DE2718076A1 - Verfahren zum thermischen versetzen von armen erdgasen mittels plasmastrahlen - Google Patents

Description

• BESCHREIBUNG
• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum thermischen Zersetzen von armen Erdgasen durch Plasmastrahlen.
• Es sind bereits verschiedene Verfahren zum Reinigen von kohlendióydhaltigen Erdgasen mit hohem Gehalt an inerten Komponenten vorge3chlagen worden, die aber aus ökonomischen Gründen keine Verbreitung gefunden haben und deshalb nicht näher erörtert werden sollen.
• Die Erfindung bezweckt die Schaffung eines Reinigungsverfahren für kohlendioxydhaltige Erdgase mit hohem Gehalt an inerten Komponenten, bei niedrigen Kosten.
• Die erfinderische Idee besteht darin, daß die Reinigung mittels eines Plasmastrahles erfolgt, der zweckmäßig aus den zu reinigenden Gas selbst gebildet wird. Der Plasmastrahl dient zum Verbrennen der brennbaren Komponenten des Erdgases, wobei die Kohlenwasserstoffkomponenten und die übelriechenden Verunreinigungen durch Beimischung von Sauerstoff entfernt werden. Das Endprodukt wird weiter gereinigt, wobei dann das entstandene Wasser der im Gas zurückbleibende Stickstoff und der eventuell vorhandene Uberschuß an Sauerstoff durch eine Destillation bei niedriger Temperatur entfernt werden, Somit bezieht sich die Erfindung im Wesen auf ein Verfahren zum thermischen Zersetzen bzw. zum Oxydieren von Kohlenwasserstoffen in armen Erdgasen, dessen Wesen darin besteht, daß das arme Erdgas erfindungsgemäß mit Sauerstoff gemischt und die Gasmischung durch einen Plasmastrahl hindurch geblasen wird, wobei die Kohlenwasserstoffe in Wasser und Kohlenoxyde zersetzt und die erhaltenen gasförmigen Zersetzungsprodukte als Nutzgas abgeleitet werden. Nun kann das Verfahren derart ausgeübt werden, daß die Kohlenwasserstoffe bei Luftmangel verbrannt und im wesentlichen Wasser und Kohlenmonoxyd gebildet werden, wobei das Kohlenmonoxyd zum Teil aus den Kohlenwasserstoffen und zum Teil aus im Erdgas gegenwärtigem Kohlendioxyd getonnen wird. Es ist aber auch möglich, derart vorzugehen, daß dem Erdgas zur Verbrennung der Kohlenwasserstoffe erforderliche Mengen an Sauerstoff zugemischt und im wesentlichen Wasser und Kohlendioxyd gebildet werden, wobei das Kohlendioxyd zum Teil aus den Kohlenwasser- stoffen mittelbar und zum Teil aus dem Erdgas selbst unmittelbar gewonnen wird. In beiden Fällen kann Luft aln Sauerstoffträger beigemischt und der Plasmastrahl aus dem Erdgan selbst gebildet werden. Zweckmäßig wird das Erdgas vor aeinor Zersetzung zur rekuperativen Kühlung des Zersetzungobereiches verwendet. Die rekuperative Kühlung kann dabei mit bereits gemischtem Erdgas erfolgen. Das Erdgas wird vorteilhafterweise als eine Brennstoffkomponente für eine Kraftmaschine zur Energielieferung für die Plasmastrahlbildung benützt.
• Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert, die eine beispielsweise Vorrichtung zum Ausüben des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch darstellt.
• Wie aus der Zeichnung hervorgeht, weist die Vorrichtung einen Absperrschieber 1 auf, dessen Zuflußseite an eine nicht dargestellte Erdgas quelle angeschlossen werden kann. Stromabwärts vom Absperrschieber 1 liegt ein Gasverteiler 2. Aus diesem führt eine Leitung über ein Ventil 3 in den Gasraum eines Plasmatrons 4. Die Elektroden des Plasmatrons sind an eine Gleichstromquelle 5 angeschlossen und werden durch einen Kühlkreis ,6 gekühlt der vom zugeführten Gas durchströmt wird.
• Ein weiterer Auslaß des Gasverteilers 2 führt über ein Ventil 7 in einen Gasmischer 8. Dieser erhält über ein Ventil 9 Sauerstoff. Die Abmessungen sind derart gewählt, daß nur ein Bruchteil der zugeführten Gasmenge itber das Ventil 3 dem Plasmatron 4 zugeströmt, während der größere Anteil über das Ventil 7 in den Gasmischer 8 gelangt, was durch unterschiedliche Dicken der die Leitung darstellenden Linien angedeutet ist.
• An das Plasmatron 4 ißt ein Reaktor 10 mit einem Kühlmantol angeschlossen. Der Gasmischer 8 ist mit einom Einlaßstutzen 11 dea Kjihlmanteln den Reaktors 10 verbundon. Mit 12 int der Auslaßstutzen den Kühlmantels bezeichnot, der mit einem Einlaßntutzen 13 am unteren Teil don R@aktors 10 verbunden int. Der Einlaßstutzen 13 mUndot In einen kranzförmigen Gasverteiler 14, in dessen schräger innerer Wand Öffnungen vorgesehen sind, über welche das zugeführte Gas in den Reaktionsraum des Reaktor 10 eintreten kann.
• Mit 15 int ein Auslaßstutzen des Reaktor3 10 bezeichnet, über welchen die Reaktionsprodukte entweichen können.
• Die dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung zum Ausüben des erfindungsgemäßen Verfahrens arbeitet wie folgt: Über den Absperrschieber 1 wird ein an Kohlendioxyd und inerten Gasen reiches ungereinigtes Erdgas dem Gasverteiler 2 zugeführt, das vom Hydratwasser bereit getrennt ist Ein geringerer Teil der zugeführten Gasmenge tritt über das Ventil 3 und den Kühlkreis 6 in den Reaktionsraum des Plasmatrons 4, dessen Elektroden an die Gleichstromquelle 5 angeschlossen sind.
• Die größere Menge des zugeführten Erdgases gelangt über das Ventil 7 in den Gasmischer 8, wo es mit über das Ventil 9 zugeführtem Sauerstoff gemischt wird. Das Gasgemisch strömt über den Einlaßstutzen 11 in den Kühlmantel des Reaktors 10, den es über den Auslaßstutzen 12 verläßt, um über den zweiten Einlaßstutzen 13 in den Gasverteiler 14 zu gelangen. Aus dem Gasverteiler 14 strömt das vorgewärmte Gasgemisch über die Öffnungen in der schrägen. inneren Wand desselben in den Reaktions- raum des Reaktors 10 ein.
• Dn Kühlen der voneinander getrennten Elektroden durch expandiortes Arbeitsgas bringt zwei Vorteile mit sich. Einerseits orUbrigt es sich, Kühlwasser zu verwenden, und anderseits wird dan arbeitsgas vorgewärmt, wodurch die Ionisationsbedingungen begünstigt werden.
• Nnch Einstellung der elektrischen Stromquelle 5 und der Arbeitsgasmenge mittels des Ventils 3 wird der Plasmastrahl durch Bogenzündung oder durch momentanes Kurzschließen der Elektroden gebildet.
• Der Pl,a3mastrahl pflanzt sich jetzt in den Reaktionsraum des Reaktors 10 fort, wo das aus dem Gasverteiler herausströmende Gasgemisch durch den Plasmastrahl hindurchgeblasen wird. Nachdem die brennbaren Komponenten und öligen Verunreinigungen ausgebrannt worden sind, strömt ein an Kohlendioxyd reiches Gas weiter, das bereits nur Wasserstoff, Stickatoff und eventuell einen ueberschuß an Sauerstoff enthält, und in diesem Zustand über den Auslaßstutzen 15 den Reaktor 10 verläßt.
• Der Wasserdampf, der Stickstoff und eventuell der Sauerstoff kann aus diesem Endprodukt in an sich bekannter Weise durch Destillieren bei niedriger Temperatur entfernt werden.
• Bei entsprechendem Druck der Erdgasquelle ist es möglich, das Gas auch bei der Abtrennung der erwähnten Komponenten expandieren zu lassen, wodurch die Technologie weiter vereinfacht und die Wirtschaftlichkeit des Betriebes gefördert werden kann.
• Ein weiterer energiewirtschaftlicher Vorteil entsteht auch dadurch, daß in der Umgehung der Gasquellen, die Kohlendioxyd liefern, auch Gase vorkommen, die in erhöhtem Maße brennbare Gaskomponenten enthalten. Diese Gase können unmittelbar als Betriebsstoff zum Antrieb von Gtiiturbinon benützt werden, die lhrernelts Dynamos antreiben, wodurch für die zum Planmastrahlbilden erfordorliche elektrische Energie unabhängig vom Uberlandnetz gosorgt werden kann.
• Bei einem Laboratoriumsversuch enthielt das einer Gasquelle entnommene ungereinigte, aber vom Hydratwasser befreite Etdgas neben Kohlendioxyd 4,58 Volumprozent Kohlenwasserstoffyerunreinigungen, 0,15 Volumprozent Sauerstoff und 1,94 Volumprozent Stickjtoff. Die durch ein als Gleichstromquelle dienendea Dynamo gelieferte Höchstleistung beim Anlassen betrug weniger als 6 k. Diese Leistung sank nach Selbsterhaltung des Plasmastrahles auf etwa 2 kW. Der Gehalt an Kohlendioxyd im Erdgas, das durch Zuführung von Sauerstoff und infolge von Dichtungefehlern verdünnt worden ist, betrug gemäß gaschromatographischer Untersuchung im kalten Zustand 49,9 Volumprozent. Nach Durchblasen durch den Plasmastrahl hindurch tritt eine Anreicherung auf 8,8 Volumprozent ein. Beträchtliche Mengen von Wasser, Gas spuren von Nitrosen und eine geringe Menge von Sauerstoff konnten ebenfalls nachgewiesen werden.
• Die folgende Tabelle zeigt die Zusammensetzungen des Erdgases, sowie des mit Sauerstoff und Falschluft verdünnten Gasgemisches im kalten und rekombiniertem Zustand, wobei die angeführten Werte durch Gaschromatographie kontrolliert worden sind.
• und in Gemisch von Erdgas und Komponenten: im Erdgas Sauerstoff bzw Luft im kalten nach Rekombi-Zustand ~ nation C1 29.75 Vol.% 29,19 0,283 Vol.% C2 2,73 " 1,86 0,014 n 03 0,76 lt 0,52 0,005 O4 0,42 n 0,27 0,031 " 0,26 " 0,16 0,028 " C6 0,17 " 0,14 0,049 lt C7 0,13 " 0,06 0,052 lt C8+' 0,13 0,04 0,047 Kohlenwasserstoffe insgesamt: 34,35 Vol.% 32,24 0,509 Vol.% C°2 62,30 " 58,87 6,070 n °2 0,32 " 6,22 0,240 t N22 3,03 " 2,67 2,260 " CO 0,00 " 0,00 57,510 " H2O 0,00 " 0,00 33,411 " insgesamt: 100,00 Vol.% 100,00 100,000 Vol.% Das erfindungsgemäße Verfahren weist dem Stande der Technik gegenüber verschiedene Vorteile auf.
• Das Entfernen der brennbaren Komponenten aus den an Kohlendioxyd und inerten Komponenten reichen Erdgas kann durch Durchblasen durch den Plasmastrahl hindurch und durch Zuführung von Sauerstoff bei kleinem Raumbedarf und ohne bauliche Umständlichkeit am Erdgasfeld selbst vorgenommen werden.
• Das zu reinigende Gas kann bei der Plasmabildung als Arbeitsgas und durch Expandierung im technologischen Vorgang als Kühlmittel verwendet werden.
• Der elektrische Energiebedarf ist gering und kann ohne Anschluß an das Uberlandnetz gesichert werden, indem Erdgase mit einem Heizwert von mindestens 3000 kcal/Nm3 Lind reich an inerten Komponenten eine Gas turbine antreiben, die ihrerseits ein Dynamo betätigt.
• EB ist gezeigt worden, daß ohne umständliche Anlagen und Katalysatoren Erdgase mit hohem Inertgasgehalt thermisch zersetzt, Kohlenwasserstoffe partiell oxydiert und das Kohlendioxyd in Kohlenmonoxyd reduziert werden kann.
• Abgesehen vom Entfernen des Hydratwassers fordert das erfindungsgemäße Verfahren keine weitere Reinigung oder GaBvorbereitung.

Claims (8)

1. Verfahren zum thermischen Zersetzen von armen Erdasen mittels Plasmastrahlen PATENTANSP1CIIE 1. Verfahren zum thermischen Zersetzen von armen Erdgasen, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das arme Erdgas mit Sauerstoff gemischt und die Gasmischung durch einen Plasmastrahl hindurch geblasen wird, wobei Kohlenwasserstoffe in Wasser und Kohlenoxyde zersetzt und die erhaltenen gasförmigen Zersetzungsprodukte als Nutzgas abgeleitet werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß Luft als Sauerstoffträger zugemischt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Plasmastrahl aus dem «rdgas selbst gebildet wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kohlenwasserstoffe bei Luftmangel verbrannt und im wesentlichen Wasser und Kohlenmonoxyd gebildet werden, wobei das Kohlenmonoxyd zum Teil aus den Kohlenwasserstoffen und zum Teil aus im Erdgas gegenwärtigen Kohlendioxyd gewonnen wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Verbrennung der Kohlenwasserstoffe erforderliche Nengen an Sauerstoff zugemischt, und im wesentlichen Wasser und Kohlendioxyd gebildet werden, wobei das Kohlendioxyd zum Teil aus den Kohlenwasserstoffen mittelbar und zum Teil aus dem Erdgas selbst unmittelbar gewonnen wird.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß vor seiner Zersetzung das Erdgas zur rekuperativen Kühlung des Zersetzungsbereichs verwendet wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die rekuperative Kühlung mit bereits gemischtem Erdgas vorgenommen wird.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Erdgas als eine Brennstoffkomponente für eine Kraftmaschine zur Energielieferung für die Plasmabildung benützt wird.