DE19836760A1 - Erdgasspaltvorrichtung, Erdgasspaltvorrichtung mit Sauerstoffbeseitigungsvorrichtung sowie Gasmotor mit Erdgasspaltvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Erdgasspaltvorrichtung zum Spalten von gasförmigem Brennstoff, wie etwa Erdgas als Brennstoff durch die thermische Energie von Abgas, eine in der Erdgasspaltvorrichtung vorgesehene Sauerstoffbeseitigungsvorrichtung sowie einen Gasmotor, der dazu ausgelegt ist, den thermischen Wirkungsgrad durch Umwandlung von gasförmigem Brennstoff in Spaltgas mittels der Erdgasspaltvorrichtung zu verbessern.

Bisher wurde ein Gasmotor, der Erdgas als Hauptbrennstoff verwendet, als Cogeneratorsystem entwickelt. Bei einem Cogeneratorsystem wird elektrische Energie von einem Generator abgenommen, und in einem Wärmeaustauscher wird durch die Abgaswärme Wasser erhitzt, wobei dieses erhitzte Wasser als Heißwasserversorgung verwendet wird. Herkömmliche Motoren, welche Erdgas als Kraftstoff verwenden, sind beispielsweise in den japanischen Patentoffenlegungsschriften Nr. 108865/1994 und 101 495/1994 offenbart.

Bei dem in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 108865/1994 offenbarten Gasmotor-Cogenerator wird die Abgastemperatur reduziert, indem das Abgas durch einen Turbolader, eine Energiewiedergewinnungseinheit und einen Dampfgenerator strömt, und das Niedertemperatur-Abgas wird zur Abgasrückführung (EGR) zur Reduktion von NOx verwendet, wobei der Turbolader durch das Abgas von dem wärmeisolierten Gasmotor angetrieben wird, wobei die Generator-tragende Energiewiedergewinnungseinheit durch das Abgas von dem Turbolader angetrieben wird. Bei diesem Gasmotor-Co­ generator wird das Abgas von der Energiewiedergewinnungseinheit zu dem Dampfgenerator in dem Wärmeaustauscher geleitet, und in dem Dampfgenerator wird Wasser in Dampf gewandelt, wobei durch den Dampf eine Dampfturbine angetrieben wird, um über den Dampf elektrische Energie wieder zu gewinnen.

Wenn die Brennkammern in einem Erdgasmotor mit einer Wärmeisolationsstruktur, etwa aus Keramikmaterial, ausgebildet werden, steigt die Kompressionstemperatur der Luft über die Selbstzündtemperatur von Erdgas, so daß sich eine Zündvorrichtung erübrigt. Ein Motor für ein hocheffizientes Cogeneratorsystem kann durch Wirbelkammern erreicht werden, in die Kraftstoff eingeführt wird, zusätzlich zu Primärkammern, in welche die Luft eingeführt wird, durch Vorsehen von Steuerventilen zwischen den Primärkammern und den Wirbelkammern und durch Betreiben des Motors nach dem Dieselprinzip. Wenn Brennkammern mit einer wärmeisolierenden Struktur versehen werden, steigt die Abgastemperatur von dem Motor, nicht weniger als 850°C. Der thermische Wirkungsgrad des Motors kann verbessert werden, indem man die thermische Energie aus Hochtemperaturabgas wiedergewinnt.

Bekannterweise ist die Hauptkomponente von Erdgas Methan CH₄. Da CH₄ ein Brennstoff mit hohem Brennwert ist und in großen Mengen in der Natur vorkommt, wird es als künftiger Ersatzbrennstoff für Öl angesehen. Wenn CH₄ über einen Katalysator in Gegenwart von CO₂ thermisch zersetzt wird, wird CH₄ in CO (Kohlenmonoxid) und H₂ (Wasserstoff) gewandelt, und der Gesamtbrennwert von CO und H₂ wird nicht geringer als jener von CH₄, d. h. das 1,38fache dessen von CH₄. Wenn durch Nutzung der thermischen Energie von Hochtemperaturabgas aus einem wärmeisolierten Gasmotor für die thermische Zersetzung von CH₄ Erdgas in Spaltgas bzw. reformierten Kraftstoff umgewandelt wird, wird es möglich, den Brennwert des reformierten Kraftstoffs zu erhöhen, den thermischen Wirkungsgrad des Motors zu verbessern, Resourcen einzusparen und die Auswurfrate von CO₂ zu minimieren.

Wenn jedoch O₂ in einem CO₂-haltigen abgetrennten Gas enthalten ist, in einem Fall, in dem aus Abgas abgetrenntes CO₂ in einer Erdgas- Spaltvorrichtung verwendet wird, die zum Wandeln von in Erdgas enthaltenem CH₄ in H₂ und CO durch thermische Energie des Abgases in Gegenwart von CO₂ ausgelegt ist, werden O₂, H₂ und CO in einer Katalysatoreinheit in der Erdgas-Spaltvorrichtung zur Reaktion gebracht, und es besteht die Gefahr, daß eine Reaktion auftritt und in bestimmten Fällen eine Explosion stattfindet. Daher muß O₂, das in dem von Abgas abgetrenntem CO₂-haltigen Gas enthalten ist, das zu der Erdgas- Spaltvorrichtung geleitet wird, soweit wie möglich reduziert werden.

Allgemein enthält Abgas eines Dieselmotors aufgrund eines Überschuß- Luftanteils etwa 75% N₂, etwa 15% CO₂ und etwa 10% O₂, hat jedoch nicht immer dieses gleichmäßige Verhältnis, d. h. das Abgas kann in einigen Fällen mehr O₂ enthalten. Wenn das Abgas in einem CO₂-Se­ parator durch einen CO₂-Trennfilm geleitet wird, enthält von dem Abgas abgetrenntes CO₂-haltiges Gas etwa 90% CO₂, etwa 8% N₂ und etwa 2% O₂. Auch wenn abgetrenntes Gas mit dieser Zusammensetzung zu der Erdgasspaltvorrichtung geleitet wird, kommt es gewöhnlich zu keinem großen Problem, wobei jedoch in einigen Fällen ein Phänomen auftritt, indem derartiges abgetrenntes Gas nicht weniger als 5% O₂ enthält, und zwar aufgrund der Abnormalität im Komponentenverhältnis des Abgases oder in dem CO₂-Trennfilm. Wenn daher abgetrenntes Gas, welches nicht weniger als 5% O₂ enthält, zu der Erdgasspaltvorrichtung geleitet wird, reagieren H₂ und CO, das in der Vorrichtung vorkommt, mit O₂ in dem abgetrennten Gas, und es findet eine Explosion statt, d. h. die Vorrichtung wird in einen sehr gefährlichen Zustand versetzt.

Ein Ziel der Erfindung ist es daher, diese Probleme zu lösen und eine Erdgasspaltvorrichtung anzugeben, welche CH₄-Gas als Hauptkomponente vom Erdgas mit Hilfe eines Katalysators durch Nutzung der thermischen Energie von Abgas und Mischung von CO₂ mit CH₄ in CO und H₂ wandelt, und ferner einen Gasmotor anzugeben, der in einem Abschnitt seiner Abgasleitung nahe einem Abgaskrümmer oder einem Sammelrohr in dem Abgaskrümmer mit einer solchen Erdgasspaltvorrichtung versehen ist, wodurch es möglich wird, CO₂, welches bei der Wandlung von gasförmigem Brennstoff in reformierten Brennstoff verwendet wird, aus dem Abgas des Motors durch einen Trennfilm zu sichern bzw. zu gewinnen, CO₂ in dem Abgas durch Nutzung von CO₂ für die Spaltung des gasförmigen Brennstoffs zu reduzieren und den thermischen Wirkungsgrad zu verbessern und die Entstehung von NOx durch Wandlung des gasförmigen Brennstoffs in Spaltgas zu reduzieren.

Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, eine Sauerstoffbeseitigungsvorrichtung anzugeben, die zur Beseitigung von O₂ geeignet ist, in dem O₂ in einem Gas, das vom Abgas des Motors abgetrennt ist, einer Reaktion mit C unterzogen wird, um es in CO und CO₂ zu wandeln, wobei, wenn in einer Erdgasspaltvorrichtung O₂ zu auf 600°C erhitztem C strömt, C und O₂ unter Wandlung in nutzbares CO und CO₂ miteinander reagieren, sowie einen Gasmotor, der mit einer solchen eine Sauerstoffbeseitigungsvorrichtung aufweisenden Erdgasspaltvorrichtung versehen ist.

Die erfindungsgemäße Erdgasspaltvorrichtung umfaßt: ein Abgasrohr, in der von einem Motor abgegebenes Abgas strömt, einen Abgasleitungskörper, der in dem Abgasrohr vorgesehen ist und ein poröses Material aufweist, das mit einen Abgasdurchgang bildenden Bienenwaben- oder Durchgangslöchern versehen ist, ein Brenngasgehäuse, das an der Außenseite des Abgasrohrs vorgesehen ist und einen Einlaß aufweist, von dem als Hauptkomponente CH₄ enthaltenden Brenngas von einer Brenngaszufuhrquelle zugeführt wird enthält, sowie einen Einlaß, von dem aus dem Abgas abgetrenntes CO₂ zugeführt wird, ein in dem Brenngasgehäuse vorgesehenes poröses Element, das einen Brenngasdurchgang bildet und ein poröses Keramikmaterial aufweist, einen Katalysator, der auf eine Oberfläche des den Brenngasdurchgang bildenden porösen Elements aufgetragen ist, zur Wandlung von CH₄ und CO₂ in CO und H₂-haltiges Spaltbrenngas durch thermische Zersetzung von CH₄ und CO₂ mittels der thermischen Energie des Abgases, sowie ein Wärmeisolationsmaterial, das an einer Außenumfangsfläche des Brenngasgehäuses vorgesehen ist.

Bevorzugt ist der Katalysator aus Ni oder Pt gebildet. Wenn der Katalysator Ni aufweist, wird Ni-Dampf mit 1400°C bis 1500°C einem porösen Element eines porösen Keramikmaterials zugeführt, so daß Ni leicht auf den Oberflächen von offenen Poren des porösen Elements verdampfen kann.

Bevorzugt umfaßt das Wärmeisolationsmaterial einen nicht gewebten Stoff aus Keramikmaterial, wie etwa SiC.

Bevorzugt werden das Abgasrohr, der Gasleitungskörper, das Gas- Brennstoffgehäuse und das poröse Element aus Keramikmaterial hergestellt, entweder wärmebeständigem Si₃N₄ oder wärmebeständigem SiC, und sie können bei Bedarf eine einstückige Struktur bilden. Das Keramikmaterial des Abgasrohrs, des Gasleitungskörpers, des Gas- Brennstoffgehäuses und des porösen Elements enthält bevorzugt AlN mit hoher thermischer Leitfähigkeit.

Bevorzugt bildet das Abgasrohr eine Trennwand zwischen dem Abgasleitungskörper einer Bienenwabenstruktur, in der Abgas fließt, und dem porösen Element eines porösen Keramikmaterials, in dem gasförmiger Kraftstoff fließt, und es wird zu einer dichten Keramikstruktur geformt.

Bei dieser Erdgasspaltvorrichtung ist der Abgasleitungskörper als Bienenwabenstruktur mit Durchgangslöchern ausgebildet, wodurch der Strömungswiderstand des Abgasleitungskörpers auf einen niedrigen Wert gesenkt bzw. reguliert wird, und wodurch das poröse Element, in dem gasförmiger Brennstoff fließt, so eingestellt bzw. reguliert wird, daß CH₄ eine geeignete Spaltzeit erhält, und verhindert wird, daß die Erdgasspaltvorrichtung mehr thermische Abgasenergie entnimmt, als dies für den thermischen Zersetzungsvorgang erforderlich ist.

Bevorzugt ist das poröse Element mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern versehen, die von derjenigen Seite des Elements kommen, von dem der gasförmige Brennstoff und CO₂ zugeführt werden, und weist ferner eine Mehrzahl von Durchgangslöchern auf, die von derjenigen Seite kommen, von der das Spaltgas abgegeben wird.

Bevorzugt sind der Einlaß, der sich in das Brenngasgehäuse öffnet und zur Zufuhr von CH₄ als Hauptkomponente enthaltendem Brenngas dient, und der Einlaß, der sich in das Brenngasgehäuse öffnet und zur Zufuhr von CO₂, das vom Abgas abgetrennt ist, einander gegenüberliegend angeordnet, um die Vermischung des Brenngases mit CO₂ zu fördern.

Da der Abgasleitungskörper in dieser Erdgasspaltvorrichtung aus einem porösen Material gebildet ist, das mit einer Bienenwabenstruktur oder den oben erwähnten Durchgangslöchern versehen ist, tritt im Abgasstrom kein Verlust auf, und das Abgas kann zur stromabwärtigen Seite abgegeben werden. In dem porösen Element kommt es zu einem glattgängigen Fluß des gasförmigen Gemisches von gasförmigem Kraftstoff und CO₂ bei der Berührung einer Katalysator-beschichteten porösen Wandoberfläche, und daher wird die Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Brennstoffs und von CO₂ gering. Hierdurch erreicht man eine Reaktionszeit, die lang genug ist, damit der thermische Zersetzungsvorgang sicher durchgeführt werden kann, und CH₄ als Hauptkomponente von Erdgas kann exzellent in H₂ und CO gewandelt werden.

Die Erfindung betrifft auch Sauerstoffbeseitigungsvorrichtung für einen Gasmotor, der eine Abgasleitung, durch die Abgas von Brennkammern des Gasmotors abgegeben wird, eine CO₂-Zufuhrvorrichtung, die in der Abgasleitung vorgesehen ist und einen CO₂-Trennfilm zum Abtrennen von CO₂ aus dem Abgas aufweist, sowie eine Erdgasspaltvorrichtung, die in der Abgasleitung vorgesehen ist, um Erdgas in CO und H₂-haltiges Spaltgas durch thermische Zersetzung von CH₄ in dem Erdgas durch die thermische Energie des Abgases zu wandeln und die zur Aufnahme von CO₂ von der CO₂-Zufuhrvorrichtung dient, aufweist, wobei die Sauerstoffbeseitigungsvorrichtung ein Gehäuse umfaßt, das in einem CO₂-Durchgang vorgesehen ist, in dem CO₂-haltiges abgetrenntes Gas, welches durch die CO₂-Zufuhrvorrichtung hindurchgetreten ist, strömt, und einen Einlaß aufweist, in den das abgetrennte Gas eintritt, sowie einen Auslaß, von dem das abgetrennte Gas abgegeben wird, ein poröses Kohlenstoffelement, das in dem Gehäuse über nicht leitfähige Halterungen gehalten ist und dazu ausgelegt ist, abgetrenntes Gas hindurchtreten zu lassen, sowie eine Stromquelle zum elektrischen Erwärmen des porösen Kohlenstoffelements, um das in dem abgetrennten Gas enthaltene O₂ einer Reaktion mit dem Kohlenstoff des porösen Kohlenstoffelements zu unterziehen und die Substanzen in CO und CO₂ umzuwandeln.

Diese Sauerstoffbeseitigungsvorrichtung ist dazu ausgelegt, die Kohlenstoffmenge in dem porösen Kohlenstoffelement auf der Basis eines erfaßten elektrischen Widerstandswerts zu erfassen, und kann einen Alarm ausgeben, wenn die Kohlenstoffmenge in dem porösen Kohlenstoffelement auf einen Wert sinkt, der nicht über einem vorbestimmten Wert liegt.

Wenn das poröse Kohlenstoffelement durch die Energiequelle auf etwa 600°C erwärmt wird, reagiert O₂ in dem abgetrennten Gas mit dem Kohlenstoff, weil es durch das poröse Kohlenstoffelement hindurchtritt, um die Substanzen in CO und CO₂ zu wandeln, wodurch O₂ aus dem abgetrennten Gas beseitigt werden kann. Wenn das abgetrennte Gas kein O₂ enthält, tritt das Gas lediglich durch das poröse Kohlenstoffelement, ohne daß Schwierigkeiten auftreten.

Der Kohlenstoff ist ein guter elektrischer Leiter. Wenn daher das poröse Kohlenstoffelement in dem wärmeisolierten Gehäuse elektrisch erwärmt wird, kann die Temperatur des Kohlenstoffs leicht auf einen Wert ansteigen, bei dem der Kohlenstoff mit O₂ reagiert. Ferner kann der Kohlenstoff problemlos zu einer porösen Struktur geformt werden. Wenn das abgetrennte Gas durch einen porösen Kohlenstoffkörper geleitet wird, reagiert das in dem abgetrennten Gas enthaltene O₂ mit dem erwärmten Kohlenstoff sehr effektiv, und die Substanzen werden in die Gase CO und CO₂ gewandelt. Der Kohlenstoff des porösen Kohlenstoffelements wird bei der Reaktion mit O₂ verbraucht und wird weniger, und wenn die Kohlenstoffmenge einen vorbestimmten Wert unterschreitet oder nicht höher wird als dieser, muß das poröse Kohlenstoffelement oder die Sauerstoffbeseitigungsvorrichtung ersetzt werden.

Auch wenn bei dieser Sauerstoffbeseitigungsvorrichtung in einem CO₂-hal­ tigen, aus Abgas abgetrenntem Gas O₂ enthalten ist, reagiert das O₂ mit dem Kohlenstoff des porösen Kohlenstoffelements, und die Substanzen werden in CO und CO₂ gewandelt. Daher enthält das abgetrennte Gas keinerlei O₂, so daß kein O₂ zu der Erdgasspaltvorrichtung geleitet wird. In der Erdgasspaltvorrichtung wird demzufolge CH₄ als Hauptkomponente von Erdgas in H₂ und CO gespalten, wobei jedoch keine Reaktion von diesem H₂ und CO mit O₂ auftritt, so daß keine Explosion stattfindet. Das macht die Vorrichtung oder den Betrieb derselben sicher.

Die Erfindung betrifft ferner einen Gasmotor, umfassend: eine Brenngaszufuhrquelle, welches Erdgasbrennstoff mit CH₄ als Hauptkomponente enthält, eine Erdgasspaltvorrichtung zum Umwandeln von CH₄, welches von der Brenngaszufuhrquelle zugeführt ist, in Spaltgas durch thermische Zersetzung von CH₄ mittels der thermischen Energie von Abgas von Brennkammern des Gasmotors, und die in einer Abgasleitung vorgesehen ist, einen Turbolader, der in einem Abschnitt der Abgasleitung vorgesehen ist, der sich an der stromabwärtigen Seite der Erdgasspaltvorrichtung befindet, eine Vorrichtung zum Zuführen des Spaltgases zu den Brennkammern, einen Rankine-Kreislauf, der mit Wärmeaustauschern versehen ist und in dem Abschnitt der Abgasleitung angebracht ist, der sich an der stromabwärtigen Seite des Turboladers befindet, sowie eine CO₂-Zufuhrvorrichtung, die in dem Abschnitt der Abgasleitung vorgesehen ist, der sich an der stromabwärtigen Seite des Rankine-Kreislaufs befindet, und dazu ausgelegt ist, CO₂, das von dem Abgas durch CO₂-Trennfilme abgetrennt ist, einem Brenngasgehäuse der Erdgasspaltvorrichtung durch eine CO₂-Leitung zuzuführen.

Bevorzugt umfaßt der Rankine-Kreislauf in der Abgasleitung vorgesehene erste und zweite Wärmeaustauscher, eine Dampfturbine, die durch in dem ersten Wärmeaustauscher erzeugten Dampf angetrieben wird, einen Kondensator zum Wandeln des von der Dampfturbine abgegebenen Dampfes in Wasser, sowie einen zweiten Wärmeaustauscher, der in dem Abschnitt der Abgasleitung vorgesehen ist, der sich an der stromabwärtigen Seite das ersten Wärmeaustauschers befindet, um das Wasser von dem Kondensator in Dampf umzuwandeln und den Dampf dem ersten Wärmeaustauscher zuzuführen.

Bevorzugt umfassen die CO₂-Trennfilme anorganische Trennfilme aus porösem Keramikmaterial, wie etwa Aluminiumoxid, Siliciumoxid oder/und Zeolith. Diese CO₂-Trennfilme werden aus Filmen oder Überzügen poröser Körper hergestellt, die durch Herstellung feiner offener Poren in einem Keramikmaterial erhalten werden, und sie können CO₂ aus Abgas abtrennen durch Nutzung des Molekularsiebeffektes, da der Durchmesser beispielsweise von CO₂ kleiner ist als jener von N₂ und O₂. Die Trennfilme werden in der vorliegenden Erfindung effektiv angewendet, da die Temperatur, bei der sie benutzt werden, in der Höhe von 350°C liegt.

Das CO₂, welches keinen Beitrag zur thermischen Zersetzung von CH₄ leistet, wird mit dem Spaltgas den Brennkammern zugeführt. Ein Mischgas von CH₄, CO, H₂ und CO₂ wird in Wirbelkammern der Brennkammer eingeführt. Wenn die Steuerventile geöffnet werden, damit das Mischgas in den Wirbelkammern mit der komprimierten Luft in den Primärkammern der Brennkammern vermischt und verbrannt wird, wird die Entstehung von NOx aufgrund des Vorhandenseins von CO₂ minimiert, und die Entstehung von NOx kann auf nicht mehr als 100 ppm reduziert werden.

Wenn die Brennkammern in diesem Gasmotor durch Keramikelemente mit einer Wärmeisolationsstruktur ausgebildet sind, beträgt die Temperatur von aus den Brennkammern abgegebenem Abgas etwa 900°C bis 800°C in beispielsweise einem Katalysationsreaktor, und kann ausreichend dazu beitragen, CH₄ thermisch zu zersetzen. Die Abgasenergie wird dann in dem Turbolader wiedergewonnen, in dem die Temperatur um etwa 150°C abnimmt, wonach sie vom ersten Wärmeaustauscher wiedergewonnen wird, in dem die Temperatur des Abgases um etwa 200°C abnimmt. Die Abgasenergie wird schließlich im zweiten Wärmeaustauscher wiedergewonnen, in dem die Temperatur um etwa 200°C abnimmt. Demzufolge wird das Abgas, dessen Temperatur um etwa 350°C bis 250°C gesenkt wurde, den CO₂-Trennfilmen in der CO₂-Zuführvorrichtung zugeführt, so daß die CO₂-Trennfilme das CO₂ exzellent aus dem Abgas abtrennen können. Da die CO₂-Trennfilme aus porösen Keramikkörpern gebildet sind, sind sie thermisch hoch beständig, und ferner werden sie bei etwa 300°C am besten aktiviert und können ausgezeichnet CO₂ aus dem Abgas abtrennen.

Bei diesem Gasmotor wird CH₄ als Hauptkomponente von Erdgas im Hochtemperaturzustand von etwa 900°C bis 800°C durch Vermischung von CO₂ mit CH₄ und mit Hilfe eines Katalysators thermisch zersetzt, und hierdurch werden die Substanzen in Spaltgas von CO und H₂ gewandelt. Demzufolge kann der Brennwert um etwa 38% erhöht werden, und der thermische Wirkungsgrad des Motors kann verbessert werden. Diese Zersetzungsreaktion ist eine Reaktion, bei der eine thermische Zersetzung auftritt, wenn ein Gasgemisch von CH₄ und CO₂ über einen Ni- oder Pt-Katalysator geleitet wird und auf nicht weniger als 800°C erhitzt wird, wobei CO₂ in Kohlenmonoxid gewandelt wird und CH₄ in CO und H₂ gewandelt wird. Da die Brennkammern mit einer Wärmeisolationsstruktur ausgebildet sind, hat das Abgas aus der Brennkammer eine hohe Temperatur, insbesondere von mindestens 800°C, wodurch die thermische Zersetzungsreaktion glattgängig oder langsam stattfindet.

Bei diesem Gasmotor enthält das in die Umgebung abgegebene Abgas N₂ und H₂O, da das Abgas durch den CO₂-Abtrennungsfilm geleitet wurde, wodurch CO₂ in dem Gas entfernt wurde. Demzufolge verunreinigt das Abgas die Umgebungsluft nicht, noch verschlechtert es die Umwelt. Bei diesem Gasmotor wird die thermische Energie des Abgases durch den Turbolader, einen Wärmeaustauscher und einen weiteren Wärmeaustauscher wiedergewonnen, die in der Abgasleitung vorgesehen sind, nachdem es bei der thermischen Zersetzung von CH₄ mitgewirkt hat. Bei diesem Gasmotor wird nämlich der Turbolader durch die thermische Energie des Abgases angetrieben, und in den ersten und zweiten Wärmeaustauschern wird durch das Abgas aus der Turbine in dem Turbolader Dampf erzeugt, wobei die Dampfturbine durch diesen Dampf angetrieben wird und die Dampfenergie als elektrische Energie durch den Generator wiedergewonnen werden kann.

Wenn man annimmt, daß der thermische Wirkungsgrad dieses Gasmotors im Diesel betrieb 42% beträgt, wird er durch den Generator-tragenden Turbolader um etwa 8% verbessert, und durch die Dampfturbine um 5%, und der Brennwert erhöht sich durch die Zersetzung von CH₄ in CO und H₂ auf das 1,38fache. Wenn man annimmt, daß das CH₄-Zer­ setzungsverhältnis 50% beträgt, kann ein thermisch er Wirkungsgrad des gesamten Gasmotors von 65,5% erwartet werden.

Dieser Gasmotor ist ferner mit einer Sauerstoffbeseitigungsvorrichtung versehen, die in der CO₂-Leitung zwischen dem CO₂-Separator, der in dem Abschnitt der Abgasleitung an der stromabwärtigen Seite des Rankine-Kreislaufs vorgesehen ist, und der Erdgasspaltvorrichtung angebracht ist.

Bei Betrieb eines normalen Motors verbraucht dieser zumindest die Hälfte des O₂ in der angesaugten Luft, so daß der CO₂-Gehalt des Abgases aus dem Motor ungefähr 10% beträgt. Wenn CO₂ aus dem Abgas durch einen in der Abgasleitung des Motors vorgesehenen CO₂-Separator abgetrennt wird, besteht die Möglichkeit, daß das CO₂-haltige abgetrennte Gas etwa 1% O₂ enthält. Wenn das abgetrennte Gas, welches eine O₂-Konzentration von etwa 1% enthält, zu der Erdgasspaltvorrichtung geleitet wird, tritt wegen des Katalysators keine Explosion auf. Wenn jedoch CO₂-haltiges abgetrenntes Gas, welches eine O₂-Konzentration von etwa 5% enthält, zu der Erdgasspaltvorrichtung geleitet wird, wird die Vorrichtung in einen sehr gefährlichen Zustand versetzt, d. h. O₂ und H₂ und CO reagieren möglicherweise miteinander, so daß eine Explosion auftritt.

Da der erfindungsgemäße Gasmotor mit der Sauerstoffbeseitigungsvorrichtung in der CO₂-Leitung versehen ist, erzeugen der Kohlenstoff des porösen Kohlenstoffelements und das O₂ in dem abgetrennten Gas eine Oxidationsreaktion, und die O₂-Konzentration in dem abgetrennten Gas nimmt auf nicht mehr als etwa 1% ab, so daß in der Erdgasspaltvorrichtung keine Explosion auftreten kann. Wenn das abgetrennte Gas O₂ enthält, nimmt die Kohlenstoffmenge des porösen Kohlenstoffelements in der Sauerstoffbeseitigungsvorrichtung ab. Demzufolge nimmt der elektrische Widerstandswert des porösen Kohlenstoffelements zu, und es kann ein Alarm ausgegeben werden, der anzeigt, daß H₂ und CO und O₂ miteinander reagieren und es zu einer gefährlichen Situation kommen könnte.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer Ausführung der Erdgasspaltvorrichtung;

Fig. 2 eine Schnittansicht der Erdgasspaltvorrichtung entlang Linie A-A in Fig. 1;

Fig. 3 ein Schema eines mit der Erdgasspaltvorrichtung versehenen Gasmotors;

Fig. 4 ein Schema eines Generator-tragenden Turboladers in dem Gasmotor von Fig. 3;

Fig. 5 schematisch eine Dampfturbine in dem Gasmotor von Fig. 3;

Fig. 6 eine Schnittansicht einer Ausführung der Sauerstoffbeseitigungsvorrichtung in der Erdgasspaltvorrichtung; und

Fig. 7 ein Schema einer Ausführung des Gasmotors mit der die Sauerstoffbeseitigungsvorrichtung aufweisenden Erdgasspaltvorrichtung.

Die Ausführungen der Erdgasspaltvorrichtung und des hiermit versehenen Gasmotors werden nun anhand der Zeichnungen erläutert.

Eine Ausführung der Erdgasspaltvorrichtung wird nun anhand der Fig. 1, 2 und 3 beschrieben.

Eine Erdgasspaltvorrichtung 2 ist mit einer Abgasleitung 8 versehen, in der von einem Motor I abgegebenes Abgas EG fließt, und umfaßt ein mit der Abgasleitung 8 verbundenes Abgasrohr 50, in dem das Abgas EG fließt, ein Brenngasgehäuse 52, das an der Außenseite des Abgasrohrs 50 vorgesehen ist und von Brenngas durchströmt wird, welches von einer Brenngaszufuhrquelle 11, wie etwa einem Kraftstofftank, zuzuführen ist und CH₄ als Hauptkomponente sowie CO₂ enthält, Halterungselemente 46, die an beiden Enden des Abgasrohrs 50 vorgesehen sind, um das Abgasrohr in der Abgasleitung 8 des Motors 1 anzubringen, sowie Wärmeisolationsmaterial 55, welches in ein Gehäuse 54 gepackt ist, welches den Außenumfang des Brenngasgehäuses 52 umgibt.

Die Erdgasspaltvorrichtung 2 umfaßt einen Abgasleitungskörper 51, der in dem Abgasrohr 50 vorgesehen ist und aus porösem Material mit Bienenwaben oder Durchgangslöchern versehen ist, die die Abgasleitung 44 darstellen, ein poröses Element 53, das in dem Brenngasgehäuse 52 vorgesehen ist und poröses Keramikmaterial aufweist, welches eine Brenngasleitung 45 bildet, wie einen Katalysator 33, der auf die Oberfläche des porösen Elements 53 aufgetragen ist, welches die Brenngasleitung 45 bildet, und der die Wirkung hat, CH₂ und CO₂ durch die thermische Energie des Abgases EG in Spaltgas RF von CO und H₂ thermisch zu zersetzen. Eine CO₂-Leitung 22 und eine Erdgaszufuhrleitung 34 sind mit einem stromaufwärtigen Endabschnitt des Brenngasgehäuses 52 verbunden, und eine Spaltgas-Zufuhrleitung 9 ist mit einem stromabwärtigen Endabschnitt desselben verbunden.

Ein Einlaß 34A, dem Spaltgas GF zugeführt wird, der von der Erdgaszufuhrquelle durch die Erdgaszufuhrleitung 34 geleitet wird und CH₄ als Hauptkomponente enthält, und ein Einlaß 22A, dem aus dem Abgas EG abgetrenntes CO₂ durch die CO₂-Leitung 22 zugeführt wird, öffnen sich in das Brenngasgehäuse 52. Der Einlaß 34A, dem Spaltgas GF zugeführt wird, der CH₄ als Hauptkomponente enthält, und der Einlaß 22A, dem aus dem Abgas EG abgetrenntes CO₂ zugeführt wird, stehen einander gegenüber, wobei sich beide Einlässe in das Brenngasgehäuse 52 öffnen. An der stromaufwärtigen Seite des in dem Brenngasgehäuse 52 vorgesehenen porösen Elements 53 ist eine Mischkammer 47 ausgebildet, in der CO₂ in dem abgetrennten Gas und CH₄ in dem Erdgas miteinander vermischt werden können, so daß ein Gasgemisch von CO₂ und CH₄ durch das poröse Element 53 hindurchtritt.

Der Katalysator 33, mit dem die Oberfläche des porösen Elements 53 beschichtet ist, enthält Ni oder Pt. Das Wärmeisolationsmaterial 55 enthält nicht gewebten Keramikstoff aus thermisch beständigem SiC oder Si₃N₄, sowie eine wärmeisolierende Luftschicht. Das Abgasrohr 50, der Abgasleitungskörper 51, das Brenngasgehäuse 52 und das poröse Element 53 sind aus AlN-haltigem Si₃N₄- oder SiC-Keramikmaterial gebildet, welches thermisch beständig ist und eine hohe thermische Leitfähigkeit hat.

Das Abgasrohr 50 bildet eine Trennwandung zwischen der Abgasleitung 44 und der Brenngasleitung 45. Das Brenngasgehäuse 52 bildet ein Wärmestrahlungselement. Das poröse Element 53 weist mehrere Durchgangslöcher 56 auf, die von der Seite her hineingebohrt sind, an der Brenngas GF und CO₂ eintreten, und mehrere Durchgangslöcher 57 sind von der Seite her hineingebohrt, an der das Spaltgas RF hinausfließt. Daher fließt das Mischgas von CO₂ und CH₄ glattgängig durch das poröse Element 53 von den Durchgangslöchern 56 zu den Durchgangslöchern 57, und wird ausgezeichnet in H₂ und CO thermisch zersetzt, so daß die thermische Energie erhöht werden kann.

Ein mit der Erdgasspaltvorrichtung 2 versehener Gasmotor wird nun anhand der Fig. 3, 4 und 5 beschrieben.

Dieser Gasmotor verwendet als Kraftstoff Erdgas, welches als Hauptkomponente CH₄ enthält, und läßt sich beispielsweise bei einem Cogeneratorsystem anwenden, wobei dieser Gasmotor ein Wirbelkammer-Gasmotor ist, in dessen Zylinderbrennkammern sowohl Primärkammern 1A als auch Wirbelkammern 1B aufweisen, die mit den Primärkammern 1A über Verbindungsdurchgänge in Verbindung stehen, die in einem Zylinderkopf 30 ausgebildet sind. Der Gasmotor 1 ist mit einem Abgaskrümmer 39 versehen, um Abgas EG aus den Primärkammern 1A der Brennkammern abzugeben, sowie mit einem Ansaugkrümmer 40 zum Zuführen von Ansaugluft zu den Primärkammern 1A durch eine Ansaugleitung 10. Die Ansaugluft A aus der Ansaugleitung 40 wird den Primärkammern 1A durch den Ansaugkrümmer 40 zugeführt, und das Abgas EG aus den Primärkammern 1A wird von dem Abgaskrümmer 39 zu der Abgasleitung 8 abgegeben. Das Spaltgas RF, das den Wirbelkammern 1B zuzuführen ist und durch Spaltung des Erdgases entsteht, wird den Wirbelkammern 1B durch die Spaltgaszufuhrleitung 9 mittels einer Kraftstoffdruckpumpe 13 zugeführt.

Die Primärkammern 1A und Wirbelkammern 1B der Brennkammer in dem Gasmotor 1 sind mit Wärmeisolationsstrukturen in Form von Keramikelementen oder Wärmeisolationsschichten versehen. Die Wirbelkammern 1B sind so ausgebildet, daß sie mit den Primärkammern 1A kommunizieren, wenn die Verbindungsdurchgänge durch die Steuerventile 31 geöffnet sind. Die komprimierte Luft A aus einem Kompressor 16 in einem Turbolader 3 wird den Primärkammern 1A durch die Saugleitung 10 zugeführt, und Spaltgas RF von einer Spaltgas- Zufuhrleitung 9 wird den Wirbelkammern 1B zugeführt, wenn der Kraftstoffzufuhrdurchgang durch ein Kraftstoffventil 52 geöffnet ist.

Der Gasmotor 1 ist in der Abgasleitung 8 mit einer Erdgasspaltvorrichtung 2 versehen, welche CH₄ in dem Erdgas in Gegenwart von CO₂ in Spaltgas RF in Form von H₂ und CO₂ wandelt, und zwar durch die thermische Energie des Abgases EG, welches aus den Primärkammern 1A durch die Abgasleitung 8 abgegeben wird. Die Erdgasspaltvorrichtung 2 kann in dem Abschnitt der Abgasleitung 8 vorgesehen sein, der sich in der Nähe des Abgaskrümmers 39 befindet, oder bei Bedarf in einem Sammelrohr des Abgaskrümmers, so daß er mit diesem einstückig ist. Der durch das Abgas EG angetriebene Turbolader 3 ist in dem Abschnitt der Abgasleitung 8 vorgesehen, der sich an der stromabwärtigen Seite der Erdgasspaltvorrichtung 2 befindet.

Der Gasmotor 1 weist einen Kraftstofftank 11 für den Erdgasbrennstoff GF auf, eine Kraftstoffdruckpumpe 13, welche eine Spaltgas- Zufuhrvorrichtung zum Zuführen von Spaltgas RF zu den Wirbelkammern 1B der Brennkammern darstellt, einen Rankine-Kreislauf 80, der an der stromabwärtigen Seite des Turboladers 3 vorgesehen ist, sowie eine CO₂-Zufuhreinheit 7, die an der stromabwärtigen Seite des Rankine- Kreislaufs 80 vorgesehen ist und CO₂-Trennfilme 37 aufweist, um CO₂ aus dem Abgas EG abzutrennen, sowie eine Pumpe 38 zum Zuführen von CO₂, das aus dem Abgas EG abgetrennt ist, zu der Erdgasspaltvorrichtung 2. Der Rankine-Kreislauf 80 umfaßt einen Wärmetauscher 4, der in dem Abschnitt der Abgasleitung 8A vorgesehen ist, der sich an der stromabwärtigen Seite des Turboladers 3 befindet, eine Dampfturbine 5, die von dem in dem Wärmetauscher 4 erzeugten Dampf S angetrieben wird, einen Kondensator 14 zum Wandeln des von der Dampfturbine 5 abgegebenen Dampfes S in Wasser W, sowie einen Wärmetauscher 6, der in dem Abschnitt der Abgasleitung 8B vorgesehen ist, der sich an der stromabwärtigen Seite des Wärmetauschers 4 befindet, und zum Wandeln des Wassers W von dem Kondensator 14 in Dampf S.

In dem Gasmotor 1 hat das Abgas EG, das von der CO₂-Ver­ sorgungseinheit 7 in die Umgebungsluft abgegeben wird, einen geringen CO₂-Gehalt, und der Großteil des Abgases besteht aus N₂-Gas, so daß keine Luftverschmutzung, welche die Umwelt beeinträchtigt, auftritt. Die Erdgasspaltvorrichtung 2 ist in dem Abschnitt der Abgasleitung 8 vorgesehen, die mit einem Sammelabschnitt des Abgaskrümmers 39 kommuniziert. Die Primärkammern 1A und Wirbelkammern 1B sind mit Wärmeisolationsstrukturen in Form von Keramikelementen und Wärmeisolationsschichten versehen. Daher hat das durch den Abgaskrümmer 39 abgegebene Abgas EG eine hohe Temperatur von 900°C bis 800°C, hoch genug, um den CH₄-haltigen Gasbrennstoff GN thermisch zu zersetzen und diesen in H₂ und CO-haltiges Spaltgas RF umzuwandeln.

Wenn das heiße Abgas EG aus den Primärkammern 1A durch die Abgasleitung in die Erdgasspaltvorrichtung 2 fließt, wird die Brenngasleitung, in die der Ni- oder Pt-Katalysator gepackt ist, erhitzt. Demzufolge berührt das Mischgas von CH₄ und CO₂, welches in der Abgasleitung fließt, die auf eine hohe Temperatur von nicht weniger als 800°C erhitzt ist, den Katalysator 33, und CH₄ wird thermisch in CO und H₂ zersetzt, wobei CO₂ in CO zersetzt wird, wodurch das Mischgas in CO- und H₂-haltiges Spaltgas RF gewandelt wird. Der aus dem Erdgas gewandelte Spaltgas RF wird dann mittels der Kraftstoffdruckpumpe 13 von dem Ansaugkrümmer 40 zu den Wirbelkammern 1B durch die Spaltgas-Zufuhrleitungen 9 geleitet.

Bei diesem Gasmotor wird die thermische Energie des Abgases EG für einen thermischen Zersetzungsvorgang in der Erdgasspaltvorrichtung 2 genutzt, und wird dann von dem Turbolader 3 und den Wärmeaustauschern 4 und 6 wieder gewonnen. In einer Abgasleitung 8A, die sich an der stromabwärtigen Seite des Turboladers 3 und an der stromaufwärtigen Seite des Wärmeaustauschers 4 befindet, ist eine Kraftstoffdüse 24 vorgesehen, um das Spaltgas RF aus der Erdgasspaltvorrichtung einzublasen. Die Zufuhr des Spaltgases RF von der Erdgasspaltvorrichtung 2 zu der Kraftstoffdüse 24 erfolgt durch eine Hilfskraftstoffzufuhrleitung 23.

Wie in Fig. 4 gezeigt, umfaßt der Turbolader 3 eine durch das Abgas EG angetrieben Turbine, einen durch eine Welle 18 mit der Turbine 15 antriebsmäßig verbundenen Kompressor 16, sowie eine Wechselstrommaschine, d. h. einen an der Welle 18 angebrachten Generator. Der Kompressor 16 wird von der Turbine 15 angetrieben und komprimiert die Luft A zur Herstellung von komprimierter Luft A, welche durch die Ansaugleitung 10 von dem Ansaugkrümmer 40 zu den Primärkammern 1A in den Zylindern geleitet wird. Der Generator 17 ist in der Lage, die Rotationskraft der Turbine 15 als elektrische Kraft abzunehmen und die Energie des Abgases als elektrische Energie wieder zu gewinnen.

Der Wärmeaustauscher 4 umfaßt die Dampfleitung 35, die ein poröses Keramikelement enthält, durch das der in dem Wärmeaustauscher 6 erhitzte Niedertemperaturdampf S strömt, sowie eine Abgasleitung 28, in der ein poröses Keramikelement vorgesehen ist, das mit dem porösen Keramikelement in der Dampfleitung 35 identisch ist, durch die das Abgas EG strömt. Der Wärmeaustauscher 6 umfaßt eine Wasser- Dampfleitung, welche ein poröses Keramikelement enthält, durch das der Dampf S strömt, und kann Wasser W speichern, sowie eine Abgasleitung 29, die um die Wasser-Dampfleitung 36 herum ausgebildet ist und ein poröses Keramikelement enthält, durch das Abgas EG von dem Wärmeaustauscher 4 strömt.

Wie in Fig. 5 gezeigt, umfaßt die Turbine 5 eine Turbine 19, die durch den in dem Wärmeaustauscher 4 erzeugten Hochtemperaturdampf S angetrieben wird, sowie einen an einer Welle 21 angebrachten Generator 20. Demzufolge treibt die Dampfenergie die Turbine 19 an, und die Drehkraft derselben wird als elektrische Kraft durch den Generator 20 wieder gewonnen. Der in der Abgasleitung 8B vorgesehene Wärmeaustauscher 6 ist ein Gas-Flüssigkeits-Phasenwärmeaustauscher und ist dazu ausgelegt, durch die Energie des Abgases Dampf S zu erzeugen, wobei der Dampf durch eine Dampfleitung 41 zu dem Wärmeaustauscher 4 geleitet wird. Der Dampf S, der die Dampfturbine 5 angetrieben hat, wandelt sich in ein mit Niedertemperaturdampf gemischtes Fluid um (wasserhaltiger Dampf), wobei das Fluid durch eine Fluidleitung 27 zu dem Kondensator 14 abgegeben wird. Das Fluid wandelt sich in dem Kondensator 14 in heißes Wasser W um, und wird durch eine Wasserleitung 26 mittels einer Wasserpumpe 12 zu dem Wärmeaustauscher 6 geleitet. Das Abgas EG, welches durch den Wärmeaustauscher 6 geströmt ist, wird in Niedertemperaturabgas EG gewandelt (dessen Temperatur beispielsweise 200°C beträgt), dessen thermische Energie weitgehend wiedergewonnen wurde, wobei dieses Abgas zu der CO₂-Zufuhreinheit 7 geleitet wird.

Die CO₂-Zufuhreinheit 7 ist mit einer Mehrzahl stangenartiger CO₂-Trenn­ filme 37 versehen und ist beispielsweise in einer Abgasleitung 8C angebracht, in der das Niedertemperatur-Abgas EG strömt. Das von der Abgasleitung 8C zu der CO₂-Zufuhreinheit 7 geleitete Abgas EG strömt durch die CO₂-Trennfilme 37, wo CO₂ von dem Abgas EG abgetrennt wird, wobei N₂, O₂ und H₂O-Gase, welche nicht durch die CO₂-Trennfilme 37 hindurchtreten können, an den Trennfilmen 37 vorbeigehen und durch eine Abgasleitung 8D abgegeben werden. Das abgetrennte CO₂ wird mittels einer CO₂-Zufuhrpumpe 38 der Erdgasspaltvorrichtung 2 durch eine CO₂-Leitung 22 zugeführt.

Die in der CO₂-Zufuhreinheit 7 gehaltenen CO₂-Trennfilme 37 sind poröse Keramikkörper, die aus Trennfilmen gebildet sind, die ein poröses Keramikmaterial von Aluminiumoxid, Siliciumoxid oder Zeolith aufweisen. Diese Trennfilme sind eine Art Filterfilme oder Folien, die N₂ und O₂ wegen ihrer großen Moleküldurchmesser sowie H₂O (Dampf) nicht durchlassen, die jedoch CO₂ wegen dessen kleinem Moleküldurchmesser durchlassen, wobei das CO₂ mittels der CO₂-Saug- und Zufuhrpumpe 38 zu der Erdgasspaltvorrichtung 2 durch die CO₂-Leitung 22 geleitet wird.

Das N₂- und H₂O-Gas (Dampf), das nicht durch die CO₂-Trennfilme 37 in der CO₂-Zufuhreinheit 7 hindurchtreten kann, wird von einer Abgasleitung 8D zur Umgebungsluft abgegeben. Die Abgasleitung 8D ist beispielsweise mit einem Druckregelventil 42 versehen, durch das der Druck des zur Umgebungsluft abzugebenden Abgases EG reguliert wird, wodurch die CO₂-Menge, die in die CO₂-Zufuhrpumpe 38 durch die CO₂-Trenn­ filme 37 in der CO₂-Zufuhreinheit 7 aufgenommen wird, reguliert wird.

Der Gasmotor arbeitet wie folgt. Wenn bei geschlossenem Steuerventil 31 das Saugventil geöffnet ist, wird die Luft A von dem Kompressor 16 in dem Turbolader 3 durch die Ansaugleitung 10 von dem Ansaugkrümmer 10 zu den Primärkammern 1A geleitet. Die Luft A in der Primärkammer 1A wird in einem Kompressionshub komprimiert, wobei das Steuerventil 31 geschlossen ist. Wenn andererseits der Erdgaskraftstoff GF durch die Erdgaszufuhrleitung 34 von dem Kraftstofftank 11 zu der Erdgasspaltvorrichtung 2 geleitet wird und in Spaltgas RF gewandelt wird und die Kraftstoffventile 32 geöffnet sind und das Steuerventil 34 geschlossen ist, wird die Kraftstoffdruckpumpe 13 betätigt, so daß das Spaltgas RF von der Erdgasspaltvorrichtung 2 durch die Spaltgas-Zufuhrleitungen 9 zu den Wirbelkammern 1B geleitet wird. Das Steuerventil 31 wird geöffnet, wenn sich der Kolben in der Nähe des oberen Totpunkts eines Kompressionshubs befindet, und die komprimierte Luft A in den Primärkammern 1A strömt in die Wirbelkammern 1B, und das Spaltgas RF wird mit der komprimierten Luft A vermischt, das sich ergebende Gasgemisch wird gezündet und verbrannt, wobei das Verbrennungsgas aus den Wirbelkammern 1B in die Primärkammern 1A ausgeworfen wird, wodurch die Verbrennung in den Primärkammern 1A gefördert wird, wodurch der Kompressionshub in einen Expansionshub übergeht, in dem das Verbrennungsgas die Kolben 43 antreibt.

Im Auslaßhub wird das Abgas EG in den Primär- und Wirbelkammern 1A, 1B durch die Abgasleitung 8 ausgeworfen. Wenn Hochtemperatur-Abgas EG durch die Erdgasspaltvorrichtung 2 hindurchtritt, wird das Erdgas durch dessen thermische Energie thermisch in Spaltgas RF zersetzt, wonach es dem Turbolader 3 zugeführt wird. In dem Turbolader treibt das Gas die Turbine 15 an, deren Drehkraft durch den Generator 17 in elektrische Energie gewandelt wird und den Kompressor 16 antreibt. Die von dem Generator 16 erhaltene elektrische Energie wird in einer Batterie gespeichert und zum Antrieb von Hilfsaggregaten verbraucht. Der Kompressor 16 hat die Funktion, die Luft A durch die Ansaugleitung 10 den Brennkammern zuzuführen. Das Abgas EG, welches durch die Turbine 15 in dem Turbolader 13 geströmt ist, wird durch die Abgasleitung 8A zu dem Wärmeaustauscher 4 geleitet, und dessen thermische Energie wird in dem Rankine-Kreislauf 80 wiedergewonnen.

Die Abgasleitung 8A enthält eine Kraftstoffdüse 24 zum Einblasen eines Teils des Spaltgases RF, der von der Erdgasspaltvorrichtung 2 durch die Hilfskraftstoff-Zufuhrleitung 23 zugeleitet wurde, in die Abgasleitung 8A. Weil das in der Abgasleitung 8A strömende Abgas EG eine große Menge von O₂ enthält, wird das aus der Kraftstoffdüse 24 eingeblasene Spaltgas RF gezündet und verbrannt, um die Enthalpie des Abgases zu erhöhen. Das Abgas EG, welches zu dem Wärmeaustauscher 4 in den Rankine- Kreislauf 80 geleitet wurde, tritt durch die Abgasleitung 28 hindurch und wird dann durch die Abgasleitung 8B zu dem Wärmeaustauscher 6 geleitet. Wenn das Abgas EG durch die Abgasleitung 28 hindurchtritt, wird es einem Wärmeaustausch mit dem Dampf ausgesetzt, der von dem Wärmeaustauscher 6 zu der Dampfleitung 35 durch die Dampfleitung 41 geleitet wurde, und dieser wird auf eine hohe Temperatur erhitzt.

Der in dem Wärmeaustauscher 4 auf hohe Temperatur erhitzte Dampf wird zu der Dampfturbine 5 durch die Hochtemperaturdampfleitung 25 geleitet, um die Turbine 19 anzutreiben. Aufgrund des Betriebs der Turbine 19 erzeugt der Generator 20 Energie. Der Hochtemperaturdampf, der die Dampfturbine 5 angetrieben hat, wird in ein Fluid umgewandelt, welches Niedertemperaturdampf oder Wasser enthält, das durch die Fluidleitung 27 zu dem Kondensator 14 geleitet und in Wasser umgewandelt wird, das wiederum durch die Wasserleitung 26 durch die angetriebene Wasserpumpe 12 zu der Wasser-Dampfleitung 36 geleitet wird.

Das von dem Wärmeaustauscher 4 zu dem Wärmeaustauscher 6 geleitete Abgas EG wird durch die Abgasleitung 29 zur Abgasleitung 8C abgegeben. Wenn das Abgas EG durch die Abgasleitung 29 hindurchtritt, wird es einem Wärmeaustausch mit dem in der Wasser-Dampfleitung 36 fließenden Wasser ausgesetzt, um das Wasser in Dampf umzuwandeln. Die thermische Energie des zur Abgasleitung 8C abgegebenen Abgases EG wird durch die Erdgasspaltvorrichtung 2, den Turbolader und die Wärmeaustauscher 4, 6 wiedergewonnen, und die Temperatur des Abgases EG nimmt stark ab, beispielsweise auf etwa 200°C. Auch wenn das Abgas zu der CO₂-Zufuhreinheit 7 ausgegeben wird, werden die CO₂-Trennfilme 37 nicht beschädigt. Das zu der CO₂-Zufuhreinheit 7 geleitete Abgas EG tritt durch die CO₂-Trennfilme 37 hindurch, um CO₂ abzutrennen. Das abgetrennte CO₂ wird mittels der CO₂-Zufuhrpumpe 38 von der CO₂-Zufuhreinheit 7 zu der Erdgasspaltvorrichtung 2 durch die CO₂-Leitung 22 geleitet. Das Abgas EG, von dem CO₂ beim Durchtritt durch die CO₂-Trennfilme 37 abgetrennt worden ist, enthält N₂ und H₂O mit reduziertem CO₂-Gehalt, und wird aus der Abgasleitung 8D zur Umgebungsluft abgegeben.

Eine zweite Ausführung des Gasmotors mit der gleichen Sauerstoffbeseitigungsvorrichtung wie in der Erdgasspaltvorrichtung 62 wird nun anhand der Fig. 6 und 7 beschrieben.

Der in Fig. 7 gezeigte Gasmotor hat die gleiche Grundkonstruktion wie in Fig. 3, außer daß eine Sauerstoffbeseitigungsvorrichtung 60 vorgesehen ist.

Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszahlen versehen, und auf eine Wiederholung deren Beschreibung wird verzichtet. Da die Erdgasspaltvorrichtung 62 die gleiche Grundkonstruktion wie die Erdgasspaltvorrichtung 2 der Fig. 1 und 2 aufweist, wird eine detaillierte Beschreibung derselben weggelassen.

Der Gasmotor 1 ist zur Anwendung bei einem Cogeneratorsystem geeignet und an einer Ausgangswelle mit einem Generator 73 versehen, um die Drehkraft des Motors in elektrische Energie umzuwandeln.

Im Prinzip wird in dieser Ausführung das Abgas EG in CO₂ und andere Gase durch einen CO₂-Trennfilm 37 abgetrennt, der eine CO₂-Zu­ fuhreinheit 7 darstellt. Wenn jedoch die CO₂-Trennfilme 37 nicht optimal oder beschädigt sind oder Gase nicht vollständig abtrennen können, kann in einigen Fällen O₂ durch den CO₂-Trennfilm hindurchtreten und vermischt sich dann mit CO₂. Wenn das mit O₂ gemischte CO₂ zu der Erdgasspaltvorrichtung 62 geleitet wird, kann die thermische Zersetzung von CH₄ nicht optimal erfolgen, und es besteht Explosionsgefahr. Um daher O₂ von CO₂ vollständig zu entfernen, welches in diesem Gasmotor zu der Erdgasspaltvorrichtung 62 geleitet werden soll, ist zwischen der CO₂-Zufuhreinheit 7 und der Erdgasspaltvorrichtung 62 die Sauerstoffbeseitigungsvorrichtung 60 vorgesehen.

Wie in Fig. 7 gezeigt, ist die Sauerstoffbeseitigungsvorrichtung 60 in der CO₂-Leitung 22 vorgesehen, welche die CO₂-Zufuhreinheit 7 mit der Erdgasspaltvorrichtung 62 verbindet, um CO₂, das aus dem Abgas EG von der CO₂-Zufuhreinheit 7 abgetrennt wurde, die in der Abgasleitung 8 für das vom Motor 7 abgegebene Abgas EG vorgesehen ist, der Erdgasspaltvorrichtung 62 zuzuführen, die dazu dient, unter Verwendung dieses CO₂ CH₄-haltigen Kraftstoff GF in Spaltgas RF umzuwandeln.

Die Sauerstoffbeseitigungsvorrichtung 60 ist in der CO₂-Leitung 22 vorgesehen, in der ein abgetrenntes Gas, das hauptsächlich durch die CO₂-Zufuhreinheit 7 getreten es CO₂ enthält, strömt, und umfaßt ein Gehäuse 64 mit einem Einlaß 65, in den abgetrenntes Gas strömt, und einem Auslaß 66, aus dem das abgetrennte Gas herausfließt, ein poröses Kohlenstoffelement 68, das in dem Gehäuse über nicht leitfähige Halterungen 67 gehalten ist und das abgetrennte Gas durchtreten läßt, sowie eine Energiequelle 69 zum Erwärmen des porösen Kohlenstoffelements 68, um die Reaktion zwischen O₂ in dem abgetrennten Gas und dem Kohlenstoff in dem porösen Kohlenstoffelement 68 zu erzeugen und dieses in CO und CO₂ zu wandeln. Die Energiequelle 69 ist ausgebildet, um das poröse Kohlenstoffelement 68 durch Anschlüsse 71 elektrisch zu erwärmen. Um das poröse Kohlenstoffelement 68 in dem Gehäuse 64 abzudichten, ist ein Dichtelement 72 vorgesehen.

In der Sauerstoffbeseitigungsvorrichtung 60 wird das von dem Abgas EG abgetrennte CO₂-haltige Gas dem porösen Kohlenstoffelement 68 zugeführt, welches durch die Energiequelle 69 elektrisch erwärmt wird. Demzufolge reagieren der Kohlenstoff des porösen Kohlenstoffelements 68 und das in dem abgetrennten Gas enthaltene O₂ miteinander, und werden in CO und CO₂ umgewandelt, wobei die Kohlenstoffmenge des porösen Kohlenstoffelements 68 dementsprechend abnimmt. In dieser Sauerstoffbeseitigungsvorrichtung 60, in der das poröse Kohlenstoffelement 68 durch die Energiequelle 69 elektrisch erhitzt wird, ändert sich der elektrische Widerstandswert entsprechend der vorhandenen Kohlenstoffmenge. Daher ist die Steuereinrichtung 70 vorgesehen, um den elektrischen Widerstandswert des porösen Kohlenstoffelements 68 durch einen Sensor zu erfassen, die Kohlenstoffmenge in dem porösen Kohlenstoffelement 68 auf der Basis des elektrischen Widerstandswerts abzuschätzen und einen Alarm aus einem Alarmmittel 61 auszugeben, wenn die Kohlenstoffmenge des porösen Kohlenstoffelements 68 unter einen vorbestimmten Wert gesunken ist. Wenn die Kohlenstoffmenge des porösen Kohlenstoffelements auf einen niedrigen Wert sinkt, ist das Kohlenstoffelement zu ersetzen.

Die CO₂-Zufuhreinheit 7 ist beispielsweise in der Abgasleitung 8C vorgesehen, in der Niedertemperatur-Abgas EG strömt, und ist mit einer Mehrzahl stangenartiger CO₂-Trennfilme 37 ausgebildet, die darin gehalten werden. Das CO₂ in dem Abgas EG, welches von der Abgasleitung 8C zu der CO₂-Zufuhreinheit 7 geleitet wird, wird von diesem Gas abgetrennt und von derselben CO₂-Zufuhreinheit ausgegeben, und N₂, O₂ und H₂O, die nicht durch die CO₂-Trennfilme hindurchtreten können, umgehen die CO₂-Zufuhreinheit 7 und werden zu der Abgasleitung 8D ausgegeben. Das CO₂-haltige Gas, das von dem Abgas EG in der O₂-Zufuhreinheit 7 abgetrennt wurde, wird zur vollständigen Entfernung von O₂ mittels der CO₂-Zufuhrpumpe 38 zu der Sauerstoffbeseitigungsvorrichtung 60 durch die CO₂-Leitung 22 geleitet. Das in dem abgetrennten Gas enthaltene O₂, welches zu der Sauerstoffbeseitigungsvorrichtung 60 geleitet wird, wird mit C oxidiert und durch Umwandlung in CO und CO₂ beseitigt, die der Erdgasspaltvorrichtung 62 zugeführt werden. Das CO₂ in dem abgetrennten Gas von der CO₂-Zufuhreinheit 7 tritt, so wie es ist, durch die Sauerstoffbeseitigungsvorrichtung 60 und wird dann der Erdgasspaltvorrichtung 62 zugeführt.

Die Erfindung betrifft einen Gasmotor, mit einer Erdgasspaltvorrichtung zum thermischen Zersetzen von CH₄ in Erdgas in CO und H₂-haltigen Spaltbrennstoff, um den thermischen Wirkungsgrad zu verbessern. CO₂ im Abgas des Motors wird für den thermischen Zersetzungsvorgang verwendet, um den CO₂-Gehalt des nach außen abgegebenen Abgases zu reduzieren und die Entstehung von NOx zu minimieren. In der Erdgasspaltvorrichtung kann eine Sauerstoffbeseitigungsvorrichtung vorgesehen sein, um O₂ aus dem von dem Abgas abgetrennten CO₂ zu entfernen. In dieser Erdgasspaltvorrichtung ist ein von Brenngas durchströmtes Brenngasgehäuse an der Außenseite eines von Abgas durchströmten Abgasleitungskörpers vorgesehen, und die Oberfläche eines in dem Brenngasgehäuse vorgesehenen porösen Elements ist mit einem Katalysator beschichtet. Die Sauerstoffbeseitigungsvorrichtung umfaßt in einer CO₂-Leitung ein poröses Kohlenstoffelement, dessen C mit dem O₂ in dem CO₂-Gas reagiert, wobei diese Substanzen in CO und CO₂ umgewandelt werden, sowie eine Stromquelle zum elektrischen Erwärmen des porösen Kohlenstoffelements.

Claims (13)

1. Erdgasspaltvorrichtung (2), umfassend: ein Abgasrohr (8), in dem von einem Motor (1) abgegebenes Abgas strömt, einen Abgasleitungskörper (50), der in dem Abgasrohr (8) vorgesehen ist und ein poröses Material (51) aufweist, das mit einen Abgasdurchgang (44) bildenden Bienenwaben oder Durchgangslöchern versehen ist, ein Brenngasgehäuse (52), das an der Außenseite des Abgasrohrs (8) vorgesehen ist und einen Einlaß (34A) aufweist, durch den als Hauptkomponente CH₄ enthaltend es Brenngas von einer Brenngaszufuhrquelle (1) zugeführt wird, sowie einen Einlaß (22A), durch den von dem Abgas abgetrenntes CO₂ zugeführt wird, ein in dem Brenngasgehäuse (52) vorgesehenes poröses Element (53), das einen Brenngasdurchgang bildet und ein poröses Keramikmaterial aufweist, einen Katalysator (33), der auf eine Oberfläche des den Brenngasdurchgang bildenden porösen Elements (53) aufgetragen ist, zur Wandlung von CH₄ und CO₂ in CO und H₂-haltigen Spalt-Brennstoff (RF) durch thermische Zersetzung von CH₄ und CO₂ durch die thermische Energie des Abgases, sowie ein Wärmeisolationsmaterial (55), das an einer Außenumfangsfläche des Brenngasgehäuses (52) vorgesehen ist.

2. Erdgasspaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (33) Ni oder Pt umfaßt.

3. Erdgasspaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeisolationsmaterial (55) einen nicht gewebten keramischen Stoff umfaßt.

4. Erdgasspaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgasrohr (8), der Abgasleitungskörper (50), das Brenngasgehäuse (52) und das poröse Element aus Keramikmaterial von wärmebeständigem Si₃N₄ oder SiC gebildet sind.

5. Erdgasspaltvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikmaterial, welches das Abgasrohr (8), den Abgasleitungskörper (50), das Brenngasgehäuse (52) und das poröse Element bildet, AlN mit hoher Wärmeleitfähigkeit enthält.

6. Erdgasspaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Element (53) eine Mehrzahl von Durchgangslöchern (56) aufweist, die von der Seite kommen, von der Brenngas und CO₂ zugeführt werden, sowie eine Mehrzahl von Durchgangslöchern (57), die von der Seite kommen, von der Spalt-Brennstoff (RF) abgegeben wird.

7. Erdgasspaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (34A), der sich in das Brenngasgehäuse (52) öffnet und zur Zufuhr von CH₄ als Hauptkomponente enthaltendem Brenngas dient, und der Einlaß (22A), der sich in das Brenngasgehäuse (52) öffnet und zur Zufuhr von CO₂, das vom Abgas abgetrennt ist, einander gegenüberliegend angeordnet sind, um die Vermischung des Brenngases mit CO₂ zu fördern.

8. Sauerstoffbeseitigungsvorrichtung (60) für einen Gasmotor, der eine Abgasleitung (8), durch die Abgas von Brennkammern (1A) des Gasmotors (1) abgegeben wird, eine CO₂-Zufuhrvorrichtung (7), die in der Abgasleitung (8) vorgesehen ist und einen CO₂-Trenn­ film (37) zum Abtrennen von CO₂ aus dem Abgas aufweist, sowie eine Erdgasspaltvorrichtung (62), die in der Abgasleitung (8) vorgesehen ist, um Erdgas durch thermische Zersetzung von CH₄ in dem Erdgas durch die thermische Energie des Abgases in CO und H₂-haltigen Spaltbrennstoff (RF) zu wandeln und die zur Aufnahme von CO₂ von der CO₂-Zufuhrvorrichtung (7) dient, aufweist,
wobei die Sauerstoffbeseitigungsvorrichtung (60) ein Gehäuse (64) umfaßt, das in einer CO₂-Leitung (22) vorgesehen ist, in dem CO₂-haltiges abgetrenntes Gas, welches durch die CO₂-Zu­ fuhrvorrichtung (7) hindurchgetreten ist, strömt, und einen Einlaß (65) aufweist, in den das abgetrennte Gas eintritt, sowie einen Auslaß (66), von dem das abgetrennte Gas abgegeben wird, ein poröses Kohlenstoffelement (68), das in dem Gehäuse (64) über nicht leitfähige Halterungen (67) gehalten ist und dazu ausgelegt ist, abgetrenntes Gas hindurchtreten zu lassen, sowie eine Stromquelle (69) zum elektrischen Erwärmen des porösen Kohlenstoffelements (68), um das in dem abgetrennten Gas enthaltenes O₂ einer Reaktion mit dem Kohlenstoff des porösen Kohlenstoffelements (68) zu unterziehen und die Substanzen in CO und CO₂ umzuwandeln.

9. Sauerstoffbeseitigungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des Kohlenstoffs in dem porösen Kohlenstoffelement (68) auf der Basis eines elektrischen Widerstandswerts des Kohlenstoffelements (68) bestimmt wird, wobei bei Erfassung eines Anstiegs der Kohlenstoffmenge in dem porösen Kohlenstoffelement (68) auf einen Wert, der nicht höher als ein vorbestimmter Wert ist, ein Alarm ausgegeben wird.

10. Gasmotor (1), umfassend: eine Brenngaszufuhrquelle (11), welche Erdgasbrennstoff mit CH₄ als Hauptkomponente enthält, eine Erdgasspaltvorrichtung (62) zum Umwandeln von CH₄, welches von der Brenngaszufuhrquelle (11) zugeführt ist, in Spaltbrenngas (RF) durch thermische Zersetzung von CH₄ durch die thermische Energie von Abgas aus Brennkammern (1A) des Gasmotors (1), und die in einer Abgasleitung (8) vorgesehen ist, einen Turbolader (3), der in einem Abschnitt der Abgasleitung (8) vorgesehen ist, der sich an der stromabwärtigen Seite der Erdgasspaltvorrichtung (2) befindet, eine Vorrichtung (13) zum Zuführen des Spalt- Brennstoffs (RF) zu den Brennkammern (1A), einen Rankine- Kreislauf (80), der mit Wärmeaustauschern (4, 6) versehen ist und in dem Abschnitt der Abgasleitung (8) angebracht ist, der sich an der stromabwärtigen Seite des Turboladers (3) befindet, sowie eine CO₂-Zufuhrvorrichtung (7), die in dem Abschnitt der Abgasleitung (8) vorgesehen ist, der sich an der stromabwärtigen Seite des Rankine-Kreislaufs (80) befindet, und dazu ausgelegt ist, CO₂, das von dem Abgas durch CO₂-Trennfilme (37) abgetrennt ist, einem Brenngasgehäuse (52) der Erdgasspaltvorrichtung (62) durch eine CO₂-Leitung (22) zuzuführen.

11. Gasmotor (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Rankine-Kreislauf (80) umfaßt: in der Abgasleitung (8) vorgesehene erste und zweite Wärmeaustauscher (4, 6), eine Dampfturbine (5), die durch in dem ersten Wärmeaustauscher (4) erzeugten Dampf angetrieben wird, einen Kondensator (14) zum Wandeln des von der Dampfturbine (5) abgegebenen Dampfes in Wasser, sowie einen zweiten Wärmeaustauscher (6), der in dem Abschnitt der Abgasleitung (8) vorgesehen ist, der sich an der stromabwärtigen Seite des ersten Wärmeaustauschers (4) befindet, um das Wasser von dem Kondensator (14) in Dampf umzuwandeln und den Dampf dem ersten Wärmeaustauscher (4) zuzuführen.

12. Gasmotor (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die CO₂-Trennfilme (37) anorganische Trennfilme aus porösem Keramikmaterial umfassen, wie etwa Aluminiumoxid, Siliciumoxid und Zeolith.

13. Gasmotor (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (1) mit einer Sauerstoffbeseitigungsvorrichtung (60) versehen ist, die in dem Abschnitt der CO₂-Leitung (22) zwischen den CO₂-Trennfilmen (37), die sich an der stromabwärtigen Seite des Rankine-Kreislaufs (80) in der Abgasleitung (8) befinden, und der Erdgasspaltvorrichtung (62) angebracht ist.