DE102006019406A1 - Selective oxidation-reactor for purification of carbon monoxide from gas mixture, comprises first- and second tube guiding cooling agent, third tube arranged between first and second tubes, fourth tube and holding device locking four tubes - Google Patents
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Abstract
Description
Gegenstand der Erfindung ist ein selektiver Oxidations-Reaktor zur Kohlenmonoxidfeinreinigung, ein Reformer-Brennstoffzellen-System mit einem solchen selektiven Oxidations-Reaktor sowie ein Verfahren zur Kohlenmonoxidfeinreinigung mittels eines solchen selektiven Oxidations-Reaktors.object the invention is a selective oxidation reactor for carbon monoxide purification, a reformer fuel cell system with such a selective Oxidation reactor and a method for fine carbon monoxide purification by means of a such selective oxidation reactor.
Es
ist bekannt, dass durch Dampf-Reformieren von Kohlenwasserstoffen,
insbesondere von Methan als Hauptbestandteil von Erdgas, ein wasserstoffhaltiges
Produktgas hergestellt werden kann. Die Wasserdampf-Reformierung
läuft im
Wesentlichen nach den zwei unabhängigen
Reaktionsgleichungen
7% CO2, 9% CO,
1% CH4, 27% H2O
sowie 56% H2. Ein solches Gasgemisch ist
für die
Verwendung bei PEM-Brennstoffzellen ungeeignet, da das vorhandene
Kohlenmonoxid die Katalysatoren der Brennstoffzellen angreift und
die Geschwindigkeit der zur Stromgewinnung notwendigen Oxidation
deutlich herabsetzt. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, das Gasgemisch
vor der Verwendung derart zu reinigen, dass der Kohlenmonoxid-Anteil
bei nachgeschalteten Hochtemperatur-Brennstoffzellen auf wenige Prozent,
und bei nachgeschalteten Niedertemperatur-Brennstoffzellen bis auf 10–100 ppm
reduziert wird. Dies geschieht in der Regel in zwei hintereinander
geschalteten Reaktionsstufen, wobei die erste einen sogenannten
Shift- Konverter
und die zweite Stufe eine Gasfeinreinigung mittels selektiver Oxidation oder
selektiver Methanisierung aufweist. In der Shift-Konverterstufe
läuft die
Konvertierung entsprechend der exothermen homogenen Wasser-Gas-Reaktion
ab
7% CO 2 , 9% CO, 1% CH 4 , 27% H 2 O and 56% H 2 . Such a gas mixture is unsuitable for use in PEM fuel cells, since the existing carbon monoxide attacks the catalysts of the fuel cell and significantly reduces the speed of the oxidation necessary for the production of electricity. For this reason, it is necessary to purify the gas mixture before use in such a way that the carbon monoxide content is reduced to a few percent in downstream high-temperature fuel cells, and to 10-100 ppm in downstream low-temperature fuel cells. This usually takes place in two successive reaction stages, the first having a so-called shift converter and the second stage having a gas fine purification by means of selective oxidation or selective methanation. In the shift converter stage, the conversion proceeds according to the exothermic homogeneous water-gas reaction
Dabei
weist die Shift-Konverterstufe in der Regel zwei unterschiedliche
Temperaturstufen auf, nämlich
den Hochtemperatur-Shift
(HT-Shift) beispielsweise an einem Fe-Cr-Katalysator bei Temperaturen
zwischen 300–500°C und dem
Niedertemperatur-Shift (NT-Shift) beispielsweise an einem Cu-Zn-Katalysator bei Temperaturen
von 200–300 °C. Nach einer
derartigen Shift-Konvertierung enthält das Gasgemisch einen Kohlenmonoxidgehalt
von etwa 0,5 bis 1%. Um diesen insbesondere für Niedertemperatur-Brennstoffzellen
weiterhin zu hohen Kohlenmonoxidgehalt zu reduzieren, wird die erwähnte Gasfeinreinigungsstufe
nachgeschaltet. Bei dieser reagiert das in dem Gasgemisch vorhandene
Kohlenmonoxid unter Zugabe von Sauerstoff und in Anwesenheit eines
geeigneten Katalysators zu Kohlendioxid, gemäß der Reaktion
Diese
Reaktion sollte weitestgehend selektiv, d.h. mit möglichst
unterdrückter
Wasserstoff-Oxidation ablaufen
Beide Reaktionen sind exotherm, d.h. Wärme abgebend, wobei – um eine annähernd isotherme und stationäre Reaktionsführung zu gewährleisten – ein stetiger Wärmeaustrag stattfinden muss. Dieser wird mittels einer Kühleinrichtung bewirkt.Both Reactions are exothermic, i. warmth leaving, where - um an approximate isothermal and stationary reaction to ensure - a steady heat output must take place. This is effected by means of a cooling device.
Aufgrund der von den eingesetzten Katalysatoren bereitgestellten Selektivität, die das Verhältnis zwischen dem angestrebten Kohlenmonoxid-Oxidations-Umsatz und dem zu unterdrückenden Wasserstoff-Oxidations-Umsatz festlegt, kann – sofern der Kohlenmonoxidanteil im Gasgemisch bekannt ist – die Menge des dem Gasgemisch zuzuführenden Sauerstoffs aufgrund der stöchiometrischen Verhältnisse berechnet werden. Dabei muss eine gute Vermischung des Gasgemisches und des zuzuführenden Sauerstoffes erfolgen, da sich ansonsten aufgrund der geringen Partialdrücke von Kohlenmonoxid und Sauerstoff durch Inhomogenitäten lokal unterschiedliche Konzentrationsverhältnisse ausbilden.by virtue of the selectivity provided by the catalysts used, which is the relationship between the targeted carbon monoxide oxidation conversion and the to suppress Hydrogen oxidation turnover sets can - if the carbon monoxide content in the gas mixture is known - the Amount of the oxygen to be supplied to the gas mixture due to the stoichiometric conditions be calculated. It must have a good mixing of the gas mixture and the one to be supplied Oxygen, as otherwise due to the low partial pressures of Carbon monoxide and oxygen are locally different due to inhomogeneities concentration ratios form.
Die
Die
Im Stand der Technik bekannte Anlagen zur Kohlenmonoxidfeinreinigung können aufgrund ihrer Abmessungen oder ihrer Komplexität nicht derartig kompakt gebaut werden, dass sie mit wenigen Bauteilen hergestellt werden können.in the Prior art systems for carbon monoxide purification can not so compact due to their size or complexity be that they can be manufactured with few components.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die es ermöglicht, eine kompakte Kohlenmonoxidfeinreinigungsstufe bereitzustellen.Of the Invention is therefore based on the object to a solution create, which allows one to provide a compact carbon monoxide purification stage.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch Bereitstellen eines selektiven Oxidations-Reaktors zur Kohlenmonoxidfeinreinigung, dessen Einsatz in Reformer-Brennstoffzellen-Systemen sowie durch ein Verfahren zur Kohlenmonoxidfeinreinigung mittels des erfindungsgemäßen selektiven Oxidations-Reaktors gelöst.The The object of the invention is achieved by providing a selective Oxidation reactor for carbon monoxide fine purification, its use in reformer fuel cell systems and by a method for fine carbon monoxide purification by means of the selective according to the invention Oxidation reactor solved.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher einen selektiven O-xidations-Reaktor zur Kohlenmonoxidfeinreinigung eines Gasgemisches, umfassend zumindest drei im Wesentlichen koaxial angeordnete Rohre mit unterschiedlichen Radien und eine die mindestens drei Rohre arretierende Haltevorrichtung, wobei ein ein Kühlmittel führendes erstes der mindestens drei Rohre mit mindestens einem das Kühlmittel führende zweiten der mindestens drei Rohre in fluidführender Leitungsverbindung steht und ein einen Katalysator aufweisendes und von dem Gasgemisch durchströmbares drittes der mindestens drei Rohre angeordnet ist.The The present invention therefore relates to a selective oxidation reactor for the fine carbon monoxide purification of a gas mixture, comprising at least three substantially coaxially arranged tubes with different Radii and a holding the at least three tubes holding device, where a is a coolant leader first of the at least three tubes with at least one of the coolant premier second of the at least three tubes in fluid-carrying line connection is and a catalyst having and from the gas mixture flowed through third of the at least three tubes is arranged.
Der erfindungsgemäße selektive Oxidations-Reaktor zur Kohlenmonoxidfeinreinigung eines Gasgemisches weist dabei eine durch die besondere Anordnung von Kühlmittel führenden und den Katalysator aufweisenden Rohren, die aufgrund ihrer unterschiedlichen Radien und ihrer im Wesentlichen koaxialen Anordnung zwischen den Rohren Ringspaltvolumina definieren, eine kompakte Bauform auf. Um eine möglichst eindeutige und dabei knappe und lesbare Darstellung der Erfindung zu ermöglichen, wird folgende verkürzende Schreibweise eingeführt: „In" oder „aus" einem oder „durch" ein Rohr, welches nicht das innere Rohr ist, bedeutet „in" oder „aus" dem oder „durch" das von diesem Rohr und von dem zu diesem nächstgelegenen inneren Rohr gebildeten Ringspaltvolumen. Die aus dieser Bauform resultierende geringe Komplexität ermöglicht eine Herstellung mit geringen Kosten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich bevorzugt als kompakte Kohlenmonoxid feinreinigungsstufe zur Kohlenmonoxidfeinreinigung in mobilen Brennstoffzellen-Stromerzeugungsaggregaten, kann aber auch für alle anderen Wasserstofferzeuger verwendet werden. Dabei erfüllt die erfindungsgemäße Vorrichtung die hohen Anforderungen, die an mobile Stromerzeugungsaggregate bezüglich geringer Systemkomplexität, geringer Herstellungskosten und einfacher Herstellung gestellt werden.Of the selective according to the invention Oxidation reactor for fine carbon monoxide purification of a gas mixture has a by the particular arrangement of coolant leading and the catalyst having pipes, due to their different Radii and their essentially coaxial arrangement between the Tubes define annular gap volumes, a compact design. To one as possible clear and thereby concise and readable representation of the invention to enable becomes following shortening Spelling introduced: "in" or "out" one or "through" a pipe which is not the inner tube is meant "in" or "out of" or "through" that of this tube and from that to the nearest inner tube formed annular gap volume. The from this design resulting low complexity allows a low cost production. The device according to the invention is preferably suitable as a compact carbon monoxide fine cleaning stage for fine carbon monoxide purification in mobile fuel cell power plants, but also for all other hydrogen generators are used. It fulfills the inventive device the high demands made on mobile power generators in terms of low system complexity, low production costs and simple production are made.
Die Erfindung betrifft auch ein Reformer-Brennstoffzellen-System, umfassend einen Reformer zur Umwandlung eines kohlenwasserstoffhaltigen Energieträgers, einen dem Reformer nachgeschalteten Gasgemischreiniger und eine dem Gasgemischreiniger nachgeschaltete Brennstoffzelle zur Energieerzeugung, wobei der Gasgemischreiniger mindestens einen erfindungsgemäßen selektiven Oxidations-Reaktor aufweist. Ein solches System kann aufgrund der Vorteile des erfindungsgemäßen selektiven Oxidations-Reaktors kompakt und effizient ausgestaltet werden.The The invention also relates to a reformer fuel cell system comprising a reformer for converting a hydrocarbon-containing energy carrier, a the reformer downstream gas mixture cleaner and a gas mixture cleaner Downstream fuel cell for power generation, the Gas mixture cleaner at least one selective oxidation reactor according to the invention having. Such a system may, due to the advantages of the selective Oxidation reactor be made compact and efficient.
Zudem betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Kohlenmonoxidfeinreinigung eines Gasgemisches, wobei das Gasgemisch mittels eines erfindungsgemäßen selektiven Oxidations-Reaktors von Kohlenmonoxid gereinigt wird. Ein solches Verfahren erlaubt eine effiziente und kostengünstige Kohlenmonoxidfeinreinigung.moreover The invention also relates to a process for fine carbon monoxide purification a gas mixture, wherein the gas mixture by means of a selective according to the invention Oxidation reactor is purified by carbon monoxide. Such a procedure allows an efficient and cost effective Carbon monoxide fine cleaning.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der selektive Oxidations-Reaktor drei Rohre, wobei das erste Rohr ein äußeres Rohr, das zweite Rohr ein inneres Rohr und das dritte Rohr ein mittleres Rohr von drei koaxial angeordneten Rohren ist. Dadurch wird eine von außen und innen bewirkte Kühlung des den Katalysator aufweisenden Rohrs gewährleistet.In a preferred embodiment For example, the selective oxidation reactor comprises three tubes, the first one Tube an outer tube, the second tube is an inner tube and the third tube is a middle one Tube of three coaxial tubes is. This will be a from the outside and inside caused cooling ensures the catalyst having the tube.
In einer anderen Ausführungsform umfasst der selektive Oxidations-Reaktor vier Rohre, wobei ein das Kühlmittel führendes erstes der vier Rohre mit einem das Kühlmittel führenden zweiten der vier Rohre in fluidführender Leitungsverbindung steht und zwischen dem ersten und dem zweiten der vier Rohre ein den Katalysator aufweisendes und von dem Strom des Gasgemisches durchsetzbares drittes der vier Rohre angeordnet ist und das dritte mit einem vierten der vier Rohre in fluidführender Leitungsverbindung steht. Eine Anordnung mit vier Rohren ermöglicht eine andere Strömung des Gasgemisches durch den selektiven Oxidations-Reaktor.In another embodiment For example, the selective oxidation reactor comprises four tubes, one of which coolant leading first the four tubes with a coolant leading second of the four tubes in fluid-carrying Line connection is and between the first and the second the four tubes have the catalyst and the current from the current arranged third of the four tubes of the gas mixture is and the third with a fourth of the four tubes in fluid leading Line connection is. A four tube arrangement allows one other flow of the gas mixture through the selective oxidation reactor.
Bevorzugt ist dabei das erste Rohr ein äußeres Rohr, das zweite Rohr ein inneres mittleres Rohr, das dritte Rohr ein äußeres mittleres Rohr und das vierte Rohr ein inneres Rohr von vier koaxial angeordneten Rohren. Dabei wird eine vorteilhafte Temperierung sowohl des den Katalysator aufweisenden Rohres als auch des Gasgemischstromes erzielt.Prefers is the first tube an outer tube, the second pipe is an inner middle pipe, the third pipe an outer middle pipe Pipe and the fourth pipe an inner pipe of four arranged coaxially Pipes. In this case, an advantageous temperature of both the Catalyst comprising pipe as well as the gas mixture stream achieved.
Vorzugsweise stehen eine dem Reaktor das Gasgemisch zuführende erste Zuleitung und eine dem Reaktor ein sauerstoffhaltiges Gas zuführende zweite Zuleitung, welche vorzugsweise in Gegenstromrichtung zueinander angeordnet sind, in fluidführender Leitungsverbindung. Durch eine derartige Anordnung der Zuleitungen wird eine besonders effiziente Vermischung des Gasgemisches und des Sauerstoffgases erreicht.Preferably are a reactor supplying the gas mixture feeding first and a reactor supplying an oxygen-containing gas to the second supply line, which preferably in countercurrent to each other, in fluid-carrying Line connection. By such an arrangement of the leads is a particularly efficient mixing of the gas mixture and reaches the oxygen gas.
Bevorzugt ist eine das Kühlmittel in den selektiven Oxidations-Reaktor einströmende Zuleitung, vorzugsweise in Gegenstromrichtung zum Strom des Gasgemisches, angeordnet. Durch die Anordnung der Kühlmittelzuleitung in Gegenstromrichtung zum Strom des Gasgemisches wird eine besonders effiziente Kühlung und ein besonders effizienter Abtransport der überschüssigen Wärme erreicht.Prefers is one the coolant in the selective oxidation reactor incoming supply line, preferably in countercurrent to the flow of the gas mixture arranged. By the arrangement of the coolant supply line in the countercurrent to the flow of the gas mixture is a particularly efficient cooling and achieved a particularly efficient removal of excess heat.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist im selektiven Oxidations-Reaktor mindestens eine Temperaturmessstelle angeord net. Die Anordnung mindestens einer, vorzugsweise mehrerer die Temperatur des Katalysators messenden Temperaturmessstellen, erlaubt eine Überprüfung anhand der erlangten Temperaturmessergebnisse und optional eine durch eine Steuerung bewirkte Änderung der Temperatur mittels Korrektur und/oder Kühlung und/oder Änderung des Sauerstoffgases und/oder anderer denkbarer Modifikationen des Kühlmittels.In a preferred embodiment, at least one temperature measuring point is angeord net in the selective oxidation reactor. The arrangement of at least one, preferably a plurality of the temperature measuring points of the temperature of the catalyst allows a check on the basis of the erlang th temperature measurement results and optionally caused by a control change in temperature by means of correction and / or cooling and / or change of the oxygen gas and / or other conceivable modifications of the coolant.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Haltevorrichtung zwei Stirnflächenelemente, vorzugsweise einen Reaktorkopf und einen Reaktorboden auf. Die Anordnung von Stirnflächenelementen ermöglicht zum einen eine stabile Arretierung der in dem selektiven Oxidations-Reaktor angeordneten Rohre und ermöglicht zudem einen kompakten Anbau von den entsprechenden Zuleitungen/Ableitungen und bietet weiterhin – sofern notwendig – einen Abschluss der entsprechenden im selektiven Oxidations-Reaktor angeordneten Rohre.In a further embodiment the holding device has two end face elements, preferably a reactor head and a reactor bottom. The arrangement of End face elements allows for a stable lock in the selective oxidation reactor arranged pipes and allows In addition, a compact installation of the corresponding supply lines / leads and continues to provide - if necessary - a degree the corresponding arranged in the selective oxidation reactor Tube.
Bevorzugt weist der Reaktorkopf Vorrichtungen zur Aufnahme der Zuleitungen und/oder Vorrichtungen zum Zugang zu der mindestens einen Temperaturmessstelle und/oder Vorrichtungen zur Verteilung des Gasgemisches und/oder des Kühlmittels und/oder Vorrichtungen zur Katalysatoreinbringung in den Reaktor auf. Ein so ausgestatteter, vorzugsweise aus einen einteiligen Multifunktions-Reaktorkopf ermöglicht einen kompakten Anbau der notwendigen Zuleitung/Ableitungen, ermöglicht ggf. den Zugang zu den in oder in der Nähe des Katalysators angebrachten Temperaturmessstellen, ermöglicht durch Verteilereinrichtungen die Verteilung des beispielsweise von einer zentral angeordneten Gasgemisch-Zuleitung zugeleiteten Gasgemisches auf mehrere Bereiche des den Katalysator aufweisenden Rohres, erlaubt ggf. eine Verteilung und/oder Leitung des Kühlwassers und weist Öffnungen auf, mittels derer der Katalysator in den Reaktor eingebracht werden kann.Prefers the reactor head has devices for receiving the supply lines and / or devices for access to the at least one temperature measuring point and / or devices for distributing the gas mixture and / or the coolant and / or Devices for introducing catalyst into the reactor. One so equipped, preferably from a one-piece multifunction reactor head allows a compact installation of the necessary supply / discharge lines, allows, if necessary access to the attached in or near the catalyst Temperature measuring points, enabled by Distributor distribution the distribution of, for example, one centrally arranged gas mixture feed gas mixture on several areas of the catalyst having the pipe allowed optionally a distribution and / or line of cooling water and has openings on, by means of which the catalyst is introduced into the reactor can.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Katalysator eine Katalysatorschüttung. Eine solche Katalysatorschüttung weist eine große Reaktionsoberfläche auf und ist zudem unproblematisch in das den Katalysator aufweisende Rohr einbringbar.In a further preferred embodiment the catalyst is a catalyst bed. Such a catalyst bed has a large reaction surface and is also unproblematic in the catalyst having Tube can be inserted.
Schließlich ist das Kühlmittel des selektiven Oxidations-Reaktors das Kühlwasser einer Brennstoffzelle. Durch die Verwendung des Brennstoffzellen-Kühlwassers als Kühlmittel im selektiven Oxidations-Reaktor findet eine optimale Nutzung der im selektiven Oxidations-Reaktor entstehenden Wärme statt. Durch die Verwendung der überschüssigen Wärme in beispielsweise Heizkreisläufen ist durch konstruktive Anpassung des Temperaturniveaus und des Volumenstroms des Kühlwassers in der Regel keine weitere Temperatur- oder Flussregelung des Kühlwassers notwendig.Finally is the coolant of the selective oxidation reactor the cooling water a fuel cell. By using the fuel cell cooling water as a coolant in the selective oxidation reactor finds an optimal use of heat generated in the selective oxidation reactor instead. By use the excess heat in for example heating circuits is by constructive adjustment of the temperature level and the volume flow of cooling water usually no further temperature or flow control of the cooling water necessary.
Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen beschriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile unterliegen in ihrer Größe, Form, Gestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeption keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so dass die in dem Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.The the aforementioned and the claimed and in the embodiments described to be used according to the invention Components are subject in size, shape, Design, material selection and technical conception no special Exceptions, so that those known in the field of application Selection criteria unrestricted Application can be found.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der – beispielhaft – ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist. In der Zeichnung zeigt:Further Details, features and advantages of the subject matter of the invention emerge from the dependent claims as well as from the following description of the associated drawing, in the - exemplary - a preferred Embodiment of Invention is shown. In the drawing shows:
Bei
der Ausführungsform
nach
Durch
den während
des Durchströmens
des selektiven Oxidations-Reaktors
Das
mittlere, zweite Rohr
Um
die Prozesstemperatur zu ermitteln und gegebenenfalls zu korrigieren,
werden in der Katalysatorschüttung
mehrere Temperaturmessstellen
Des
Weiteren können,
um den Kohlenmonoxidgehalt des zu reinigenden Gasgemisches zu messen
und entsprechend die Sauerstoffgaszufuhr gemäß der durch die Reaktionsgleichungen
vorgegebenen stöchiometrischen
Verhältnisse
zu regeln, optional Kohlenmonoxidsensoren vor oder in der Gasgemischzuleitung
Die
in
- 100100
- Selektiver Oxidations-Reaktorselective Oxidation reactor
- 104104
- SauerstoffgaszuleitungOxygen gas supply
- 110110
- GasgemischzuleitungGas mixture supply line
- 112112
- GasgemischableitungGas mixture deriving
- 120120
- Reaktionsraumreaction chamber
- 122122
- Katalysatorschüttungcatalyst bed
- 130130
- Verteilervorrichtungdistribution device
- 140140
- KühlwasserzuleitungCooling water supply
- 142142
- KühlwasserableitungCooling water discharge
- 150150
- TemperaturmessstelleTemperature measuring point
- 200200
- Rohranordnungpipe arrangement
- 201201
- erstes Rohrfirst pipe
- 202202
- zweites Rohrsecond pipe
- 203203
- drittes Rohrthird pipe
- 204204
- viertes Rohrfourth pipe
- 300300
- Reaktorkopfreactor head
- 310310
- Reaktorbodenreactor bottom
- VV
- RingspaltvolumenAnnular gap volume
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