DE2501105A1

DE2501105A1 - Verfahren zur herstellung einer gasfoermigen brennstoffmischung

Info

Publication number: DE2501105A1
Application number: DE19752501105
Authority: DE
Inventors: Katuaki Kosaka; Tadahiko Nagaoka; Zene Ueno
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1974-03-06
Filing date: 1975-01-13
Publication date: 1975-09-18
Also published as: GB1465510A; US4222351A

Description

No. 2, Takara-machi, Kanagawa-ku, Yokohoma City, Japan

Verfahren zur Herstellung einer gasförmigen Brennstoffmischung

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Reformierung eines Kohlenwasserstoffbrennmaterials in eine gasförmige Brennstoffmischung, die eine relativ große Menge an Wasserstoff enthält. Das Verfahren ist besonders für Brennstoff refοrmierungsverfahren in Kraftfahrzeugen geeignet.

Wasserstoff ist ein vorteilhafter Brennstoff, insbesondere, weil seine Verbrennungsprpdukte sauber und unschädlich sind. Es ist bekannt, daß die Konzentrationen an schädlichen Substanzen in einem Motorenabgas bemerkenswert vermindert werden, selbst wenn nur ein Teil des üblichen Kohlenwasserstoff brennmaterials, das als Treibstoff für den Motor verwendet wird, zuerst in eine Brennstoffmischung überführt wird, die eine relativ große Menge an Wasserstoffgas enthält.

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Es ist bekannt, daß Kohlenwasserstoffbrennmaterialien· - typisch hierfür sind Erdölbrennstoffe wie Rohöl, Schweröl und Motorenbenzin - zu unterschiedlich zusammengesetzten Brennstoffmischungen reformiert oder in solche überführt werden können, die.relativ große Mengen an Wasserstoffgas zusammen mit Kohlenoxyden enthalten, indem man mit Sauerstoff und Wasser umsetzt. Wärme und/oder ein Katalysator sind erforderlich, damit solche Umsetzungen auch durchgeführt werden können. Bei der sog. Partialoxydation oder dem Verbrennungsverfahren wird ein Kohlenwasserstoff in eine Reaktionskammer zusammen mit Sauerstoff und Dampf geblasen und darin unvollständigen Verbrennungsreaktionen unterworfen. Die Umsetzungen werden im allgemeinen durch die folgenden Gleichungen dargestellt:

+ (m + g)0₂ > mC0₂ + §Η_£0 (1)

+ mH₂0 > mCO + ()H_£ (2)

CO + H₂O ^ CO₂ + H₂ (3)

Dieses Verfahren wird in der Praxis durchgeführt und ist beispielsweise als Texaco-Verfahren, Shell-Verfahren und Fauser-Verfahren bekannt.

Bei den obigen Umsetzungen verläuft die Umsetzung der Gleichung (2) endotherm, aber die Umsetzungen (1) und (3) verlaufen exotherm. Werden daher die Anteile an Kohlenwasserstoff, Sauerstoff und Dampf auf geeignete Weise ausgewählt, so können die Umsetzungen selbsterhaltend oder autothermisch ablaufen. Wird Octan als Beispiel eines Kohlenwasserstoffs verwendet, so können die obigen Gleichungen' thermo chemisch folgendermaßen beschrieben werden:

^ 8CO₂ + 9H₂O

/^H = -1308 kcal (1)

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CoH. ο + 8H₉O ■ -> 8CO + 17Hp

ΟΙΟ Cm £■

A H = +395 kcal (2)«

8CO + 8H₂O ■ ■ > 8CO₂ + 8H₂ .

A H = -80 kcal (3)¹

Das Minuszeichen für die Bildungswärme Λ Η bedeutet Wärmeentwicklung und das Pluszeichen bedeutet Absorption. Nimmt man an, daß die Umsetzung der Gleichung (2)' vollständig durch die Wärme, die bei der Umsetzung der Gleichung (1)¹ gebildet wird in Gang gehalten wird ( Teiloxydation des zugeführten Octans) und daß 60% der bei (1)¹ entwickelten Wärme für die Umsetzung (2) ' verbraucht werden, dann läßt sich das Wärmegleichgewicht folgendermaßen berechnen:

1308 χ 0,6 : 395 ~ 2

Die Berechnung ändert sich folgendermaßen, wenn man die folgende Umsetzung (3)' mit einbezieht:

1308 χ 0,6 : (395 - 80) ~ 2,5

Die Ergebnisse dieser Berechnungen zeigen, daß 2 bis 2,5 Mol Octan in eine Mischung aus Wasserstoff, Kohlenmonoxyd und/oder Kohlendioxyd durch Verbrennung von einem zusätzlichen Mol Octan überführt werden können. Solche Ausbeuten an Wasserstoff enthaltenden Brennstoffmischungen ermöglichen, daß das oben beschriebene Verfahren mit Brennstoffsystemen für verschiedene Motoren einschließlich solcher für Kraftfahrzeuge durchgeführt werden kann.

Die Anteile an Kohlenwasserstoff, Sauerstoff und Dampf für die obigen Umsetzungen können variiert werden, abhängig von dem Wasserstoff-Kohlenstoff-Verhältnis des als Ausgangsmaterial verwendeten Kohlenwasserstoffs und/oder dem Kohlenmonoxyd- zu- Wasserstoff -Verhältnis des Reaktionsproduktes. Jedoch werden in der industriellen Praxis die Werte im allgemeinen bestimmt als 0,3 bis 1 Gew.Teil Sauerstoff und 0,3 bis 2 Teile Dampf pro 1 Teil Kohlenwasserstoff.

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Eine Gasraischung, die im wesentlichen ähnlich ist wie das Produkt des oben beschriebenen Partialverbrennungsverfahrens, kann ebenfalls nach einem bekannten katalytischen Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff erhalten werden. Bei diesem Verfahren wird eine Mischung aus Kohlenwasserstoff, Sauerstoff und Wasser exotherm zu einer gasförmigen Brennstoffmischung zersetzt, die hauptsächlich Wasserstoff, Kohlenmonoxyd und Kohlendioxyd enthält, indem man mit einem Katalysator auf Nickel- oder Kalksteingrundlage behandelt und auf eine Temperatur von ungefähr 800⁰C erwärmt. Man hat vorgeschlagen, dieses Verfahren bei Kraftfahrzeugmotor-Brennstoffsystemen zu verwenden, bevorzugt mit der Verwendung der Motorenabgase als Wärmequelle für die Erwärmung des Katalysators und/oder der Wasserquelle.

Sowohl bei dem Partialverbrennungsverfahren als auch bei dem katalytischen Verfahren ist die Zufuhr von reinem Sauerstoff und Wasser (oder Dampf) relativ leicht, wenn man eine relativ groß ausgelegte Vorrichtung verwendet. Wird andererseits das ■ Verfahren mit einem Motor eines Kraftfahrzeugs durchgeführt, so ist es praktisch unmöglich, reinen Sauerstoff, wie flüssigen Sauerstoff wegen dessen Gefährlichkeit zu verwenden. Daher wird fast ausschließlich Luft als Sauerstoffquelle bei Kraftstoffreformierungsverfahren in Kraftfahrzeugen verwendet. Da Luft eine große Menge (ungefähr 84%) Stickstoff enthält, verlangsamt die Wärmekapazität des Stickstoffs die Geschwindigkeit der Temperaturerhöhung in der Reaktionskammer und erniedrigt den Nutzbarkeitsgrad der Wärme zur Aufrechterhai tung der Reaktionen. Solche nachteiligen Einflüsse des Stickstoffs bewirken den Verbrauch einer erhöhten Brennstoffmenge und erfordern eine größere Vorrichtung, was beides für Kraftfahrzeuge sehr ungünstig ist. Weiterhin verbleibt der Stickstoff in der Luft in der reformierten Mischung; die reformierte Mischung ist somit als Motorenbrennstoff nicht vollständig zufriedenstellend, und die Kon-

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- 5 zentrationen an Stickoxyden in dem Motorenabgas nehmen zu.

Die Beförderung eines Wassertanks für die Brennstoffreformie-

• rung ist ebenfalls für Kraftfahrzeuge eine Belastung. Selbst wenn Motorenabgas als Wasserquelle verwendet wird, muß man eine getrennte Wasserquelle vorsehen, um den Unterschied zwischen der erforderlichen Menge und dem Wassergehalt der Abgase zuführen zu können.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren für die Herstellung einer gasförmigen Brennstoffmischung aus einem Kohlenwasserstoffbrennstoff, Sauerstoff und Wasser zu schaffen, die mindestens Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält. Bei dem Verfahren sollen kein flüssiger Sauerstoff, keine Luft und kein Wasser in flüssiger Phase als Ausgangsmaterialien erforderlich sein, und das Verfahren soll praktisch leicht mit einem Brennstoff-

* system für relativ klein ausgelegte Energieanlagen, wie Kraftfahrzeugmotoren verwendbar sein.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer gasförmigen Brennstoffmischung, die mindestens Wasserstoff und Kohlenmonoxyd enthält, durch Umsetzung eines Kohlenwasserstoffbrennstoffs mit Sauerstoff und V/asser bei erhöhter Temperatur, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man eine im wesentlichen gasförmige Mischung aus Sauerstoff und Dampf verwendet, die durch katalytische Zersetzung von Wasserstoffperoxyd gebildet und erwärmt wird.

Erfindungsgemäß wird eine im wesentlichen gasförmige Mischung aus Sauerstoff und Dampf, die durch katalytisch^' Zersetzung von Wasserstoffperoxyd gebildet und erwärmt wird, als Sauerstoff- und Wasserquelle für die Herstellung der oben beschriebenen gasförmigen Brennstoffmischung aus einem üblichen Kohlenwasserstoffbrennstoff verwendet. Die Reformierungsreaktionen werden nach einem bekannten Verfahren durchgeführt.

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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann man auch einen Teil des Wassers, welches manchmal in dem Zersetzungsprodukt der Wasserstoffperoxydlösung als flüssige Phase vorhanden ist, abtrennen. Das abgetrennte Wasser kann während der nachfolgenden Umsetzungen zwischen dem gasförmigen Zersetzungsprodukt des Wasserstoffperoxyds und dem Kohlenwasserstoffbrennstoff in das Reaktionssystem zurückgeführt werden, oder es kann alternativ der Wasserstoff enthaltenden Brennstoffmischung die bei den Reformierungsreaktionen gebildet wurde, beigemischt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt viele Vorteile; der Hauptvorteil ist der, daß praktisch reiner Sauerstoff und reines Wasser aus einem einzigen Ausgangsmaterial geliefert werden, welches weniger gefährlich ist als flüssiger Sauerstoff, und daß der Sauerstoff und das Wasser in Form einer im wesentlichen gasförmigen Mischung, die eine erhöhte Temperatur hat, erhalten werden. Bedingt durch diese fundamentalen Vorteile ergibt das e.rfindungsgemäße Verfahren Verbesserungen bei der Wärmebilanz und dem Brennstoffverbrauch bei den Reformierungsreaktionen.

Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen nähea* erläutert, worin

Fig. 1 die Abbildung eines Systems für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, das auf einem bekannten Verfahren für die Partialverbrennung einer Mischung aus Kohlenwasserstoffbrennstoff, Sauerstoff und Wasser beruht;

Fig. 2 die Abbildung eines Systems ist, welches grundsätzlich ähnlich ist dem von Fig. 1, wo aber die Reaktionskammer des Systems modifiziert ist;

Fig. 3 die Abbildung eines Systems ist, das grundsätzlich ähnlich ist wie das von Fig. 1, das aber eine zusätzliche Vorrichtung enthält, um das Wasser in flüssiger Phase von der

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Sauerstoff-Wasser-Mischung abzutrennen, die durch Zersetzung des Wasserstoffperoxyds gebildet wurde;

Fig. 4 eine Abbildung eines Systems ist, das grundsätzlich ähnlich ist wie das von Fig. 3> wobei aber das abgetrennte Wasser auf unterschiedliche Weise verwendet wird, und

Fig. 5 die.Abbildung einer anderen Art von System 'für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens die das auf einem bekannten Verfahren für katalytisch^ Reaktionen

einer Mischung beruht, die ähnlich ist wie die, die bei dem System von Fig. 1 verwe'ndet wurde.

Wasserstoffperoxid oder eine wäßrige Lösung davon kann, wie bekannt ist beim Kontakt mit beispielsweise einem Katalysator auf Silber- oder Nickelgrundlage zu Sauerstoff und V/asser zersetzt werden. Die Zersetzungsprodukte werden als erwärmte und im wesentlichen gasförmige Mischung erhalten, da die Zersetzungsreaktionen exotherm verlaufen. Das Sauerstoffzu-Wasser-Verhältnis der so erhaltenen Mischung kann durch Variation der Konzentration der wäßrigen Lösung, die als Ausgangsmaterial verwendet wird, innerhalb eines großen Bereichs variiert werden, wie es in der folgenden Tabelle dargestellt ist. .

HpO₂- Zusammensetzung der Op/H-O- Temperatur

Konzentra- ^**^echung Verhältnis ^S^

tionCGew.tf) -75 (ausgedrückt

°2 ^H2°2 durch d.Gew.)

90 42,4 57,6 0,736 750

70 32,9 67,1 0,490 270

50 23,5 76,5 0,307 230

30 14,1 85,9 0,164 150

10 4,7 95,3 0,049 100

Die Wasserstoffperoxyd-Konzentration in der Anfangslösung kann abhängig von der Zusammensetzung des Kohlenwasserstoff-

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brennmaterials und/oder der gewünschten Zusammensetzung der reformierten Brennstoffmischung ausgewählt werden. Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf ein Brennstoffsystem eines üblichen Kraftfahrzeugmotors liegt die Wasserstoffperoxyd-Konzentration bevorzugt im Bereich zwischen ungefähr 30% und ungefähr 50%, wobei man das Sauerstoff-zu-Wasser-Verhältnis des Zersetzungsproduktes wie auch die Sicherheit der Lösung in Betracht zieht. Die erhöhte Temperatur des Zersetzungsproduktes erlaubt, daß das Vorerwärmen der Reaktionskammer oder eines darin befindlichen Katalysators für die Umsetzung des Zersetzungsprodukts mit einem Kohlenwasserstoffbrennmaterial beachtlich vermindert werden kann.

Die Sauerstoff-Wasser-Mischung, die durch Zersetzung des Wasserstoffperoxyds hergestellt wurde, kann direkt mit einem Kohlenwasserstoffbrennstoff vermischt werden, um die entstehende Mischung in eine gasförmige Brennstoffmischung aus hauptsächlich Wasserstoff, Kohlenmonoxyd und Kohlendioxyd zu überführen. Die Reformierung kann grundsätzlich nach irgendeinem der bekannten Verfahren erfolgen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders geeignet, um Gasolin bzw. Motorenbenzin, Kerosin oder Alkohole zu reformieren.

Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung,und verschiedene Systeme für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden näher erklärt.

Beispiel 1 ·,

In das in Fig. 1 dargestellte System werden ein Kohlenwasserstoffbrennmaterial (das im folgenden einfach als Brennstoff bezeichnet wird), in diesem Fall Motorenbenzin, und eine 50%ige wäßrige Lösung aus Wasserstoffperoxyd getrennt aus einem Brennstofftank 11 und einem Wasserstoffperoxydtank 12 mit einer ersten Pumpe 13 und einer zweiten Pumpe 14 eingeleitet. Wird ein erstes Ventil 15 geöffnet, so wird die

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Wasserstoffperoxydlösung in eine Katalysatorkammer 16 eingeleitet, die ein Silbernetz als Katalysator 17 enthält, und zu einer erwärmten ersten Mischung aus Sauerstoffgas und Dampf zersetzt. Alternativ können Kupfer(II)-oxyd~Pellets als

Katalysator 17 verwendet werden. Die erste Mischung wird zu einem Brenner 18 einer Reaktionskammer 19 geleitet. Dann wird ein zweites Ventil 20 geöffnet, um eine geringe Menge des Brennstoffs in die Reaktionskammer" 19 aus dem Brenner 18 zusammen mit der ersten Mischung einzuspritzen. Die Reaktionskammer 19 ist mit einer Zündkerze 21 ausgerüstet, um die Strahlen der ersten Mischung und des Brennstoffs zu entzünden. Es ist nicht erforderlich, daß die Zündkerze 21 kontinuierlich Zündfunken bildet, da der einmal entzündete Strahl der exothermen oder autothermenUmsetzung entsprechend Gleichung (1) unterliegt. Wenn die Reaktionskammer 19 durch diese Umsetzung auf eine vorbestimmte Temperatur, üblicherweise ungefähr 1200°C, erwärmt ist, wird ein drittes Ventil 22 geöffnet, um eine Hauptmenge des Brennstoffs aus einer Düse 28 in die Hochtemperaturatmosphäre der JReaktionsprodukte^: in der Raktionskammer 19 einzuleiten. · '"^:"<"^κ ·°^ΘΓ Brennstoff aus der Düse 23 zersetzt sich durch die Wärme und den Dampf, wie es durch die Gleichungen (2) und (3) dargestellt ist, und die entstehende Mischung, die eine relativ große Menge an Wasserstoff gas und Kohlenoxyden enthält, wird aus der Reaktionskammer 19 durch einen Auslaß 24- abgezogen. . Der Brennstoff wird bevorzugt vorerwärmt, indem man ihn durch einen Wärmeaustauscher 25, der in der Reaktionskammer 19 angebracht ist, leitet.

Die Brennstoffeinspritzgeschwindlgkeit aus dem Brenner 18 wird bevorzugt so eingestellt, daß das quantitative Verhältnis von Sauerstoff zu Brennstoff ungefähr dem stöchiometrischen Verhältnis, bezogen auf die Gleichung (1), entspricht, um die Reaktionsatmosphäre bei einer so hohen Temperatur wie möglich zu halten..

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Wird Motorenbenzin wie in diesem Beispiel verwendet, so werden bevorzugt ungefähr 1,4 Gew.Teile Sauerstoff mit 1 Teil Brennstoff vermischt (bezogen auf eine Berechnung,bei der das Motorenbenzin durch CgH₁g dargestellt wird). In diesem Beispiel werden das Motorenbenzin und die Wasserstoffperoxydlösung (50%) aus den entsprechenden Tanks 11 und 12 in Mengen von 1 g/sec und 6 g/sec eingeleitet. Die reformierte Mischung dieses Beispiels wird nach der Dehydratisierung analysiert, und man erhält die folgenden Werte: Hp: 54,5%, CO-: 27,3% und COp: 18,256 (ausgedrückt durch das Volumen).

Der Auslaß 24 kann gedrosselt sein,

um die Reaktionskammer 19 bei einem erhöhten Druck zu halten, um dadurch den Wirkungsgrad der Reaktionen darin zu verstärken.

Beispiel 2

In diesem Beispiel wird ein; Zxiei-Takt-Kolbeninnenverbrennungsmotor mit 26, wie er in JFig. 2 dargestellt ist, verwendet, um die Brennstoffumwandlungsreaktionen, wie sie in Beispiel 1 beschrieben werden, durchzuführen. Wenn das erste Ventil 15 geöffnet wird, wird die Wasserstoffperoxydlösung in die Katalysatorkammer 16 eingeleitet, um die erste Mischung in einen Ansaugstutzen 27 des Motors 26 einzuleiten. Der Brennstoff wird aus einer Brennstoffdüse 28 in den Ansaugstutzen 27 gespritzt. Der Ansaugstutzen 27 steht auf übliche Weise mit einer Verbrennungskammer 29 über einem Kolben 30 in einem Zylinder 31 in Verbindung. Die Verbrennungskammer 29 ist mit einer üblichen Zündkerze 32 ausgerüstet und steht in Verbindung mit einem Auslaß 33, der gleichzeitig als Brennstoffansaugstutzeri für einen getrennten Hauptmotor 34 dient. Die Verbindung der Verbrennungskammer 29 mit dem Ansaugstutzen 27 und.dem Auslaß.33,.

„ - (nicht gezeigt)

wird auf übliche Weise durch Ansaug- und Auslaßventile/re-

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guliert. Die Mischung aus Brennstoff und der ersten Mischung wird in die Verbrennungskammer 29 beim Abwärtstakt des Kolbens 30 eingesaugt· und darin auf einen Druck von ungefähr 20 bis 30 kg/cm bei dem nachfolgenden Aufwärtstakt des Kolbens 30 komprimiert. Gegen Ende dieses Aufwärtstaktes bildet die Zündkerze 32 einen Funken, um die komprimierte Mischung zu entzünden. Ein Teil des Brennstoffs in der Mischung wird verbrannt oder oxydiert, wie es durch die Gleichung (1) dargestellt ist, und der restliche Teil des Brennstoffs wird zu Wasserstoff und Kohlenoxyden entsprechend den Umsetzungen der Gleichungen (2) und (3) überführt. Die Reaktionsproduktgase leisten die Arbeit, den Kolben 30 nach unten zu stoßen, bevor sie aus der Verbrennungskammer 29 in den Auslaß 33 gelangen. Die Beschickungsgeschwindigkeiten des Brennstoffs und der ersten Mischung in den Ausgangs stutz en 27 werden reguliert, indem man die Brennstoffdüse 28 und das Wasserstoffperoxyd-Ventil 15 entsprechend einem Signal S re- . guliert, das die Beschickungsgeschwindigkeit der reformierten Mischung zu dem Hauptmotor 34 anzeigt.

Das System in diesem Beispiel besitzt den Vorteil, daß die reformierte bzw. umgewandelte Mischung per se die Energie liefert, um die Mischung der Reaktionsteilnehmer unter Druck zu setzen, und daß die Temperatur der reformierten Mischung durch deren Expansion in der Verbrennungskammer 29 vermindert wird, bevor sie dem Hauptmotor 34 zugeführt wird.

Wird eine relativ verdünnte, d.h. unter 50 gew.&Lge, Wasserstoffperoxydlösung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet, so enthält die gasförmige erste Mischung, die bei der Zersetzung der Wasserstoffperoxydlösung gebildet wird, einen Teil des Wassers als Flüssigkeit, bedingt durch den Abfall der Zersetzungsreaktionstemperatur. Wenn beispielsweise eine 3O?6ige wäßrige Lösung von Wasserstoffperoxyd verwendet wird, enthält das Zersetzungsprodukt ungefähr 14% Sauerstoff und ungefähr 86% Wasser, wie aus der obigen Tabelle hervorgeht,

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und ein großer Teil des Wassers ist als flüssige Phase vorhanden. Der Brennstoff wird daher manchmal nicht entzündet oder stetig zuersetzt werden können, wenn er mit der ersten Mischung in solchem Zustand umgesetzt wird, insbesondere wenn die .Reformierung eines großen Teils des Brennstoffs, verglichen mit der Brennstoffmenge für die direkte Umsetzung mit der ersten Mischung beabsichtigt ist.

Die flüssige Wasserphase in der ersten Mischung wird daher bevorzugt davon abgetrennt und getrennt verwendet. Entsprechend einem Merkmal der vorliegenden Erfindung wird das abgetrennte Wasser· bei den Umsetzungen der Gleichungen (2) und (3) verwendet, während der restliche Teil der ersten Mischung, der hauptsächlich Sauerstoff allein enthält, verwendet wird, um die Umsetzung der Gleichung (1) zu initiieren und kontinuierlich und.stetig aufrechtzuerhalten, so daß eine ausreichende Menge an Wärme gebildet wird. Die flüssige Wasserphase wie auch der Brennstoff werden bevorzugt vorerwärmt, indem man sie einem Wärmeaustausch mit- der heißen reformierten Mischung unterwirft, so daß der Wirkungsgrad der Reformierungsreaktionen verstärkt wird und die Temperatur der reformierten Mischung, bevor diese in einen Motor eingeleitet wird, erniedrigt wird. Entsprechend einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird das abgetrennte Wasser mit der reformierten Brennstoffmischung vermischt, um die Temperatur der Mischung zu vermindern und/oder um den Kohlenmonoxydgehalt der Mischung zu erhöhen.

Die folgenden beiden Beispiele erläutern die Abtrennung und die Verwendung des flüssigen Wassers.

Beispiel 3

In Fig. 3 ist ein System dargestellt, welches grundsätzlich ähnlich ist wie das von Fig. 1, mit Ausnahme eines zusätzlichen Untersystems für die Abtrennung und Behandlung des flüssigen Wassers, das in der ersten Mischung enthalten ist.

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Bei diesem System wird die Katalysatorkammer 16 für die Zersetzung der Wasserstoffperoxydlösung aus dem Tank 12 nicht direkt mit dem Brenner 18 verbunden, sondern mit einem Dampf-Flüssigkeits-Separator 35, bevorzugt durch einen Kühler 36. Der Sauerstoff und der Dampf in der ersten Mischung werden aus dem Separator 35 entnommen und dem Brenner 18 durch eine Leitung 37 zugeführt, um einen Teil des Brennstoffs, der aus dem Tank 11 eingeleitet wird, zu verbrennen. Das Wasser in flüssiger Phase wird mittels einer Pumpe 39'durch einen Wärmeaustauscher 38, der in der Reaktionskammer 19 angebracht ist, geleitet und in die Reaktionskaramer 19 aus der Wasserdüse 40 injiziert. Das eingespritzte Wasser reagiert mit dem Hauptteil des Brennstoffs, der in die Reaktionskammer 19 aus der Brennstoffdüse 23 über das dritte Ventil 22 eingespritzt wird.

Beispiel 4

In diesem Beispiel wird die erste Mischung aus der Katalysatorkammer 16 in den Separator 35 geleitet, um dem Brenner 18 nur gasförmige Komponenten zuzuführen, auf. gleiche Weise wie in Beispiel 3» In dem in Fig. 4 dargestellten System wird jedoch der gesamte Brennstoff aus dem Tank 11 in den Brenner 18 durch das zweite Ventil 20 eingeführt. Als Folge davon unterliegt ein Teil des Brennstoffs der Oxydationsreaktion entsprechend Gleichung (1) und der restliche Teil wird entsprechend den Gleichungen (2) und (3) zersetzt. Das abgetrennte Wasser wird in die entstehende, Wasserstoff enthaltende Mischung mit einer Wasserdüse 40a eingeführt, die in der Reaktionskammer an einer Stelle relativ nahe am Auslaß angebracht ist, d.h. außerhalb des Bereichs, ' ■ ...- . ■

in dem die Reformierungsreaktionen stattfinden. Ein Teil des Wassers in flüssiger Phase kann entweder zu dem Brenner 18 oder der Reaktionszone der Reaktionskammer 19 über eine Hilfsleitung 42 geleitet werden, die von der Wasserleitung 41 an einer Stelle zwischen der Pumpe 39 und der Düse 40a und Kontrollventilen 43 und 44 abzweigt, wie es durch die Phantomleitung in Fig. 4 dargestellt wird.

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Bei dem Verfahren dieses Beispiels wird die Oxydation des Kohlenmonoxyds durch die Umsetzung entsprechend Gleichung (3) etwas unterdrückt, bedingt durch den Mangel an Wasser in dem Reaktionssystem. ;. daraus ergibt sich bei dieser Umsetzung eine Abnahme der Wärmeentwicklung. Dementsprechend wird die Temperatur der umgewandelten Mischung erniedrigt, selbst bevor das Wasser in flüssiger Phase aus der Düse 4Oa eingespritzt wird. Die Verwendung der reformierten Mischung, die nach dem Verfahren dieses Beispiels erhalten wird, ermöglicht ein Arbeiten des Motors mit verbessertem Wirkungsgrad, be- · dingt durch eine, mäßige Temperatur und einen hohen Kohlenmonoxydgehalt .der reformierten Mischung.

Das Verfahren dieses Beispiels wie auch das von Beispiel 3 besitzen als weiteren Vorteil, daß die Verwendung der so erhaltenen reformierten Mischung als Brennstoff für einen Innenverbrennungsmotor das Auftreten einer besonders heftigen Verbrennung im Motor verhindert und die Bildung von Stickoxyden unterdrückt, da die Mischung Dampf enthält, der eine relativ große spezifische Wärme besitzt.

Beispiel 5

Dieses Beispiel betrifft ein Verfahren für die Brennstoffumwandlung durch katalytisch^ Reaktionen. In dem in Fig. 5 dargestellten System ist die Wasserstoffperoxydleitung vom Tank 12 zu der Katalysatorkammer 16 gleich wie bei den obigen Beispielen. Anstelle des Brenners 18 und der Reaktionskammer 19 zur ■ Verbrennung von mindestens einem Teil des Brennstoffs besitzt dieses System eine andere Art von Reaktionskammer 45, in der sich ein Katalysator 46 befindet. Der Katalysator 46 wird unter bekannten Nickelkatalysatoren ausgewählt, mit denen sich eine Mischung aus Motorenbenzin oder Kerosin, Sauerstoff und Wasser bei ungefähr 90O⁰C in eine Mischung überführen läßt, die im wesentlichen ähnlich' ist wie eine Mischung, die die Produkte der Umsetzungen der Gleichungen (2) und (3) enthält. Verwendet man als Brennstoff

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einen Alkohol,wie Methanol, so wird ein anderer "bekannter Katalysatortyp wie eine Mischung aus Chromoxyd und Zinkoxyd verwendet und die Umsetzungen finden bei einer niedrigeren Temperatur statt. Die Reaktionskammer 45 ist mit einem Wärmeaustauscher 47 ausgerüstet, um den Katalysator 46 zu erwärmen. Eine Einlaßöffnung 48 des Wärmeaustauschers 47 ist mit einer Quelle für ein heißes Material verbindbar. In dem System von Fig. 5 dient das Abgassystem des getrennten Motors 34 als eine solche Quelle. Eine Einlaßöffnung 50 der Reaktionskammer 45 steht mit der Katalysatorkammer 16 in Verbindung^und eine Auslaßöffnung 51 steht mit einem anderen System in Verbindung, beispielsweise dem Motor 34. Die Brenn- ' stoffleitung, die auf ähnliche Weise wie bei den obigen Beispielen angeordnet ist, endigt in einer Brennstoffeinspritzdüse 52, die nahe an der Einlaßöffnung 50 der Reaktionskammer 45 angebracht ist. Wird dieses Brennstoffreformierungssystem mit dem Motor 34 verbunden, kann die Brennstoffleitung so angeordnet sein, daß ein Teil des Brennstoffs von dem Tank 11 in den Motor 34 durch ein Ventil 53 geleitet wird.

Der Chromoxyd-Zinkoxyd-Katalysator 46 in der Reaktionskammer wird auf ungefähr 40O⁰C vorerwärmt, indem man ein heißes, · fluides Material, wie das Abgas von dem Motor 34, hindurchleitet. Dann wird die wäßrige Lösung aus Wasserstoffperoxyd aus dem Tank 12 in die Katalysatorkammer 16 eingeführt, und Methanol aus dem Tank 11 wird durch die Düse 52 eingespritzt. Als Folge davon strömt eine erste Mischung aus Wasser und Sauerstoff aus der Katalysatorkammer 16 zusammen mit dem eingespritzten Brennstoff in die Reaktionskammer 45. Beim Kontakt mit dem erwärmten Katalysator 46 in der Reaktionskammer 45 werden der Brennstoff und die erste Mischung in eine Gasmischung, hauptsächlich aus Wasserstoff, Kohlenmonoxyd und Kohlendioxyd, überführt und durch die Auslaßöffnung 51 in beispielsweise den Motor 34 geleitet. Ähnlich wie bei Beispiel 2 werden die Einleitungsgeschwindigkeiten des Brennstoffs und

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der ersten Mischung in die Reaktionskammer 45 "bevorzugt entsprechend dem. Wert des Signals S kontrolliert, welches ursprünglich für den Motor 34 bestimmt ist, um die Menge an zugeführtem Brennstoff (die Mischung aus der Reaktionskammer 45) zu regulieren.

Es ist nur eine Frage der Wahl, ob ein Teil des Brennstoffs in dem Tank 11 direkt verwendet wird oder nicht. Es kann die gesamte oder eine überschüssige Menge an Brennstoff in die Reaktionskammer 45 geleitet werden, so daß nichtumgesetzter Brennstoff in der Mischung Vorhanden ist, die durch die Auslaßöffnung 51 abströmt.

Als Abänderung bei diesem Beispiel kann der Katalysator 46 in der Reaktionskammer 45 mit dem Katalysator 17 zur Zersetzung des Wasserstoffperoxydsvermischt werden, so daß die Katalysatorkammer 16 wegfällt und sowohl der Brennstoff als auch die..Wasserstoffperoxydlösung direkt in die Reaktionskammer 45 eingespritzt werden.

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Claims

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- 17 Patentansprüche

(T) Verfahren zur Herstellung einer gasförmigen Brennstoff mischung, die mindestens Wasserstoff und Kohlenmonoxyd enthält, durch Umsetzung eines Kohlenwasserstoffbrennstoffs mit Sauerstoff und Wasser bei erhöhter Temperatur, dadurch gekennzeichnet, daß man eine im wesentlichen gasförmige Mischung aus Sauerstoff und Dampf verwendet, die durch katalytisch^ Zersetzung von Wasserstoffperoxyd gebildet und erwärmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserstoffperoxyd in Form einer wäßrigen Lösung katalytisch zersetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Konzentration an Wasserstoffperoxyd in der Lösung im Bereich zwischen 30 und 50 Gew.% liegt.
4. Verfahren zur Herstellung einer gasförmigen Brennstoffmischung aus mindestens Wasserstoff und Kohlenmonoxyd, dadurch gekennzeichnet, daß man

(a) eine erste Mischung aus Sauerstoff und Wasser durch katalytische Zersetzung einer wäßrigen Lösung aus Wasserstoffperoxyd herstellt, wobei diese erste Mischung im wesentlichen gasförmig ist und eine erhöhte Temperatur besitzt;

(b) die erste Mischung mit einem Kohlenwasserstoffbrenngtoff in einer Reaktionskammer vermischtϊ

(c) die Mischung aus der ersten Mischung und dem Kohlenwasserstoffbrennstoff entzündet, um die Oxydationsreaktion zwischen dem Sauerstoff und einem Teil des Kohlenwasserstoffbrennstoffs zu initiieren, und

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(d) den restlichen Teil des Kohlenwasserstoffbrennstoffs mit dem Wasser in einer Atmosphäre mit erhöhter Temperatur, die durch die Oxydationsreaktion gebildet wurde, reagieren läßt.
5. ' Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß man zusätzlich einen Teil des Wassers in der ersten Mischung, wobei dsserTeil als flüssige Phase vorliegt, aus der ersten Mischung zwischen den Stufen (a) und (b) abtrennt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß man zusätzlich diesen Teil des Wassers zu der Reaktionsmischung aus der ersten Mischung und dem Kohlenwasserstoffbrennstoff während der Stufe (d)ein-—speist.
7· Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß man zusätzlich diesenTeil des Wassers mit einem Wärmeaustauscher erwärmt, der in der Atmosphäre mit erhöhter Temperatur angeordnet ist, bevor man ihn zu der Reaktionsmischung leitet.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß man zusätzlich diesen Teil des Wassers mit der gasförmigen Brennstoffmischung nach der Stufe (d) vermischt.
9. Verfahren nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet , daß man die Mischung aus der ersten Mischung und dem Kohlenwasserstoffbrennstoff in der Reaktionskammer zwischen den Stufen (b) und (c) komprimiert und die gasförmige Brennstoffmischung in der Reaktionskammer nach der Stufe (d) expandiert, so daß die Temperatur der gasförmigen Brennstoffmischung erniedrigt wird und daß die Expansion der gasförmigen Brennstoff mischung als Energiequelle für die Kompression dient.

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10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß man die gasförmige Brennstoff mi schling in einen Innenverbrennungsmotor einleitet und die Zufuhrgeschwindigkeiten ^der ersten Mischung und des Kohlenwasserstoffbrennstoffs in der Stufe Cb) in Abhängigkeit von der Beschickungsgeschwindigkeit der gasförmigen Brennstoffmischung zu dem Motor reguliert.
11. Verfahren zur Herstellung einer gasförmigen Brennstoff mischung aus mindestens Wasserstoff und Kohlenmonoxyd, dadurch gekennzeichnet , daß man

(a) eine erste Mischung aus Sauerstoff und Wasser durch katalytische Zersetzung einer wäßrigen Lösung aus Wasserstoffρeroxyd herstellt, wobei die erste Mischung im wesentlichen gasförmig ist und eine erhöhte Temperatur besitzt,

(b) einen Katalysator, der in einer Reaktionskammer enthalten ist, auf erhöhte .Temperatur erwärmt, wobei der Katalysator in der Lage ist, einen Kohlenwasserstoff brennstoff in die gasförmige Brennstoffmischung bei der erhöhten Temperatur und in Anwesenheit von Sauerstoff und Wasser zu überführen und

(c) die erste Mischung und den Kohlenwasserstoffbrennstoff in die Reaktionskammer leitet, um ihn anschließend an Stufe (b) mit dem Katalysator in Kontakt zu bringen.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch g e k e η η zeichnet , daß man zusätzlich die gasförmige Brennstoffmischung in einen Motor leitet und das Abgas aus dem Motor durch einen Wärmeaustauscher auf solche Weise leitet, daß der Katalysator durch die Wärme des Abgases erwärmt wird.

13- Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zu der Reaktionskammer geführten Mengen der ersten Mischung und des Kohlenwasserstoffbrennstoff s in Abhängigkeit von der dem Motor zugeführten Menge an gasförmiger Brennstoffmischung reguliert werden. '

5Q9838/Q841

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