CH645129A5

CH645129A5 - METHOD AND DEVICE FOR GENERATING ENERGY.

Info

Publication number: CH645129A5
Application number: CH685979A
Authority: CH
Inventors: Jerry P Davis
Original assignee: Thermo Electron Corp
Priority date: 1979-04-16
Filing date: 1979-07-24
Publication date: 1984-09-14
Also published as: GB2047267A; FR2454461B1; JPS55139496A; IT1127204B; IT7927115A0; FR2454461A1; DE2935518A1; GB2047267B

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Energie unter Verwendung einer Kraftstoffaufschlämmung, die aus einem Gemisch von Wasser und 20 bis 50 Gew.-% Kohle in Form von Partikeln mit einer maximalen Partikelgrösse von nicht mehr als 20 um besteht. The present invention relates to a method and an apparatus for generating energy using a fuel slurry consisting of a mixture of water and 20 to 50% by weight of coal in the form of particles with a maximum particle size of not more than 20 µm .

Der rasch ansteigende Ölpreis und die Ungewissheit der Zugänglichkeit von Öl hat ein erhöhtes Interesse an der Verwendung anderer Kraftstoffe, wie z.B. Kohle, geweckt. Ein Versuchsfeld hat sich auf Kraftstoffe für Verbrennungskraftmaschinen, wie z.B. Dieselmaschinen, bezogen, bei welchen die bisher aus Erdöl gewonnen flüssigen Kraftstoffe teilweise oder gänzlich durch Kohle zu ersetzen sind. So wurden beispielsweise Kraftstoffgemische aus pulverisierter Kohle und Luft für Dieselmaschinen vorgeschlagen. Zufolge der unvollständigen Verbrennung und der Schwierigkeit der Einführung des Kraftstoffes in die Maschinen haben solche Versuche mit Luft-Kohle-Mischun-gen bei modernen Dieselmaschinen im allgemeinen keinen The rapidly increasing price of oil and the uncertainty about the accessibility of oil have an increased interest in the use of other fuels, e.g. Coal awakened. An experimental field has focused on fuels for internal combustion engines, such as Diesel machines, related, in which the liquid fuels previously obtained from petroleum are to be partially or completely replaced by coal. For example, fuel mixtures made from pulverized coal and air have been proposed for diesel engines. As a result of the incomplete combustion and the difficulty in introducing the fuel into the machines, such attempts with air-coal mixtures generally have no effect in modern diesel engines

Erfolg gezeigt. Auch Aufschlämmungen aus Kohle und Ölen sind als Kraftstoffe für Dieselmaschinen untersucht worden. Um aber für das Einspritzen von Kohle-Öl-Aufschlämmungen in eine solche Maschine geeignete Viskositäten aufrechtzuerhalten, ist der Kohlegehalt auf maximal ungefähr 30 bis 40 Gew.-% beschränkt. Wenngleich man durch Verwendung von Kohle-Öl-Aufschlämmungen eine Reduktion des Ölverbrauchs erreichen könnte, bleibt immerhin der Umstand bestehen, dass das Öl immer noch einen grossen Teil des Kraftstoffes ausmacht. Success shown. Slurries from coal and oils have also been investigated as fuels for diesel engines. However, in order to maintain suitable viscosities for injecting coal-oil slurries into such a machine, the coal content is limited to a maximum of approximately 30 to 40% by weight. Although a reduction in oil consumption could be achieved by using coal-oil slurries, the fact remains that the oil still makes up a large part of the fuel.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Entwicklung einer Kohle-Wasser-Kraftstoffaufschlämmung, welcher sich für Verbrennungskraftmaschinen eignet. The object of the present invention is therefore to develop a coal-water fuel slurry which is suitable for internal combustion engines.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Erzeugung von Energie unter Verwendung einer Kohle-Wasser-Aufschlämmung als Kraftstoff, wobei das Wasser als Träger für die Kohle dient und auch zur Arbeitsabgabe der Maschine etwas beiträgt. Another object of the present invention is to develop a method and apparatus for generating energy using a coal-water slurry as a fuel, the water serving as a carrier for the coal and also contributing to the work of the machine.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, die einen Dieselmotor mit einer Drehzahl von 80 bis 150 Umdrehungen pro Minute umfasst. Another object of the invention is the development of a device for carrying out the method according to the invention, which comprises a diesel engine with a speed of 80 to 150 revolutions per minute.

Das erfindungsgemässe Verfahren zur Erzeugung von Energie ist dadurch gekennzeichnet, dass man a) in einen Dieselmotor mit einer Drehzahl von 80 bis 150 Umdrehungen pro Minute eine flüssige Kraftstoffaufschlämmung, die ein Gemisch von Wasser und 20 bis 50 Gew. - % Kohle in Form von Partikeln mit einer maximalen Partikelgrösse von nicht mehr als 20 jxm aufweist, einführt, b) eine brennbare Flüssigkeit oder ein brennbares Gas in einer Menge von bis zu 10 Gew.-% der eingesetzten Kraftstoffaufschlämmung in den Dieselmotor einführt, um die Entzündung der Kraftstoffaufschlämmung zu erleichtern, c) die Kraftstoffaufschlämmung und die brennbare Flüssigkeit oder das brennbare Gas in dem Motor unter solchen Druck- und Temperaturbeding-ungen mit komprimierter Luft vermischt, dass die Kohle in der Auf schlämmimg unter Bildung von Verbrennungsprodukten verbrennt und das Wasser in der Aufschlämmung unter Bildung von Dampf verdampft, und d) aus den Verbrennungsprodukten und aus dem Dampf Energie gewinnt, wobei die Energiegewinnungsphase eine Expansion der Verbrennungsprodukte und des Dampfes in einer Expansionskammer des Motors umfasst, um Auspuffgase zu bilden. The method according to the invention for generating energy is characterized in that a) in a diesel engine with a speed of 80 to 150 revolutions per minute, a liquid fuel slurry containing a mixture of water and 20 to 50 wt.% Coal in the form of particles with a maximum particle size of not more than 20 jxm, b) introduces a flammable liquid or a flammable gas in an amount of up to 10% by weight of the fuel slurry used into the diesel engine in order to facilitate the ignition of the fuel slurry, c) the fuel slurry and combustible liquid or gas in the engine are mixed with compressed air under such pressure and temperature conditions that the coal in the slurry burns to produce combustion products and the water in the slurry to produce steam evaporates, and d) energy from the combustion products and from the steam nnt, wherein the energy generation phase comprises expansion of the combustion products and steam in an expansion chamber of the engine to form exhaust gases.

Die kleinen Partikelgrössen der Kohle erleichtern eine vollständige Verbrennung der Kohle, reduzieren die Partikelgrösse der während der Verbrennung etwa anfallenden Asche auf ein Minimum und reduzieren auch den Verschleiss von Maschinenteilen, in denen die Kraftstoffaufschlämmung verwendet wird, auf ein Minimum. Das in der Kraftstoffaufschlämmung vorhandene Wasser dient als Transportmedium für die mikronisierte Kohle. Bei der Einführung der Kraftstoffaufschlämmung in den Dieselmotor verdampft überdies das Wasser unter Bildung von Dampf, der zu der Arbeitsleistung des Motors während der Expansion beiträgt. The small particle sizes of the coal facilitate complete combustion of the coal, reduce the particle size of the ash that may be generated during the combustion to a minimum and also reduce the wear of machine parts in which the fuel slurry is used to a minimum. The water in the fuel slurry serves as a transport medium for the micronized coal. In addition, when the fuel slurry is introduced into the diesel engine, the water evaporates to form steam, which contributes to the work performance of the engine during expansion.

Die Kraftstoffaufschlämmung enthält vorzugsweise 30 bis 40 Gew.-% mikronisierte Kohle, die Partikelgrössen von nicht mehr als 10 |xm aufweist. Man kann auch als Teil des Dieselmotors eine Zündflamme vorsehen, die mit einer kleinen Menge einer brennbaren Flüssigkeit, wie z. B. ein Kraftstoff auf Erdölbasis, gespeist wird. Kleine Mengen an die Viskosität erhöhenden Mitteln und an Suspensionsstabilisatoren können gleichfalls in der Kraftstoffaufschlämmung vorhanden sein. The fuel slurry preferably contains 30 to 40% by weight of micronized coal which has particle sizes of no more than 10 µm. You can also provide a pilot light as part of the diesel engine, which with a small amount of a flammable liquid such. B. a petroleum-based fuel is fed. Small amounts of viscosity increasing agents and suspension stabilizers may also be present in the fuel slurry.

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist gekennzeichnet durch a) einen Dieselmotor mit einer Drehzahl von 80 bis 150 Umdrehungen pro Minute zum Verbrennen von mikronisierter Kohle in einer Mischung von mikronisierter Kohle, Wasser und komprimierter Luft, die dem Motor zugeführt wird, und zur Gewinnung von Energie aus dem beim Verbrennen erhaltenen Medium, b) Mittel für die Zufuhr The device for carrying out the method according to the invention is characterized by a) a diesel engine with a speed of 80 to 150 revolutions per minute for burning micronized coal in a mixture of micronized coal, water and compressed air, which is supplied to the engine, and for extraction energy from the medium obtained during combustion, b) means for supply

2 2nd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

von komprimierter Luft zum Motor, c) Mittel für die Zufuhr einer flüssigen Kraftstoffaufschlämmung, die Wasser und mikronisierte Kohle enthält, in den Motor, d) Mittel zum Einführen eines brennbaren flüssigen oder gasförmigen Materials in einer Menge von bis zu 10 Gew.-%, bezogen auf die Kraftstoffaufschlämmung, zwecks Erleichterung der Entzündung der Kraftstoffaufschlämmung und e) Mittel zur flüssigen bzw. gasförmigen Kommunikation mit den Auspuffgasen des Motors zum Gewinnen von Energie aus den Auspuffgasen des Motors. compressed air to the engine, c) means for supplying a liquid fuel slurry containing water and micronized coal to the engine, d) means for introducing a combustible liquid or gaseous material in an amount of up to 10% by weight, based on the fuel slurry, to facilitate ignition of the fuel slurry and e) means for liquid or gaseous communication with the engine exhaust gases to recover energy from the engine exhaust gases.

Die beiliegende Zeichnung stellt ein Blockbild einer erfindungsgemässen Vorrichtung dar. The accompanying drawing shows a block diagram of a device according to the invention.

Die Eigenschaften der erfindungsgemäss verwendeten Kraftstoffaufschlämmung, die sich ohne weiteres anstelle von aus Erdöl gewonnen flüssigen Kraftstoffen verwenden lässt, stehen in engem Zusammenhang mit den Motoren, in denen sie verwendet werden, sowie den Verfahren zum Betrieb dieser Motoren. Sie sind besonders geeignet für Zweitaktdieselmotoren, wie sie beispielsweise durch die Firma Gebrüder Sulzer AG hergestellt werden und zur Zeit beispielsweise für die Stromerzeugung und den Schiffsantrieb zur Anwendung gelangen. Die äusserst niedrigen Drehzahlen solcher Dieselmotoren (80 bis 150 Umdrehungen pro Minute) verschaffen genügend Zeit für die vollständige Verbrennung der Kohlepartikel. Überdies ermöglicht das gute Verschleiss verhalten der gekühlten Metallteile solcher Motoren eine lange Lebensdauer. The properties of the fuel slurry used according to the invention, which can easily be used instead of liquid fuels obtained from petroleum, are closely related to the engines in which they are used and the method for operating these engines. They are particularly suitable for two-stroke diesel engines, such as those manufactured by Gebrüder Sulzer AG and are currently used, for example, for power generation and ship propulsion. The extremely low speeds of such diesel engines (80 to 150 revolutions per minute) provide enough time for the complete combustion of the carbon particles. In addition, the good wear behavior of the cooled metal parts of such motors enables a long service life.

Ein wichtiger Parameter der Kraftstoffaufschlämmung ist die Partikelgrösse der Kohle. Obwohl die niedrigen Drehzahlen der verwendeten Dieselmotoren die Verbrennung der Kohle in der Kraftstoffaufschlämmung begünstigen, ergeben Kohlepartikel-grössen von nicht mehr als 20 (im eine spezifische Oberfläche, wie sie erforderlich ist, um eine vollständige Verbrennung in der Maschine zu fördern. Die Partikelgrössen der Kohle sind daher für das erfindungsgemässe Verfahren von besonderer Bedeutung. Ein weiterer Vorteil der äusserst kleinen Kohlepartikel-grössen, wie sie im erfindungsgemässen Verfahren verwendet werden, liegt darin, dass etwa in der Aufschlämmung vorhandene Asche oder während der Verbrennung darin gebildete Asche zur Hauptsache aus sehr kleinen Partikeln besteht, wodurch die Erosion und die Abnützung von Maschinenteilen, wiez. B. der Zylinderlaufbüchsen und Kolbenringe, verringert werden. Überdies verringert die mikronisierte Kohle, welche bei den im vorliegenden Falle bevorzugten Ausführungsformen Partikelgrössen von nicht mehr als 10 (im aufweist, den Aufwand für das Rühren, das erforderlich ist, um eine gleichmässige Zusammensetzung der Kohle-Wasser-Aufschlämmungen während des Lagerns aufrechtzuerhalten. An important parameter of the fuel slurry is the particle size of the coal. Although the low speeds of the diesel engines used favor the combustion of the coal in the fuel slurry, coal particle sizes of no more than 20 (µm) result in a specific surface area which is required to promote complete combustion in the machine. The particle sizes of the coal A further advantage of the extremely small carbon particle sizes as used in the process according to the invention is that ashes present in the slurry or ashes formed therein during combustion mainly consist of very small ones Particles exist, thereby reducing the erosion and wear of machine parts such as the cylinder liners and piston rings, and the micronized carbon, which in the presently preferred embodiments has particle sizes of no more than 10 (im), reduces the effort For the stirring required to maintain a uniform composition of the coal-water slurries during storage.

Der Kohlegehalt der Kraftstoffaufschlämmung ist ebenfalls wichtig. Bei einem Kohlegehalt von mehr als 50 Gew.-% würde eine Kraftstoffaufschlämmung gebildet, die für das Pumpen und Einspritzen in Dieselmotoren zu viskos wäre. Ein Kohlegehalt von weniger als 20 Gew.-% würde der Aufschlämmung nicht annehmbare Zündungseigenschaften verleihen, wobei die Verbrennung einen unannehmbar geringen Gesamtwirkungsgrad liefern würde. Wie nachstehend beschrieben wird, liefert eine bevorzugte Kraftstoffaufschlämmung mit einem Kohlgehalt von 40 Gew.-% beim Verbrennen in einem Dieselmotor Verbrennungsprodukte und thermische Gesamtwirkungsgrade, die denjenigen nahezu äquivalent sind, die man beim Verbrennen typischer, aus Erdöl gewonnener flüssiger Kraftstoffe erreicht. The carbon content of the fuel slurry is also important. With a coal content of more than 50% by weight, a fuel slurry would be formed which would be too viscous for pumping and injecting in diesel engines. A coal content of less than 20% by weight would give the slurry unacceptable ignition properties and the combustion would provide an unacceptably low overall efficiency. As described below, a preferred fuel slurry with a coal content of 40% by weight when burned in a diesel engine provides combustion products and overall thermal efficiencies that are nearly equivalent to those achieved by burning typical petroleum-derived liquid fuels.

Bei der Herstellung der zur Bildung der Kraftstoffaufschlämmung erforderlichen Mischung von Wasser und mikronisierter Kohle muss die Kohle vorerst mechanisch auf die vorgeschriebene Partikelgrösse von nicht mehr als 20 (im zerkleinert werden, weil mikronisierte Kohle im Handel nicht leicht errhältlich ist. Gemäss einer Herstellungsmethode wird genügend Wasser zu der pulverisierten Kohle zugegeben, um die Kraftstoffaufschlämmung zu bilden. Das so erhaltene Kohle-Wasser-Gemisch wird dann in eine Mahlscheibenmühle eingetragen, d.h. in eine When producing the mixture of water and micronized coal required for the formation of the fuel slurry, the coal must first be mechanically crushed to the prescribed particle size of not more than 20 (because micronized coal is not readily available commercially. According to a production method, sufficient water becomes available added to the pulverized coal to form the fuel slurry, and the coal-water mixture thus obtained is then fed into a grinding wheel mill

645 129 645 129

Maschine zum Schütteln und Mahlen von Kohle, in welcher die Verringerung der Kohlepartikelgrösse zum Teil dadurch erzeugt wird, dass Kohlepartikel und Metallkugeln geeigneter Grösse sich aneinander reiben. ______— Coal shaking and grinding machine in which the reduction in coal particle size is achieved in part by rubbing coal particles and metal balls of a suitable size together. ______—

' Die beiliegende Zeichnung zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens. Diese Vorrichtung umfasst einen Dieselmotor 20, dem man, beispielsweise mittels einer Pumpe 22, die Kraftstoffaufschlämmung zuführt. Die Pumpe ist zwischen einem Aufschlämmungslagertank 24 und Mitteln für die Einführung der Kraftstoffaufschlämmung in den Motor 20, wie beispielsweise eine Einspritzdüse 26, angeordnet. Der Motor 20 ist ein Dieselmotor, vorzugsweise ein Zweitaktdieselmotor, dessen Drehzahl 80 bis 150 Umdrehungen pro Minute beträgt. Ein Beispiel eines Dieselmotors für die in der beiliegenden Zeichnung erläuterte Vorrichtung ist das Modell 12 RND105M der Gebrüder Sulzer AG. Es handelt sich dabei um einen Zweitaktmotor ohne Ventile, der mit einer Drehzahl von 108 Umdrehungen pro Minute und einer Leistung an der Abtriebswelle von ungefähr 40 Megawatt arbeitet. The attached drawing shows a device for carrying out the method according to the invention. This device comprises a diesel engine 20 to which the fuel slurry is supplied, for example by means of a pump 22. The pump is disposed between a slurry storage tank 24 and means for introducing the fuel slurry into the engine 20, such as an injector 26. The engine 20 is a diesel engine, preferably a two-stroke diesel engine, the speed of which is 80 to 150 revolutions per minute. An example of a diesel engine for the device explained in the accompanying drawing is the model 12 RND105M from the Gebrüder Sulzer AG. It is a two-stroke engine without valves, which operates at a speed of 108 revolutions per minute and an output on the output shaft of approximately 40 megawatts.

In der dargestellten Vorrichtung steht ein Turbokompressor 28 mit einem Einlass des Dieselmotors 20 in Verbindung, um dem Dieselmotor 20 Pressluft für die Verbrennung der Kraftstoffaufschlämmung zuzuführen. Eine Entspannungsturbine 30 ist ebenfalls vorgesehen, um aus den Auspuffgasen des Dieselmotors 20 Energie zu gewinnen. Zur Entfernung der Kohlenasche aus den Auspuffgasen des Dieselmotors 20 können Aschenentfernungsmittel 34,z. B. ein Zyklonabscheider oder eine Ausfällungsvorrichtung, vorgesehen sein, um eine übermässige Korrosion und Erosion der Schaufeln in der Expansionsturbine zu verhindern. Die durch diese Vorrichtung erzeugte Gesamtenergie entspricht derjenigen, die durch den Dieselmotor 20 erzeugt wird, plus der durch die Kombination der Expansionsturbine 30 und des Turbokompressors 28 erzeugten Nettoenergie. In the illustrated device, a turbo compressor 28 communicates with an inlet of the diesel engine 20 to supply compressed air to the diesel engine 20 for combustion of the fuel slurry. An expansion turbine 30 is also provided to extract energy from the exhaust gases of the diesel engine 20. To remove the coal ash from the exhaust gases of the diesel engine 20, ash removal means 34, e.g. B. a cyclone separator or a precipitation device may be provided to prevent excessive corrosion and erosion of the blades in the expansion turbine. The total energy generated by this device corresponds to that generated by the diesel engine 20 plus the net energy generated by the combination of the expansion turbine 30 and the turbo compressor 28.

Zur Einführung der brennbaren Flüssigkeit, z. B. Methanol oder Äthanol, kannmanz. B. eine Zündflamme 36 in den Dieselmotor 20 einbauen, wie dies in der beiliegenden Zeichnung gestrichelt wiedergegeben ist. To introduce the flammable liquid, e.g. B. methanol or ethanol, kannmanz. B. install a pilot flame 36 in the diesel engine 20, as shown in dashed lines in the accompanying drawing.

Um eine gleichmässige Suspension der Kohlepartikel in der Kraftstoffaufschlämmung aufrechtzuerhalten, kann man kleine Mengen von bis zu ungefähr 2 Gew.-% Suspensionsstabilisatoren zugeben. Man kann auch ähnliche Mengen von Viskosität erhöhenden Mitteln hinzugeben, um die Viskosität der Aufschlämmung zu steuern. In order to maintain a uniform suspension of the carbon particles in the fuel slurry, small amounts of up to about 2% by weight suspension stabilizers can be added. Similar amounts of viscosity increasing agents can also be added to control the viscosity of the slurry.

Die Arbeitsweise und die Leistung der oben beschriebenen Vorrichtung unter Verwendung einer ausgewählten Kraftstoffaufschlämmung ist ersichtlich aus einer Beschreibung der eintretenden thermodynamischen Prozesse. Eine für einen Dieselmotor 20 geeignete Kraftstoffaufschlämmung besteht aus 40 Gew.-% Kohle (im Idealfall reiner Kohlenstoff und 60 Gew. - % The operation and performance of the device described above using a selected fuel slurry can be seen from a description of the thermodynamic processes that occur. A fuel slurry suitable for a diesel engine 20 consists of 40% by weight coal (ideally pure carbon and 60% by weight

Wasser, d.h. aus gleichen Molenbrüchen von Kohle und Wasser. Die grundlegende Verbrennungsreaktion einer solchen Kraftstoffaufschlämmung beim Einführen in einen Dieselmotor 20 und Vermischen mit Pressluft entspricht der folgenden Gleichung: Water, i.e. from the same mole fractions of coal and water. The basic combustion reaction of such a fuel slurry when introduced into a diesel engine 20 and mixed with compressed air corresponds to the following equation:

C-H2O + O2^> CO2 + H2O C-H2O + O2 ^> CO2 + H2O

Zum Vergleich verläuft die Verbrennungsreaktion eines typischen, aus Erdöl gewonnenen flüssigen Kraftstoffes gemäss der folgenden Gleichung: For comparison, the combustion reaction of a typical petroleum-derived liquid fuel proceeds according to the following equation:

CH2 + 3/2 02 C02 -1- H20 CH2 + 3/2 02 C02 -1- H20

Aus den oben genannten beiden Reaktionen geht eindeutig hervor, dass die bei der Verbrennung einer aus 40 Gew.-% Kohle und 60 Gew.-% Wasser bestehenden Aufschlämmung anfallenden Produkte denjenigen ähneln, die mit einem flüssigen Kraftstoff auf Erdölbasis erzielt werden. Insbesondere während der From the above two reactions, it is clear that the products resulting from the combustion of a slurry consisting of 40 wt% coal and 60 wt% water are similar to those obtained with a petroleum-based liquid fuel. Especially during the

3 3rd

s s

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

645 129 645 129

Verbrennung eines flüssigen, aus Erdöl gewonnenen Kraftstoffes gleichviel Mol Wasser erzeugt wie bei der Verbrennung der erfindungsgemäss verwendeten Kraftstoffaufschlämmung. Combustion of a liquid fuel derived from petroleum produces the same mole of water as when the fuel slurry used according to the invention is burned.

Der thermodynamische Wirkungsgrad der Verbrennung der erfindungsgemäss verwendeten Kraftstoffaufschlämmung und 5 anderer weniger Kohle und mehr Wasser enthaltenden Aufschlämmungen hängt weitgehend von der Netto Wirkung des flüssigen Wassers in der Aufschlämmung ab. Das Einführen von Wasser in einen Dieselmotor 20 bewirkt u.a. eine Verringerung der Menge an überschüssiger Luft, welche zum Verbrennen bei 10 einer bestimmten Spitzentemperatur im Verbrennungszyklus erforderlich ist. Der Ausdruck „überschüssige Luft", welcher hier gebraucht wird, bezieht sich auf die im obigen Falle erforderliche zusätzliche Luft, welche in einer stöchiometrischen Verbrennungverbrauchtwürde. Die bei Anwendung des erfindungs-15 gemässen Verfahrens erzielte Verringerung der Menge an überschüssiger Luft bewirkt eine Steigerung des Wirkungsgrades, da die pro Einheit verbrannten Kraftstoffes erforderliche Kompressionsenergie verringert wird. Eine zweite Wirkung ist darin zu sehen, dass während der Verbrennung zwecks Verdampfens des 20 flüssigen Wassers unter Überführung in einen gasförmigen Zustand thermische Energie erforderlich ist, welche eine negative Wirkung auf den thermischen Wirkungsgrad hat. Eine dritte Wirkung besteht darin, dass das verdampfte Wasser in ein komprimiertes Gas übergeht, aus welchem während des Expansionshubes eines jeden Kolbens des Dieselmotors 20 Arbeit gewonnen wird, was eine positive Wirkung auf den Wirkungsgrad hat. Das Nettoresultat dieser drei Wirkungen beeinflusst den thermodynamischen Wirkungsgrad der erfindungsgemässen Vorrichtung in wesentlichem Ausmass und ist entscheidend dafür, ob dieser Wirkungsgrad höher oder niedriger ist als derjenige, der bei Verwendung von flüssigen, aus Erdöl gewonnenen Kraftstoffen erziehlt werden kann. The thermodynamic efficiency of combustion of the fuel slurry used in the present invention and other slurries containing less coal and more water largely depends on the net effect of the liquid water in the slurry. The introduction of water into a diesel engine 20 causes, among other things. a reduction in the amount of excess air required to burn at a certain peak temperature in the combustion cycle. The term "excess air" used here refers to the additional air required in the above case, which would be used in a stoichiometric combustion. The reduction in the amount of excess air achieved using the method according to the invention results in an increase in efficiency , since the compression energy required per unit of fuel burned is reduced A second effect can be seen in that during the combustion in order to evaporate the liquid water, thermal energy is required which has a negative effect on the thermal efficiency A third effect is that the evaporated water converts to a compressed gas, from which 20 work is gained during the expansion stroke of each piston of the diesel engine, which has a positive effect on efficiency, the net result of these three effects influences the thermodynamic efficiency of the device according to the invention to a significant extent and is decisive for whether this efficiency is higher or lower than that which can be achieved when using liquid fuels obtained from petroleum.

Es ist ferner darauf hinzuweisen, dass das Vorhandensein von Wasser in der Kraftstoffaufschlämmung neben einer günstigen Beeinflussung des Gesamtwirkungsgrades die Menge an NOx, welche in der Vorrichtung erzeugt wird, wesentlich verringern kann, wenn man die oben definierte Kraftstoffaufschlämmung verwendet, indem Verbrennungszonen mit örtlichen hohen It should also be noted that the presence of water in the fuel slurry, in addition to having a beneficial effect on the overall efficiency, can significantly reduce the amount of NOx generated in the device when using the fuel slurry defined above by using combustion zones with local high levels

25 25th

30 30th

35 35

Temperaturen vermindert werden können. Temperatures can be reduced.

Die Gesamtwirkung auf den Wirkungsgrad lässt sich durch die folgenden Verbrennungsanalysen einer Kraftstoffaufschlämmung, die aus 40 Gew.-% reinem Kohlenstoff und 60 Gew.-% Wasser besteht, bestimmen. Der analysierte Motortakt umfasst eine adiabatische Kompression der Eintrittsluft auf ein Druckverhältnis von 20:1. Dann folgt eine Aufheizung unter konstantem Druck durch Verbrennung bei einer maximalen Motortakttemperatur von ungefähr 1093° C und anschliessend eine adiabatische Expansion der anfallenden Verbrennungsprodukte bis zum Einlassdruck. Es werden Kompressions- und Expansionswirkungsgrade von 88 % angenommen, wobei der Gesamtwirkungsgrad bei jedem Motortakt nach der folgenden Gleichung bestimmt wird: The overall effect on efficiency can be determined by the following combustion analysis of a fuel slurry consisting of 40 wt% pure carbon and 60 wt% water. The engine cycle analyzed includes adiabatic compression of the inlet air to a pressure ratio of 20: 1. This is followed by heating under constant pressure by combustion at a maximum engine cycle temperature of approximately 1093 ° C. and then an adiabatic expansion of the combustion products to the inlet pressure. Compression and expansion efficiencies of 88% are assumed, with the overall efficiency being determined for each engine cycle according to the following equation:

Gesamtwirkungsgrad = Expansionsarbeit-Kompressionsarbeit 100 Wärmezufuhr Total efficiency = expansion work-compression work 100 heat input

Der Gesamtwirkungsgrad wurde sowohl für die erfindungsgemäss verwendete Kraftstoffaufschlämmung als auch für einen flüssigen Erdöltreibstoff (CH2) berechnet. Die Wirkungsgrade wurden bestimmt, indem man die aus dem unteren Heizwert (LHV) der Kraftstoffe bestimmten Wärmezufuhren und überdies die durch den oberen Heizwert (HHV) der Kraftstoffe bestimmten Wärmezufuhren verwendete. (Der untere Heizwert, ein besserer Massstab der tatsächlichen Maschinenleistung, basiert auf der Annahme, dass die aus der Kondensation von Wasser resultierende Wärme in den Auspuffgasen der Maschine für die Erzeugung von Arbeit in einem praktisch verwendeten Motor nicht zur Verfügung steht. Der obere Heizwert umfasst diese durch die Kondensation von Wasser in den Auspuffgasen erzeugte Wärme und stellt einen besseren Indikator für den wirtschaftlichen Wert eines Kraftstoffes dar, weil Kraftstoffe aufgrund des oberen Heizwertes gekauft werden). Die Kompressionsarbeit und die Expansionsarbeit für diese Berechnungen werden aus den oben beschriebenen Zyklusparametern und adiabatischen Vorgängen bestimmt. Es ergeben sich somit Gesamtwirkungsgrade gemäss folgender Tabelle I. The overall efficiency was calculated both for the fuel slurry used according to the invention and for a liquid petroleum fuel (CH2). The efficiencies were determined using the heat inputs determined from the lower calorific value (LHV) of the fuels and, moreover, the heat inputs determined from the upper calorific value (HHV) of the fuels. (The lower calorific value, a better measure of actual machine performance, is based on the assumption that the heat resulting from the condensation of water in the exhaust gases of the machine is not available to generate work in a practically used engine. The upper calorific value includes this heat generated by the condensation of water in the exhaust gases and is a better indicator of the economic value of a fuel, because fuels are bought due to the upper calorific value). The compression work and the expansion work for these calculations are determined from the cycle parameters and adiabatic processes described above. This results in total efficiencies according to the following table I.

Tabelle 1 Table 1

Kraftstoff LHV (kJ/kg) HHV (kJ/kg) Gesamtwirkungsgrad (%) Fuel LHV (kJ / kg) HHV (kJ / kg) Overall efficiency (%)

(LHV) (HHV) (LHV) (HHV)

flüssiges Erdöl (CH2) 140 861 150 979 36,8 34,3 liquid petroleum (CH2) 140 861 150 979 36.8 34.3

Kraftstoffaufschlämmung (C-H20) (40 Gew.-% Kohle, 38 928 43 682 38,5 34,3 Fuel slurry (C-H20) (40 wt% coal, 38 928 43 682 38.5 34.3

60 Gew.-% Wasser) 60% by weight water)

Für eine aus 40 Gew.-% Kohle und 60 Gew.-% Wasser Komponente Gewichtsprozent bestehende Kraftstoffaufschlämmung sind die durch Verbren- For a fuel slurry consisting of 40 wt.% Coal and 60 wt.

nung in Dieselmotoren erzielten Gesamtwirkungsgrade ganz Schwefel 0,49 Total efficiency in all diesel engines achieved sulfur 0.49

ähnlich wie die mit üblichem Erdölkraftstoff erzielten. 55 Stickstoff 1,42 similar to that achieved with common petroleum fuel. 55 nitrogen 1.42

Eine zweite Analyse wurde unter Anwendung der oben gebundenes Wasser 9,44 A second analysis was performed using the 9.44 bound water

beschriebenen Motortaktparameter und Verfahren für eine typi- described engine cycle parameters and procedures for a typical

sehe, im Handel erhältliche Kohle folgender Zusammensetzung ausgeführt: * Wasserstoff-Kohlenstoff-Molverhältnis = 3,25/1 ~ 0,6 see commercially available coal of the following composition: * hydrogen-carbon molar ratio = 3.25 / 1 ~ 0.6

60 66,6/12 60 66.6 / 12

Tabelle II Table II

Somit wird das zugrundeliegende Kohle-„Mohlekül" als äquiva- Thus, the underlying coal "Mohlekül" is considered an equivalent

Komponente Gewichtsprozent lent mit CH0 6 angesehen. In diesem Beispiel wird die Verbren- Component weight percent lent viewed with CH0 6. In this example, the combustion

nung einer aus 30 Gew.-% Kohle gemäss Tabelle II und 70 Gew.- of a 30% by weight coal according to Table II and 70% by weight

Feuchtigkeit 9,61 65 % Wasser bestehenden Kraftstoffaufschlämmung analysiert. Humidity 9.61 65% water existing fuel slurry analyzed.

Asche (Korr.) 9,19 Der berechnete Gesamtwirkungsgrad für die Kraftstoffauf- Ash (Corr.) 9.19 The calculated total efficiency for the fuel

Kohlenstoff * 66,60 schlämmung beträgt 30,2 % (bezogen auf HHV), d. h. bloss Carbon * 66.60 slurry is 30.2% (based on HHV), i.e. H. just

Wasserstoff" (rein) 3,25 einige wenige Prozente weniger als der in Tabelle I für einen Hydrogen "(pure) 3.25 a few percent less than that in Table I for one

5 645 129 5 645 129

typischen Erdölkraftstoff angegebene Wert von 34,3 %. einen Expansionskolbenhub unter Verwendung von Erdölkrafts- typical petroleum fuel value stated of 34.3%. an expansion piston stroke using petroleum power

Weitere Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens und der toff die gleiche Energieabgabe zustande kommt. Somit sind die erfinndungsgemässen Vorrichtung werden im nachstehenden Motortaktspitzentemperaturen und die Drücke für beide Krafts-Beispiel erläutert. In diesem Beispiel wird die Arbeitsweise einer toffe praktisch dieselben. Diese Auswahl des Kraftstoffes und Vorrichtung gemäss beiliegender Zeichnung unter Verwendung 5 der Luftzufuhr erleichtert einen Vergleich der maximalen Nettoeiner aus Wasser und 30 Gew.-% Kohle mit der Zusammenset- energie, welche erhalten werden kann, wenn man verschiedene zung gemäss Tabelle II bestehenden Kraftstoffaufschlämmung Kraftstoffe in einem bestimmten Motor verbrennt, weil die analysiert und mit der Verwendung eines typischen Erdöltreib- maximale Energieabgabe eines Dieselmotors gegebener Grösse stoffes verglichen. Als Motortaktparameter für einen typischen in erster Linie durch die Energieabgabe eines Expansionshubes modernen Dieselmotor mit Turbokompressor gelten Motortakt- io bestimmt wird. Die in der folgenden Tabelle III wiedergegebe-Spitzentemperaturen von ungefähr 1371 °C und ein Druckver- nen Analysenresultate zeigen, dass bei Verwendung einer oben hältnis von 60:1. Auch die Mengen an eingeführtem Kraftstoff definierten Kraftstoffaufschlämmung anstelle eines Erdölkraft-und Luft werden so ausgesucht, dass für einen Expansionskol- stoffes in einem Dieselmotor lediglich ein bescheidener Abfall im benhub unter Verwendung der Kraftstoffaufschlämmung und für Wirkungsgrad in Kauf genommen werden muss. Further advantages of the method according to the invention and the fact that the same energy output occurs. Thus, the device according to the invention are explained in the following engine cycle peak temperatures and the pressures for both force examples. In this example, the operation of a fabric is practically the same. This selection of the fuel and device according to the attached drawing using the air supply makes it easier to compare the maximum net one of water and 30% by weight of coal with the compositional energy which can be obtained if different fuels consisting of fuel according to Table II are used burns in a particular engine because it is analyzed and compared with the use of a typical petroleum fuel - maximum energy output of a given engine size. The engine cycle parameters for a typical modern diesel engine with turbo compressor, primarily due to the energy output of an expansion stroke, are engine cycle rates. The peak temperatures of approximately 1371 ° C shown in Table III below and a pressure reduction analysis result show that when using an above ratio of 60: 1. The quantities of fuel slurry introduced instead of petroleum power and air are also selected in such a way that only a modest drop in fuel consumption using the fuel slurry and for efficiency have to be accepted for an expansion carbon in a diesel engine.

Tabelle III Table III

Angaben Information

Erdölkraftstoff Petroleum fuel

Kraftstoffaufschlämmung Fuel slurry

Zugeführter brennbarer Kraftstoff (Mol) Zugeführte Luft (Mol) Zugeführtes Wasser (Mol) Gesamtauspuffgase (Mol) Expansionsenergie (kJ) Kompressionsenergie (kJ) Nettoenergie (kJ) Kraftstoff HHV (kJ/kg brennbarer Kraftstoff) Zugeführte Wärme (kJ) Wirkungsgrad-HHV (%) Inlet combustible fuel (mole) Inlet air (mole) Inlet water (mole) Total exhaust gases (mole) Expansion energy (kJ) Compression energy (kJ) Net energy (kJ) Fuel HHV (kJ / kg combustible fuel) Inlet heat (kJ) Efficiency HHV ( %)

1,0 1.0

23,49 0 23.49 0

23,99 338 498 224 754 113 744 23.99 338 498 224 754 113 744

148 493 (CH2) 291 665 39,00 148 493 (CH2) 291 665 39.00

(bestehend aus 30 Gew. % Kohle und 70 Gew. % Wasser) (consisting of 30% by weight coal and 70% by weight water)

2,137* 2,137 *

17,92 5,42** 17.92 5.42 **

23,65 338 498 171 487 167 011 23.65 338 498 171 487 167 011

125 281 (CH0 6) 125 281 (CH0 6)

472 585 35,34 472 585 35.34

* äquivalente Mol CH0,6 * equivalent mol of CH0.6

** einschliesslich Wasser als Bestandteil der verwendeten Kohle ** including water as part of the coal used

Aus der Tabelle III geht ebenfalls hervor, dass für äquivalente wirkt das Treibmedium für den Expansionshub in einem Diesel-Werte der Expansionsenergie- die der tatsächlichen Begrenzung 40 motor, der mit einer weniger als 40 Gew.-% trockene Kohle eines Dieselmotors bestimmter Grösse und mechanischer Erfor- enthaltenden Kraftstoffaufschlämmung beschickt wird, als ein dernisse entspricht- die mit einer erfindungsgemässen Vorrich- Gemisch, welches zwischen reinem Dampf und den Verbren-tung unter Verwendung einer oben definierten Kraftstoffauf- nungsprodukten eines Erdölkraftstoffes liegt. Der überschüssige schlämmung erzeugte Nettoenergie ungefähr 47 % höher ist als Dampf in einem solchen Treibmedium bewirkt, dass der Diesel-bei Verwendung von Erdölkraftstofif. Daraus ergibt sich, dass die 45 motor etwas von den Betriebseigenschaften einer Dampfma-Kapitalkosten für eine erfindungsgemässe Vorrichtung ohne schine besitzt, so dass der Motor an und für sich als „Steisel" Berücksichtigung der Herstellungskosten für die Kraftstoffauf- (Steam und Diesel) bezeichnet werden kann. Im Gegensatz zu schlämmung pro Kilowatt abgegebener Energie wesentlich nied- einer Dampfmaschine wird aber der einen Teil des Treibme-riger sind als bei mit üblichem Erdölkraftstoff arbeitenden diums dieser „Steisel"-Maschine bildende Dampf während der From Table III it is also apparent that the equivalent of the propellant for the expansion stroke acts in a diesel values of the expansion energy - that of the actual limitation 40 engine, that with less than 40 wt .-% dry coal of a diesel engine of a certain size and mechanical Required fuel slurry is charged, as one corresponds to that with a device mixture according to the invention, which lies between pure steam and the combustion using an above-defined fuel absorption product of a petroleum fuel. The excess slurry generated net energy is approximately 47% higher than steam in such a propellant that causes the diesel to use petroleum. It follows from this that the 45 motor has some of the operating properties of a Dampfma capital cost for a device according to the invention without a machine, so that the motor in and of itself is referred to as a “Steisel” consideration of the production costs for fuel consumption (steam and diesel) In contrast to the sludge per kilowatt of energy released, a steam engine will be a part of the propellant compared to the steam that forms the "Steisel" machine with the usual petroleum fuel

Vorrichtungen. Der Grund für diese höhere Nettoenergie liegt in so direkten Verbrennung einer Kohle-Wasser-Kraftstoffaufschläm-der geringeren Luftmenge und dem geringeren Aufwand an mung in einer Expansionskammer des Motors und nicht äusser- Devices. The reason for this higher net energy lies in the direct combustion of a coal-water fuel slurry - the smaller amount of air and the less effort required in an expansion chamber of the engine and not externally.

Kompressionsenergie, welche erforderlich sind, um mit einer lieh in einem Dampfkessel erzeugt, wodurch geringere Gesamt-oben definierten Kraftstoffaufschlämmung eine bestimmte kosten und höhere Gesamtwirkungsgrade erzielt werden. Compression energy, which is required to be generated with a loan in a steam boiler, whereby lower total-slurry defined above a certain cost and higher overall efficiencies can be achieved.

Menge Expansionsenergie zu erhalten. Während des Betriebs To get a lot of expansion energy. During operation

M M

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

645 129 PATENT CLAIMS

1. A method of generating energy, characterized in that a) in a diesel engine at a speed of 80 to 150 revolutions per minute, a liquid fuel slurry, which is a mixture of water and 20 to 50 wt .-% coal in the form of particles with a maximum particle size of not more than 20 (im, introduces, b)

introduces a combustible liquid or gas into the diesel engine in an amount up to 10% by weight of the fuel slurry used to facilitate ignition of the fuel slurry; c) the fuel slurry and the combustible liquid or gas mixed with compressed air in the engine under such pressure and temperature conditions that the coal in the slurry burns to produce combustion products and the water in the slurry evaporates to produce steam, and d) energy is derived from the combustion products and from the steam, wherein the energy generation phase comprises expansion of the combustion products and steam in an expansion chamber of the engine to form exhaust gases.

2. The method according to claim 1, characterized in that the energy generation phase further comprises an expansion of the exhaust gases of the engine in an expansion turbine.

3. Device for performing the method according to claim 1, characterized by a) a diesel engine with a speed of 80 to 150 revolutions per minute for burning micronized coal in a mixture of micronized coal, water and compressed air, which is supplied to the engine, and for obtaining energy from the medium obtained on combustion, b) means for supplying compressed air to the engine, c) means for supplying a liquid fuel slurry containing water and micronized coal into the engine, d) means for the introduction of a combustible liquid or gaseous material in an amount of up to 10% by weight, based on the fuel slurry, to facilitate ignition of the fuel slurry and e) means for liquid or gaseous communication with the exhaust gases of the engine for extraction of energy from the engine exhaust gases.

4. The device according to claim 3, characterized in

that the means for extracting energy from the engine exhaust gases consist of a gas turbine.

5. The device according to claim 4, characterized in

that it further includes ash removal means located between the engine and the gas turbine to remove coal ash from the engine exhaust gases.