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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verdampfung von flüssigen Kraft- und/oder Brennstoffen, die über ein konzentriert um einen Lufteinlass angeordnetes Katalysatorsystem sowie um ein um dieses Katalysatorsystem herum konzentrisch angeordnetes poröses Material, das den Kraft- und/oder Brennstoff aufnehmen kann, verfügt, wobei das poröse Material vom Katalysatorsystem über einen dazwischen liegenden Raum getrennt ist. Ferner verfügt die Vorrichtung über eine gasdichte Dichtung, die die konzentrisch um den Lufteinlass angeordneten Komponenten einseitig abdichtet und mit der Luftzufuhr abschließt.
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Katalytische Verdampfungsvorrichtungen von flüssigen Brennstoffen sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. So betrifft beispielsweise die
EP 0 716 225 A1 eine Vorrichtung zur katalytischen Verdampfung von Benzin, die ein nach unten geneigtes Rohr aufweist, auf dessen Innenseite Benzin aufgebracht wird, sowie einen Katalysator, der im Rohr unterhalb der Benzinzufuhr angeordnet ist.
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Aus der
DE 10 2006 060 669 A1 ist ebenso ein katalytischer Verdampfer bekannt, der ein innerhalb eines Reaktors auf einer Seite des Reaktors angeordnetes Vlies aufweist, wobei diesem Vliesstoff gegenüber eine Schicht eines Katalysators angeordnet ist. Das Vlies und der Katalysator sind dabei als ebene Körper ausgebildet und parallel zueinander angeordnet.
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Die
DE 10 2005 048 385 A1 betrifft ein Verfahren zur Verdampfung und Reformierung flüssiger Brennstoffe, insbesondere die katalytische und nicht-katalytische partielle Oxidation und die autotherme Reformierung flüssiger Brennstoffe bei Zugabe von Luft- bzw. Luft-Dampf-Gemischen oder Luft-Wasser-Gemischen.
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Die
DE 10 2005 017 719 A1 betrifft eine Anordnung eines Reformers in einer Abgasrückführleitung einer Brennkraftmaschine.
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Nachteilig bei den zuvor genannten Verdampfern ist, dass die Wärme für den Verdampfungsprozess überwiegend über Wärmestrahlung erfolgt. Bei der vorliegenden Erfindung wird die Wärme über Wärmestrahlung, Wärmeleitung und Konvektion übertragen, somit kann die Verdampferleistung erhöht und die Luftzahl verringert werden. Zudem sind Luftrohr, Katalysator und poröses Material vom Reaktormantel getrennt. Somit können Wärmeverluste minimiert und Startzeiten verkürzt werden.
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Ausgehend hiervon war es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Verdampfung von flüssigen Kraft- und/oder Brennstoffen zu entwickeln, die eine hohe Verdampfungsrate sowie einen zuverlässigen kontinuierlichen Betrieb ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, bezüglich des Verfahrens zum Betreiben der Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 sowie der Verwendungszwecke der Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche stellen dabei vorteilhafte Weiterbildungen dar.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verdampfung von flüssigen Kraft- und/oder Brennstoffen umfasst somit zumindest die folgenden Bestandteile:
- a) eine zentrale, axial und radial luftdurchlässige Luftzufuhr,
- b) ein Katalysatorsystem, das zumindest auf einem Teil der Länge der Luftzufuhr konzentrisch um diese angeordnet ist,
- c) eine konzentrisch um das Katalysatorsystem angeordnete Pufferzone, sowie
- d) ein konzentrisch um die Pufferzone angeordnetes saugfähiges Material zur Brennstoffverteilung.
wobei mindestens ein gasdichtes Dichtelement zwischen den Bestandteilen a) bis d) angebracht ist. Das Dichtelement kann z. B. einseitig an eines oder mehrere der Bestandteile b) bis d) angeformt sein.
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Die Luft wird dabei über die luftdurchlässige Luftzufuhr zugeführt, selbstverständlich verfügt die Vorrichtung ebenso über einen Auslass, an dem die verdampften Kraft- oder Brennstoffe wieder ausgetragen werden können.
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Die oben angesprochene Dichtung ist dabei erfindungsgemäß so ausgebildet, dass sie an einer Seite, z. B. der oben liegenden Seite (das ist diejenige Seite der Vorrichtung, von der aus die Luft über die Luftzufuhr zugeführt wird) die weiteren Elemente der Vorrichtung, also das Katalysatorsystem, die Pufferzone und das saugfähige Material als durchgehend ausgebildetes Dichtelement miteinander verbindet. Bevorzugt schließt die Dichtung mit der Luftzufuhr ab. Die Dichtung gewährleistet ein besonders effizientes Ableiten der Gase, somit wird der konvektive Wärmeeintrag erhöht. Die Dichtung verhindert Zirkulationsströmungen in axialer Richtung, somit können unerwünschte Nebenreaktionen auf dem Katalysatornetz verhindert werden.
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Im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen weist der erfindungsgemäße Verdampfer die folgenden Vorteile auf:
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1) Die Wärme wird nicht, wie in den zuvor genannten Veröffentlichungen beschrieben, überwiegend über Wärmestrahlung, sondern über Konvektion, Wärmeleitung und Wärmestrahlung übertragen. Durch diese kombinierte Wärmeübertragung wird diese äußerst effizient und eine hohe Verdampfungsrate kann erzielt werden.
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2) Der Katalysator, die Pufferzone und das Vlies sind konzentrisch um das Luftrohr angeordnet. Die Pufferzone wird unmittelbar auf den Katalysator und das Vlies auf die Pufferzone angebracht. Dadurch kann eine kompakte Baugröße erreicht werden.
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3) Das Vlies ist in einem Abstand vom Reaktorgehäuse angebracht. Dadurch werden beide Seiten des Vlieses für die Verdampfung ausgenützt.
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4) Die Pufferzone wird, je nach Art der Flüssigkeit, so ausgelegt, dass das Abgas definiert am Vlies vorbei (Rohrwendel, Mäander, Gitter, Netz und/oder Stifte) oder durch das Vlies (Gitter) strömt. Die Wärmeübertragung kann somit optimiert und die Wärmeübertragungsfläche deutlich reduziert werden. Berechnungen basierend auf experimentellen Daten haben gezeigt, dass die Wärmeübertragungsfläche bei gleichbleibender Verdampfungsrate im Vergleich stark reduziert werden kann.
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5) Das Luftrohr kann so ausgelegt werden, dass die Luft gleichmäßig in axialer und radialer Richtung ausströmt. Das Luftrohr kann zudem so ausgelegt werden, dass die Luft in axialer Richtung ungleichmäßig ausströmt. Dadurch können definierte Temperaturprofile eingestellt werden.
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6) Die Auswahl des Trägers, des wash-coats und der aktiven Komponente beeinflussen stark die Gaszusammensetzung. Experimente der Erfinder haben gezeigt, dass der Prozess überwiegend über die Oxidationsreaktion beschrieben werden kann. Die Summe der Nebenprodukte (CH4, C2H4, C2H6, C3H8, ...) lag bei den Experimenten unter 0,5 Vol.-%. Der katalytische Verdampfer (siehe z. B. 1), ermöglicht eine große Auswahl an Trägern, wash-coats und aktiven Komponenten. Experimente der Erfinder haben gezeigt, dass die richtige Auswahl der Pufferzone ebenfalls die Gaszusammensetzung beeinflusst. Der Aufbau kann durch gezielte Veränderungen (Auswahl Pufferzone, Träger etc.) an die zu verdampfende Flüssigkeit angepasst werden.
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7) Die eigentliche Verdampfungseinheit ist bevorzugt vom Reaktorgehäuse thermisch entkoppelt. Dadurch können schnellere Aufheizzeiten erreicht werden.
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Die Vorrichtung eignet sich zur Verdampfung von flüssigen Kraftstoffen. Der Katalysator kann über eine elektrische Heizung vorgeheizt werden. Ein Teil des zu verdampfenden Mediums oxidiert am Katalysator und stellt so die Wärme für die Verdampfung bereit. Die Oxidation ist stark unterstöchiometrisch. Die Wärmeübertragung erfolgt über Konvektion, Wärmeleitung und Wärmestrahlung. Dadurch wird eine hohe Verdampferleistung erreicht.
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Die Vorrichtung eignet sich für eine Vielfalt von Einsatzgebieten, z. B.:
- – zur Verdampfung von Brenn- und Kraftstoffen während der Startphase des Motors,
- – in Kombination mit einem Reformer zur Erzeugung von Wasserstoff bzw. eines Synthesegases für BZ-Anwendungen,
- – Gemischbildung und anschließender Verbrennung im Motor,
- – Verbrennung in Gasbrennerung zur Reduktion von Emissionen (Standheizung Auto, Brenner in der Hausenergieversorgung etc.),
- – Regenerierung von Partikelfiltern.
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Die Vorrichtung ist zur Verdampfung von allen möglichen flüssigen Kraft- und/oder Brennstoffen geeignet, bevorzugt können verdampft werden: Alkohole (Methanol, Ethanol, Propanol, Glycerin, etc.), flüssige Kohlenwasserstoffe (Benzin, Diesel, Heizöl, Kerosin, etc.), Flüssigkeiten aus Pyrolyseprozessen (beispielsweise Flash-Pyrolyse von Biomasse), Ester (beispielsweise Biodiesel, Bioöle und Planzenöle), Ketone, organische Säuren (Ameisensäure, Essigsäure, etc.)
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist in der Vorrichtung in mindestens einem der o. g. Bestandteile a), b), c) und/oder d) oder zwischen jeweils mindestens einem Paar von Bestandteilen a) und b), b) und c) und/oder c) und d) mindestens ein Heizelement integriert. Das Heizelement kann beispielsweise beim Kaltstart der Verdampfungsvorrichtung dazu verwendet werden, den Katalysator und/oder das poröse Material, das mit dem flüssigen Kraftstoff beaufschlagt wird, vorzuheizen. Beim Kaltstart reicht es aus, wenn der Katalysator aufgeheizt wird, dadurch können sehr kurze Startzeiten erreicht werden. Im Betrieb kann die Heizung dann ausgeschaltet werden. Die Vorrichtung zur Verdampfung von flüssigen Kraft- und Brennstoffen eignet sich somit auch für mobile Anwendungen. Ebenso ist es möglich, das Heizelement zwischen zwei der genannten Bestandteile zu integrieren. Das Heizelement kann dabei beispielsweise ein elektrisches Heizelement sein.
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Das Heizelement kann z. B. als direkte Heizung im Katalysatorsystem, in Form eines elektrisch isolierten oder elektrisch unisolierten Heizdrahts auf/im Katalysatorsystem b) und/oder als induktive Heizung ausgebildet sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das saugfähige Material fluidisch an mindestens einer Stelle mit einer Zuleitung für den flüssigen Brennstoff verbunden. Diese bevorzugte Ausführungsform sichert einen kontinuierlichen Betrieb der Vorrichtung, da so das saugfähige Material permanent mit neuem flüssigem Kraftstoff versorgt werden kann.
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Weiter ist es vorteilhaft, wenn die Bestandteile a) bis d) thermisch vom Reaktormantel entkoppelt sind.
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Ebenso ist es bevorzugt, wenn die Luftzufuhr als Rohr mit radialen und axialen Bohrungen, als Sinterkörper als poröse Struktur, Metallschaum, Membran, Keramikschaum oder Glasfritte ausgebildet ist.
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Der Katalysator kann direkt um das Luftrohr (Luftzufuhr) angeordnet werden, denkbar ist aber auch, Luftrohr und Katalysator über einen Spalt zu trennen. Bei direkt beheizten Systemen kann somit die Aufheizzeit verkürzt werden. Der Spalt zwischen dem Luftrohr und dem Katalysator muss an der Ober- und Unterseite gasdicht verschlossen sein.
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Das Katalysatorsystem kann somit eine auf einem Träger aufgebrachte Schicht einer katalytisch aktiven Substanz oder ein wash-coat aufweisen.
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Bevorzugte katalytische Stoffe, die als katalytisch aktive Substanz in Frage kommen, sind dabei ausgewählt aus Übergangsmetallen und/oder Metalloxiden, bevorzugt Edelmetallen und/oder Metalloxiden, besonders bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Mn, Fe, Co, Ni, Rh, Pd, Pt und/oder deren Oxiden sowie Mischungen, Kombinationen oder Legierungen hieraus.
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Bevorzugte Substanzen, die als wash-coat verwendet werden können, sind dabei vorteilhafterweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus SiO2, Al2O3, ZrO2, SrO, CaO, MgO, CeO2, La2O3, sowie Mischungen und/oder, Kombinationen hieraus.
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Die Auswahl des Katalysators ist ein wichtiger Punkt zur Prozessoptimierung. Am Katalysator startet die Oxidation unterhalb der Zündtemperatur des zu verdampfenden Mediums. Dadurch können schnelle Aufheizzeiten realisiert werden und der Energieeintrag zu Beginn des Prozesses minimiert werden. Der Katalysator besteht bevorzugt aus einem Träger, einem wash-coat und einer aktiven Komponente. Je nach Auswahl des Trägers kann die aktive Komponente auch direkt auf den Träger aufgebracht werden. Es wurden für den oben dargestellten Verdampfer verschiedene Katalysatoren entwickelt und getestet. Der Träger, der wash-coat und die aktiven Komponenten beeinflussen die Gaszusammensetzung und die Zündtemperatur des zu verdampfenden Mediums auf dem Katalysator. 2 zeigt beispielhaft eine große Bandbreite an Trägern, wash-coats und aktiven Komponenten, die im Verdampfer eingesetzt werden können. Die Dicke des Trägers ist abhängig von der Leistung und der zu verdampfenden Flüssigkeit. Die aktiven Komponenten können auch auf Schüttungen (Pellets, Extrudate, etc.) aufgebracht werden. Die Schüttung kann über Netze oder Lochbleche fixiert werden.
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Somit sind die bevorzugt verwendeten Materialien des Trägers ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Glas, Keramik, Metallen, Siliciumcarbid und/oder Kombinationen hieraus.
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Vorteilhaft ist ebenso, wenn der Träger in Form von Fasern, Schäumen, Netzen, Pellets, Schüttungen, Extrudaten, Blechen, Vliesmaterialien und/oder porösen Körpern vorliegt.
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Das Katalysatorsystem kann direkt mit der Luftzufuhr in Verbindung stehen oder von der Luftzufuhr durch einen Spalt separiert sein.
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Vorteilhafte Ausführungsformen oder Gestaltungen der Pufferzone sind dabei beispielsweise Rohrwendel, Mäander, Gitter, Netz und/oder Stifte.
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Die saugfähigen Materialien können vorteilhafterweise ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Vliesmaterialien, Schwämmen und/oder Fasermaterialien.
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Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zur Verdampfung von flüssigen Kraft- und/oder Brennstoffen bereitgestellt, das die zuvor beschriebene Vorrichtung, d. h. den Verdampfer, verwendet. Maßgeblich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass auf das saugfähige Material ein flüssiger Kraft- und/oder Brennstoff aufgetragen und durch die Luftzufuhr ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch oder Sauerstoff eingebracht wird, wobei das Sauerstoff/Brennstoffverhältnis unterstöchiometrisch ist.
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Der erfindungsgemäß unterstöchiometrisch eingesetzte Sauerstoff bedingt, dass möglichst wenig Kraftstoff dazu verwendet wird, verbrannt zu werden.
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Das stöchiometrische Verhältnis von Sauerstoff/Brennstoff wird durch die Luftzahl gekennzeichnet. Diese beträgt vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,001, besonders bevorzugt zwischen 0,1 und 0,04.
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Vorteilhafte Verwendungszwecke der zuvor beschriebenen Vorrichtung sind:
- a) zum Verdampfen von flüssigen Brennstoffen, insbesondere Brennstoffen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Alkoholen, insbesondere Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol, Glycerin; flüssigen Kohlenwasserstoffen, insbesondere Benzin, Diesel, Kerosin, Heizöl; Flüssigkeiten aus Pyrolyseprozessen, insbesondere Flash-Pyrolyse von Biomasse; Estern, insbesondere Biodiesel, Bioöle, Planzenöle; Ketonen, organische Säuren, insbesondere Ameisensäure und/oder Essigsäure,
- b) zur Verdampfung von Brenn- und/oder Kraftstoffen während der Startphase des Motors, und/oder
- c) zur anschließenden Wasserstoffherstellung,
- d) Verbrennung im Motor,
- e) Verbrennung in Gasbrennern zur Reduzierung von Emissionen und/oder
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f) Vermeidung von Russpartikeln.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgend beschriebenen Figuren näher erläutert, ohne die Erfindung auf die dort dargestellten speziellen Parameter zu beschränken.
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Dabei zeigt
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1 einen schematischen Querschnitt durch einen zylindrischen erfindungsgemäßen Verdampfer;
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2 eine Auflistung möglicher Träger, wash-coats und aktiver katalytischer Komponenten;
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3 den Startvorgang eines katalytischen Verdampfers mit Ethanol auf einem Oxidationskatalysator; und
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4 den Temperaturverlauf sowie die Gaszusammensetzung des katalytischen Verdampfers mit Ethanol bei verschiedenen Leistungen und Luftzahlen.
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Der Verdampfer 10 besteht im Wesentlichen aus einem Luftverteilerrohr 1 (Rohr mit axialen und radialen Bohrungen, Sinterkörper, etc.) um den der Katalysator 2, die Pufferzone 3 und das Vlies 4 konzentrisch angeordnet sind. Oberhalb der mit dem Bezugszeichen 11 versehenen Dichtung ist das Luftverteilerrohr 1 jedoch in radialer Richtung gasdicht, d. h. weist keine Bohrungen etc. auf. Die mit den Referenzzeichen 2 bis 4 bezeichneten Komponenten sind dabei an der Oberseite gasdicht durch eine Dichtung 11 abgeschlossen. Die Dichtung 11 ist dabei durchgehend über die Oberseite der Elemente 2, 3 und 4 ausgebildet und schließt mit dem Luftverteilerrohr 1 formschlüssig ab, so dass auch an der Verbindungsstelle zwischen Dichtung 11 und Luftverteilerrohr 1 ein gasdichter Verbund hergestellt wird. Die Dichtung 11 bewirkt in der Pufferzone 3 eine äußerst vorteilhafte Konvektion der beinhalteten Gase im Betrieb. Der Verdampfer 10 verfügt über einen Lufteinlass 7 und eine Austragsöffnung 8 für die verdampften, gasförmigen Brennstoffe bzw. deren Gemische. Die Vliesstoffe 4 verfügen in dieser Ausführungsform über zwei Zuleitungen 5 für den Brennstoff. Der Verdampfer 10 kann elektrisch vorgeheizt werden. Nach Erreichen der Starttemperatur (Zündtemperatur des zu verdampfenden Kraftstoffes auf dem eingesetzten Katalysator) wird der Kraftstoff zugegeben. Der Kraftstoff wird auf ein saugfähiges Material 4 aufgebracht und verteilt sich gleichmäßig. Bei viskoseren Flüssigkeiten ist auch ein feinmaschiges Netz oder Ähnliches denkbar. Die Luft strömt gleichförmig in axialer und radialerer Richtung zum Katalysator 2. Ein Teil des verdampften Kraftstoffes diffundiert zum Katalysator 2 und reagiert mit der eingetragenen Luft. Die Reaktionswärme wird in Form von Wärmestrahlung, Konvektion und Wärmeleitung an das Vlies 4 übertragen. Eine Pufferzone 3 schützt den Katalysator 2 vor Berührungen mit dem flüssigen Kraftstoff. Zudem wird die Pufferzone 3 so ausgelegt, dass das Abgas (Produktgas aus der Oxidation) definiert am Vlies 4 vorbei (Rohrwendel, Mäander) oder durch das Vlies 4 (Gitter) strömt. Die Wärmeübertragungsfläche kann somit deutlich reduziert werden. Die einzelnen Bauteile (Luftrohr 1, Katalysator 2, Pufferzone 3, Vlies 4) sind am Deckel des Reaktors angebracht und somit vom Reaktorgehäuse 6 thermisch entkoppelt. Damit lassen sich schnelle Aufheizzeiten realisieren.
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Der Verdampfer 10 kann vertikal oder geneigt betrieben werden. Denkbar ist ebenfalls, den Verdampfer planar aufzubauen.
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Für den Startvorgang können kommerzielle Heizelemente eingesetzt werden. Das Heizelement kann so ausgelegt werden, dass es die Funktionsweise der Pufferzone 3 gewährleistet. Das Heizelement kann, je nach Auswahl des Trägers, auch direkt im Katalysator integriert werden. Die Wahl der Heizung hängt auch vom eingesetzten Träger ab.
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Versuche mit einem Ethanol-Verdampfer
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3 zeigt einen Startvorgang des katalytischen Verdampfers mit Ethanol. Als Träger wurde ein Metallschaum verwendet, der mit einem wash-coat und einer aktiven Komponente beschichtet wurde. Der Katalysator zündet bei ca. 100°C. Das Diagramm zeigt das Temperaturprofil auf dem Vlies (axiales Temperaturprofil) und die Temperatur auf dem Katalysator und dem Luftrohr. Ethanol und Luft werden zeitgleich gestartet.
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Die Temperatur auf dem Vlies sinkt auf die Verdampfungstemperatur des Ethanols ab: Die Temperaturen am Katalysator und am Sinterkörper steigen stark an. Während des Startvorgangs wurde eine Luftzahl von < 0,09 eingestellt. Je nach Katalysator kann diese Luftzahl noch deutlich gesenkt werden.
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4 zeigt am Beispiel von Ethanol den Temperaturverlauf und die Gaszusammensetzung bei verschiedenen Verdampferleistungen und Luftzahlen. Als Träger wurde ein Metallschaum eingesetzt, die Substanzen La2O3, SrO, Al2O3 bilden den wash-coat, als aktive Komponente wurde Pt, Pd verwendet. Die Verdampfung erfolgt bei Luftzahlen < 0,1. Der Prozess kann über die Oxidationsreaktion des Ethanols zu Kohlendioxid und Wasser beschrieben werden. Die Summe der Nebenprodukte, beispielsweise Wasserstoff, Kohlenmonoxid, etc., ist abhängig vom verwendeten Katalysator, Träger, wash-coat und von der eingesetzten Pufferzone. Bei Versuchen zur Ethanol Verdampfung war die Summe der Nebenprodukte < 0,5 Vol.-%.
