann bei hohen Temperaturen oder nach Kühlung des Gases extrahiert werden . Oxygen can be extracted from the gas in the same reactor or outside the reactor in the recycle gas stream. The oxygen can be extracted at high temperatures or after cooling the gas.
In einer besonders bevorzugten Variante wird das Plasma direkt im Reaktorraum des Reaktors und nicht in einer separaten Kavität erzeugt . Das verbessert die Wärmeübertragung vom Gas auf den Feststof f . Infolge dessen steigen der Wirkungsrad und die Umsetzungsrate . In a particularly preferred variant, the plasma is generated directly in the reactor space of the reactor and not in a separate cavity. This improves the heat transfer from the gas to the solid. As a result, the efficiency and the conversion rate increase.
Ein zur Durchführung des Verfahren einsetzbarer Reaktor umfasst einen Reaktorraum, mindestens einen Plasmagenerator mit zwei Elektroden, mindestens einen Gaseinlass , mindestens einen Gasauslass für den Produktstrom und mindestens eine Rezirkulationsleitung, wobei die Elektroden des mindestens einen Plasmagenerators zwischen dem Gaseinlass und dem Reaktorraum angeordnet sind, so dass sie von dem durch den Gaseinlass in den Reaktorraum strömenden Gas durchströmt oder umströmt werden . A reactor that can be used to carry out the process comprises a reactor chamber, at least one plasma generator with two electrodes, at least one gas inlet, at least one gas outlet for the product stream and at least one recirculation line, the electrodes of the at least one plasma generator being arranged between the gas inlet and the reactor chamber, so that they from the through the Gas inlet in the reactor chamber flowing gas flows through or flows around.
Der erfindungsgemäße Reaktor ermöglicht eine sehr ef fektive Umsetzung von Metallcarbonaten oder Calciumcarbonat in ein Metall- oder Calciumoxid und Kohlendioxid . The reactor according to the invention enables a very effective conversion of metal carbonates or calcium carbonate into a metal oxide or calcium oxide and carbon dioxide.
Insbesondere sind folgende Metallcarbonate besonders geeignet : Lithium, Natrium, Kalium, Magnesium, Calcium und Zink In particular, the following metal carbonates are particularly suitable: lithium, sodium, potassium, magnesium, calcium and zinc
Die dafür benötigte Energie wird dem in den Reaktorraum einströmenden Gas oder Gasgemisch mittels einer Glimmentladung oder eines Lichtbogens zugeführt , die bzw . der zwischen den Elektroden des Plasmagenerators vorhanden ist . Die erfindungsgemäße Anordnung von Gaseinlass und den Elektroden des Plasmagenerators sorgt dafür, dass das durch den Gaseinlass in den Reaktorraum strömende Gas in einem Zwischenraum (nachfolgend auch als Kavität bezeichnet ) zwischen den Elektroden des Plasmagenerators strömt . In Folge dessen kommt das Gas mit einer zwischen den Elektroden statt findende Gasentladung in Kontakt . Diese Gasentladung bringt mindestens einen Teil des Gases in den plasmaförmigen Zustand . The energy required for this is supplied to the gas or gas mixture flowing into the reactor chamber by means of a glow discharge or an electric arc. which is present between the electrodes of the plasma generator. The arrangement of the gas inlet and the electrodes of the plasma generator according to the invention ensures that the gas flowing through the gas inlet into the reactor chamber flows in an intermediate space (also referred to below as cavity) between the electrodes of the plasma generator. As a result, the gas comes into contact with a gas discharge taking place between the electrodes. This gas discharge brings at least part of the gas into the plasma state.
Zumindest ein Teil des Gases verlässt den Plasmagenerator als nicht-thermisches Plasma mit sehr hohen Temperaturen ( die Elektronen haben Temperaturen größer 10 . 000 K, die Ionen haben Temperaturen größer 1 . 000 K) und strömt direkt in den Reaktorraum . Wegen der sehr hohen Temperaturen des nicht-thermischen Plasmas laufen die Reaktionen und Umsetzungsprozesse im Reaktorraum sehr zuverlässig und rasch ab . At least part of the gas leaves the plasma generator as a non-thermal plasma with very high temperatures (the electrons have temperatures greater than 10,000 K, the ions have temperatures greater than 1,000 K) and flows directly into the reactor chamber. Because of the very high temperatures of the non-thermal plasma, the reactions and conversion processes in the reactor space take place very reliably and quickly.
Direkt nachdem das durch den Gaseinlass in den Reaktorraum einströmende Gas die Reaktions zone des Plasmagenerators ( auch als Plasma bezeichnet ) durchströmt hat , liegt das gewünschte Produktgas (hier Kohlenmonoxid) vor . Ein Teil dieses Produktgases kann über den Gasauslass für den Produktstrom abgezogen werden . Immediately after the gas flowing through the gas inlet into the reactor chamber has flowed through the reaction zone of the plasma generator (also referred to as plasma), the desired product gas (here carbon monoxide) is present. A portion of this product gas can be drawn off via the gas outlet for the product stream.
Der im Reaktorraum verbleibende Teil des Produktgases strömt auf den im Reaktorraum vorhandenen Feststof f (Metallcarbonat oder Calciumcarbonat oder strömt durch ihn durch, wenn er als Schüttung vorliegt . Dabei überträgt er Wärme auf den Feststof f . Durch den Wärmeeintrag wird das Metall- oder Calciumcarbonat zersetzt und es entstehen ein Metall- oder Calciumoxid sowie Kohlendioxid, das in dem Reaktor weiter zerlegt wird in Kohlenmonoxid ( Produktgas ) und Sauerstof f . The part of the product gas remaining in the reactor space flows onto the solid present in the reactor space (metal carbonate or calcium carbonate) or flows through it if it is in bulk form. It transfers heat to the solid. The heat input decomposes the metal or calcium carbonate and a metal or calcium oxide and carbon dioxide are formed, which is further broken down in the reactor into carbon monoxide (product gas) and oxygen.
Die Wärmeübertragung von dem sehr heißen nicht-thermischen Plasma auf den im Reaktorbehälter befindliche Feststof f ( durch Wärmestrahlung und -leitung) erfolgt mit hoher Leistung und bringt den Feststof f zuverlässig und schnell auf hohe Temperaturen . Auch der über den Gasauslass für den Produktstrom abgezogene Teil des Produktgases überträgt über Wärmestrahlung Energie auf den im Reaktorraum vorhandenen Feststof f . Durch den hohen Energieeintrag bei hohen Temperaturen können unterschiedlichste Carbonate in dem erfindungsgemäßen Reaktor zuverlässig in das entsprechende Oxid und Kohlendioxid zerlegt werden . Bei der erfindungsgemäßen Anwendung wird Metallcarbonat oder Calciumcarbonat ( CaCOs ) in ein Metalloxid oder Calciumoxid ( CaO) umgewandelt ; das erfordert sehr hohe Temperaturen . Gleichzeitig wird das dabei freiwerdende Kohlendioxid ( CO2 ) in das gewünschte Kohlenmonoxid umgewandelt . Unter anderem daraus leitet sich die große Bandbreite möglicher Anwendungen des erfindungsgemäßen Reaktors ab . The heat transfer from the very hot, non-thermal plasma to the solid in the reactor vessel (by thermal radiation and conduction) takes place at high power and brings the solid to high temperatures reliably and quickly. The part of the product gas drawn off via the gas outlet for the product stream also transfers energy to the solids present in the reactor space via thermal radiation. Due to the high energy input at high temperatures, a wide variety of carbonates can be reliably broken down into the corresponding oxide and carbon dioxide in the reactor according to the invention. In the application according to the invention, metal carbonate or calcium carbonate (CaCOs) is converted into a metal oxide or calcium oxide (CaO); this requires very high temperatures. At the same time, the carbon dioxide (CO2) that is released is converted into the desired carbon monoxide. The wide range of possible applications of the reactor according to the invention is derived from this, among other things.
Anders ausgedrückt : Die zum Betrieb des Plasmagenerators erforderliche elektrische Energie wird direkt und nahezu verlustfrei auf das Gas übertragen . Wenn der erfindungsgemäße Feststof f-Plasma-Reaktor mit regenerativ erzeugtem Strom versorgt wird, dann verursacht der Betrieb des Reaktors keine CO2 - Emissionen . In other words, the electrical energy required to operate the plasma generator is transferred directly to the gas with almost no loss. If the solid-state plasma reactor according to the invention is supplied with electricity generated from renewable sources, the operation of the reactor does not cause any CO2 emissions.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Reaktors besteht darin, dass seine Leistung sehr schnell und innerhalb eines großen Bereichs ( z . B . zwischen 20% und 100% der Nennleistung) gesteuert werden kann, ohne dass dies negative Auswirkungen auf die Qualität des Produktgases oder der festen Produkte ( z . B . Branntkalk) hat . Dadurch ist es möglich, immer dann, wenn ein Überschuss an regenerativ erzeugten Strom in den Stromnetzen verfügbar ist , diesen Strom sehr günstig einzukaufen und dadurch die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Reaktors zu verbessern . Außerdem kann dadurch die Abschaltung von Anlagen zur regenerativen Stromerzeugung ( Photovoltaik, Windenergiekonverter ) vermieden werden . Another advantage of the reactor according to the invention is that its power can be controlled very quickly and within a wide range (e.g. between 20% and 100% of the nominal power) without having a negative impact on the quality of the product gas or the solid products (e.g. burnt lime) . This makes it possible whenever a surplus of regeneratively generated electricity is available in the power grids to buy this electricity very cheaply and thereby improve the economic efficiency of the reactor according to the invention. In addition, the shutdown of systems for regenerative power generation (photovoltaics, wind energy converters) can be avoided.
Die thermische Energie der heißen Gase/des Plasmas im Reaktorraum wird wiederum sehr ef fi zient und schnell auf die im Reaktorraum befindlichen Feststof fe übertragen . Die Wärmeübertragung erfolgt nicht nur über Wärmeleitung, sondern ebenfalls durch Wärmestrahlung. In Folge dessen wird der Feststoff bei sehr hohen Temperaturen (größer 1.000 °C) je nach Anwendung nahezu rückstandsfrei in seine Bestandteile zerlegt, oder in ein Produkt (z. B. Branntkalk) umgewandelt. The thermal energy of the hot gases/plasma in the reactor space is in turn transferred very efficiently and quickly to the solids in the reactor space. The Heat transfer occurs not only by conduction, but also by thermal radiation. As a result, the solid is broken down into its components at very high temperatures (greater than 1,000 °C) with almost no residue, depending on the application, or converted into a product (e.g. burnt lime).
Durch die hohen Zersetzungs-Temperaturen werden auch problematische Verbindungen in den Feststoffen, wie z.B. Giftstoffe, sehr verlässlich zersetzt. Verunreinigungen des Feststoffs, beispielsweise mit Halogenen, wie sie in PVC vorkommen, stellen ebenfalls kein Problem dar, da in dem erfindungsgemäßen Reaktor kein Katalysator eingesetzt wird und außerdem in den nachfolgenden Prozessschritten, die das Produktgas weiterverarbeiten, ebenfalls keine Katalysatoren erforderlich sind. Due to the high decomposition temperatures, even problematic compounds in the solids, such as toxins, are decomposed very reliably. Contamination of the solid, for example with halogens, such as those found in PVC, also does not pose a problem, since no catalyst is used in the reactor according to the invention and, moreover, no catalysts are required in the subsequent process steps which further process the product gas.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rezirkulationsleitung den Reaktorraum mit dem Gaseinlass verbindet. Dies bedeutet, dass ein Teil des durch den Gaseinlass in den Reaktor strömenden Gasstroms sich zuvor in dem Reaktorraum befunden hat. Über das Verhältnis zwischen rezirkuliertem Gas aus dem Reaktorraum und dem weiteren, dem Reaktor zuzuführenden Gas, können die im Inneren des Reaktorraums findenden Reaktionen gesteuert werden. In a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that the recirculation line connects the reactor space to the gas inlet. This means that part of the gas stream flowing into the reactor through the gas inlet has previously been in the reactor space. The reactions taking place inside the reactor space can be controlled via the ratio between recirculated gas from the reactor space and the additional gas to be fed to the reactor.
Der Anteil an neu zugeführtem Gas im Verhältnis zu rezirkuliertem Gas kann je nach Anwendung zwischen 0% und 50% liegen. Das rückgeführte Gas kann durch ein Gebläse, einen Kompressor oder eine Strahlpumpe in der Rezirkulationsleitung oder in dem Gaseinlass bewegt werden. Um die Qualität des Produktgases zu steigern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, in der Rezirkulationsleitung und/oder in der Produktgasleitung einen Abscheider anzuordnen . Damit können beispielsweise flüchtige Metalle oder andere störende gas förmige Komponenten abgeschieden werden . Dadurch wird nicht nur die Qualität des Produktgases weiter erhöht , sondern es können Schäden an nachgelagerten Apparaten vermieden werden . The proportion of newly supplied gas in relation to recirculated gas can be between 0% and 50% depending on the application. The recirculated gas can be moved by a fan, a compressor or an ejector in the recirculation line or in the gas inlet. In order to increase the quality of the product gas, it is provided according to the invention to arrange a separator in the recirculation line and/or in the product gas line. In this way, for example, volatile metals or other interfering gaseous components can be separated. This not only further increases the quality of the product gas, but also avoids damage to downstream equipment.
Des Weiteren ist es möglich und in vielen Fällen vorteilhaft , in der Rezirkulationsleitung einen Wärmetauscher vorzusehen, so dass ein Teil der thermischen Energie des in der Rezirkulationsleitung befindlichen Gases auf einen flüssigen oder gas förmigen Wärmeträger übertragen werden kann . Diese Abwärme kann an anderer Stelle , z . B . in einem dem erfindungsgemäßen Reaktor vor- oder nachgelagerten Prozess genutzt werden . Dadurch wird die Ef fi zienz des Gesamt- Prozesses erhöht . Zum Beispiel kann die Abwärme zum Trocknen des aus einem Luftwäscher entnommenen feuchten Calciumcarbonats eingesetzt werden . Furthermore, it is possible and in many cases advantageous to provide a heat exchanger in the recirculation line, so that part of the thermal energy of the gas in the recirculation line can be transferred to a liquid or gaseous heat carrier. This waste heat can be used elsewhere, e.g. B. be used in a reactor according to the invention upstream or downstream process. This increases the efficiency of the overall process. For example, the waste heat can be used to dry the moist calcium carbonate removed from an air washer.
Das ist ohne weiteres möglich, da die Abwärme bei Plasmaprozessen auf einem hohen Temperaturniveau anfällt . So kann beispielsweise eine Absorptionsanlage zur Rückgewinnung von Kohlendioxid aus dem Produktgas mit der anfallenden Abwärme regeneriert werden . This is easily possible since the waste heat in plasma processes occurs at a high temperature level. For example, an absorption system for recovering carbon dioxide from the product gas can be regenerated with the waste heat that occurs.
In manchen Anwendungen des erfindungsgemäßen Reaktors ist der Bedarf an hochenergetischen Elektronen zur Zersetzung/Pyrolyse des Feststof fs im Reaktorraum so hoch, dass Abwärme anfällt .In some applications of the reactor according to the invention, the need for high-energy electrons for the decomposition/pyrolysis of the solid in the reactor space is so high that waste heat is produced.
In diesen Fällen kann die Abwärme durch den Wärmetauscher abgeführt und an anderer Stelle genutzt werden . Es ist auch möglich, in der Rezirkulationsleitung, bevorzugt nach dem Wärmetauscher, ein Stellglied, wie einen Schieber oder ein Stromregelventil , vorzusehen, um die Durchflussrate des Gases durch die Rezirkulationsleitung aktiv steuern zu können . In these cases, the waste heat can be dissipated through the heat exchanger and used elsewhere. It is also possible to provide an actuator, such as a slider or a flow control valve, in the recirculation line, preferably after the heat exchanger, in order to be able to actively control the flow rate of the gas through the recirculation line.
In dem Gaseinlass und/oder der Rezirkulationsleitung ist im Allgemeinen ein Gebläse oder eine Strahlpumpe angeordnet , welche ( s ) das neu in den Prozess einzuführende Gas sowie das durch die Rezirkulationsleitung strömende Gas ansaugt und in den Reaktor fördert . A blower or jet pump is generally arranged in the gas inlet and/or the recirculation line, which sucks in the gas to be introduced into the process and the gas flowing through the recirculation line and conveys it into the reactor.
Um den Betrieb des Reaktors noch besser steuern zu können, können zusätzlich oder alternativ zu dem ein Gebläse oder der Strahlpumpe eine steuerbare Klappe oder ein steuerbares Stromventil in dem Gaseinlass und/oder der Rezirkulationsleitung vorgesehen sein . In order to be able to control the operation of the reactor even better, a controllable flap or a controllable flow control valve can be provided in the gas inlet and/or the recirculation line in addition or as an alternative to the fan or the jet pump.
Damit die Wärmeübertragung und die daraus resultierende Zersetzung oder Umwandlung des Ausgangsstof fs Calciumcarbonat in Calciumoxid möglichst rasch und ef fi zient erfolgt , ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung in dem Reaktorraum ein Rost oder ein Drehrohr vorgesehen . Auf dem Rost bzw . dem Drehrohr liegt der Feststof f und kann dadurch sehr gut von dem heißen Gas/dem Plasma im Reaktorraum durchströmt bzw . angeströmt werden . Dadurch wird die Zersetzung intensiviert und ef fektiver . So that the heat transfer and the resulting decomposition or conversion of the starting material calcium carbonate into calcium oxide takes place as quickly and efficiently as possible, a grate or rotary tube is provided in the reactor space in a preferred embodiment of the invention. On the grate or The solid is in the rotary tube and can therefore easily be flowed through by the hot gas/plasma in the reactor chamber. to be flown. This intensifies the decomposition and makes it more effective.
Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass der Gasauslass für den Produktstrom zwischen Plasmagenerator und Rost angeordnet ist . Die Rezirkulationsleitung wiederum ist so angeordnet , dass das durch den Reaktorraum in die Rezirkulationsleitung strömende Gas zuvor an dem im Reaktorraum befindlichen Feststof f vorbei und/oder zumindest teilweise durch den Feststof f strömt . Das intensiviert und beschleunigt die Wärmeübertragung vom heißen Gas auf den Feststof f und beschleunigt infolgedessen die Zersetzung des Feststof fs in Atome oder kurze Moleküle . Diese gelangen durch Umwäl zung wieder in die Reaktions zone des Plasmareaktors . Das rezirkulierte Gas ist also mit Zwischenprodukten angereichert . In der Reaktions zone des Plasmagenerators werden die Zwischenprodukten in das gewünschte Produktgas Kohlenmonoxid umgewandelt . According to the invention, it is further provided that the gas outlet for the product stream is arranged between the plasma generator and the grate. The recirculation line, in turn, is arranged in such a way that the gas flowing through the reactor space into the recirculation line first flows past the solid in the reactor space and/or at least partially through the solid. This intensifies and accelerates the heat transfer from the hot gas to the solid and consequently accelerates the decomposition of the solid into atoms or short molecules. Through circulation, these return to the reaction zone of the plasma reactor. The recirculated gas is therefore enriched with intermediate products. In the reaction zone of the plasma generator, the intermediate products are converted into the desired product gas, carbon monoxide.
Wenn der Feststof f auf einem Rost oder einem Drehrohr in dem Reaktorraum gelagert ist , dann ist es besonders vorteilhaft , wenn der Auslass der Rezirkulationsleitung und der Gaseinlass bzw . der Plasmagenerator auf verschiedenen Seiten des Rosts bzw . des Drehrohrs angeordnet sind, so dass das Gas durch den Feststof f strömen muss , bevor es in die Rezirkulationsleitung gelangt . If the solid is stored on a grate or a rotary tube in the reactor space, it is particularly advantageous if the outlet of the recirculation line and the gas inlet or the plasma generator on different sides of the grate resp. of the rotary tube are arranged so that the gas has to flow through the solids before it gets into the recirculation line.
Besonders bevorzugt ist es , wenn der Plasmagenerator eine Sti ftelektrode und eine konzentrisch dazu angeordnete Ringelektrode umfasst . Zwischen der Sti ftelektrode und der Ringelektrode entsteht eine nicht-thermische Gasentladung . It is particularly preferred if the plasma generator comprises a pin electrode and a ring electrode arranged concentrically thereto. A non-thermal gas discharge occurs between the pin electrode and the ring electrode.
Durch die Geometrie der Elektroden und deren Anordnung ist gewährleistet , dass das gesamte durch den Gaseinlass in den Reaktorraum strömende Gasgemisch durch die Reaktions zone des Plasmareaktors geführt wird . Bevorzugt ist eine Gleichstrom-Glimmentladung bzw . ein nichtthermischer Lichtbogen durch Gleichstrom . Die dazu erforderliche sehr hohe Gleichspannung kann mit Hil fe einer elektrischen Schaltung zur Bereitstellung einer Gleichspannung für den Plasmagenerator realisiert werden . Eine darauf gerichtete Patentanmeldung wurde von der gleichen Anmelderin am gleichen Tag beim EPA (Amtliches Aktenzeichen PCT/EP2022 / 053608 ) eingereicht . Der Of fenbarungsgehalt dieser Anmeldung wird hiermit durch diese Bezugnahme dem Inhalt dieser Patentanmeldung hinzugefügt . The geometry of the electrodes and their arrangement ensure that the entire gas mixture flowing through the gas inlet into the reactor chamber is guided through the reaction zone of the plasma reactor. Preferred is a DC glow discharge or. a non-thermal arc caused by direct current. The very high DC voltage required for this can be realized with the help of an electrical circuit to provide a DC voltage for the plasma generator. A patent application directed to this was filed by the same applicant on the same day at the EPO (official file number PCT/EP2022/053608). The disclosure content of this application is hereby added to the content of this patent application by this reference.
Zwischen den Elektroden des Plasmagenerators kann aber auch eine Wechselspannung angelegt werden . However, an alternating voltage can also be applied between the electrodes of the plasma generator.
Unabhängig von der Art der Stromversorgung der Elektroden, entsteht zwischen den Elektroden eine dünne stabförmige nichtthermische Gasentladung . Um die Energieübertragung von der stabförmigen Gasentladung auf das über den gesamten Querschnitt der Ringelektrode in den Reaktorraum einströmenden Gas zu optimieren, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, mit Hil fe von Magneten (Elektromagneten oder Permanentmagneten) den Lichtbogen bzw . die Glimmentladung in Bewegung zu versetzen, so dass sie in einer Kreisbewegung um die Sti ftelektrode herumwandert . Die Frequenz dieser Kreisbewegung kann in einem Bereich zwischen 50 Hz und mehreren Kilohertz liegen . Zusammen mit der Strömungsbewegung des Gases , welche durch den Ring strömt , ergibt sich damit eine sehr gute Energieübertragung auf das Gas , welches durch die Ringelektrode strömt . Durch den gleichmäßigen Energieeintrag kann bei j eder Durchströmung ein großer Umsatz der chemischen Prozesse im Plasma erreicht werden . Alternativ oder in Ergänzung zu dieser Lösung mit Magneten ist es auch möglich, stromaufwärts der Elektroden ein Leitelement für das einströmende Gas vorzusehen . Dieses Leitelement kann beispielsweise als wabenförmige Struktur ausgebildet sein, die als Strömungsgleichrichter und Flammsieb dient . Andererseits ist es auch möglich, die Kanäle dieses Leitelements so aus zurichten, dass dem in den Reaktorraum einströmenden Gas ein Drall aufgeprägt wird . Dadurch kann die Gasentladung ebenfalls in Bewegung versetzt werden . Irrespective of the type of power supply to the electrodes, a thin, rod-shaped, non-thermal gas discharge occurs between the electrodes. In order to optimize the energy transfer from the rod-shaped gas discharge to the gas flowing over the entire cross-section of the annular electrode into the reactor chamber, the invention provides for using magnets (electromagnets or permanent magnets) to arrest the arc or to set the glow discharge in motion so that it moves in a circular motion around the pin electrode. The frequency of this circular movement can be in a range between 50 Hz and several kilohertz. Together with the flow movement of the gas that flows through the ring, this results in a very good energy transfer to the gas that flows through the ring electrode. Due to the uniform energy input, a large conversion of the chemical processes in the plasma can be achieved with every flow. As an alternative or in addition to this solution with magnets, it is also possible to provide a guiding element for the inflowing gas upstream of the electrodes. This guide element can be designed, for example, as a honeycomb structure that serves as a flow straightener and flame screen. On the other hand, it is also possible to align the channels of this guiding element in such a way that the gas flowing into the reactor chamber is imparted with a twist. In this way, the gas discharge can also be set in motion.
Damit die im Reaktorraum ablaufenden Prozesse kontinuierlich ablaufen können, ist in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen, eine Schleuse zum Einschleusen von Feststof f in den Reaktorraum vorzusehen . Diese Schleuse ist bevorzugt eine gasdichte Schleuse , so dass während des Einbringens von Feststof fen in den Reaktorraum durch die Schleuse kein Gas in die Umgebung entweichen kann . So that the processes taking place in the reactor space can run continuously, a further advantageous embodiment provides for a lock for introducing solids into the reactor space. This lock is preferably a gas-tight lock, so that no gas can escape into the environment through the lock while solids are being introduced into the reactor space.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar . Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Ansprüchen of fenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein . Further advantages and advantageous configurations of the invention can be found in the following drawing, its description and the patent claims. All of the features disclosed in the drawing, its description and the claims can be essential to the invention both individually and in any combination with one another.
Zeichnung drawing
Es zeigen : Show it :
Figur 1 eine vereinfachte und schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Reaktors ; Figur 2 ein Detail betref fend die Ringelektrode und die Sti ftelektrode und das Leitelement aus der Figur 1 ; FIG. 1 shows a simplified and schematic illustration of the reactor according to the invention; FIG. 2 shows a detail relating to the ring electrode and the pin electrode and the guide element from FIG. 1;
Figur 3 , 4 und 5 verschiedene Konfigurationen erfindungsgemäßer Reaktoren und Figure 3, 4 and 5 different configurations of reactors according to the invention and
Figur 6 ein Gegenstrom-Luftwäscher (Absorber ) zum Einfangen von Kohlendioxid aus der Luft und Figure 6 shows a countercurrent air washer (absorber) for capturing carbon dioxide from the air and
Figur 7 eine Abbildung des Gesamtprozesses Figure 7 depicts the overall process
Beschreibung der Aus führungsbeispiele Description of the exemplary embodiments
In der Figur 1 ist stark vereinfacht der erfindungsgemäße Plasmareaktor 1 dargestellt . Er umfasst einen Reaktorbehälter 3 mit einem Gaseinlass 5 , einem Gasauslass 6 für den Produktstrom und einer Rezirkulationsleitung 7 . FIG. 1 shows the plasma reactor 1 according to the invention in a highly simplified manner. It comprises a reactor vessel 3 with a gas inlet 5 , a gas outlet 6 for the product stream and a recirculation line 7 .
Im Inneren des Reaktorbehälters 3 , dem Reaktorraum 12 , befindet sich ein Teil des Plasmagenerators , nämlich eine Sti ftelektrode 9 und eine Ringelektrode 11 . Die Sti ftelektrode 9 ist bei einer Gasentladung in der Regel die Kathode , während die Ringelektrode 11 bevorzugt als Anode ausgebildet ist . A part of the plasma generator, namely a pin electrode 9 and a ring electrode 11 , is located inside the reactor container 3 , the reactor space 12 . In the case of a gas discharge, the pin electrode 9 is generally the cathode, while the ring electrode 11 is preferably designed as the anode.
Die zur Erzeugung des Plasmas erforderliche elektrische Schaltung ist in einem externen Gehäuse untergebracht , das in den Figuren 3 bis 5 dargestellt ist . The electrical circuitry required to generate the plasma is housed in an external housing shown in FIGS. 3-5.
Der Gaseinlass 5 ist so geführt , dass das einströmende Gas durch eine ( zylindrischen) Kavität 17 oberhalb der Ringelektrode 11 und an der zentralen Sti ftelektrode 9 vorbei zur Ringelektrode 11 strömt . In der Kavität 17 ist ein Leitelement 21 für das einströmende Gasgemisch vorhanden, das zum Beispiel als of fenporiger Keramikschaum ausgeführt sein kann . Es dient als Strömungsgleichrichter und verringert den Wärmeeintrag vom Reaktorraum 12 in die Kavität 17 und den Gaseinlass 5 . Das Leitelement 21 kann aber auch als wabenförmige Struktur ausgebildet sein, die dem Gas einen Drall aufprägt . The gas inlet 5 is guided in such a way that the inflowing gas flows through a (cylindrical) cavity 17 above the ring electrode 11 and past the central pin electrode 9 to the ring electrode 11 . In the cavity 17 there is a guide element 21 for the inflowing gas mixture, which can be designed, for example, as an open-pore ceramic foam. It serves as a flow straightener and reduces the heat input from the reactor space 12 into the cavity 17 and the gas inlet 5 . However, the guide element 21 can also be designed as a honeycomb structure that imparts a swirl to the gas.
Zwischen der Spitze der Sti ftelektrode 9 und der eigentlichen Ringelektrode 11 entsteht ein Lichtbogen bzw . eine Glimmentladung, nachfolgend als Gasentladung 13 bezeichnet . Das einströmende Gas wird durch die Gasentladung zumindest teilweise in ein nicht-thermisches Plasma überführt und erreicht dabei sehr hohe Temperaturen ( die Elektronen haben Temperaturen größer 10 . 000 K, die Ionen haben Temperaturen größer 1 . 000 K) . Between the tip of the pin electrode 9 and the actual ring electrode 11, an arc or arc occurs. a glow discharge, hereinafter referred to as gas discharge 13 . The inflowing gas is at least partially converted into a non-thermal plasma by the gas discharge and in the process reaches very high temperatures (the electrons have temperatures greater than 10,000 K, the ions have temperatures greater than 1,000 K).
Dieses Plasma gelangt anschließend in den eigentlichen Reaktorraum 12 . Dort überträgt es die Wärme durch Strahlung und Wärmeleitung, auf den im unteren Teil des Reaktorraums 12 befindlichen Feststof f 15 , der zumeist in Form eine Schüttung vorliegt . This plasma then reaches the actual reactor space 12 . There it transfers the heat by radiation and thermal conduction to the solid material 15 located in the lower part of the reactor chamber 12, which is usually in the form of a bed.
Dadurch, dass ein Teil des im Reaktorraum befindlichen Gases über die Rezirkulationsleitung 7 in den Gaseinlass 5 transportiert wird, können die Aufenthaltsdauer des Gases im Reaktorraum 12 und die Energie , die dem Gas durch das Plasma 13 zugeführt wird, gesteuert werden Because part of the gas in the reactor space is transported via the recirculation line 7 into the gas inlet 5, the residence time of the gas in the reactor space 12 and the energy that is supplied to the gas by the plasma 13 can be controlled
An der Begrenzung der Kavität 17 sind Magnete 39 angeordnet .Magnets 39 are arranged at the boundary of the cavity 17 .
Sie können als Permanent- oder Elektromagnete ausgeführt sein .They can be designed as permanent or electromagnets.
Die dadurch entstehenden Magnetfeldlinien sind durch punktierte Linien angedeutet . Aufgrund der Magnetfeldlinien macht die Glimmentladung 13 eine kreis förmige Bewegung um die Sti ftelektrode 9 herum und überstreicht dadurch die gesamte kreisringförmige Fläche zwischen Ringelektrode 11 und Sti ftelektrode 9 . Dadurch wird die Anregung des durch die kreisringförmige Fläche strömenden Gases intensiviert . Das in der Reaktions zone entstehende Plasma hat in erster Näherung durch die schnelle Rotation eines Entladungskanals zwischen der Sti ftelektrode 9 und der Ringelektrode 11 mit 50 Hz bis zu mehreren kHz die Form einer Scheibe und nimmt ein großes Volumen ein . The resulting magnetic field lines are through dotted lines indicated. Due to the magnetic field lines, the glow discharge 13 makes a circular movement around the pin electrode 9 and thus sweeps over the entire annular surface between the ring electrode 11 and the pin electrode 9 . This intensifies the excitation of the gas flowing through the annular surface. Due to the rapid rotation of a discharge channel between the pin electrode 9 and the ring electrode 11 at 50 Hz to several kHz, the plasma produced in the reaction zone has the shape of a disk in a first approximation and occupies a large volume.
In der Figur 2 ist ein Detail des erfindungsgemäßen Reaktors etwas vergrößert dargestellt . FIG. 2 shows a somewhat enlarged detail of the reactor according to the invention.
Das Leitelement 21 kann auch, ähnlich wie bei einem Katalysator, eine wabenförmige Struktur aufweisen (nicht ) dargestellt ) . Durch diese parallel zueinander und parallel zur Längsachse der Sti ftelektrode 9 verlaufenden Kanäle strömt das Gas von 17 in den Reaktorraum 12 . Auch diese Aus führungs form eines Leitelements 21 verhindert den Wärmeeintrag in die Kavität 17 und wirkt als Gleichrichter . The guide element 21 can also have a honeycomb structure (not shown) similar to a catalytic converter. The gas flows from 17 into the reactor chamber 12 through these channels, which run parallel to one another and parallel to the longitudinal axis of the pin electrode 9 . This embodiment of a guide element 21 also prevents heat from entering the cavity 17 and acts as a rectifier.
Es ist aber auch möglich, die nicht dargestellten Kanäle eines Leitelements 21 so anzuordnen und zu formen, dass sie dem Gas einen Drall aufprägen . Dann tritt das Gas , nachdem es das Leitelement 21 und die Glimmentladung 13 durchströmt hat , mit einem Drall in den Reaktorraum 3 . Dadurch wird die Verteilung des Plasmas bzw . des hocherhitzten Gases im Reaktorraum weiter verbessert . In manchen Fällen können dadurch die Magnete 39 entfallen . In den Figuren 3 , 4 und 5 sind vereinfachte Schnittdarstellungen verschieden konfigurierter erfindungsgemäßer Reaktoren 1 dargestellt . Die meisten Bauteile dieser Schnittdarstellungen sind bereits bekannt . Daher werden sie nicht nochmals erläutert . However, it is also possible to arrange and shape the channels, not shown, of a guide element 21 in such a way that they impart a swirl to the gas. The gas then enters the reactor chamber 3 with a swirl after it has flowed through the guiding element 21 and the glow discharge 13 . As a result, the distribution of the plasma or of the highly heated gas in the reactor space is further improved. In some cases, the magnets 39 can be omitted as a result. FIGS. 3, 4 and 5 show simplified sectional views of differently configured reactors 1 according to the invention. Most of the components in these sectional views are already known. Therefore they will not be explained again.
Die elektrische Schaltung des Plasmagenerators 23 , welche die Elektroden 9 , 11 mit Hochspannung ( Gleichspannung oder Wechselspannung) versorgt , um die Glimmentladung zu starten und aufrecht zu erhalten ist schematisch durch einen Block 41 dargestellt . Details dieser Schaltung können, wie bereits erwähnt , einer Patentanmeldung der Anmelderin entnommen werden, die beim DPMA am gleichen Tag eingereicht wurde . The electrical circuit of the plasma generator 23 which supplies the electrodes 9 , 11 with high voltage (DC voltage or AC voltage) in order to start and maintain the glow discharge is represented schematically by a block 41 . As already mentioned, details of this circuit can be found in a patent application filed by the applicant with the DPMA on the same day.
In den Figuren 3 bis 5 ist der Reaktorraum 12 seitlich von dem Plasmagenerator 23 angeordnet . Zwischen dem Plasmagenerator 23 und der Reaktorbehälter 3 ist ein Zwischenstück 43 vorgesehen, an welches der Gaseinlass 5 und der Auslass 6 für das Produktgas angeschlossen sind . In FIGS. 3 to 5, the reactor space 12 is arranged to the side of the plasma generator 23 . An intermediate piece 43 is provided between the plasma generator 23 and the reactor container 3, to which the gas inlet 5 and the outlet 6 for the product gas are connected.
Bei den Aus führungsbeispielen gemäß Figur 3 und 5 ist ein Rost 25 im Reaktorraum 12 vorgesehen . Auf diesem Rost 25 befindet sich der Feststof f 15 . Die Aus führungsbeispiele der Figuren 3 und 5 unterscheiden sich vor allem hinsichtlich der Anordnung des Rosts 25 relativ zu dem Zwischenstück 43 . Auf dem Rost 15 ist ein Feststof f 15 auf geschichtet . Am oberen Ende des Reaktorbehälter 3 zweigt die Rezirkulationsleitung 7 ab . In the exemplary embodiments according to FIGS. 3 and 5, a grate 25 is provided in the reactor space 12 . The solid matter 15 is located on this grate 25 . The exemplary embodiments in FIGS. 3 and 5 differ primarily with regard to the arrangement of the grate 25 relative to the intermediate piece 43 . A solid is layered on the grate 15 . The recirculation line 7 branches off at the upper end of the reactor vessel 3 .
In der Figur 4 ist eine Konstellation mit schräggestelltem Rost dargestellt . Am Boden des Reaktorbehälters 3 ist der Feststof f 15 und an dem in Figur 4 rechten Ende des Reaktorbehälters 3 ist die Rezirkulationsleitung 7 angeordnet . Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 entspricht weitgehend dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3. Im Wesentlichen unterscheiden sich die Positionen der Roste 15 voneinander. FIG. 4 shows a configuration with an inclined grate. The solid 15 is located at the bottom of the reactor vessel 3 and the recirculation line 7 is located at the right-hand end of the reactor vessel 3 in FIG. The exemplary embodiment according to FIG. 5 largely corresponds to the exemplary embodiment according to FIG. 3. The positions of the grates 15 differ essentially from one another.
In der Figur 6 sind die beiden Stufen oder Prozessschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens samt den zugehörigen Apparaten vereinfacht dargestellt. FIG. 6 shows the two stages or process steps of the method according to the invention together with the associated apparatus in simplified form.
Mit 49 ist ein an si^h bekannter Luftwäscheri (kaustische Absorber) 49 dargestellt. Er umfasst einen Windturm 51 und einen Kreislauf für die basische Lösung (Hier Na2CO3 (aq) + CA(OH)2 (aq) => 2 NaOH (aq) + CaCO3. An air washer (caustic absorber) 49 known per se is shown at 49 . It comprises a wind tower 51 and a circuit for the basic solution (here Na2CO 3 (aq) + CA(OH) 2 (aq) => 2 NaOH (aq) + CaCO 3 .
In den Windturm 51 strömt bei diesem Ausführungsbeispiel von oben CO2-reiches Gas (Luft) ein. In einem Boden 53 wird die von einer Umwälzpumpe 55 geförderte wässrige Lösung in den Windturm 49 eingesprüht. In this exemplary embodiment, CO2-rich gas (air) flows into the wind tower 51 from above. The aqueous solution conveyed by a circulating pump 55 is sprayed into the wind tower 49 in a tray 53 .
Tröpfchen dieser Lösung regnen dann nach unten in ein Droplets of this solution then rain down into a
Auf f angbecken 57, das auch als Vorratsbehälter dient. Während der Flugphase der Tröpfchen zwischen dem Boden 53 und dem Vorratsbehälter 57 absorbieren die Tröpfchen Kohlendioxid aus der Luft. Catch basin 57, which also serves as a storage tank. During the flight phase of the droplets between the floor 53 and the reservoir 57, the droplets absorb carbon dioxide from the air.
In dem Auf f angbecken 57 scheidet sich Calciumcarbonat (CaCo3) ab, das entweder regelmäßig oder kontinuierlich aus dem Auf f angbecken 57 abgezogen wird. Das kann durch eine Zentrifuge, einen Filter oder Sedimentation erfolgen. Um die Stof fbilanz aus zugleichen werden Calciumoxid und Wasser zugeführt . (Wasser wird in großem Überschuss eingesetzt um Verdunstung aus zugleichen) Calcium carbonate (CaCo3) separates out in the catch basin 57 and is drawn off from the catch basin 57 either regularly or continuously. This can be done by a centrifuge, a filter or sedimentation. Calcium oxide and water are added to equalize the material balance. (Water is used in large excess to compensate for evaporation)
Das aus dem Auf f angbecken 57 abgezogene Calciumcarbonat ( CaCo3 ) wird dem erfindungsgemäßen Plasmareaktor 1 zugeführt , der um unteren Teil der Figur 6 schematisch dargestellt ist . The calcium carbonate (CaCo 3 ) withdrawn from the collecting tank 57 is fed to the plasma reactor 1 according to the invention, which is shown schematically in the lower part of FIG.
Der Transport des Calciumcarbonats ( CACO3 ) in den Reaktor 1 und der Transport des Calciumoxids ( CAO) aus dem den Reaktor 1 könne beispielsweise mittels eines Drehrohrs (nicht dargestellt ) erfolgen . An einem ersten Ende des Drehrohrs wird das Calciumcarbonat zugegeben . Die von dem Plasma 13 erzeugten heißen Gase durchströmen das Drehrohr und wandeln das Calciumcarbonat in Calciumoxid und Kohlendioxid um . An dem anderen Ende des Drehrohrs kommt Calciumoxid an . Dieses Calciumoxid kann anschließend wieder in dem Luftwäscher 49 eingesetzt werden . The calcium carbonate (CACO3) can be transported into the reactor 1 and the calcium oxide (CAO) can be transported out of the reactor 1, for example, by means of a rotary tube (not shown). The calcium carbonate is added at a first end of the rotary tube. The hot gases generated by the plasma 13 flow through the rotary tube and convert the calcium carbonate into calcium oxide and carbon dioxide. Calcium oxide arrives at the other end of the rotary tube. This calcium oxide can then be used again in the air washer 49 .
In der Figur 7 ist sind die Stof fströme des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Art eines Blockschaltbilds dargestellt . FIG. 7 shows the material flows of the method according to the invention in the form of a block diagram.
Bezugs zeichenliste reference character list
I Plasmareaktor I plasma reactor
3 Reaktorbehälter 3 reactor vessels
5 Gaseinlass 5 gas inlet
6 Auslass für das Produktgas 6 Outlet for the product gas
7 Rezirkulationsleitung 7 recirculation line
9 Sti ftelektrode 9 pin electrode
I I Ringelektrode 12 Reaktorraum II ring electrode 12 reactor room
13 Gasentladung 13 gas discharge
15 Feststof f 15 solid f
17 Kavität 17 cavity
19 - 21 Leitelement 19 - 21 guiding element
23 Plasmagenerator 23 plasma generator
25 Rost 25 rust
27 Schleuse 27 lock
29 -29 -
31 Vorratsbehälter 31 reservoir
33 Gebläse 33 blowers
35 erster Abscheider 35 first separator
37 Wärmetauscher 37 heat exchanger
39 Magnet 39 magnets
41 Gehäuse 41 housing
43 Zwischenstück 43 intermediate piece
49 Luftwäscher ( kaustischer Absorber )49 air washer (caustic absorber)
51 Windturm 51 wind tower
53 Boden 53 floor
55 Umwäl zpumpe 55 circulation pump
57 Auf f angbecken 57 Catch basin

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Verfahren zur Herstellung von Kohlenmonoxid aus atmosphärischem Kohlendioxid (CO2) umfassend die Verfahrensschritte : 1. Process for the production of carbon monoxide from atmospheric carbon dioxide (CO2) comprising the process steps:
- Bilden eines Metallcarbonats (Mx(CO3)y) in einem Luftwäscher (49) aus einer wässrigen Lösung eines Metallhydroxids (Mx(0H)2y) und Kohlendioxid (C02) aus der Umgebungsluft, wobei das Kohlendioxid (C02) mit der basischen oder wässrigen Lösung des Metallhydroxids (Mx(OH)2y) zu einem Metallcarbonat (Mx(CC>3)y) reagiert, und - Forming a metal carbonate (M x (CO3) y ) in an air scrubber (49) from an aqueous solution of a metal hydroxide (M x (OH) 2 y ) and carbon dioxide (C02) from the ambient air, the carbon dioxide (C02) with the basic or aqueous solution of the metal hydroxide (M x (OH) 2y ) to form a metal carbonate (M x (CC>3) y ), and
- Zersetzen des zuvor in dem Luftwäscher (49) gebildeten Metallcarbonats (Mx(CC>3)y) in dessen Oxid (Mx0y) und Kohlendioxid (CO2) in einem Feststoff-Plasma-Reaktor (1) und - Decomposing the previously formed in the air washer (49) metal carbonate (M x (CC> 3) y ) in its oxide (M x 0 y ) and carbon dioxide (CO2) in a solid plasma reactor (1) and
- Zerlegen des Kohlendioxids (CO2) in Kohlenmonoxid (CO) und Sauerstoff (O2) ebenfalls in dem Feststoff-Plasma-Reaktor (1) durch das Plasma (13) . - Decomposition of the carbon dioxide (CO2) into carbon monoxide (CO) and oxygen (O2) also in the solid plasma reactor (1) by the plasma (13).
2. Verfahren zur Herstellung von Kohlenmonoxid aus atmosphärischem Kohlendioxid (CO2) umfassend die Verfahrensschritte : 2. Process for the production of carbon monoxide from atmospheric carbon dioxide (CO2) comprising the process steps:
- Bilden von Natriumcarbonat (Na2COs) und Wasser in einem Luftwäscher (49) aus einer wässrigen Lösung von Natriumhydroxid (NaOH) und Kohlendioxid (C02) aus der Umgebungsluft, wobei das Natriumcarbonat (Na2COs) mit Calciumhydroxid (Ca(OH)2) ) zu Calciumcarbonat (CaCOs) und Natriumhydroxid (2 (NaOH) ) reagiert, und - Zersetzen des zuvor in dem Luftwäscher (49) gebildeten Calciumcarbonats (CaCOs) in Calciumoxid (CaO) und Kohlendioxid (CO2) in einem Feststoff-Plasma-Reaktor (1) und - Formation of sodium carbonate (Na2COs) and water in an air washer (49) from an aqueous solution of sodium hydroxide (NaOH) and carbon dioxide (C02) from the ambient air, whereby the sodium carbonate (Na2COs) with calcium hydroxide (Ca(OH)2) to Calcium carbonate (CaCOs) and sodium hydroxide (2 (NaOH) ) react, and - Decomposing the previously formed in the air washer (49) calcium carbonate (CaCOs) into calcium oxide (CaO) and carbon dioxide (CO2) in a solid plasma reactor (1) and
- Zerlegen des Kohlendioxids (CO2) in Kohlenmonoxid (CO) und Sauerstoff (O2) ebenfalls in dem Feststoff-Plasma-Reaktor (1) durch das Plasma (13) . Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlendioxid (C02) aus der Luft über Zwischenprodukte mit einer wässrigen Lösung reagiert. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallcarbonat oder das Calciumcarbonat aus dem Absorptionsmedium entnommen und dem Feststoff-Plasma- Reaktor (1) zugeführt wird, und dass das dort entstehende Metalloxid (Mx0y) oder Calciumoxid (CaO) zurück in das Absorptionsmedium des Luftwäschers (49) gefördert wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in oder nach dem Feststoff-Plasma- Reaktor (1) ein Sauerstoff absorber eingesetzt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilstrom des Kohlenmonoxids dem Reaktor (1) (CO) als Produktgas entnommen wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es unter Verwendung eines Reaktors (1) nach einem der nachfolgenden Vorrichtungsansprüche durchgeführt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma direkt im Reaktorraum (12) des Reaktors (1) und nicht in einer separaten Kavität erzeugt wird. Reaktor umfassend einen Reaktorraum (12) , mindestens einen Plasmagenerator (23) mit zwei Elektroden (9, 11) , mindestens einen Gaseinlass (5) , einen Gasauslass (6) für den Produktstrom und eine Rezirkulationsleitung (7) , wobei der mindestens eine Plasmagenerator (23) zwischen dem Gaseinlass- Decomposition of the carbon dioxide (CO2) into carbon monoxide (CO) and oxygen (O2) also in the solid plasma reactor (1) by the plasma (13). Method according to Claim 1 or 2, characterized in that the carbon dioxide (CO 2 ) from the air reacts with an aqueous solution via intermediate products. Method according to one of the preceding method claims, characterized in that the metal carbonate or the calcium carbonate is removed from the absorption medium and fed to the solid plasma reactor (1), and that the metal oxide (M x 0 y ) or calcium oxide (CaO) formed there is conveyed back into the absorption medium of the air washer (49). Method according to one of the preceding claims, characterized in that an oxygen absorber is used in or after the solid plasma reactor (1). Method according to one of the preceding claims, characterized in that a partial flow of carbon monoxide is taken from the reactor (1) (CO) as product gas. Method according to one of the preceding method claims, characterized in that it is carried out using a reactor (1) according to one of the following device claims. Method according to one of the preceding method claims, characterized in that the plasma is generated directly in the reactor space (12) of the reactor (1) and not in a separate cavity. Reactor comprising a reactor space (12), at least one plasma generator (23) with two electrodes (9, 11), at least one gas inlet (5), a gas outlet (6) for the product stream and a recirculation line (7), the at least one plasma generator (23) between the gas inlet
(5) und dem Reaktorraum (12) angeordnet ist, so dass er von dem durch den Gaseinlass (5) in den Reaktorraum (12) strömenden Gas oder Gasgemisch durchströmt wird. . Reaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rezirkulationsleitung (7) einen Abscheider (35) und/oder einen Wärmetauscher (37) durchströmt. . Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Reaktorraum (12) ein Rost (25) oder ein Drehrohr vorgesehen ist. . Reaktor nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsgas durch die Reaktionszone des Plasmas und anschließend direkt auf einen Feststoff geleitet wird. . Reaktor nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasauslass (6) für den Produktstrom zwischen Plasmagenerator und Rost oder Feststoffen angeordnet ist. . Reaktor nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Rezirkulationsleitung (7) so angeordnet ist, dass das durch den Reaktorraum (12) in die Rezirkulationsleitung (7) strömende Gas (zuvor) an einem im Reaktorraum (12) befindlichen Feststoff (15) vorbeiströmt und/oder durch den Feststoff (15) strömt. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmagenerator (23) eine Stiftelektrode (9) und eine Ringelektrode (11) umfasst. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmagenerator (23) eine nicht-thermische Gasentladung (13) mittels Gleichspannung erzeugt . Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmagenerator (23) Permanentmagnete oder eine Magnetspule (39) umfasst, welche einen zwischen Stiftelektrode (9) und Ringelektrode (11) vorhandenen Lichtbogen oder Glimmentladung (13) in Bewegung versetzen . Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts der Elektroden (9, 11) ein Leitelement (21) für das einströmende Gas vorgesehen ist, wobei das Leitelement (21) das durch den Gaseinlass (5) in den Plasmagenerator (23) strömende Gas ausrichtet und / oder mit einem Drall versieht. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Schleuse (27) zum kontinuierlichen oder intervallweisen Einschleusen von Feststoff (15) in den Reaktorraum (12) umfasst. (5) and the reactor space (12) so that the gas or gas mixture flowing through the gas inlet (5) into the reactor space (12) flows through it. . Reactor according to Claim 9, characterized in that the recirculation line (7) flows through a separator (35) and/or a heat exchanger (37). . Reactor according to one of the preceding claims, characterized in that a grid (25) or a rotary tube is provided in the reactor space (12). . Reactor according to one of Claims 9 to 11, characterized in that the working gas is passed through the reaction zone of the plasma and then directly onto a solid. . Reactor according to one of Claims 9 to 12, characterized in that the gas outlet (6) for the product stream is arranged between the plasma generator and the grate or solids. . Reactor according to one of claims 9 to 13, characterized in that the recirculation line (7) is arranged so that through the reactor space (12) in the Recirculation line (7) flowing gas (before) flows past a solid (15) located in the reactor space (12) and/or flows through the solid (15). Reactor according to one of the preceding claims 9 to 14, characterized in that the plasma generator (23) comprises a pin electrode (9) and a ring electrode (11). Reactor according to one of the preceding claims 9 to 15, characterized in that the plasma generator (23) generates a non-thermal gas discharge (13) by means of DC voltage. Reactor according to one of the preceding claims 9 to 16, characterized in that the plasma generator (23) comprises permanent magnets or a magnetic coil (39) which set in motion an arc or glow discharge (13) present between the pin electrode (9) and ring electrode (11). . Reactor according to one of the preceding claims 9 to 17, characterized in that upstream of the electrodes (9, 11) there is a guide element (21) for the inflowing gas, the guide element (21) passing through the gas inlet (5) into the plasma generator (23) aligns and/or swirls the flowing gas. Reactor according to one of the preceding claims 9 to 18, characterized in that it comprises a sluice (27) for the continuous or intermittent introduction of solids (15) into the reactor space (12).
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