DE19821478A1 - Device for oxidizing fuel containing hydrocarbons using of catalyzer without flame for supply of electrical energy and heat - Google Patents
Device for oxidizing fuel containing hydrocarbons using of catalyzer without flame for supply of electrical energy and heatInfo
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Abstract
Description
Es ist bekannt, daß Heizungsanlagen mit Öl- oder Gasbrennern bei relativ hohen Flammtemperaturen arbeiten. Dadurch ergeben sich hohe Abgasverluste und ein relativ großer Anteil an thermischen Stickoxiden, die nur durch aufwendige konstruktive Maßnahmen reduziert werden können. Flüssige Brennstoffe haben zudem noch den Nachteil, daß während der Verdampfung der Tröpfchen eine Verkokung des Brennstoffes eintreten kann mit entsprechend starker Bildung von Ruß und gesundheitsschädlichen Aromaten und einer damit einhergehenden Verschlechterung des Wirkungsgrades der Anlage. Prinzipbedingt haben solche Anlagen eine große Bauform und können daher praktisch nur im Kellerbereich oder in speziellen Heizräumen aufgestellt werden. Da die Strömungsverhältnisse innerhalb der Verdampfungs- und Mischzone bei flüssigen Brennstoffen durch die Geometrie des Brenners festliegen, sind solche Anlagen auch nur in begrenztem Umfang regelbar, so daß im Teillastbetrieb der Start/Stop-Betrieb mit hohen Startemissionen verwendet werden muß. Gebläsebrenner erzeugen zudem relativ hohe Verbrennungsgeräusche und durch die bewegten Teile unterliegen sie einem hohen Verschleiß.It is known that heating systems with oil or gas burners at relatively high Flame temperatures work. This results in high exhaust gas losses and a relatively large one Proportion of thermal nitrogen oxides, which can only be achieved through complex design measures can be reduced. Liquid fuels also have the disadvantage that during the evaporation of the droplets can cause coking of the fuel correspondingly strong formation of soot and harmful aromatics and one with it associated deterioration in the efficiency of the system. Have in principle such systems have a large design and can therefore practically only in the basement area or in special boiler rooms. Since the flow conditions within the Evaporation and mixing zone for liquid fuels due to the geometry of the burner are determined, such systems are only controllable to a limited extent, so that in Part load operation of the start / stop operation with high start emissions must be used. Fan burners also generate relatively high combustion noises and the moving ones Parts are subject to high wear.
Weiterhin ist bekannt, daß die Rußbildung durch sog. Blaubrenner vermieden werden kann, indem ein Teil des heißen, feuchten Abgases zur Aufheizung und Verdampfung der Brennstofftröpfchen rückgeführt wird. Durch die dabei bewirkte Kühlung der Flamme und die vorhandenen Wassermoleküle wird außerdem die Bildung von Stickoxiden vermindert.It is also known that soot formation can be avoided by so-called blue burners, by using part of the hot, humid exhaust gas to heat and evaporate the Fuel droplets is recycled. Due to the resulting cooling of the flame and Existing water molecules also reduce the formation of nitrogen oxides.
Katalytisch arbeitende Heizungsanlagen sind zum Teil Stand der Technik, können jedoch im Moment nur mit Methangas betrieben werden, da die Arbeitstemperatur des Katalysators über der Selbstentzündungstemperatur des Brennstoff-Luft-Gemisches liegen muß. Diese Anlagen erzeugen zwar durch ihre kleinere Arbeitstemperatur praktisch keine Stickoxide mehr und oxidieren auch nahezu das gesamte Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid, die erreichten Standzeiten der Katalysatoren sind allerdings noch nicht marktreif. Zudem wird die gesamte Energie in Form von Wärme frei, so daß auch hier wieder klassische Methode der Wärmeversorgung mit zentraler Anlage und Wärmetransport über Warmwasser verwendet werden muß. Nachteilig bei diesen Konzepten ist außerdem, daß der im Heizöl vorhandene Schwefel den Katalysator unwirksam machen kann.Catalytic heating systems are partly state of the art, but can in Moment only be operated with methane gas, because the working temperature of the catalyst the auto-ignition temperature of the fuel-air mixture must be. These plants generate practically no more nitrogen oxides due to their lower working temperature also oxidize almost all of the carbon monoxide to carbon dioxide that has been reached However, the service lives of the catalysts are not yet ready for the market. In addition, the entire Free energy in the form of heat, so that here again the classic method of Heat supply with central system and heat transport via hot water used must become. Another disadvantage of these concepts is that the one present in the heating oil Sulfur can render the catalyst ineffective.
Die Erfindung vermeidet die oben genannten Nachteile, indem die Oxidation des Brennstoffes ohne die Anwesenheit von Luftstickstoff durchgeführt und durch die besondere Prozeßführung die Bildung von Rußpartikeln unterbunden wird. Zusätzlich wird die im Brennstoff enthaltende chemische Energie zum Teil in Form von hochwertiger elektrischer Energie und zum Teil in Form von Wärme frei, wobei das Verhältnis der beiden Energieformen je nach Bedarf in weiten Bereichen verändert werden kann.The invention avoids the disadvantages mentioned above by the oxidation of the fuel performed without the presence of atmospheric nitrogen and through the special Process control the formation of soot particles is prevented. In addition, the Chemical energy containing fuel, partly in the form of high-quality electrical energy Energy and partly free in the form of heat, being the ratio of the two Forms of energy can be changed in a wide range as required.
In einem vorzugsweise zweistufigen Reaktor (Fig. 1) wird der Brennstoff 1 zusammen mit Hilfsstoffen 2 in einem Katalysator 3 vorgespalten und/oder reformiert. Dies ist für langkettige Kohlenwasserstoffe nötig, da deren Selbstentzündungstemperatur unter der Arbeitstemperatur des Festkörperelektrolyten 7 liegt. Diese erste Stufe zur Spaltung und/oder Konditionierung des Brennstoffes kann dabei getrennt oder als Block zusammen mit dem Elektrolyten 7 ausgeführt werden. Die Hilfsstoffe 2 bestehen vorzugsweise aus Luft oder Wasser. Da der Spaltvorgang im allgemeinen endotherm ist, d. h. Energie verbraucht, wird die für den kontinuierlichen Prozeß nötige Energie 4 durch thermische Kopplung mit der zweiten Stufe zugeführt.In a preferably two-stage reactor ( FIG. 1), the fuel 1 is pre-split and / or reformed together with auxiliary substances 2 in a catalyst 3 . This is necessary for long-chain hydrocarbons, since their auto-ignition temperature is below the working temperature of the solid electrolyte 7 . This first stage for splitting and / or conditioning the fuel can be carried out separately or as a block together with the electrolyte 7 . The auxiliaries 2 preferably consist of air or water. Since the splitting process is generally endothermic, ie consumes energy, the energy 4 required for the continuous process is supplied by thermal coupling to the second stage.
Die Spaltprodukte 5 werden anschließend der Anodenseite 16 (Minus-Pol) des Festkörperelektrolyten 7 zugeführt. Dieser Elektrolyt 7 besteht vorzugsweise aus Zirkoniumdioxid, das, um eine möglichst geringe Schichtdicke zu erreichen, auch auf einem vorzugsweise porösen Substrat 14 aufbracht sein kann. Der Kathodenanschluß 15 der Zelle wird vorzugsweise aus einem porösen und/oder volumenleitenden Elektrodenmaterial hergestellt.The fission products 5 are then fed to the anode side 16 (negative pole) of the solid electrolyte 7 . This electrolyte 7 preferably consists of zirconium dioxide, which can also be applied to a preferably porous substrate 14 in order to achieve the smallest possible layer thickness. The cathode connection 15 of the cell is preferably made of a porous and / or volume-conducting electrode material.
Zur Oxidation des Brennstoffes 5 wird der Zelle Umgebungsluft 9 zugeführt. Der Sauerstoff der Luft wird an der Kathode 15 dissoziiert und wandert durch den Elektrolyten bis zur Anode 16. Dort wird der Brennstoff 5 oxidiert; die chemische Energie des Brennstoffes 5 wird dabei zum Teil in Form von Wärme 12 und zum Teil in Form von elektrischer Energie 11 freigesetzt, die durch die Elektroden 15 und 16 abgenommen werden kann. Durch die stark oxidierende Umgebung an der Anodenseite kann auch eine evtl. Verunreinigung durch Schwefel den Katalysator nicht inaktivieren. Da die Oxidation des Brennstoffes 5 ohne den in der Luft enthaltenen Stickstoff 10 durchgeführt wird, entstehen keine thermischen Stickoxide. Die Oxidationsprodukte 13 und der Stickstoff 10 verlassen die Zelle vorzugsweise über einen weiteren Wärmetauscher, um die darin enthaltene Restwärme ebenfalls auszunutzen und die zugeführte Luft 9 auf die Arbeitstemperatur vorzuheizen.For the oxidation of the fuel 5 , ambient air 9 is supplied to the cell. The oxygen in the air is dissociated at the cathode 15 and migrates through the electrolyte to the anode 16 . There the fuel 5 is oxidized; the chemical energy of the fuel 5 is released partly in the form of heat 12 and partly in the form of electrical energy 11 , which can be removed by the electrodes 15 and 16 . Due to the strongly oxidizing environment on the anode side, any contamination by sulfur cannot inactivate the catalyst. Since the oxidation of the fuel 5 is carried out without the nitrogen 10 contained in the air, no thermal nitrogen oxides are produced. The oxidation products 13 and the nitrogen 10 preferably leave the cell via a further heat exchanger in order to likewise use the residual heat contained therein and to preheat the air 9 supplied to the working temperature.
Die Reaktionswärme 12 wird durch Strahlung an die Wärmetauscher 6 übertragen, wo sie vorzugsweise zur Aufheizung eines Wärmeträgermediums verwendet werden kann. Die entnommene elektrische Energie 11 kann sowohl für den Eigenbedarf des Aggregates verwendet werden, als auch externen Abnehmern wie das öffentliche Stromnetz oder sonstigen Verbrauchern zugeführt werden. Unabhängig vom Verhältnis zwischen erzeugter Wärme und elektrischer Energie wird die chemische Energie des Brennstoffes nahezu vollständig ausgenutzt, da die Abgase mit fast Raumtemperatur die Anlage verlassen und so auch die latenten Wärmen der Abgasfeuchtigkeit genutzt werden.The heat of reaction 12 is transmitted by radiation to the heat exchanger 6 , where it can preferably be used to heat a heat transfer medium. The electrical energy 11 removed can be used both for the unit's own requirements and can also be supplied to external customers such as the public power grid or other consumers. Regardless of the relationship between the heat and electrical energy generated, the chemical energy of the fuel is almost fully utilized, since the exhaust gases leave the system at almost room temperature and the latent heat of the exhaust gas moisture is also used.
Durch Veränderung der Brennstoffzufuhr 1 und der Stromentnahme 11 kann die Zelle in der Leistung in weiten Bereichen stufenlos geregelt und überwacht werden, da die an der Zelle entstehende Spannung direkt ein Maß für die vollständige Umsetzung des Brennstoffes ist. Durch die Messung und Regelung dieser Parameter kann eine solche Anlage gleichzeitig ihre eigenen Abgaswerte bestimmen, so daß nur im Fehlerfall ein Eingriff nötig ist und die regelmäßigen Wartungsintervalle vergrößert werden.By changing the fuel supply 1 and the current drain 11 , the cell's output can be continuously regulated and monitored over a wide range, since the voltage generated at the cell is a direct measure of the complete conversion of the fuel. By measuring and controlling these parameters, such a system can determine its own exhaust gas values at the same time, so that intervention is only necessary in the event of a fault and the regular maintenance intervals are increased.
Für den Aufbau eines Reaktors werden die Zellen vorzugsweise in Sandwichbauweise angeordnet, wobei eine planare und/oder konzentrische Anordnung möglich ist. Durch einen modularen Aufbau lassen sich die Zellen einzeln Ansteuern und dem geforderten Leistungsbedarf anpassen. Die an den Reaktionen beteiligten Stoffe durchlaufen die Zelle vorzugsweise im Gegenstromprinzip, um eine günstige Ausnutzung der Zelle über die gesamte Lauflänge zu erreichen. Dabei werden die Zellen strömungstechnisch vorzugsweise parallel betrieben, während die elektrischen Anschlüsse zur Erzielung einer bestimmten Spannung und eines Stromes parallel und/oder in Serie geschaltet sein können. For the construction of a reactor, the cells are preferably of sandwich construction arranged, a planar and / or concentric arrangement being possible. Through a Modular structure, the cells can be controlled individually and the required Adjust power requirements. The substances involved in the reactions pass through the cell preferably in the countercurrent principle, in order to ensure that the cell is used economically to reach the entire barrel length. The cells are preferred in terms of flow operated in parallel, while the electrical connections to achieve a specific Voltage and a current can be connected in parallel and / or in series.
Durch den Betrieb von nur einzelnen Zellen kann der Reaktor auch für stark schwankenden Leistungsbedarf angepaßt werden. Durch den modularen Aufbau und die wegfallenden Verbrennungsgeräusche müssen die Reaktoren nicht mehr zentral in dafür vorgesehenen Aufstellräumen untergebracht werden, sondern können direkt am Nutzungsort installiert sein. Dadurch entfällt die aufwendige Verrohrung für den Energietransport durch Warmwasser in die Nutzräume.By operating only individual cells, the reactor can also be used for strongly fluctuating Power requirements are adjusted. Due to the modular structure and the omitted The reactors no longer have to hear combustion noises centrally in the provided Installation rooms can be accommodated, but can be installed directly at the place of use. This eliminates the complex piping for the energy transport through hot water in the utility rooms.
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