DE2103008C3 - Vorrichtung zur Erzeugung eines gasförmigen Brennstoffes - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines gasförmigen Brennstoffes, der im wesentlichen aus Methan und Kohlenmonoxid besteht, durch katalytische Umwandlung von flüssigem Brennstoff gebildet ist und der Speisung von Brennkraftmaschinen dient. Die Vorrichtung umfaßt eine an die Brennkraftmaschine angeschlossene Reaktorkammer, die wenigstens einen hochporösen, plattenförmigen Katalysatorkörper enthält, der mit im wesentlichen parallel zueinander angeordneten, in Strömungsrichtung des die Reaktorkammer durchströmenden Gasgemisches liegenden engen Durchtrittsöffnungen versehen ist. Strömungsmäßig vor der Katalysatorkammer ist ein Mischraum zur Vermischung des feinverteilten flüssigen Brennstoffes mit einem als Sauerstoffträger dienenden Gas angeordnet.

Ein Vergasungsreaktor, in dem flüssiger Brennstoff mit Primärluft versprüht und an einem Katalysator bei erhöhter Temperatur in ein Brenngasgemisch umgesetzt wird, ist bereits aus der US-PS 17 95 037 bekannt Dieser bekannte Reaktor enthält ein Bündel metallischer Rohre, das von außen mit heißem Abgas umströmt wird und durch das die umzusetzenden Stoffe zu ihrer Erwärmung geleitet werden. Als Katalysator ist hochporöse Aktivkohle in Form einer Innenauskleidung der Metallrohre vorgesehen. Die Aktivkohle kann aber auch als Platte ausgebildet und strömungsmäßig hinter dem Rohrbündel angeordnet sein, wobei am Ausgang jedes Rohres des Rohrbündels je eine Bohrung als Strömungskanal für das umzusetzende Gemisch vorgesehen ist. Hieran schließt sich eine in der Ansaugleitung einer Brennkraftmaschine angeordnete Mischeinrichtung an, in der das erzeugte Brenngasgemisch mit Sekundärluft vermischt wird. Diese Vorrichtung ermöglicht es, flüssigen Brennstoff derartig aufzubereiten, daß in der Brennkraftmaschine eine weitgehend vollständige Verbrennung mit einem hohen Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine stattfindet.

Ein anderer Vergasungsreaktor für Brennkraftmaschinen, der ebenfalls mit Abgas beheizbar ist und ein Bündel doppelwandiger metallischer Rohre enthält, ist aus der DE-PS 7 20 535 bekannt. Als Katalysator dient hierbei das Metall der Metallrohre des Innenmantels, wobei zuerst am Eintritt der Rohre die schwersten Brennstoffmolekühle in leichtere Moleküle gespalten werden sollen und anschließend am Ausgang der Rohre der freigewordene Kohlenstoff mö^'ichst vollständig in Kohlenmonoxid überführt werden soll. Dafür sind unterschiedliche Katalysatoren vorgesehen, z. B. eine Kupfer/Nickel-Legierung am Eintritt und reines Kupfer am Ausgang der Metallinnenrohre. Dadurch soll insbesondere die Vergasung von Schweröl ermöglicht werden.

Die bekannten Vergasungsreaktoren und Katalysatoren sind zur Erzeugung eines Brenngases, das den von modernen Brennkraftmaschinen gestellten Anforderungen genügt, nicht geeignet. So wird der flüssige Brennstoff von der Umwandlung teilweise nicht erfaßt und teilweise in Ruß und Polymerisationsprodukte •jmgesetzt, weshalb z. B. bei der Vorrichtung nach der DE-PS 7 20 535 dem Vergasungsreaktor ein Reiniger zum Sammeln der im erzeugten Gasgemisch enthaltenen Brennstofftröpfchen und zum Abscheiden der Polymerisationsprodukte vorgesehen ist. Ferner lassen die bekannten Einrichtungen ein großes Bauvolumen erwarten, so daß sie z. B. kaum in den Motorraum von Kraftfahrzeugen eingebaut werden können und sich auch nur langsam erwärmen. So sind noch eigene Benzinvergaser nötig, um die Brennkraftmaschine vom Start bis zum Warmlaufen des Reaktors betreiben zu können.

Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannten Einrichtungen zur Umwandlung von flüssigem Brennstoff in gasförmigen Brennstoff für den Einsatz bei Brennkraftmaschinen derart zu verbessern, daß der

erzeugte Brennstoff den hohen Anforderungen, die heute an die Verbrennung von Brennstoff in Brennkraftmaschinen gestellt werden, genügt.

Das wird dadurch erreicht, daß bei einer Vorrichtung der eingangs angegebenen Art in der Katalysatorkammerals Katalysatorkörper mehrere mit einem Katalysator versehene Sinterkörper in Strömungsrichtung des Gasgemisches hintereinander und mit Zwischenräumen zueinander angeordnet sind.

Die Sinterkörper bestehen vorteilhaft aus Aluminiumoxid oder Magnesium-Aluminium-Silikat mit einem Porenvolumen von 20 bis 60%, vorzugsweise 40 bis 50%. Bevorzugt werden etwa 40 Bohrungen/cm² mit einem Durchmesser von etwa 1 mm. Die Durchtrittsöffnungen dienen zum Durchtritt der umzusetzenden Stoffe bzw. des entstehenden Gasgemisches, übernehmen aber auch der Transport des Gases zu den katalytisch aktiven Zentren in den freien Poren der Sinterkörper. Insbesondere stellen die Durchtrittsöffnungen nur einen geringen Strömungswiderstand dar. Ein hoher Strömungswiderstand für das anzusaugende Gasgemisch würde zu einer Verschlechterung der Füllung in der Brennkraftmaschine führen.

Die mikroskopischen Poren der Sinterkörper bilden eine große katalytisch aktive Oberfläche für das umzusetzende Gemisch. Die im wesentlichen laminar durch die Durchtrittsöffnungen eines Sinterkörpers strömenden und dort teilweise umgesetzten Ausgangsstoffe werden in den Zwischenräumen in den Sinterkörpern turbulent durchmischt und anschließend über die aktive Oberfläche des nächsten Sinterkörpers geleitet, so daß bereits nach Durchströmen weniger dünner Katalysatorschichten eine vollständige Umsetzung gewährleistet ist Darüber hinaus stellen die Durchtrittskanäle neben den mikroskopischen Bohrungen makroskopische Gasdurchtrittskanäle dar, die (im Gegensatz zu mikroskopischen Poren) nicht leicht verstopfen. Gleichzeitig wird durch die Vielzahl der vorgesehenen Durchtrittskanäle die Ausbildung von Vorzugsrichtungen vermieden.

Die Durchtrittsöffnungen im Sinterkörper weisen bevorzugt einen Durchmesser von 0,1 bis 2 mm auf.

Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung handelt es sich um einen Vergasungsreaktor (Spaltgasgenerator), in dem insbesondere bleifreie Brennstoffe umgesetzt werden können, deren Schwefef^ehalt unter etwa 10 ppm liegt und deren Gehalt an ringförmigen Kohlenwasserstoffen den natürlichen Gehalt an diesen Ringverbindungen in Desiillatbenzinen nicht übersteigt. Derartige schadstoffarme Brennstoffe entstehen als Vorprodukte bei der Benzinherstellung in Raffinerien, weisen eine Octanzahl von nur etwa 40 auf und sind billig herzustellen. Sie können jedoch gegenüber gasförmigem Brennstoff leichter gelagert und über das bestehende Tankitellennetz an den Verbraucher abgegeben werden. Bei der Verbrennung des darcus erzeugten Brenngases entstehen naturgemäß kaum Schadstoffe wie ringförmige Kohlenwasserstoffe oder Bleiverbindungen. Da die heute üblichen Brennkraftmaschinen einen Brennstoff hoher Güte erfordern, ist bei der Speisung der Brennkraftmaschinen mit flüssigem Brennstoff ein erhöhter Gehalt an ringförmigen Kohlenwasserstoffen und/oder Bleiverbindungen erforderlich, die — zusammen mit der bei der Verbrennung von flüssigem Brennstoff unvermeidliche Bildung von Stickoxiden, Kohlonmonoxiden und unverbrannten Kohlenwasserstoffen — eine Quelle der Luft- und Umweltverschmutzung darstellen. Diese Luftverschmutzung wird durch die Vorrichtung gemäß de,· Erfindung, die eine miniaturisierte Bauweise zuläßt, stark herabgesetzt.
Als Sauerstoffträger für die Umsetzung des Brennstoffes kann Frischluft und insbesondere ein Gemisch aus Frischluft und Abgas dienen. Die Umsetzung wird vorteilhaft bei Temperaturen über 300⁰C durchgeführt, wobei ein Gas entsteht, das wegen seines Methan- und Kohlenmonoxid-Gehaltes sowohl einen hohen Heizwert wie eine hohe Octanzahl (z. B. 100 bis 1! 0) aufweist. Für den Betrieb der Brennkraftmaschine erhält man somit einen gasförmigen Brennstoff hoher Klopffestigkeit, der, wie bei Gasmotoren üblich, in der Brennkraftmaschine zu schadstoffarmem Abgas verbrennt

Als Katalysator für die Umwandlung des Brennstoffes dienen vorzugsweise Nickel-, Platin oder Nickel-Platin-Mischkatalysatoren. Der Katalysator muß so beschaffen sein, daß er die Umwandlung des Brennstoffes in ein größtenteils aus Methan und Kohlenmonoxid bestehendes Gemisch ermöglicht. Zweckmäßig kann der Katalysator mit Uran dotiert s'.V. Die Dotierung bewirkt vor allem die Erhaltung der akt-ven Zentren im Katalysator.

Vorteilhaft ist es, wenn der dem Eingang der Katalysatorkammer benachbarte, erste Sinterkörper mit eimern anderen Katalysator versehen ist als die nachfolgenden Sinterkörper. So kann insbesondere der erste Sinterkörper Platin als Katalysator enthalten und drei nachfolgende Sinterkörper mit Platin-Nickel-

JO Mischkatalysator vorgesehen sein.

Ferner ist es vorteilhaft, den Brennstoff vor dem Eintritt in die Katalysatorkammer zu verdampfen. Hierzu ist eine am Mischraum angeordnete beheizte Verdampfungseinrichtung vorgesehen. Zweckmäßiger-

J5 weise wird der Brennstoff mittels einer Pumpe zum Mischraum gefördert. Ferner ist ein Wärmetauscher vorteilhaft, der die Katalysatorkammer umgibt und von den Abgasen der Brennkraftmaschine beheizt wird, um die Betriebstemperatur des Vergasungsreakurs aufrecht zu erhalten.

Da in der Katalysatorkammer zur Umwandlung des B; ennstoffes eine erhöhte Temperatur herrschen muß, ist zum Starten der Brennkraftmaschine eine Starthilfe vorzusehen. Hierzu kann ein Benzinbrenner oder ein bereits beschriebener katalytischer Hochtemperaturbrenner verwendet werden, mit dessen heißen Abgasen die zunächst kalte Katalysatorkammer auf die Betriebstemperatur erwärmt wird. Die günstigste Möglichkeit einer Starthilfe wird darin gesehen, daß ein Gemisch aus

so verdampftem Brennstoff und Frischluft mit Hilfe einer am Eingang der Katalysatorkammer angebrachten Zündvorrichtung (z. B. eines Glühkopfes oder eines Zündfunkens) entzündet wird. Um eine zu schnelle Aufreizung des Katalysators auf hohe Temperaturen zu vermeiden, wird der Katalysatorkammer ein Gemisch mit starkem Lu'iunterschuß zugeführt werden. Zur Schonung des Katalysators ist bei dieser Starthilfe vor den eigentlichen Katalysatorkörpern, d. h. vor der ersten Platte, eine Brennerplatte angeordnet, in der d\t

bo Reaktion von Brennstoff und Luft bei einer Temperatur von etwa 500 bis 600⁰C stattfindet und die entstehenden Reaktionsgase den Katalysatorkörpern zugeführt werden.

Anhand eines Ausführungsbei',pieles und einer Figur

hi wird die Vorrichtung nach der Erfindung noch naher erläutert.

Die Figur zeigt schematisch im Schnitt den Aufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vor-

richtung. In einer Katalysatorkammer 1 sind mehrere hochporöse, plattenförmige Sintersteine 2 als Katalysatorkörper angeordnet, die mit einer Vielzahl von annähernd parallel zueinander angeordneten Durchtrittsöffnungen 3 versehen sind. Der Brennstoff wird mit ■> Hilfe einer Pumpe 4 durch eine Rohrleitung 5 in einen Verdampfer 6 gefördert, der vor dem Eingang der Katalysatorkammer I angeordnet ist. Am Verdampfer 6 befindet sich eine Mischdüse 7 zur Verminderung des verdampften Brennstoffes mit dem sauerstoffhaltigen Gas. Der Mischdüse 7 wird dabei durch eine Rohrleitung 8 Frischluft zugeführt werden, durch eine Rohrleitung 9 wird dem verdampften Brennstoff ein Teil des verdampften Abgases der Brennkraftmaschine zugeführt. Durch eine Rohrleitung IO strömt das '"> Gemisch aus Brennstoff und als Sauerstoffträger dienendes Gas in die Katalysatorkammer 1 ein. in der die Umwandlung des Brennstoffes in ein Methan und Kohlenmonoxid enthaltendes Gasgemisch erfolgt. Am Ausgang der Katalysatorkammer 1 befindet sich eine M weitere Mischdüse 11 zur Vermischung des durch die Umwandlung des Brennstoffes am Katalysator erhaltenen Gasgemisches mit Frischluft, die der Düse 11 durch eine Rohrleitung 12 zugeführt wird. Durch eine Rohrleitung 13 strömt das dabei erhaltene Gemisch in -'"> die Brennkraftmaschine 14 (z. B. Verbrennungsmotor oder Gasturbine) und wird dort verbrannt. Die Abgase werden aus der Brennkraftmaschine 14 durch eine Rohrleitung 15 abgeführt und in einen Wärmelauschei 16 eingeleitet, der die Katalysatorkammer 1 umgibt Durch eine Rohrleitung 17 tritt das Abgas aus derr Wärmetauscher 16 aus. Ein Teil des Abgases wird danr durch die Rohrleitung 9 der Mischdüse 7 zugeführt, die Hauptmenge tritt in einen Wärmetauscher 18 ein, dei am Verdampfer 6 angebracht ist. Im Wärmetauscher If wird der Wärmegehalt des Abgases zur Aufrechterhai Hing der am Katalysator erforderlichen Temperatur, irr Wärmetauscher 18 zur Verdampfung des Brennstoffe! ausgenutzt.

In der Katalysatorkammer mit der Innenabmessung von etwa 80 mm χ 80 mm χ 215 mm sind als Katalysa torkörpcr vier zueinander parallele plattenförmigt Sinterkörper angeordnet, die eine Dicke von je 50 mir aufweisen und untereinander einen Abstand von 5 mn haben, wodurch sich zwischen den Sinterkörperr Zwischenräume ergeben. Die Sinterkörper bestehen au: Aluminiumoxid oder Magnesium-Aluminium-Silikat Das Porenvolumen der Sinterkörper beträgt 40 bis 50% Bei einem Durchmesser von etwa 1 mm weist eil Quadratzentimeter Qiierschnittsfläche etwa 40 Bohrun gen auf.

Die dem Eingang der Katalysatorkammer benachbar te Lochplatte enthält als Katalysator nur Platin während die restliehen drei Lochplatten einen Platin Nickel-Mischkatalysator enthalten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines gasförmigen Brennstoffes, im wesentlichen bestehend aus Methan und Kohlenmonoxid, der durch katalytische Umwandlung von flüssigem Brennstoff gebildet ist und der Speisung von Brennkraftmaschinen dient, die eine an die Brennkraftmaschine angeschlossene Reaktorkammer umfaßt, die wenigstens einen hochporösen, plattenförmigen, mit im wesentlichen parallel zueinander angeordneten, in Strömungsrichtung des die Reaktorkammer durchströmenden Gasgemisches liegenden engen Durchtrittsöffnungen versehenen Katalysatorkörper enthält, mit einem strömungsmäßig vor der Reaktorkammer ^IS angeordneten Mischraum zur Vermischung des feinverteilten flüssigen Brennstoffes mit einem als Sauerstoffträger dienenden Gas, dadurch gekennzeichnet, daß in der Reaktorkammer als Katalysatorkörper mehrere mit einem Katalysator versehene -Sinterkörper in Strömungsrichtung des Gasgemisches hintereinander und mit Zwischenräumen zueinander angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterkörper pro Quadratzentimeter Querschnittsfläche etwa 40 Durchtrittsöffnungen mit einem Durchmesser von efcya 1 mm aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Mischraum (7) eine beheizte Verdampfungsvorrichtung (6,18) für den Brennstoff vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daP eine Pumpe (4) zur Förderung des Brennstoffes zum Mischraum (7) vorgesehen ist. ^J5

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatorkammer (1) von einem durch die Abgase der Brennkraftmaschine (14) beaufschlagten Wärmetauscher (16) umgeben ist.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste, dem Eingang der Katalysatorkammer (1) benachbarte Sinterkörper mit einem anderen Katalysator versehen ist als die nachfolgenden Sinterkörper.

7. Vorrichtung nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste, dem Eingang der Katalysatorkammer (1) benachbarte Sinterkörper Platin als Katalysator enthält und daß die nachfolgenden Sinterkörper einen Platin-Nickel-Mischkatalysator enthalten.

8. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang der Katalysatorkammer (1) eine Zündvorrichtung vorgesehen und vor dem ersten Sinterkörper eine Brennplatte angeordnet ist.