DE2310995A1 - Mehrstufiger spaltgasgenerator - Google Patents

Mehrstufiger spaltgasgenerator

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    • C10G11/00—Catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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Description

Zusatz zum Patent (Patentanmeldung P 22 32 506.0)
Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Spaltgasgenerator mit wenigstens zwei strömungsmäßig hintereinander geschalteten, einen Katalysator enthaltenden Reaktionsräumen und Mitteln zur Zuführung von als Sauerstoffträger dienendem Gas zu diesen Reaktionsräumen.
Im Hauptpatent (Patentanmeldung P 22 32 506.0) ist
ein mehrstufiger Spaltgasgenerator vorgeschlagen, der beispielsweise zum Betrieb von Brennkraftmaschinen geeignet ist. Er besteht im wesentlichen aus wenigstens zwei strömungsmäßig hintereinander geschalteten, einen Katalysator enthaltenden Reaktionsräumen, zwischen denen Mittel zur Zuführung von als Sauerstoffträger dienendem Gas vorgesehen sind. Auf den zweiten Reaktionsraum können noch weitere Reaktionsräume folgen, wobei auch zwischen diesen als Sauerstoffträger dienendes Gas zugeführt werden kann.
Ein derartiger Spaltgasgenerator ist in der Lage, flüssige, kohlenwasserstoffhaltige, schadstoffarme Brennstoffe, d.h. solche Brennstoffe, die keine Zusätze wie Blei oder ringförmige Kohlenwasserstoffe enthalten und nur geringen Schwefelgehalt aufweisen, in ein Methan, Kohlenmonoxid und/oder Wässerstoff enthaltendes Gasgemisch umzuwandeln. Zur rußfreien Umwandlung wird dabei der schadstoffarme Brennstoff verdampft und nach Vermischen mit einem als Sauerstoffträger dienendem Gas, das sich aus Teilmengen von rückgeführtem Abgas der Brennkraft-
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maschine und/oder anderen als Sauerstoffträger dienenden Gasen, wie Luft, zusammensetzt bei erhöhter Temperatur über den Katalysator geleitet. Das bei der Umwandlung am Katalysator erhaltene Gasgemisch wird dann nach Beimischung eines weiteren Anteils eines als Sauerstoffträger dienenden Gases, insbesondere von Luft, der Brennkraftmaschine zugeführt und dort verbrannt. Beim Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Spaltgasgenerator wird der Schadstoffgehalt der Abgase erheblich gesenkt.
Bei den speziellen Ausführungsformen des im Haüptpatent vorgeschlagenen Spaltgasgenerators enthalten die Reaktionsräuine jeweils einen oder mehrere Katalysatorträger, vorzugsweise in Form von hochporösen Sinterlochsteinen, die wiederum einen Katalysator enthalten. Die hochporösen Sintersteine sind mit einer Vielzahl von annähernd parallel zueinander angeordneten, im wesentlichen in Strömungsrichtung der den Spaltgasgenerator durchsetzenden Gase verlaufenden Durchtriitsöffnungen versehen. Die Zuführung der als Sauerstoffträger dienenden Gase zwischen den Reaktionsräumen erfolgt bei den speziellen im Hauptpatent vorgeschlagenen Ausführungsformen über eigene Vermischungsräume, die zwischen den Reaktionsräumen angeordnet sind. Im einzelnen wird dabei der verdampfte Brennstoff im Vermischungsraum vor dem strömungsmäßig ersten Reaktionsraum mit einem als Sauerstoffträger dienendem Gas, insbesondere Luft und/oder rückgeführtem Abgas, gemischt und das Gasgemisch dem ersten Reaktionsraum zugeführt. Dem aus diesem Reaktionsraum austretendem Gasgemisch, das aus Spaltgas und Anteilen von noch nicht umgesetztem Brennstoffdampf besteht, wird dann im folgenden Vermischungsraum weiteres als Sauerstoffträger dienendes Gas, insbesondere Frischluft, zugeführt. Das in dieser Weise erzeugte Gasgemisch wird dem zweiten Reaktionsraum zugeführt, wo eine weitere Umsetzung insbesondere der im ersten Reaktionsraum noch nicht umgesetzten Brennstoffanteile erfolgt.
Die bei den im Hauptpatent vorgeschlagenen speziellen Aus-VPA 9/700/2092 409837/0097 _3_
führungsformen des Spaltgasgenerators als Katalysatorträger verwendeten Sinterlochsteine besitzen nun aber ein verhältnismäßig hohes spezifisches Gewicht und sind außerdem in ihrer Herstellung verhältnismäßig aufwendig.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen mehrstufigen Spaltgasgenerator der eingangs beschriebenen Art anzugeben, bei dem das Katalysatormaterial ein gegenüber den Sinterlochsteinen verringertes spezifisches Gewicht aufweist und gleichzeitig in der Herstellung weniger aufwendig ist. Ferner soll der Spaltgasgenerator selbst im Aufbau weiter vereinfacht und räumlich noch kompakter gestaltet werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Katalysator in den Reaktionsräumen jeweils eine Schüttung aus keramischen, porösen Hohlkugeln zwischen perforierten Flächen oder gasdurchlässigen Geweben angeordnet ist, welche die Reaktionsräume voneinander trennen, und daß das als Sauerstoffträger dienende Gas über diese perforierten Flächen bzw. gasdurchlässigen Gewebe den Reaktionsräumen zuführbar ist.
Die keramischen, porösen Hohlkugeln bestehen vorteilhaft aus Kugelkorund mit einer Wandstärke von 0,1 bis 0,5 mm und Durchmessern von 1 bis 4 mm. Vorzugsweise kann die Wandstärke etwa 0,3 mm und der Durchmesser 1,5 bis 2,5 mm betragen. Bei diesen Kugelabmessungen steht einerseits noch eine sehr große Ober-. fläche pro Volumeneinheit bei bereits verhältnismäßig niedrigem Druckverlust für das den Reaktionsraum durchströmende Gas zur Verfügung. Derartige Hohlkugeln aus Kugelkorund weisen bereits selbst eine katalytische Aktivität für die in den Reaktionsräumen des Spaltgasgenerators ablaufenden Reaktionen auf. Die Hohlkugeln können aber auch zusätzlich noch als Träger für weitere Katalysatormaterialien, beispielsweise Platin- oder Platin-Nickel-Mischkatalysatoren, dienen. Sie können beispielsweise mit derartigen Katalysatormaterialien getränkt sein.
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Um möglichst gleichmäßige Strömungsverhältnisse innerhalb jedes Reaktionsraumes zu erzielen, sollen die Hohlkugeln vorzugsweise innerhalb jeder Schüttung einen möglichst einheitlichen Durchmesser aufweisen.
Die perforierten Flächen oder gasdurchlässigen Gewebe können vorzugsweise so ausgestaltet sein, daß sie die zugeführte Frischluft über den ganzen Flußquerschnitt des Reaktionsgases innerhalb der Hohlkugelschüttungen der einzelnen Reaktionsräume gleichmäßig verteilen. Die perforierten Flachen können zu diesem Zweck beispielsweise Bereiche aufweisen, die mit Öffnungen versehen sind, durch welche die Reaktionsgase von einem Reaktionsraum in den anderen übertreten können. Zwischen diesen Bereichen können auf den perforierten Flächen durch aufgesetzte Teile doppelwandige Bereiche vorgesehen sein, die zwischen den Reaktionsräumen verlaufende Kanäle bilden und Öffnungen aufweisen, durch welche die Frischluft unmittelbar aus den Kanälen in den strömungsmäßig nächsten Reaktionsraum eintreten kann.
Ein besonders einfacher Aufbau des Spaltgasgenerators ergibt sich jedoch, wenn man gasdurchlässige Gewebe verwendet. Dieses kann zur Erzielung einer hohen Festigkeit und einer großen Lebensdauer vorteilhaft aus V2A-Stahldraht bestehen. Dabei sind verschiedene Gewebebindungen, wie Leinen-, Tressen- oder unterschiedliche Körperbindungen möglich. Die Art der Bindung sowie die Stärke der jeweiligen Schuß- und Kettfäden kann dabei den gewünschten Mengen der zuzuführenden Frischluft bzw. des zuzuführenden Abgases angepaßt werden. Während die Reaktionsgase senkrecht zur Gewebefläche von einem Reaktionsraum in den anderen übertreten, kann die zuzuführende Frischluft bzw. das zuzuführende Abgas innerhalb der Gewebefläche entlangströmen und diese durchsetzen und dann aus der Gewebefläche heraus in den strömungsmäßig nächstgelegenen Reaktionsraum eintreten.
Die Maschenweite des gasdurchlässigen Gewebes wird vorzugsweise
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kleiner gewählt als der Durchmesser der Hohlkugeln.
Ein besonders kompakter und einfacher Aufbau für den Spaltgasgenerator ergibt sich, wenn die Reaktionsräume und die zwischen ihnen liegenden perforierten Flächen oder gasdurchlässigen Gewebe zylinderförmig ausgebildet und konzentrisch zueinander angeordnet sind. Für die Zuführung der Frischluft bzw. des rückgeführten Abgases werden dabei vorzugsweise an wenigstens einer Stirnfläche des so gebildeten Zylinders mit den perforierten Flächen bzw. den gasdurchlässigen Geweben in Verbindung stehende Ringleitungen vorgesehen. Bei einer wegen ihres einfachen Aufbaus besonders bevorzugten Ausführungsform des Spaltgasgenerators weist der Zylinder ein Bodenblech auf, an dem die perforierten Flächen oder gasförmigen Gewebe befestigt sind. In diesem Bodenblech sind außerdem Schlitze vorgesehen, die Gaswege von den Ringleitungen zu den perforierten Flächen bzw. den gasförmigen Geweben freigeben.
Der für die Katalysatorschüttung besonders bevorzugte Kugelkorund weist eine Reihe besonderer Vorteile auf. Er ist nicht nur einfacher und billiger herzustellen als beispielsweise Sinterlochsteine, sondern weist auch eine höhere Festigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit als diese auf. Außerdem ist sein Volumen im Verhältnis zur Oberfläche geringer und seine Temperaturzeitkonstante kleiner als die von Sinterlochsteinen, so daß die Gefahr einer Katalysatorüberhitzung verringert ist. Die Wände der Kugelkorundhohikugeln enthalten ferner nahezu gleichmäßig verteilte Poren, die einen unbehinderten Gasaustausch auch mit dem Hohlkugelinnenraum ermöglichen.
Im folgenden soll die Erfindung anhand der Figur näher erläutert werden, die einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen mehrstufigen Spaltgasgenerator zeigt.
Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel ist der VPA 9/700/2092 A 0 9 8 3 7 / 0 0 9 7 _6_
aus mehreren zylinderförmig ausgebildeten, konzentrisch zueinander angeordneten Reaktionsräumen 2 bestehende Spaltgasgenerator von einem zylindrischen Wärmetauscher 1 umschlossen.' Dem Spaltgasgenerator wird die zur Er2B ugung von Brenngas erforderliche Frischluft über ein Filter 17 derart zugeführt, daß sie erst den Wärmetauscher 1 im Gegenstrom zu den erzeugten Brenngasen durchsetzt, um anschließend unterhalb eines Leitbleches 5 in Teilströme aufgeteilt zu werden. Die Anzahl der Teilströme ist gleich der Anzahl der erforderlichen Zuführungen von Frischluft zu den einzelnen Stufen des Spaltgasgenerators. In der Figur sind drei Stufen dargestellt. Die Aufteilung in Teilströme erfolgt beispielsweise durch unterhalb des Leitbleches 5 angeordnete, in der Figur nicht dargestellte; weitere Leitbleche, die senkrecht zum Leitblech 5 stehen. Jeder Teilstrom mündet in je eine der durch Zylindermäntel gebildeten Ringleitungen 6 bis 8. Etwa in der Mitte jeder Ringleitung ist das die Oberseite dieser Ringleitungen bildende Bodenblech 3 geschlitzt und profiliert. Die Schlitze dienen zum Gasdurchlaß zu den zwischen den Reaktionsräumen angeordneten zylindrischon Geweben oder perforierten Flächen 9 und zusammen mit den Profilen auch zu deren Befestigung und Zentrierung. Die Gewebe oder die perforierten Flächen dienen zur Verteilung des zuzuführenden Gases über den Flußquerschnitt des gasförmigen Brennstoffs oder Reaktionsprodukts in den Reaktionsräumen. Der dem Spaltgasgenerator zuzuführende Brennstoff wird mittels einer Einspritzdüse 14 auf eine Fläche aufgesprüht, deren Unterseite von dem aus dem letzten Reaktionsraum austretenden heißen Spaltgas beströmt wird. Der Brennstoff, der hierbei verdampft wird, wird dann zur weiteren Erwärmung im Kreuzstrom zum Spaltgas durch den Ringkanal 15 geführt und tritt in Richtung der Pfeile 16 in eine erste Hohlkugelschüttung ein. Hinter dieser Hohlkugelschüttung wird über den Ringkanal 8 als Sauerstoffträger dienendes Gas zugeführt, mit dem der gasförmige Brennstoff in dem die nächste Hohlkugelschüttung enthaltenden Reaktionsraum umgesetzt wird. Durch die erste Hohlkugelschüttung wird insbesondere ein Flammrückschlag in die Brennstoffzuführung ver-
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mieden. Aus dem erwähnten Reaktionsraum tritt das dort gebildete Gasgemisch in die folgenden Reaktionsräume über, wobei über die Ringkanäle 7 und 6 weiteres als Sauerstoffträger dienendes Gas zugemischt wird.
Die einzelnen Reaktionsräume enthalten als katalytisch aktiven Körper Hohlkugeln, beispielsweise aus ck -Al2O,, dem sog. Kugelkorund. Die Wanddicke der einzelnen Hohlkugeln beträgt vorzugsweise etwa 0,3 mm und der Durchmesser der Hohlkugeln liegt vorzugsweise zwischen 1,5 und 2,5 mm. Die Kugelschüttungen werden an der Innen- und Außenseite durch Gewebe oder Lochbleche 10 begrenzt. Durch zylinderförmige Bleche 11 wird der Gasfluß des gasförmigen Reaktionsproduktes am Rande der Schüttung verhindert, so daß eine annähernd gleichmäßige Strömung über die gesamte Fläche des Reaktionsraumes erreicht wird. Das Reaktionsprodukt, das Spaltgas, tritt an der Außenfläche des letzten Reaktionsraumes aus, durchsetzt den Wärmetauscher im Gegenstrom zur zugeführten Luft und wird über Stutzen 12 dem Verbraucher, beispielsweise einer Brennkraftmaschine, zugeführt.
Die dosierte Zuführung von Abgas in die Ringleitungen kann über drei Zuleitungsstutzen 13 erfolgen. In den Stutzen können sich z.B. nicht dargestellte Drosselklappen befinden, die durch Stellmotoren betätigt werden könnai. Die innerhalb des Spaltgasgenerators als Begrenzung der Kugelschüttung oder der Verteilung des Luft-Abgas-Gemisches dienenden Gewebe können beispielsweise aus 0,3 nun dickem V2A-Draht hergestellt werden, wobei das Gewebe beispielsweise eine Leinenbindung oder eine Köperbindung oder eine Wechsel- bzw. Spitzköperbindung aufweisen kann. Die Köperbindungen sind dabei formstabiler als die Leinenbindung( aber in der Herstellung aufwendiger. Für die Verteilung des Luft-Abgas-Gemisches sind auch Tressengewebe geeignet, deren Maschenweite den freien Querschnitt für den Durchsatz des gasförmigen Brennstoffes oder des gasförmigen Reaktionsproduktes bestimmt, wobei die Maschenweite kleiner sein muß, als der kleinste Hohl-
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kugeldurchmesser. Anstelle von Geweben können auch Lochbleche eingesetzt werden.
Besonders günstig kann es auch sein, wenn die Gewebe- oder Lochblechzylinder mit einem Katalysator beschichtet werden, oder wenn sie aus einem als positivem Katalysator wirksamen Material, wie z.B. Nickel oder Platin oder einem Nickel-Platin-Gemisch, gefertigt sind.
11 Patentansprüche
1 Figur
9/yoü/;? ν-,;·:

Claims (11)

  1. Patentansprüche
    ( 1./Mehrstufiger Spaltgasgenerator mit wenigstens zwei strömungsmäßig hintereinander geschalteten, einen Katalysator enthaltenden Reaktionsräumen und Mittel zur Zuführung von als Sauerstoffträger dienendem Gas zu diesen Reaktionsräumen, nach Patent (Patentanmeldung P 22 32 506.0), dadurch gekennzeichnet , daß als Katalysator in den Reaktionsräumen jeweils eine Schüttung aus keramischen, porösen Hohlkugeln zwischen perforierten Flächen oder gasdurchlässigen Geweben angeordnet ist, welche die Reaktionsräume voneinander trennen, und daß das als Sauerstoffträger dienende Gas über diese perforierten Flächen bzw. gasdurchlässigen Gewebe den Reaktionsräumen zuführbar ist.
  2. 2. Mehrstufiger Spaltgasgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die keramischen, porösen Hohlkugeln aus Kugelkorund mit einer Wandstärke von 0,1 bis 0,5 mm und einem Durchmesser von 1 bis A mm bestehen.
  3. 3. Mehrstufiger Spaltgasgenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Wandstärke der Hohlkugeln etwa 0,3 mm und der Durchmesser 1,5 bis 2,5 mm betragen.
  4. 4. Mehrstufiger Spaltgasgenerator nach Ansprüchen 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet , daß die Hohlkugeln zusätzlich als Träger für weitere Katalysatormaterialien dienen.
  5. 5. Mehrstufiger Spaltgasgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis A, dadurch gekennzeichnet , daß die Hohlkugeln innerhalb jeder Schüttung einen möglichst einheitlichen Durchmesser aufweisen.
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  6. 6. Mehrstufiger Spaltgasgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis
    5, dadurch gekennzeichnet , daß die perforierten Flächen oder die gasdurchlässigen Gewebe so ausgestaltet sind, daß sie das zugeführte, als Sauerstoffträger dienende Gas über den gesaraten Flußquerschnitt des Reaktionsgases innerhalb der Hohlkugelschüttungen der einzelnen Reaktionsräume gleichmäßig verteilen.
  7. 7. Mehrstufiger Spaltgasgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis
    6, dadurch gekennzeichnet ,.daß die gasdurchlässigen Gewebe aus V2A-Stahldraht bestehen.
  8. 8. Mehrstufiger Spaltgasgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 7i dadurch gekennzeichnet , daß die Maschenweite der gasdurchlässigen Gewebe kleiner als der Durchmesser der keramischen, porösen Hohlkugeln ist.
  9. 9. Mehrstufiger Spaltgasgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Reaktionsräume und die zwischen ihnen liegenden perforierten Flächen oder gasdurchlässigen Gewebe zylinderförmig ausgebildet und konzentrisch zueinander angeordnet sind und daß an wenigstens einer Stirnfläche des so gebildeten Zylinders mit den perforierten Flächen bzw. den gasdurchlässigen Geweben in Verbindung stehende Ringleitungen für die Zufuhr von als Sauerstoff träger dienendem Gas vorgesehen sind.
  10. 10. Mehrstufiger Spaltgasgenerator nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet , daß der Zylinder ein Bodenblech aufweist, an dem die perforierten Flächen oder gasdurchlässiger Gewebe befestigt sind, und daß ferner in diesem Bodenblech Schlitze vorgesehen sind, die Gaswege von den Ringleitungen zu diesen Flächen bzw. Geweben freigeben.
  11. 11. Mehrstufiger Spaltgasgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Reaktionsräume außen von einem Wärmetauscher umschlossen sind, den
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    die zuzuführende Luft im Gegenstrom und der zuzuführende Brennstoff im Kreuzstrom zum erzeugten Spaltgas durchsetzt.
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