DE2232506C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines durch katalytische Umsetzung von Brennstoff und einem als Sauerstoffträger dienenden Gas zu bildenden Gasgemisches - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines durch mehrstufige katalytische Umsetzung von verdampftem, vergastem oder versprühtem flüssigem Brennstoff und einem als Sauerstoffträger dienenden Gas zu bildenden Gasgemisches sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Dabei wird ein in einer ersten Reaktionsstufe nicht umgesetzter Brennstoffanteil in wenigstens einer weiteren nachgeschalteten Reakiionsstufe umgesetzt und jeweils strömungsmäßig vor jeder weiteren Reaktionsstufe als Sauerstoffträger dienendes Gas zugemischt.

Aus der britischen Patentschrift 11 24 083 ist bereits ein Verfahren zur zweistufigen Wasserdampfreformierung von verdampften Kohlenwasserstoffen bekannt. Hierbei werden Kohlenwasserstoffe und Wasserdampf zunächst mit hoher Strömungsgeschwindigkeit über ein erstes, beheiztes Katalysatorbett und anschließend mit geringer Strömungsgeschwindigkeit über ein zweites, unbeheiztes Katalysatorbett geleitet. Ferner werden in dieser Patentschrift auch mehrere Varianten vorgeschlagen, bei denen z. B. zur Umsetzung statt Wasserdampf auch Kombinationen aus Wasserdampf, CO2 und Luft verwendet oder der zweiten Stufe zusätzlich Luft, Sauerstoff, Dampf oder Produktgas der zweiten Stufe zugeführt werden, um eine gewünschte Zusammensetzung des Produktgases zu erreichen. Zusatz von Luft führt dabei zu einer höheren, Zusatz von Wasser zu einer niedrigeren Temperatur in der zweiten Stufe und damit zu einem anderen Produktgas. Das Verfahren, mit dem ein Brenngas bestimmter Zusammensetzung (z. B.

Stadtgas) erzeugt werden soll, kann nur mit im wesentlichen konstanten Durchsätzen betrieben werden, da bei stark wechselnden Durchsätzen die vorgeschriebenen Strömungsgeschwindigkeiten in den Katalysatorbetten nicht eingehalten werden können.

Die zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagene stationäre Vorrichtung ist daher für bestimmte Durchsätze und Betriebszustände optimiert. Sich verändernde Betriebszustände sind dabei nicht vorgesehen und es wird nicht während des Betriebsablaufes in den Umsetzungsprozeß steuernd eingegriffen.

In den nicht vorveröffentlichten deutschen Offenlegungsschriften 21 03 008 und 21 35 650 ist ein Verfahren zur Erzeugung eines Gemisches aus gasförmigem Brennstoff, der durch chemische Umwandlung von flüssigem Brennstoff gebildet ist, und einem als Sauerstoffträger dienenden Gas zur Speisung von Brennkraftmaschinen vorgeschlagen worden. Dabei wird der flüssige, Kohlenwasserstoffe enthaltende

Brennstoff, wie Benzin, verdampft, vergast oder versprüht und der auf diese Weise erhaltene gas- oder dampfförmige Brennstoff wird zur Umwandlung in ein Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Methan und/oder Wasserstoff enthaltendes Gasgemisch, sogenanntes Spaltgas, unter Zusatz von zur rußfreien Umwandlung erforderlichem Gas, das sich aus Teilmengen von rückgeführtem Abgas der Brennkraftmaschine und/ oder anderen als Sauerstoffträger dienenden Gasen, wie Luft, zusammensetzt, innerhalb eines Temperaturberei- ι ο ches, der zwischen der Anspringtemperatur des verwendeten Katalysators, d. h. der niedrigsten möglichen Arbeitstemperatur, beispielsweise etwa 150° C, und dessen temperaturmäßiger Grenzbelastung liegt, über diesen Katalysator geleitet Schließlich wird dem Spaltgas vor der Einleitung in die Brennräume der Brennkraftmaschine ein weiterer Anteil an als Sauerstoffträger dienendem Gas, wie Luft, beigemischt.

Eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens, die als Spaltgasgenerator bezeichnet wird, weist einen Vermischungsraum und einen daran anschließenden Katalysator- oder Reaktionsraum auf. Im Vermischungsraum erfolgt die Vermischung der Ausgangskomponenten, d. h. des gas- oder dampfförmigen Brennstoffes mit dem als Sauerstoffträger dienenden Gas. Das dabei erhaltene Gemisch wird zur Erzeugung eines brennbaren Gasgemisches, d. h. von Spaltgas, in den Reaktionsraum eingeleitet, der einen den Katalysator enthaltenden Katalysatorträger aufweist. Der Katalysatorträger kann vorteilhaft in Form hochporöser Sintersteine mit einer Vielzahl von annähernd parallel zueinander angeordneten Durchtrittsöffnungen für das Gas vorliegen. Derartige Spaltgasgeneratoren können durch diese Bauweise so miniaturisiert werden, daß sie sich gut für die Verwendung in Kraftfahrzeugen eignen; der Reaktionsraum eines bereits vorgeschlagenen Spaltgasgenerators weist beispielsweise eine Querschnittsfläche von nur etwa 80 mm χ 80 mm und eine Länge von etwa 215 mm auf, d. h. einen Rauminhalt von nur etwa 1,4 1. Darüber hinaus kann mit derartigen Spaltgasgeneratoren ein besonders schadstoffarmer Betrieb von Brennkraftmaschinen erreicht werden, d. h. ein Betrieb unter umweltschonenden Bedingungen.

Beim Betrieb von Spaltgasgeneratoren können Betriebszustände auftreten, beispielsweise bei Leistungserhöhung oder Temperaturerniedrigung, bei denen bei einer Größe des Spaltgasgenerators, die für normale Betriebszustände eine gute und — im Sinne der Verfahrensführung — praktisch vollständige Umsetzung der Ausgangskomponenten gewährleistet, größere Mengen von nicht umgesetztem Ausgangsbrennstoff aus dem Reaktionsraum des Spaltgasgenerators austreten.

Diese Schwierigkeit könnte zwar durch eine Vergrößerung der Querschnit.tsfläche des Spaltgasgenerators vermieden werden, ein derartiges Vorgehen würde aber erhebliche Nachteile mit sich bringen. So würde der Spaltgasgenerator ungünstige geometrische Abmessungen erhalten, was sich insbesondere auf die verwendeten Sintersteine nachteilig auswirken würde. Eine merkliche Vergrößerung eier Sintersteine würde nämlich eine Verminderung ihrer mechanischen Stabilität mit sich bringen und darüber hinaus würde dadurch ein ungünstiges Verhältnis voi Oberfläche zu Volumen der Sintersteine geschaffen, v^as sich insbesondere für die Wärmeabstrahlung nachteilig bemerkbar machen würde. Schließlich würde eine merkliche Vergrößerung der Sintersteine auch zu ungünstigen Verhältnissen für eine gleichmäßige Beströmung der Sintersteinoberfläche mit den Ausgangskomponenten führen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erzeugung eines durch kataly tische Umsetzung von verdampftem, vergastem oder versprühtem flüssigem Brennstoff und einem als Sauerstoffträger dienenden Gas zu bildenden Gasgemisches anzugeben, das auch unter den eingangs erwähnten Betriebsbedingungen, Leistungserhöhung und Temperaturerniedrigung, einen einwandfreien Betrieb gewährleistet, ohne die genannten Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.

Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs angegebenen Art erreicht, bei dem vor jeder Stufe als als Sauerstoffträger dienendes Gas Luft oder erä Luft/Abgas-Gemisch zugemischt und die Menge und/oder Zusammensetzung des zuzumischenden als Sauerstoffträger dienenden Gases in Abhängigkeit von der Temperatur in der jeweiligen Reaktionsstufe derart geregelt wird, daß in dem der Reaktionsstufe zuzuführenden Reaktionsgemisch der Luftanteil bei sinkender Temperatur erhöht wird.

Die Umsetzung der in der ersten Reaktionsstufe nicht umgesetzten Brennstoffanteile in den weiteren Reaktionsstufen soll vorzugsweise so vollständig wie möglich sein. Gewisse Reste des Ausgangsbrennstoffes im gebildeten Spaltgas lassen sich — bedingt durch den Reaktionsablauf — irr. praktischen Betrieb jedoch kaum vermeiden. Der Anteil an nicht umgesetztem Ausgangsbrennstoff liegt beispielsweise bei etwa 0,1 bis 2%.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird vermieden, daß bei vom normalen Betriebszustand abweichenden Betriebsbedingungen größere Mengen von nicht umgesetztem Ausgangsbrennstoff durch den Reaktionsraum des Spaltgenerators hindurchtreten. Eine Vergrößerung der Querschnittsfläche des Spaltgasgenerators samt den damit verbundenen Nachteilen muß dabei nicht in Kauf genommen werden. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß — im Gegensatz zu den bisher vorgeschlagenen Verfahren, bei denen Ausgangsbrennstoff und Oxidationsmittel in der benötigten Menge zusammen dem Spaltgasgenerator zugeführt werden, — das Oxidationsmittel, Luft und/oder Abgas einer Brennkraftmaschine, d. h. also das als Sauerstoffträger dienende Gas, als Unterschußkomponente in mehreren Stufen dosiert zugeführt werden kann. Dadurch wird erreicht, daß die Umsetzung des Ausgangsbrennstoffes mit dem Oxidationsmittel in mehreren aufeinanderfolgenden Schritten erfolgt, wodurch eine Überhitzung des vorderen Teiles des Reaktionsteiles vermieden und gleichzeitig eine gleichmäßige Temperaturverteilung über das gesamte Katalysatorbett erreicht wird. Dies wiederum hat den Vorteil, daß dadurch eine bessere Einstellung des Reaktionsgleichgewichtes erfolgt und — da das Oxidationsmittel jeweils erst vor der entsprechenden Reaktionsstufe zugeführt wird — die Gefahr einer Rückzündung sehr verringert wird.

Zur möglichst vollständigen Umsetzung des Ausgangsbrennstoffes können — zusätzlich zur ersten Reaktions- oder Umsetzungsstufe — vorteilhaft zwei weitere Reaktionsstufen verwendet werden. Dadurch können auch die Strömungsverluste klein gehalten werden.

Das als Sauerstoffträger dienende Gas wird erfindungsgemäß jeweils unmittelbar vor jeder einzelnen Reaktionsstufe dem Brennstoff bzw. dem Brennstoff/ Spaltgas-Gemisch zugeführt. Dadurch kann die Gefahr

einer Rückzündung nahezu vollständig ausgeschlossen werden. Vorzugsweise wird das als Sauerstoffträger dienende Gas dem Ausgangsbrennstoff vor der ersten Reaktionsstufe in Form von Luft und/oder Abgas einer Brennkraftmaschine und dem Brennstoff/Spaltgas-Gemisch vor den weiteren Reaktionsstufen in Form von Luft zugeführt. Durch die geregelte Zufuhr von Luft und/oder Abgas wird dabei erreicht, daß die Umsetzung in den einzelnen Reaktions- oder Umsetzungsstufen jeweils auf unterschiedliche Reaktionsbedingungen und auch auf verschiedene Betriebsbedingungen des Spaltgasgenerators eingestellt werden kann.

Vorteilhaft kann dem Spaltgas und Brennstoif enthaltenden Gasgemisch zwischen den einzelnen Reaktionsstufen Wärme zugeführt werden. Dadurch wird gewährleistet, daß in jeder Reaktionsstufe die gewünschte Umsetzung erfolgt. Als Wärmequelle, die dem Gasgemisch — zusätzlich zu der aus der Umsetzung resultierenden Wärme — Wärme zuführt, dient insbesondere Abgas der Brennkraftmaschine.

Nach der letzten Reaktionsstufe kann dem Spaltgas gegebenenfalls weiterer Brennstoff zugeführt werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Spaltgas viel Wasserstoff enthält, weil dann durch den Brennstoffzusatz der Heizwert des der Brennkraftmaschine zugeführten brennbaren Gasgemisches erhöht wird. Die Zumischung von Brennstoff, d. h. Benzin, zum Spaltgas, in einer Menge etwa bis zu 50% des Ausgangsbrennstoffes, wird insbesondere dann vorgesehen, wenn — beispielsweise bei der Verwendung in Kraftfahrzeugen — kurzfristig Spitzenleistungen verlangt werden, etwa bei Überholvorgängen. Die dabei auftretende Erhöhung der Schadstoffkonzentration im Abgas ist infolge der zeitlichen Begrenzung derartiger Vorgänge nur von kurzer Dauer. Darüber hinaus erreicht die bei derartigen Vorgängen auftretende Schadstoffkonzentration bei weitem nicht die Werte, die bei herkömmlichen Benzinmotoren auftreten, da die infolge des Betriebes mit Spaltgas erzielbaren Vorteile, insbesondere die — durch eine vollständige Aufbereitung des Ausgangsbrennstoffes zu Spaltgas bedingte — bessere Verbrennung im Motor, nicht wesentlich beeinträchtigt werden. Das Spaltgas selbst enthält neben H2O und N2 im wesentlichen CO, CO2, H2 und/oder CH₄ sowie gegebenenfalls niedere gasförmige Kohlenwasserstoffe, insbesondere Alkene.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bevorzugt eine Vorrichtung verwendet, bei welcher einer Einheit aus einem Vermischungsraum und einem Reaktionsraum wenigstens eine weitere derartige Einheit nachgeschaltet ist. Es sind bei dieser Vorrichtung Mittel zur Vorwärmunc oder Vergasung des Brennstoffes vorgesehen, wobei unter Vergasung Möglichkeiten zur Überführung einer Flüssigkeit in den Gas- oder Dampfzustand verstanden werden sollen, beispielsweise also Vergasen, Verdampfen, Versprühen oder Vernebeln, sowie eine Zuführung für den Brennstoff zum Vermischungsraum der ersten Einheit Ferner sind Zuführungen für das als Sauerstoffträger dienende Gas zu sämtlichen Vermischungsräumen vorgesehen. Am Reaktionsraum der letzten Einheit ist schließlich eine Abführung für das erzeugte Gasgemisch, d. h. das Spaltgas, angeordnet

Vorteilhaft kann bei dieser Vorrichtung zur Vorwärmung bzw. Vergasung des Ausgangsbrennstoffes ein Wärmetauscher vorgesehen sein. Als Wärmequelle kann dabei insbesondere das aus dem letzten Reaktionsraum austretende Spaltgas dienen. Das erfindungsge mäße Verfahren bringt, worauf in diesem Zusammenhang hingewiesen werden soll, auch den Vorteil, daß bei Undichtigkeiten innerhalb dieses Wärmetauschers, in welchem Brennstoff und Spaltgas gegeneinander geführt werden, kein brennbares Gemisch entstehen kann. Die Möglichkeit der Entstehung brennbarer Gasgemische ist dagegen dann gegeben, wenn — wie bei den bereits vorgeschlagenen Verfahren — Brennstoff und Oxidationsmittel gemeinsam dem Spaltgasgenerator zugeführt werden und vorher einen Wärmetauscher passieren, weil in diesem Fall neben dem Brennstoff gleichzeitig ein Oxidationsmittel, wie Luft, vorhanden ist.
Anhand eines Ausführungsbeispieles und zweier Figuren soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 eine beispielhafte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

2ü F i g. 2 in vereinfachter Darstellung eine weitere Ausführungsform.

Bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach F i g. 1 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 10 drei Einheiten 11, 12 und 13 aus je einem Vermischungsraum und einem Reaktionsraum angeordnet. Die Vermischungsräume 14, 15 und 16 weisen mit Austrittsöffnungen 17 versehene Rohre 18 auf. Die Rohre 18 sind parallel zueinander angeordnet und dienen zur Zuführung eines als Sauerstoffträger dienenden Gases zu den Vermischungsräumen 14, 15 und 16. Zur Zuführung dieses Gases sind die Rohre der einzelnen Vermischungsräume jeweils mit Kammern 19 verbunden, denen durch Leitungen 20 das als Sauerstoffträger dienende Gas zugeführt wird. Die Austrittsöffnungen 17 verteilen das als Sauerstoffträger dienende Gas über den gesamten Strömungsquerschnitt des die Vermischungsräume durchströmenden Gases bzw. Gasgemisches. Im Anschluß an die Austrittsöffnungen

17 sind an den Rohren Gasleitflächen 21 angeordnet, die sich jeweils bis in die Nähe des nachfolgenden Reaktionsraumes 22, 23 bzw. 24 erstrecken. Die Gaslcitflächen 21 sind von der Rohrwandung der Rohre

18 gebildet und als ebene Flächen ausgestaltet; sie erweitern den durch die Rohre 18 verengten freien Strömungsquerschnitt in den Vermischungsräumen stetig. Durch die Rohre 18 samt den Austrittsöffnungen 17 und die Gasleitflächen 21 wird eine gleichmäßige Vermischung der den Reaktionsräumen zuzuführenden Komponenten erreicht und darüber hinaus eine laminare Strömung mit geringen Turbulenzen geschaffen, wodurch insbesondere eine Rückzündung unterbunden werden kann. Weitere Ausgestaltungen der Rohre und Gasleitflächen sind in der DE-OS 22 32 656 vorgeschlagen.

Zur Zuführung des Brennstoffes zum Vermischungsraum 14 der ersten Einheit 11 dient eine Kammer 25. Der Brennstoff wird in die Kammer 25 durch eine Öffnung 26 eingebracht. Im Vermischungsraum 14 wird der Brennstoff mit dem aus den Austrittsöffnungen 17 der Rohre 18 austretenden als Sauerstoffträger dienenden Gas, wie Luft und/oder Abgas einer Brennkraftmaschine, vermischt und dann dem Reaktionsraum 22 zugeführt In diesem Reaktionsraum erfolgt die Umwandlung eines Teiles des Brennstoffes zu Spaltgas. Das Gemisch aus verbleibendem Brennstoff und Spaltgas tritt in den Vermischungsraum 15 ein, wird mit Luft vermischt und anschließend wird im Reaktionsraum 23 weiterer Brennstoff in Spaltgas überführt Dem

dabei erhaltenen Brennstoff/Spaltgas-Gemisch wird im Verbrennungsraum 16 weitere Luft zugemischt und der im Gemisch vorhandene restliche Brennstoff im Reaktionsraum 24 in Spaltgas umgewandelt. Das aus dem letzten Reaktionsraum 24 austretende Spaltgas wird durch eine Kammer 27 geleitet, die zumindest zürn Teil als Wärmetauscher 28 ausgebildet ist. Das abgekühlte Spaltgas verläßt die Kammer 27 durch eine Leitung 29 und wird nach der Zugabe eines weiteren Anteiles an als Sauerstoffträger dienendem Gas und gegebenenfalls nach Zumischen weiteren Brennstoffes den Brennräumen der Brennkraftmaschine zugeleitet.

Der flüssige Ausgangsbrennstoff wird durch eine oder mehrere Einspritzventile 30 in den Wärmetauscher 28 eingebracht und der im Wärmetauscher verdampfte Brennstoff durch eine Leitung 31 der öffnung 26 zugeführt, über welche er in die Kammer 25 und den Vermischungsraum 14 gelangt. Im Vermischungsraum 15 ist eine Zündeinrichtung 32, beispielsweise in Form einer Zünd- oder Glühkerze, zur Zündung des Gasgemisches angeordnet. Zündeinrichtungen können auch in den Vermischungsräumen 14 und 16 vorgesehen sein. Eine im Vermischungsraum 14 vorgesehene Zündeinrichtung wird in der Nähe des Reaktionsraumes 22 angeordnet, damit sie sich in einem Bereich befindet, in welchem ein brennbares Gemisch vorliegt. Liegt die Zündeinrichtung im Vermischungsraum 14 strömungsmäßig vor den Austrittsöffnungen 17 der Rohre 18, so wird in diesem Vermischungsraum eine öffnung vorgesehen, durch welche in der Anfahrphase, d. h. während der Inbetriebnahme der Vorrichtung, dem Vermischungsraum zusätzliche Luft zur Bildung eines brennbaren Gemisches zugeführt werden kann.

Die Reaktionsräume 22,23 und 24 weisen jeweils drei mit Katalysatormaterial versehene Katalysatorträger 33 auf, vorzugsweise in Form von porösen Sintersteinen. Die Sintersteine 33 sind vorteilhaft mit einer Vielzahl von annähernd parallel zueinander angeordneten Durchtrittskanälen 34 für das Gasgemisch bzw. das Spaltgas versehen. Die Sintersteine 33 weisen beispielsweise eine Querschnittsfläche von etwa 100 mm χ 130 mm und eine Dicke von etwa 15 mm auf und sind innerhalb eines Reaktionsraumes in einem gegenseitigen Abstand von etwa 4 mm angeordnet. Die Sintersteine bestehen vorteilhaft aus hochporösem Material, beispielsweise aus Aluminiumoxid und/oder Magnesiumoxid bzw. aus Magnesium-Aluminium-Silikat. Das Porenvolumen der Sintersteine beträgt 20 bis 60%, vorzugsweise 40 bis 50%. Die Durchtrittskanäle, in Form einer Vielzahl von annähernd parallel zueinander angeordneten Bohrungen senkrecht zur größten Oberfläche des Sintersteines, haben einen Durchmesser beispielsweise irn Bereich von 0,1 bis 2 rnrn und dienen, wie bereits erwähnt, zum Durchtritt des Gasgemisches bzw. des Spaltgases; sie erstrecken sich in Strömungsrichtung dieser Gasgemische. Von den Durchtrittskanä-Ien her kann das Gasgemisch aber auch zu den katalytisch aktiven Zentren in den freien Poren der Sintersteine gelangen. Die Anzahl der Durchtrittskanäle pro cm² ist abhängig vom Durchmesser der Durchtrittskanäle. Bei einem Durchmesser von etwa 1 mm weist 1 cm² Sintersteinfläche beispielsweise etwa 40 Bohrungen auf.

Als Katalysator für die Umwandlung des Brennstoffes kann ein Nickelkatalysator, ein Platinkatalysator oder ein Nickel/Platin-Mischkatalysator verwendet werden. Der Katalysator ist in jedem Fall so beschaffen, daß er die Umwandlung des Brennstoffes in ein Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Methan und/oder Wasserstoff enthaltendes Spaltgas ermöglicht. Beispielsweise kann ein Nickeischwamm verwendet werden, d. h. Nickel mit großer aktiver Oberfläche, das bei der am Katalysator herrschenden Temperatur nicht zusammensintert. Der Vorteil des bei der Umwandlung am Katalysator entstehenden Spaltgases, das als brennbare Bestandteile insbesondere Kohlenmonoxid, Metahn und/oder Wasserstoff enthält, liegt darin, daß damit der Brennkraftmaschine selbst ein Brennstoff mit einer hohen Octanzahl von über 100 zugeführt wird, etwa im Bereich von 110. Dadurch kann die Brennkraftmaschine mit einem klopffesten Brennstoff betrieben werden, ohne daß schädliche Stoffe in Kauf genommen werden müssen. Der für die Umwandlung des Brennstoffes verwendete Katalysator, wie Nickel oder Platin, kann mit Uran dotiert werden. Die Dotierung bewirkt vor allem die Erhaltung der aktiven Zentren im Katalysator. Weitere, besonders gut geeignete Katalysatoren für die Umwandlung des Brennstoffes sind in den deutschen Offenlegungsschriften 22 10 365 und 22 10 401 vorgeschlagen.

An den Reaktionsräumen 22 bis 24 sind vorteilhaft Thermofühler 35 angebracht, beispielsweise in Form von Thermoelementen. Die Thermofühler, die zweckmäßigerweise jeweils an einem Sinterstein angebracht sind, sind wirkungsmäßig jeweils mit Einrichtungen verbunden, welche in den Leitungen 20 zur Zuführung des als Sauerstoffträger dienenden Gases zu jeweils dem vorangehenden Vermischungsraum angeordnet sind. Durch diese Einrichtungen, die beispielsweise Regulierventile oder Regulierklappen sein können, wird die Zumischung des als Sauerstoffträger dienenden Gases — der Menge und/oder der Zusammensetzung nach — zum Brennstoff bzw. Brennstoff/Spaltgas-Gemisch im Vermischungsraum in Abhängigkeit von der Temperatur im zugehörigen Reaktionsraum geregelt; in der zum Vermischungsraum 14 führenden Leitung 20 ist eine derartige Einrichtung 36 in Form einer Regulierklappe dargestellt. So wird beispielsweise bei sinkender Temperatur im Reaktionsraum dem zugehörigen Vermischungsraum mehr Luft zugeführt oder — bei Verwendung eines Luft/Abgas-Gemisches als Sauerstoffträger — wird bei sinkender Temperatur der Luftanteil im Gemisch erhöht bzw. der Abgasanteil vermindert. Die Temperatur in den Reaktionsräumen kann — im wesentlichen abhängig von der Natur des verwendeten Katalysators — zwischen 150 und 900⁰C liegen. Vorzugsweise liegt die Temperatur in den Reaktionsräumen zwischen 600 und 80O⁰C und insbesondere bei etwa 750⁰C.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise folgendermaßen durchgeführt werden. Ir. der. Vermischungsraum 14 wird gas- oder dampfförmiger Brennstoff eingebracht und mit Luft und Abgas einer Brennkraftmaschine vermischt Pro Kilogramm Brennstoff in Form von Benzin werden dabei 1 m³ Luft und 0,5 m³ Abgas zugemischt Das Abgas enthält im wesentlichen CO2, H2O und N2 und zwar in einem Volumenverhältnis von etwa 1 :1 :6. In der Anfahrphase wird dem Brennstoff auch im ersten Vermischungsraum nur Luft zugemischt wobei auf 1 kg Brennstoff etwa 6 m³ Luft entfallen. Zur Zuführung des Brennstoffes zur Kammer 25 während der Anfahrphase dient eine Einspritzdüse 37. Weist das gebildete Spaltgas genügend Wärmeenergie auf, um in den Wärmetauscher 28 eingespritzten Brennstoff zu verdampfen, so erfolgt die Brennstoffzuführung zur Kammer 25 durch die Leitung

31 und die Öffnung 26.

Aus dem im Vermischungsraum 14 erhaltenen Gemisch bildet sich in der Reaktionsstufe 22 bei einer Temperatur von etwa 730°C ein Gasgemisch, das neben nicht umgesetztem Benzin ein Spaltgas enthält, das im wesentlichen aus H₂, CO, CH₄, H₂O, CO₂ und N₂ besteht. Diesem Gasgemisch werden im Vermischungsraum 15 0,4 m³ Luft zugemischt. Im Reaktionsraum 23 werden anschließend bei einer Temperatur von etwa 750⁰C — zusätzlich zum bereits vorhandenen Spaltgas — aus noch vorhandenem Benzin, Luft und den Komponenten CO₂ und H₂O des eintretenden Gasgemisches weiteres Methan, Kohlenmonoxid, Wasserstoff und etwas Alkene gebildet. Im Vermischungsraum 16 werden nochmals 0,4 m³ Luft zugemischt, so daß im letzten Reaktionsraum 24 bei einer Temperatur von etwa 770° C das restliche Benzin umgesetzt wird, wobei — wie in der zweiten Stufe — aus Benzin, Luft, CO₂ und H₂O Methan, Kohlenmonoxid, Wasserstoff und niedere Alkene entstehen. Das aus der Reaktionsstufe 24 austretende Gas, das eigentliche Spaltgas, enthält praktisch kein Ausgangsbenzin mehr und besteht im wesentlichen aus H₂, CO₁CH4 und Alkenen als brennbaren Bestandteilen sowie aus CO₂, H₂O und N₂.

Die Vorrichtung, in welcher das eben geschilderte Verfahren durchgeführt wird, hat etwa folgende Außenabmessungen: 130 mm χ 160 mm χ 380 mm. Die Einheiten aus Vermischungsraum und Reaktionsraum sind dabei je etwa IIO mm lang und die Vermischungs- bzw. Reaktionsräume je etwa 55 mm. Das Volumen der Vermischungs- und Reaktionsräume beträgt jeweils etwa 700 cm³ (Innenabmessung: etwa lOOmm χ 130 mm χ 54 mm).

Je mehr Luft beim erfindungsgemäßen Verfahren insgesamt dem Brennstoff zugesetzt wird, um so höher ist der Wasserstoffanteil im Spaltgas und entsprechend geringer ist dessen Heizwert. Deshalb ist es vorteilhaft, bei einem hohen H₂-Gehalt des Spaltgases diesem vor Einleitung in die Brennräume einer Brennkraftmaschine Brennstoff zuzusetzen. Dadurch wird einerseits eine Steigerung des Gemischheizwertes erreicht, andererseits kann das Gemisch, d. h. das Spaltgas, auf diese Weise gekühlt werden, bevor es der Brennkraftmaschine zugeführt wird.

Als Brennstoffe eignen sich unter anderem aliphatische, geradkettige Kohlenwasserstoffe kleiner Kettenlänge, also niedriger Octanzahl, wie beispielsweise C₇Hi₆. Man benötigt daher nicht den Zusatz von Antiklopfmitteln, wie Blei und aromatischen Kohlenwasserstoffen, die beim konventionellen Betrieb einer Brennkraftmaschine umweltbelastende Schadstoffe im Abgas verursachen, Sondern man kann schadstoffarme Brennstoffe, insbesondere schadstoffarme Benzine, verwenden. Andererseits ist auch ein Betrieb mit einem Brennstoff, der aromatische Kohlenwasserstoffe enthält, möglich, da diese in unschädliche Bestandteile zerlegt werden. Der auf im wesentlichen Kohlenmonoxid, Methan und/oder Wasserstoff als brennbare Bestandteile enthaltendes Spaltgas abgestellte Betrieb einer Brennkraftmaschine hat eine starke Verminderung der umweltbelastenden Stickoxide in deren Abgas zur Folge. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Spaltgasgeneratoren ermöglichen es, Kraftfahrzeuge am vorhandenen Tankstellennetz aufzutanken. Da man schadstoffarme Brennstoffe verwenden kann und dem Brennstoff somit keine Antiklopfmittel zugegeben werden müssen, erniedrigt sich zusätzlich der Aufwand in der Raffinerie.

F i g. 2 zeigt in vereinfachter Darstellung eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung 40 weist zwei Einheiten 41 und 42 aus je einem Vermischungsraum 43 bzw. 45 und je einem Reaktionsraum 44 bzw. 46 auf. An den Vermischungsräumen 43 und 45 ist jeweils ein Wärmetauscher 47 bzw. 48 angebracht.

Die Wärmetauscher, die zum Aufwärmen der Gasgemische in den Vermischungsräumen 43 und 45 dienen, können beispielsweise mit Abgas einer Brennkraftmaschine beschickt werden. Am letzten Reaktionsraum 46 ist eine Kammer 49 angeordnet, die mit zwei weiteren Wärmetauschern 50 und 51 versehen ist. Der Wärmetauscher 50 dient zur Verdampfung des Ausgangsbrennstoffes, der in den Wärmetauscher mittels einer Einspritzvorrichtung 52 eingebracht wird. In einer Leitung 53 wird der aus dem Wärmetauscher 50 austretende Brennstoff zu einer Öffnung 54 geleitet, durch welche der Brennstoff in eine vor dem ersten Vermischungsraum 43 angeordnete Kammer 55 eingebracht wird.

Der zweite an der Kammer 49 angeordnete Wärmetauscher 51 dient zur Vorwärmung von Luft mittels des Spaltgases. Die vorgewärmte Luft wird nach Verlassen des Wärmetauschers den Vermischungsräumen 43 und 45 durch eine Leitung 56 zugeführt. Die Wärmetauscher 50 und 51 können an der Kammer 49 auch in umgekehrter Reihenfolge angeordnet sein, d. h. der Wärmetauscher 51 kann dem letzten Reaktionsraum 46 benachbart sein. Auf diese Weise tritt zunächst die Luft in Wärmeaustausch mit dem heißen Spaltgas und dann der Brennstoff.

Das in der Vorrichtung 40 erzeugte Spaltgas tritt aus der Kammer 49 durch eine Leitung 57 aus. In die Leitung 57 mündet eine Leitung 58, durch welche dem Spaltgas Brennstoff zugemischt werden kann. Die

to Leitung 57 kann an die Brennräume einer Brennkraftmaschine angeschlossen sein, wobei dann vor Einleiten des Spaltgases bzw. des Spaltgas/Brennstoff-Gemisches in die Brennräume der Brennkraftmaschine diesem Gas noch ein weiterer Anteil an als Sauerstoffträger dienendem Gas in Form von Luft zugemischt wird. Die Abgase der Brennkraftmaschine können durch die Wärmetauscher 47 und 48 geleitet werden und anschließend gegebenenfalls, zumindest teilweise, in die Kammer 55 eingebracht werden. Die Abgase der Brennkraftmaschine können auch zur Vorwärmung bzw. Verdampfung des Brennstoffes in einem Wärmetauscher verwendet werden, der dann den Wärmetauscher 50 ersetzt

Das erfmdungsgemäße Verfahren sowie die Vorrichtung zu seiner Durchführung können sowohl bei Verbrennungsmotoren als auch bei Gasturbinen Verwendung finden. Das Verfahren und die Vorrichtung eignen sich insbesondere für eine Verwendung beim Antrieb von Kraftfahrzeugen, spurgebundenen Landfahrzeugen und Schiffen. Das erfmdungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung können auch zur Speisung von Industrie- und Haushaltsbrennern dienen. Das beim Verfahren bzw. in der Vorrichtung erzeugte Spaltgas kann darüber hinaus als Reduktionsgas Verwendung finden, beispielsweise bei metallurgischen Prozessen, insbesondere in Industriebrennern.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung eines durch mehrstufige katalytische Umsetzung von verdampftem, vergastem oder versprühtem flüssigem Brennstoff und einem als Sauerstoffträger dienenden Gas zu bildenden Gasgemisches, wobei ein in einer ersten Reaktionsstufe nicht umgesetzter Brennstoffanteil in wenigstens einer weiteren nachgeschalteten Reaktionsstufe umgesetzt wird und jeweils strömungsmäßig vor jeder weiteren Reaktionsstufe als Sauerstoffträger dienendes Gas zugemischt wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor jeder Stufe als als Sauerstoffträger dienendes Gas Luft oder ein Luft/Abgas-Gemisch zugemischt und die Menge und/oder Zusammensetzung des zuzumischenden als Sauerstoffträger dienenden Gases in Abhängigkeit von der Temperatur in der jeweiligen Reaktionsstufe derart geregelt wird, daß in dem der Reaktionsstufe zuzuführenden Reaktionsgemisch der Luftanteil bei sinkender Temperatur erhöht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umsetzung zwei weitere Reaktionsstufen verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor der ersten Reaktionsstufe Luft und Abgas der Brennkraftmaschine, vor den weiteren Reaktionsstufen nur Luft zugemischt wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gasgemisch nach der letzten Reaktionsstufe weiterer Brennstoff zugeführt wird.

5. Vorrichtung zur Erzeugung eines durch mehrstufige katalytische Umsetzung von verdampftem, vergastem oder versprühtem flüssigen Brennstoff und einem als Sauerstoffträger dienenden Gas zu bildenden Gasgemisches nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit Mitteln zur Vorwärmung oder Vergasung des Brennstoffes, Mitteln zur Zuführung von Brennstoff zu einem ersten, ein Katalysatormaterial auf Katalysatorträger enthaltenden Reaktionsraum, wenigstens einem weiteren, dem ersten Reaktionsraum nachgeschalteten, Katalysatormaterial auf Katalysatorträger enthaltenden Reaktionsraum, Mitteln zur Zuführung von als Sauerstoffträger dienendem Gas vor jedem weiteren Reaktionsraum und einer Abführung für das erzeugte Gasgemisch am letzten Reaktionsraum, gekennzeichnet durch den einzelnen Reaktionsräumen (22, 23, 24) strömungsmäßig vorgeschaltete Vermischungsräume (14,15,16), Mittel (20) zur Zuführung von als Sauerstoffträger dienendem Gas zu den Vermischungsräumen und Mittel (36) zur Regelung der Zufuhr des als Sauerstoffträger dienenden Gases.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den Reaktionsräumen (22 bis 24) Thermofühler (35) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß in wenigstens einem Vermischungsraum eine Zündeinrichtung (32) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Vermischungsräumen jeweils mit über den Strömungsquerschnitt der Vermischungsräume verteilten Austrittsöffnungen (17) versehene Rohre (18)

und im Anschluß an die Austrittsöffnungen (17) sich bis jeweils in die Nähe des zugehörigen Reaktionsraumes (22 bis 24) erstreckende Gasleitflächen (21) vorgesehen sind

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (58) zur Zuführung von Brennstoff zum Gasgemisch strömungsmäßig nach dem letzten Reaktionsraum (46) vorgesehen sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatormaterial auf Katalysatorträgern aus porösen, vorzugsweise mit einer Vielzahl von annähernd parallel zueinander angeordneten Durchtrittskanälen (34) versehenen Sintersteinen (33) aufgebracht ist