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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Reduzierung des Ausstoßes
von umweltschädlichen
Stoffen bzw. Stoffverbindungen bei Verbrennungsvorgängen, insbesondere
bei Verbrennungsvorgängen
mit innerer Verbrennung nach den Ansprüchen 1 und 14.
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Zum
Auslösen
und zum Beeinflussen von Oxidationsvorgängen, insbesondere von Verbrennungsvorgängen, ist
neben der Bereitstellung eines Brennstoffes in geeigneter Form die
gezielte Beeinflussung einer Sauerstoffzufuhr bekannt. Im einfachsten
Fall erfolgt diese Beeinflussung durch die zur Verfügungsstellung
einer Frischluftzuleitung zu einem stationär und/oder auch mobil benutzbaren Verbrennungsraum.
Verbrennungsvorgänge
werden in der Regel zur Nutzbarmachung thermischer und/oder mechanischer
Energie durchgeführt.
Beispiele für
thermische Energiegewinnung sind Heizung, Stromerzeugung, Abfallverbrennungsanlagen und
dergleichen. Mechanische Energiegewinnung erfolgt in großem Umfang
durch den Betrieb von Kraftstoffmotoren.
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Allen
diesen Oxidations- bzw. Verbrennungsvorgängen ist gemeinsam, dass sie
für die
Umwelt schädliche
Rückstände in der
Form von Fluiden, wie zum Beispiel Stickoxide und Feststoffe, wie
zum Beispiel Rußpartikel,
erzeugen. Dies erfordert Maßnahmen
zur Abgasnachbehandlung, wie zum Beispiel SCR (Selective Catalytic
Reduction) oder NSC (NOx Storage Catalyst).
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Bei
SCR wird eine Umwandlung von Stickoxiden in Stickstoff und Wasserdampf
mit Hilfe einer in den Abgasstrang eingespritzten Harnstofflösung, diese
enthält
gebundenen Ammoniak, erzielt. Dies erfordert ein zusätzliches
Vorhalten dieser Harnstofflösung
und ist für
diese Art der Abgasbehandlung unumgänglich. Beim NSC-Verfahren
werden die Stickoxide in der Form von Nitraten gespeichert und mit
unverbranntem Kraftstoff reduziert. Nachteilig ist hierbei der hohe
Kraftstoffverbrauch, die Alterung des Speicherkatalysators über Lebensdauer
und seine Schwefelempfindlichkeit.
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Aufgaben und Vorteile der Erfindung:
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Verbesserung von Oxidations- bzw. Verbrennungsvorgängen der
einleitend dargelegten Art vorzuschlagen.
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Vorteilhafte
und zweckmäßige Weiterbildungen
gehen aus den Unteransprüchen
hervor.
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Demnach
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Reduzierung
des Ausstoßes
von umweltschädlichen
Stoffen bzw. Stoffverbindungen bei Verbrennungsvorgängen, insbesondere
bei Verbrennungsvorgängen
mit innerer Verbrennung, wobei für
die Gasver- und -entsorgung des Verbrennungsvorgangs eine Frischgaszuleitung
und eine Abgasableitung vorgesehen sind. Sie zeichnet sich dadurch
aus, dass die Frischgaszuleitung und die Abgasableitung durch einen
im Wesentlichen geschlossenen Gaskreislauf miteinander verbunden
werden.
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Unter
einem im wesentlichen geschlossenen Gaskreislauf wird erfindungsgemäß eine geschlossene
Gaskreislaufführung
zwischen dem Abgasstrang und dem Zuluftstrang verstanden, wobei
aber für
die Energiewandlung dem Oxidations- bzw. Verbrennungsvorgang zusätzlich sowohl
Brennstoff als auch Sauerstoff im entsprechenden Verhältnis zugeführt werden.
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Durch
diese Kreislaufführung
kann das gesamte mit dem Verbrennungsvorgang im Zusammenhang stehende
Gas inkl. der dabei entstehenden Verbrennungsrückstände aufgefangen, gereinigt
und wieder aufbereitet dem Verbrennungsvorgang erneut zugeführt werden.
Dies ist insbesondere bei Ausführungsformen
von Vorteil, bei welchen in dem im wesentlichen geschlossenen Gaskreislauf
ein Ballast- bzw. Trägergas
geführt
wird, welches zum Beispiel als Grundgasstrom dienen kann. Als insbesondere vorteilhaft
zur Verwendung eines solchen Ballast- oder Trägergases werden ein inertes
und/oder ein sonstiges, für
die Umwelt unschädliches
Gas oder Gasgemisch mit Ausnahme von Stickstoff angesehen.
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Insbesondere
durch diese geschlossene Gaskreislaufführung und Verwendung eines
solchen Ballast- bzw. Trägergases
ist es erfindungsgemäß möglich den
Oxidations- bzw. Verbrennungsvorgang vollständig von Stickstoffeinträgen frei
zu halten. Somit können
in vorteilhafter Weise beim Oxidations- bzw. Verbrennungsvorgang
auch keine für
die Umwelt schädlichen
Stickstoffverbindungen entstehen. Alle bisher zur Unschädlichmachung
dieser Verbrennungsrückstände erforderlichen
Maßnahmen
können somit
entfallen.
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Als
Brennstoff können
Kohlenstoffverbindungen bzw. Kohlenwasserstoffe, zum Beispiel Benzin, Diesel
oder Heizöl
für den
Betrieb von Motoren oder Ölverbrennungsanlagen
zugeführt
werden. Denkbar sind aber auch die Zufuhr von festen Kohlenstoffen, wie
zum Beispiel Kohle in jeglicher Form, aber auch Gas, die ggf. auch
mit weiteren durch den Oxidations- bzw. Verbrennungsprozess umzusetzenden Stoffen
gemischt werden können.
Unter anderem können
dies z.B. Kunststoffe aus einer Wertstoffsammlung zur Entsorgung
in Müllverbrennungsanlagen
und/oder zur Stromerzeugung in Kraftwerken und dergleichen sein.
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Die
Sauerstoffzufuhr für
den Oxidations- bzw. Verbrennungsvorgang kann in vorteilhafter Weise
durch Anreicherung des Ballastgases mit Sauerstoff erfolgen, der hierzu
ggf. in einem Speicher oder Zwischenspeicher vorgehalten werden
kann. Die Zufuhrmenge des Sauerstoffs bzw. der prozentuale Anteil
des Sauerstoffs in dem im Kreislauf geführten Gas kann dabei grundsätzlich frei
gewählt
werden. Das heißt
es ist auch eine gegenüber
der Umgebungsluft deutlich erhöhte
Sauerstoffkonzentration in diesem Gas möglich, wodurch zum Beispiel
die Rußpartikelbildung
deutlich verringert bzw. elimiert werden kann.
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Gleichzeitig
kann auch eine Steigerung der Energieausbeute beim Verbrennungsvorgang
erzielt werden, so dass auch eine Wirkungsgradsteigerung damit einhergeht.
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Die
Sauerstoffversorgung kann in einer bevorzugten Ausführungsform
durch direkte Sauerstoffgewinnung vor Ort erfolgen. Beispielsweise
ist es hierzu möglich,
dass das Ballastgas mit einem Sauerstoff-Trägerfluid kontaktiert und dabei
mit Sauerstoff angereichert wird. Die Kontaktierung kann dabei beispielsweise
in einer entsprechend ausgebildeten Vorrichtung durch Einblasen
des Ballastgases in eine als Sauerstoff-Trägerfluid fungierende, ionische
Flüssigkeit
erfolgen.
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Als
besonders vorteilhaft wird es hierbei angesehen, wenn das Sauerstoff-Trägerfluid
mit Sauerstoffadsorbienten und/oder Sauerstoffabsorbienten versetzt
ist. Dadurch ist eine Erhöhung
der Sauerstoffkonzentration in dem Trägerfluid und damit eine bessere
Sauerstoffausbeute bei diesem Verfahren zur Anreicherung des Ballast-
bzw. Trägergases möglich.
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Der
Eintrag des Sauerstoffs in das Sauerstoff-Trägerfluid und die Anreicherung
der Sauerstoffsorbienten kann in vorteilhafter Weise z.B. durch Beaufschlagung
dieser Sauerstoffträger
mit Luft erfolgen, ggf. in einer geeigneten Vorrichtung, wie zum Beispiel
durch Rieselbettkontaktoren und/oder Membrankontaktoren oder dergleichen.
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Für eine ungestörte Oxidation
bzw. Verbrennung ist die Zufuhr eines möglichst sauberen Gasgemisches
in den Brennraum anzustreben. Zur Reinigung des Ballastgases nach
dem Oxidations- bzw. Verbrennungsvorgang können dem Ballastgas hierfür die Verbrennungsrückstände wieder
entzogen werden, vorzugsweise wiederum durch Kontaktierung des Ballastgases
mit einem Trägerfluid.
Diese Kontaktierung kann im gleichen Vorgang, wie bereits oben beschrieben,
durch Einblasen in das selbe Sauerstoff-Trägerfluid erfolgen, wobei die
Oxidationsrückstände von
diesem Trägerfluid
durch chemische Reaktionen aufgenommen werden. In einer solchen Ausführungsform
können
somit sowohl der Anreicherungsprozess des Ballast- bzw. Trägergases
mit Sauerstoff als auch sein Reinigungsprozess durchgeführt werden.
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In
einer dem gegenüber
abgewandelten Ausführungsform
kann aber auch eine getrennte Ballastgasbehandlung für die Anreicherung
mit Sauerstoff und für
die Reinigung, zum Beispiel durch die Bereitstellung eines weiteren,
für die
Aufnahme der Rückstände vorgesehenen
Trägerfluides
erfolgen, wobei für
beide Ausführungsformen
eine Beaufschlagung des geschlossenen Gaskreislaufes mit Überdruck
gegenüber
dem Normaldruck von Vorteil ist.
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Neben
dem oben beschriebenen Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung
im Weiteren auch eine Vorrichtung zur Reduzierung des Ausstoßes von umweltschädlichen
Stoffen bzw. Stoffverbindungen bei Verbrennungsvorgängen, insbesondere
bei Verbrennungsvorgängen
mit innerer Verbrennung, mit einer Frischgaszuleitung und einer
Abgasableitung, die sich dadurch auszeichnet, dass die Frischgaszuleitung
und die Abgasableitung durch einen im Wesentlichen geschlossenen
Gaskreislauf miteinander verbunden sind.
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In
einer besonderen Ausführungsform
kann diese Vorrichtung auch so aufgebaut sein, dass für den im
Wesentlichen geschlossenen Gaskreislauf eine Beaufschlagung mit
Ballastgas vorgesehen ist. Auch die Anreicherung des Ballastgases
mit Sauerstoff wird hierzu entsprechend der bereits oben dargelegten
Zusammenhänge
als vorteilhaft angesehen.
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Ausführungsbeispiel:
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Die
Erfindung wird anhand der Zeichnung und der nachfolgend darauf bezugnehmenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen
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1 eine
schematische Darstellung eines Oxidations- bzw. Verbrennungsprozesses mit einem die
Gasver- und -entsorgung
umfassenden, im wesentlichen geschlossenen Gaskreislauf und
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2 und 3 zwei
Wirkungsgraddiagramme.
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Im
Detail zeigt die 1 beispielhaft schematisch ein
mögliches
Ausführungsbeispiel
für ein Verfahren
zur Reduzierung des Ausstoßes
von umweltschädlichen
Oxidations- bzw.
Verbrennungsrückständen. Dieses
schematisch dargestellte Verfahren beruht im Wesentlichen auf einer
Vorrichtung 1 zur Reduzierung des Ausstoßes von
umweltschädlichen Stoffen
bzw. Stoffverbindungen 2 bei Verbrennungsvorgängen, insbesondere
bei Verbrennungsvorgängen
mit innerer Verbrennung 3, mit einer Frischgaszuleitung 4 und
einer Abgasableitung 5. Diese zeichnet sich dadurch aus,
dass die Frischgaszuleitung 4 und die Abgasableitung 5 durch
einen im Wesentlichen geschlossenen Gaskreislauf 6 miteinander
verbunden sind.
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In
diesem im Wesentlichen geschlossenen Gaskreislauf 6 wird
als Grundgasstrom ein Ballast- bzw. Trägergas 7 im Kreis
geführt
und in einer Anreicherungseinheit 8 mit Sauerstoff angereichert.
Der Sauerstoff kann zum Beispiel in einem Speicher 9 vorgehalten
oder zwischengespeichert sein. Zur Befüllung des Speichers 9 mit
Sauerstoff kann das Ballastgas 6 in der Anreicherungseinheit 8 zum
Beispiel mit einem Sauerstoff-Trägerfluid 10 kontaktiert
werden. Dies kann beispielsweise durch Einblasen des Ballastgases 6 in
ein als ionische Flüssigkeit
vorliegendes Sauerstoff-Trägerfluid 10 erfolgen.
Als ionische Flüssigkeiten
sind niedrig schmelzende Salze mit Schmelzpunkten unterhalb von
etwa 80° C
zu verstehen. Sie sind nicht flüchtig
und besitzen keine bzw. einen kaum messbaren Dampfdruck. Aufgrund dieser
Eigenschaften sind sie hervorragend als Träger für Sauerstoff geeignet. Einerseits
können
sie aufgrund ihres niedrigen bzw. nicht vorhandenen Dampfdrucks
in verschiedenen Druckzuständen
gehandhabt werden, zum Beispiel durch Beaufschlagung mit Überdruck
durch das Ballastgas zum Zwecke des Sauerstoffentzugs für die Bereitstellung
am Oxidations- bzw. Verbrennungsprozess. Anderseits ist auch eine
Beaufschlagung, ggf. wiederum unter erhöhtem Druck, mit fein verteilter
Luft 12 in einer Luftbeaufschlagungseinheit 11,
beispielsweise über Rieselbettkontaktoren
oder dergleichen möglich. Eine
Intensivierung der damit möglichen
Sauerstoffgewinnung kann zum Beispiel durch zusätzliches Versetzen des Sauerstoff-Trägerfluides 10 mit
Sauerstoffad- bzw. Sauerstoffabsorbienten erfolgen.
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Die
guten Fluideigenschaften dieser ionischen Flüssigkeit ermöglichen
auch seine Förderung über eine
ggf. längere
Strecke mittels entsprechender Leitungen, und damit eine getrennte
Ausbildung der Luftbeaufschlagungseinheit 11 von der Anreicherungseinheit 8,
die zum Beispiel über
solche Leitungen 14 für
eine Kreislaufführung
dieses Sauerstoff-Trägerfluides
verbunden sind. Beide Orte können
demnach z.B. bei Großanlagen
auch durch eine größere Distanz
voneinander getrennt sein.
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Um
den Sauerstoffentnahmeprozess aus der Umgebungsluft von dem Sauerstoffanreicherungsprozess
für das
Ballastgas verfahrenstechnisch voneinander trennen zu können, kann
in vorteilhafter Weise ein oben bereits beschriebener Sauerstoffspeicher 9 mit
entsprechenden Leitungen und Steuer- bzw. Regeleinheiten zwischengeschaltet
sein. Damit ist einerseits ein kontinuierlicher Sauerstoffgewinnungsprozess
aus der Umgebungsluft möglich, der
somit auch vollkommen unabhängig
von dem Oxidations- bzw. Verbrennungsvorgang und der dafür erforderlichen
Ballastgasanreicherung mit Sauerstoff betrieben werden kann. Anderseits
ist die Anreicherung des Ballast- bzw. Trägergases dadurch von der aktuellen
Sauerstoffentnahme aus dem Sauerstoff-Trägerfluid 10 entkoppelt,
so dass auch ggf. kurzfristig auftretende Sauerstoff-Spitzenlasten,
die auch über
der durchschnittlichen Sauerstoffgewinnungsrate bei der Trägerfluidanreicherung
liegen können,
problemlos abgedeckt werden können.
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Der
Austrag der Verbrennungsrückstände 7 aus
dem Ballastgas 6 kann über
eine sogenannte Abreicherungseinheit 15 erfolgen. Hierzu
kann das Ballastgas über
entsprechende Vorrichtungen, z. B. ebenfalls über Rieselbettkontaktoren in
das Sauerstoff-Trägerfluid
eingeblasen werden, so dass dieses die Verbrennungsrückstände aufnehmen
kann. Das Ballast- oder Trägergas
selbst geht, gereinigt und im Kreislauf geführt, weiter zur Anreicherungseinheit 8 und
kann dort wieder mit Sauerstoff angereichert werden.
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Der
Austrag der Verbrennungsrückstände aus
der ionischen Flüssigkeit
kann ebenfalls in der sogenannten Abreicherungseinheit 15,
in einem entsprechend dafür
ausgebildeten Vorrichtungselement erfolgen, er kann durchaus aber
auch an einer anderen Stelle vorgesehen sein.
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Somit
ist es möglich,
mittels eines Edelgases und/oder eines für die Umwelt unschädlichen
Gases, ausgenommen Stickstoff, einem sogenannten Ballastgas, und
dessen selektiver Anreicherung mit Sauerstoff, ohne der Bildung
von Schadgasen, Energie in Form eines Verbrennungsprozesses zu liefern.
Insbesondere ist es somit möglich
einen stickstofffreien bzw. von Stickstoffverbindungen freien Betrieb
zu ermöglichen,
so dass bisher erforderliche, kostenintensive Entstückungssysteme
entfallen können.
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Die
Sauerstoffanreicherung kann über
direkte Zufuhr von Sauerstoff aus einem Tank, durch vorherige Separation
von Sauerstoff aus der Luft über Zeolithe,
Molekularsiebe, Aktivkohle und oberflächenaktiven Substanzen, durch
Membranen mit selektiver O2-Durchlässigkeit,
wie z.B. ZrO2 oder Yttrium dotiertes ZrO2 durch perfluorierte Kohlenwasserstoffe,
die in der Lage sind Sauerstoff selektiv aufzunehmen und zu speichern,
durch Ionische Flüssigkeiten
als auch Ionische Flüssigkeiten
mit gelösten
Sauerstoffadsorbentien realisiert werden.
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Generell
ist auch eine Zufuhr von reinem Sauerstoff mittels hochschmelzender
Salze (450–700°C) zur Absorbation
von Stickstoff mit Bildung von Metallnitriten oder Metallnitraten
und der darausfolgenden Anreicherung von Sauerstoff in der verbleibenden
Luft bzw. die direkte Bindung von Sauerstoff in Form von Metalloxiden,
Metallperoxiden und Metallsuperoxiden über Redoxreaktionsmechanismen
und der gezielten Freisetzung im Ballastgaskreislauf realisierbar.
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Der
Wahl des Ballastgases fällt
hierher eine besondere Bedeutung zu. Besteht das Ballastgas aus
einem Gas mit hoher Wärmekapazität, wie z.B. Kohlenstoffdioxid
(CO2), so sinkt zwar die Verbrennungstemperatur
im Motor, was in einer geringeren thermischen Belastung des Motors
mündet,
jedoch lässt
dabei der Wirkungsgrad des Motors auch deutlich nach. Wird im Gegensatz
dazu ein Ballastgas mit niedriger Wärmekapazität gewählt (z.B. Argon) steigt die
thermische Belastung des Motors bei gleichzeitiger Wirkungsgradsteigerung.
Hierbei sind jedoch, bei Verbrennungstemperaturen von bis zu 3000
Kelvin im Falle von Argon, entstehende Materialschäden nicht
auszuschließen.
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Ein Überblick über das
Verhalten der theoretischen Wirkungsgrade der Einzelgase ist der 2 zu
entnehmen. An der vertikalen Achse ist hierzu der Wirkungsgrad aufgetragen
(von 0–0,8),
und an der horizontalen Achse die Verdichtung (von 0–24). Das gleiche
gilt für
die Darstellung in der 3. Besonders vorteilhaft ist
es daher, die Eigenschaften beider Gase zu kombinieren. So zeigt 3 für ein Trägergasgemisch
CO2/Ar bei gegebenen Parametern (21 vol% Sauerstoff
und einem Rest von Ballastgas mit einem Volumenverhältnis von
50/50 V/V und einem optimalen Kraftstoff/Sauerstoffverhältnis von α = 1) einen
Wirkungsgrad vergleichbar mit dem von reiner Luft, jedoch völlig ohne
Stickoxidbildung.
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Die
Ausschleusung der Verbrennungsprodukte erfolgt, wie oben dargelegt,
selektiv. So kann unter anderem Wasser durch Temperaturabnahme auskondensieren
und aus dem Kreislauf entfernt werden. Eine Kohlenstoffdioxidausscheidung
könnte aufgrund
eines Konzentrationsgradienten über
eine selektive Membranen, regenerative Kohlenstoffdioxidspeicher,
wie z.B. CaO, über
Abkühlung
der Verbrennungsgase und/oder teilweise Auskondensation des CO2 durch Druckerhöhung, Abreicherung durch den
Einsatz selektiver Lösemittel
wie z.B. Ionischer Flüssigkeiten,
und/oder durch Druckwecheladsorption an Kohlenstoffdioxidadsorbentien
(z.B. Aktivkohle) erfolgen.