CN106068422A - 用于执行强化燃烧的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内燃机和用于在内燃机中借助膨胀功获得能量的方法。本发明所基于的任务是说明一种将氧气节能地输送到自压缩的内燃机的燃烧室中的可能性。根据本发明，该任务以用于执行强化燃烧用以自动提高燃烧气体的压力并且将燃烧气体在内燃机中使用来做机械功的装置通过如下方式解决，即，在燃烧室中存在储氧材料，从而通过在燃烧室中的储氧材料中存储氧气可以实现自压缩的燃烧过程。

Description

用于执行强化燃烧的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种内燃机和用于在内燃机中借助膨胀功获得能量的方法。
背景技术
自压缩的燃烧过程的能量利用(随后被称为SCC(Self-acting CompactingCombustion自动压缩燃烧)过程)首先由Lampinen在WO 2012/153003A1中描述。从事实中得知的是，当特殊的离子导电的膜负责用于使氧气和氮气通过热的反应器壁进入燃烧室中时，自动压缩燃烧气体。用于传输氧气(O2)的驱动力主要由燃烧室中的低O2分压产生。因此，燃烧空气的常见的压缩不再是必需的，可利用的膨胀功的份额变大。相应地，内燃机的在理论上可实现的效率明显提高。
因为对于高效的内燃机来说力求达到高的压力和温度，所以相应的SCC过程通对所使用的膜部件的稳定性的高的要求来表征。陶瓷膜通常是脆的，并且应该为了实现高的流动性而是尽可能薄壁的。尤其是当力求达到高的效率和为此需要的高的燃烧压力和燃烧温度时，这与对于SCC过程来说需要的高的机械稳定性是矛盾的。相应地，SCC过程在使用陶瓷膜的情况下应该限制为100bar以下或更小的压力。此外，内燃机的耦联导致燃烧过程的周期性的变动，尤其是导致温度和压力的波动。产生的振荡可以危害膜的机械完整性。
为了用作OTM(氧气传输膜)建立的材料，例如BSCF(Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ)因为其高的氧气流量而公知，氧气流量基于其混合的导电性(MIEC；混合的离子-电子导电性)。然而，BSCF也因为基本的结晶相在830℃以下的分解而公知(Shao,Z.等：对Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ氧膜的渗透性和稳定性的研究(Investigation of the permeationbehavior and stability of a Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δoxygen membrane).Journal ofMembrane Science 172(2000),第177-188页)。更高的温度此外还导致材料的明显更高的蠕变率，从而对于900℃和20bar的压差就已经会预期发生机械故障(Pecanac,G.等：Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ膜材料的机械性能和使用寿命预计(Mechanical properties andlifetime predictions for Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δmembrane material).Journal ofMembrane Science 385-386(2011),第263-268页)。此外，这种基于钙钛矿结构类型的MIEC材料包含高的碱土金属份额，其与CO2的反应导致氧气流量随着CO2含量的上升而强烈地下降(Schulz,M.等：对二氧化碳稳定性和透氧膜的氧气流量的评估(Assessment ofCO2stability and oxygen flux of oxygen permeable membranes).Journal ofMembrane Science 378(2011)，第10-17页)。
此外，燃料的绝热燃烧典型地导致气体温度比2000℃高得多。尽管膜的温度会比较低，但因此应该使用基于ZrO2或CeO2的高温材料。然而这种材料的氧气流量明显低于钙钛矿的氧气流量(Sunarso,J.等：基于陶瓷的用于氧分离的膜的混合的离子-电子导电性(MIEC)(Mixed ionic-electronic conducting(MIEC)ceramic based membranes foroxygen separation).Journal of membrane Science 320(2008),第13-41页)。冷却燃烧气体或膜壁虽然原则上看起来是可能的，但会使技术实施复杂化，并且降低效率。
在使用陶瓷OTM膜的情况下，在SCC过程中实现特别高的压力看起来仅当在膜的两侧的压力相同时才是可能的。在该情况下，整个膜材料处于压缩应变下，不存在处于拉伸应变下的区域，从而可以期待膜的高的使用寿命。然而，这种负荷情况对于SCC过程来说是没有意义的，这是因为空气的相应的压缩会消耗可附加地使用的膨胀功。整体上确定的是，对于SCC过程的力求达到的高的温度和压力来说，没有可供使用的带有足够高的透氧性和稳定性的膜材料。
用于OTM的材料经常也能够可逆地存储氧气，即，作用为储氧材料(随后被称为OSM，Oxygen Storage Materials储氧材料)。氧在此嵌入固体材料的晶格中。不同的OSM和不同的方法迄今已要求保护或描述为如下方法，例如所谓的化学链燃烧(ChemicalLooping Combustion)(CLC:US 5 447 024A；Hossain,M.M.,de Lasa,H.l.:用于固有的二氧化碳分离的化学链燃烧-综述(Chemical looping combustion(CLC)for inherentCO2separations-a review).Chemical Engineering Science 63(2008),4433-4451)和陶瓷自热恢复(Ceramic Autothermal Recovery)(CAR:EP 0 913 184B1；Ullmann,H.等：带有高的氧传输的氧化物陶瓷(Oxidkeramiken mit hohem Sauerstofftransport)，陶瓷杂志(Keramische Zeitschrift)，57(2005)2,第72-78页)。此外，不同的基于钙钛矿和萤石的材料组合物作为OSM(JP 05004044A、EP 1 547 972A3、US 6 059 858A、DE 10 2005 034071A1)要求保护，其经常与特定的方法，例如气体清洁(JP 05004044A、JP 04164803A)或在使用特殊的气体的情况下与特定的方法步骤(US 6 464 955B2、EP 0 995 715A1)一起组合。
基于OSM和氧气的相应的化学反应，加载相应于OSM的氧化，卸载相应于OSM的还原。前一过程总是放热的，后一过程总是吸热的。因此，OSM的周期性的加载和卸载总是伴随着热释放和热消耗(Kaps,C.,Kriegel,R.:作为用于高效的能源技术的智能材料的钙钛矿陶瓷(Perovskite ceramics as smart materials for efficient energytechnologies)。在：Proceedings of the 2.International Congress on Ceramics中。Verona,Italy.29.06-04.07.2008)。
OSM的还原或氧化的焓主要依赖于其化学组成，尤其是金属类型，其由于其价态变化决定加载和卸载特性。例如在钙钛矿类型的基于铁或钴的混合导电的氧化物的情况下，容易的价态变化通常伴随着低的大约为-50KJ每mol O2的氧化焓。基于Mn和Cr的OSM相反地表现出最多大约为-350KJ每mol O2的氧化焓。因此，聚焦于节能的氧气产生的CAR方法(US6 059 858A)例如首先使用基于Co和Fe的混合氧化物，以便在尽可能小地改变O2分压的情况下产生尽可能大的O2量。在此相应地，相应的含有Co和Fe的OSM的温度改变保持得很小。
在使用OSM的情况下的周期性的燃烧过程产生大的热量，其部分也引入到OSM中。因此显得困难的是，尤其是当循环时间非常短时使填充有OSM的反应器的温度保持得很低。这对于在内燃机中的处于压力下的气体来说可能是尤其期待的。
发明内容
本发明所基于的任务是显示一种以节能方式将氧输送到自压缩的内燃机的燃烧室中的可能性。
根据本发明，该任务以用于执行强化燃烧用以自动提高燃烧气体的压力并且将燃烧气体在内燃机中使用来做机械功的装置通过如下方式解决，即，在燃烧室中存在储氧材料，从而通过在燃烧室中的储氧材料中存储氧气可以实现自压缩的燃烧过程。
带有工作室的内燃机的有利的设计方案由如下得到，即，工作室包含至少两个反应室，其中，每个反应室包含储氧材料，并且至少具有用于燃料和新鲜空气的输入端、用于输出氧气耗尽的空气的第一输出端和用于输出燃烧气体的配设有阀的第二输出端。此外，所有第二输出端通过输入端与后置的工作室连接，其中，为了将燃烧气体导入工作室中分别仅有一个阀是打开的。工作室应该理解为如下室，在其中，处于高压下并且处于高温下的燃烧气体可以做机械功，尤其是内燃机或涡轮机的机械功。
此外，该任务以用于执行强化燃烧用以自动提高燃烧气体的压力并且将燃烧气体在内燃机中使用来做机械功的方法通过如下方式解决，即，
-将储氧材料存储在燃烧室中，
-输送新鲜空气，其中，储氧材料从新鲜空气中提取氧气，
-随后输送燃料，其利用从储氧材料中出来的氧气完全燃烧，
-最后，使用处于高压下并且处于高温下的燃烧气体来做机械功。
根据本发明的用于在带有至少两个反应室的内燃机中借助膨胀功获得能量的方法的有利的设计方案的特征在于如下方法步骤：
a)向第一反应室充入新鲜空气，以使得位于反应室中的储氧材料从新鲜空气中提取氧气；
b)在储氧材料被氧气饱和之后，中断新鲜空气输送，并且将燃料计量到反应室中，燃料被点燃，并且通过从储氧材料中出来的氧气完全燃烧；
c)将处于压力下的燃烧气体输送至致流机
d)针对另外的反应室相继执行步骤a)至c)，其中，另外的反应室的数量至少以如下方式确定，即，使第一反应室由于氧气饱和而中断其新鲜空气输送。
本发明克服了所描绘的现有技术的缺点，其方法是，使用带有高于150KJ/mol O2的还原焓的储氧材料，在燃烧过程后，再加载在时间上得到延长，并且过量的空气用于冷却，以及加入了液态或气态的形式的水用于内部冷却。
对于碳氢化合物的主要组成部分、CH2基团来说，碳氢化合物的燃烧热量为大约-650KJ/mol。对于将CH2基团燃烧成水和二氧化碳而言需要一个半摩尔的氧气。因此，从碳氢化合物相对于所转换的氧气量的燃烧焓的标准化得到的值为大约为-430KJ每mol所转换的氧气。因此看起来可能的是，当储氧材料的氧化焓是类似的时，大部分的在燃烧过程中释放的反应热量能通过储氧材料的还原来补偿。附加地，液态水或蒸汽可以用于在燃烧期间将储氧材料的温度保持得很低。
本发明要求保护在使用储氧材料的情况下，SCC过程的技术上的变型解决方案，储氧材料用作在至少两个联接的反应室中的多孔体或者填充床。燃料的燃烧在至少一个反应室中执行，反应室包含加载有氧气的储氧材料。储氧材料在燃烧过程期间，在没有明显的体积改变的情况下释放氧气。被释放的氧气与燃料反应，并且由此加热储氧材料和反应室。相应地，反应室中的气体压力和温度升高，直到燃料完全氧化，或者储氧材料的存储容量耗尽。随后，使用另外的储氧材料用于燃烧燃料。卸载的储氧材料利用过量的新鲜空气再生。
附图说明
本发明随后应该借助实施例详细阐述。其中：
图1示出SCC过程的示意图。
具体实施方式
根据图1，作为内燃机的重要的组成部分看到三个分别带有存储的储氧材料2的反应室1.1、1.2和1.3和用于做机械功的工作室4。工作室4在此可以属于燃气轮机，其本身驱动发电机(在图1中未示出)用以产生电能。风扇5通过管线路与每个单独的反应室1.1、1.2和1.3连接，用以输送新鲜空气，其中，每个反应室1.1、1.2和1.3具有用于输出氧气耗尽的空气的第一输出端12.1、12.2、12.3，以及用于输出燃烧气体的第二输出端3.1、3.2、3.3和两个另外的输入端。输入端11.1、11.2、11.3用于输入燃料，而另外的输入端13.1、13.2、13.3用于输入水或水蒸气。
实施例1：
针对天然气的自压缩燃烧，根据图1使用三个反应室1.1、1.2和1.3。每个反应室1.1、1.2和1.3具有1.8升的内体积，其填充有1kg的储氧材料2。针对储氧材料填充床使用CSFM5555(Ca0.5Sr0.5Mn0.5Fe0.5O3-δ)颗粒，其带有30体积％的开孔率和3.67g/cm3的密度。原料通过常规的陶瓷混合氧化技术制成，并且随后与作为造孔剂的马铃薯淀粉混合。物料通过挤压或碾压成形为直径大约为4mm、长度为10-15mm的带束。烧结在1430℃的情况下进行3小时。如此制成的储氧材料的氧化焓为大约-280KJ/mol O2。
三个反应室1.1、1.2和1.3分别通过其第二输出端3.1、3.2、3.3与工作室4通过尽可能短的带有很小的内直径的管线路连接。风扇5与反应室1.1、1.2和1.3之间的管线路具有明显更大的直径，以便最小化压力损失，并且能够实现在环境压力的情况下的大的空气流量。管线路之间的所有连接部位配备有阀6.1、6.2、6.3、7.1、7.2、7.3，其可以构造为电磁阀或止回阀。在工作室4的输入端8上布置有减压阀9。反应室1.1、1.2和1.3的外部的外套是水冷却的，并且与冷却循环回路连接。附加地，所有反应室1.1、1.2和1.3配备有用于喷入液态水或蒸汽的雾化喷嘴10.1、10.2、10.3。
SCC过程通过以未示出的天然气燃烧器加热反应室10.1、10.2和10.3来启动。在加热期间，在废气中应该实现至少5体积％的氧含量，以便在加热期间避免储氧材料填充物的卸载。在第一反应室1.1中达到650℃的温度后，将4.8标准升的天然气在15bar的预压力的情况下通过其输入端11.1注入第一反应室中。燃料的燃烧消耗由储氧材料2提供的氧气。由此，储氧材料填充物中的氧含量z从2.84下降到2.70(z为ABOz形式)。非常快速的燃烧产生高于3500℃的气体温度和大于110bar的压力。将大约15g水通过另外的输入端13.1附加地喷射到燃烧区中，从而燃烧温度下降大约800K，并且压力上升到210bar。将处于高压下的燃烧气体和蒸汽引导到工作室4中，其是致流机的组成部分，致流机本身驱动发电机用以产生电流。致流机被构造为没有压缩件并且没有燃烧空气的引导件，或者这些部件没有被使用。当压力下降到15bar以下时，天然气通过其输入端11.2被计量到第二反应室1.2中，并且像上面描述的那样燃烧。储氧材料填充物的温度持续地得到监控和调节，其方法是，将变化量的水通过输入端10.1、10.2、10.3注入。在此力求达到储氧材料填充物的最大温度为1200℃。
在每个燃烧过程后，卸载的储氧材料填充物利用新鲜空气再生。典型地，空气流量为理论上对于整个储氧材料的再氧化来说需要的量的两倍至四倍。过量的冷空气用于将填充物温度保持在恒定的水平上。
实施例2：
针对苯的自压缩燃烧使用带有内部体积分别为0.6升的三个反应室1.1、1.2和1.3。反应室1.1、1.2和1.3各填充有1kg CaMnO3(形式为迷你蜂窝填充物)，其具有65体积％的自由体积和2.5g/cm3的填充密度。原料通过常规的陶瓷混合氧化技术制成，并且通过硬塑挤压将水性地塑化的物料成形为尺寸为8x8的迷你蜂窝，其中，带束被自动切割为大约8mm长的短块。烧结在1450℃下进行3小时。随后，储氧材料迷你蜂窝以基于水的25摩尔％Gd2O3和75摩尔％NiO的悬浮液来涂层，以便最小化表面的炭化。涂层在1000℃的情况下烘烤2小时。如此制成的材料的氧化焓为大约-300kJ/mol O2。
三个反应室1.1、1.2和1.3彼此连接，并且与工作室4通过尽可能短的带有很小的内直径的管线路连接。风扇5与反应室1.1、1.2和1.3之间的管线路具有明显更大的直径，以便最小化压力损失，并且能够实现大的空气流量。管线路之间的所有连接部位配备有阀6.1、6.2、6.3、7.1、7.2、7.3。减压阀9布置在工作室4前面。反应室1.1、1.2和1.3的外部的外套是水冷却的，并且与冷却循环回路连接。附加地，所有反应室1.1、1.2和1.3在输入端上配备有用于喷入液态水或蒸汽的雾化喷嘴10.1、10.2、10.3。
反应室1.1、1.2和1.3首先通过在空气过量的情况下燃烧苯而预加热到600℃。随后关闭空气输送，并且将9g苯喷射到第一反应室1.1中。被雾化的燃料点燃，并且通过从储氧材料填充物中出来的氧气完全氧化。由此，储氧材料迷你蜂窝的氧含量z从2.95下降到2.65(z为ABOz形式)。燃烧气体加热到高于4000K，压力上升到大于800bar。通过喷射大约30g的液态水，气体温度可以下降大约900K，其中，压力上升到1600bar。
像已经在实施例1中描述的那样，处于高压下的气体用于在致流机中产生电流。
在每个燃烧过程后，卸载的储氧材料迷你蜂窝利用新鲜空气再生。空气流量在此典型地为理论上对于整个储氧材料填充物的完全的再氧化来说需要的流量的两倍至四倍。过量的冷新鲜空气用于冷却储氧材料填充物和反应室，并且将温度保持在恒定的水平上。
反应室1.1、1.2、1.3的数量在实施例1和2中确定为三个。原则上，通过燃烧阶段和再氧化阶段之间的时间比确定数量。因为燃烧阶段明显比再氧化阶段更短，所以反应室的相应的数量选择得可以实现在工作室4的输入端8上的基本上连续的气体流。
附图标记列表
1.1 反应室
1.2 反应室
1.3 反应室
2 储氧材料
3.1 第二输出端
3.2 第二输出端
3.3 第二输出端
4 工作室
5 风扇
6.1 阀
6.2 阀
6.3 阀
7.1 阀
7.2 阀
7.3 阀
8 (工作室4的)输入端
9 减压阀
10.1 雾化喷嘴
10.2 雾化喷嘴
10.3 喷洒喷嘴
11.1 (用于燃料的)输入端
11.2 (用于燃料的)输入端
11.3 (用于燃料的)输入端
12.1 第一输出端
12.2 第一输出端
12.3 第一输出端
13.1 (用于水或水蒸汽的)输入端
13.2 (用于水或水蒸汽的)输入端
13.3 (用于水或水蒸汽的)输入端。

Claims (11)

1.一种用于执行强化燃烧的装置，其用于自动提高燃烧气体的压力并且将燃烧气体在内燃机中使用来做机械功，其特征在于，在燃烧室中存在储氧材料(2)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
-所述燃烧室包含至少两个反应室(1.1、1.2、1.3)，其中，每个反应室(1.1、1.2、1.3)
-包含储氧材料(2)，
-具有至少一个用于燃料的输入端(11.1、11.2、11.3)和一个用于新鲜空气的输入端，
-具有用于输出氧气耗尽的空气的第一输出端(12.1、12.2、12.3)，
-具有用于输出燃烧气体的配设有阀(6.1、6.2、6.3)的第二输出端(3.1、3.2、3.3)，
-每个第二输出端(3.1、3.2、3.3)通过输入端(8)与后置的工作室(4)连接，其中，为了将燃烧气体导入工作室(4)中分别仅有一个阀(6.1、6.2、6.3)是打开的。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述储氧材料(2)具有针对脱氧的在150KJ/mol O2与350KJ/mol O2之间的还原焓。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，使用Ca0.5Sr0.5Mn0.5Fe0.5O3-δ的颗粒作为储氧材料(2)，其带有30体积％的开孔率和3.67g/cm3的密度。
5.根据权利要求1至4所述的装置，其特征在于，颗粒形式的储氧材料(2)作为填充床被布置在所述反应室(1.1、1.2、1.3)中。
6.根据权利要求1至5所述的装置，其特征在于，每个反应室(1.1、1.2、1.3)具有另外的用于供应液态或气态水的输入端(13.1、13.2、13.3)，以便实现所述储氧材料(2)和所述反应室(1.1、1.2、1.3)内部的内部冷却，并且提高燃烧气体的压力。
7.根据权利要求1至6所述的装置，其特征在于，所述储氧材料(2)与催化剂组合，以便提高反应速度，或者降低有害物质浓度。
8.一种用于执行强化燃烧的方法，其用于自动提高燃烧气体的压力并且将燃烧气体在内燃机中使用来做机械功，其特征在于，
-将储氧材料(2)存储在燃烧室中，
-输送新鲜空气，其中，所述储氧材料(2)从新鲜空气中提取氧气，
-随后输送燃料，其利用从所述储氧材料(2)中出来的氧气完全燃烧，
-最后，使用处于高压下并且处于高温下的燃烧气体来做机械功。
9.根据权利要求8所述的方法，其利用至少两个反应室，其特征在于如下方法步骤：
a)向第一反应室(1.1)充入新鲜空气，以使得位于反应室(1.1)中的储氧材料(2)从新鲜空气中提取氧气；
b)在所述储氧材料(2)被氧气饱和之后，中断新鲜空气输送，并且将燃料计量到反应室(1.1)中，燃料利用从所述储氧材料(2)中出来的氧气完全燃烧；
c)将处于压力下的燃烧气体输送至工作室(4)；
d)针对另外的反应室相继执行步骤a)至c)，其中，另外的反应室的数量至少以如下方式确定，即，使所述第一反应室(1.1)由于氧气饱和而中断其新鲜空气输送。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，通过注入变化量的水来监控和调节所述储氧材料(2)的温度。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其特征在于，每个反应室(1.1、1.2、1.3)中的新鲜空气流量为理论上对于整个储氧材料(2)的再氧化来说需要的量的两倍至四倍。
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