DE2558922B2 - Spaltgasgenerator zur Umsetzung von flüssigem Kohlenwasserstoff in ein Brenngas zur Speisung von Brennkraftmaschinen - Google Patents

Spaltgasgenerator zur Umsetzung von flüssigem Kohlenwasserstoff in ein Brenngas zur Speisung von Brennkraftmaschinen

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Description

J5
Die Erfindung betrifft einen Spaltgasgenerator zur Umsetzung von flüssigem Kohlenwasserstoff in ein Brenngas zur Speisung von Brennkraftmaschinen, der in einer Reaktorkammer eine Schüttung von Füllkörpern aufweist.
In sogenannten Spaltgasgeneratoren werden versprühte, vergaste oder verdampfte flüssige Kohlenwasserstoffe mit einem saiierstoffhaltigen Gas, beispielswei- *"> se Luft oder Abgas, bei erhöhten Temperaturen in ein Kohlenmonoxid, Methan und/oder Wasserstoff enthaltendes Brenngas (Spaltgas) umgesetzt. Dieses Brenngas kann z. B. mit Verbrennungsluft vermischt und in Brennkraftmaschinen eingespeist werden. Während bei ">° mit flüssigem Brennstoff gespeisten Brennkraftmaschinen, etwa in Kraftfahrzeugen, die unvollkommene Verdampfung des Brennstoffes und die ungleichmäßige Vermischung mit Verbrennungsluft zu unvollständiger Verbrennung und zur Emission von Schadstoffen führt, ■>■> wird das Spaltgas weitgehend rückstandslos verbrannt. Da es ferner eine hohe Oktanzahl besitzt, kann auch auf die Zugabe von Antiklopfmitteln verzichtet werden, so daß der Gehalt an gesundheitsgefährdenden Stoffen im Abgas der Brennkraftmaschinen gesenkt wird. w>
Aus der DE-PS 4 82 157 ist ein Verfahren bekannt, in dem zur Speisung von Brennkraftmaschinen kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff mit Luft in einem Gasgenerator aufbereitet wird. Der Gasgenerator enthält dabei mehrere parallele Rohre aus katalytisch <>5 aktivem Metall, die in einem Gehäuse untergebracht sind. Das Brennstoff/Luft-Gemisch kann durch die Rohre geleitet werden, die dabei als Reaktionsraum dienen und von das Gehäuse durchströmendem Abgas beheizt werden, oder es kann auch das Abgas durch die Rohre und das Reaktionsgemisch durch das Gehäuse geleitet werden. Der Reaktionsraum des Spaltgasgenerators kann zusätzlich Metallfeilspäne oder andere katalytisch aktive Füllkörper enthalten und an den Rohren können zur Verbesserung des Wärmeübergangs Rippen oder andere Profilteile angebracht sein. Statt mit Abgas kann der Reaktionsraum auch elektrisch beheizt werden und anstelle der Katalysatorrohre können auch katalytische Metallgewebe, Drähte, Kugeln oder Platten vorgesehen sein.
Eine gegenüber derartigen Reaktoren gesteigerte Belastbarkeit, d. h. eine hohe Umsetzung des eingesetzten flüssigen Brennstoffes auch bei hohem Brennstoffdurchsatz, liefert ein beispielsweise aus der DE-OS 21 03 008 bekannter Spaltgasgenerator, bei dem im Reaktionsraum in Strömungsrichtung des Reak'ionsgemisches mehrere mit einer Vielzahl enger Durchtrittskanäle versehene Platten aus einem porösen, mit einer katalytischen Metallkomponente getränkten keramischen Material im Abstand hintereinander angeordnet sind. Derartige Katalysatorplatten weisen eine hohe spezifische Oberfläche bei geringem Katalysatorvolumen auf und die Zwischenräume zwischen den Platten dienen als Vermischungsräume für das an der vorhergehenden P!ar<e entstandene Spaltgas und dem noch nicht umgesetzten Teil des Reaktionsgemisches, der den Poren der nachfolgenden Platte zugeführt wird. Um an den Katalysatoren die erhöhte Umsetzungstemperatur aufrechtzuerhalten, ist auch hier vorgesehen, den Reaktionsraum von außen mit dem heißen Abgas der an den Spaltgasgenerator angeschlossenen Brennkraftmaschine zu beheizen.
Aus der DE-OS 23 02 295 ist der Vorschlag bekannt, die Strömung in einem Katalysatoren enthaltenden Spaltgasgenerator dadurch zu stabilisieren, daß den Katalysatoren ein mit Strömungskanälen versehener, temperaturbeständiger Körper vorgeschaltet ist. Dadurch soll erreicht werden, daß die Katalysatoren stets laminar von dem Reaktionsgemisch angeströmt werden und sich in den Zwischenräumen zwischen den Katalysatoren keine Wirbelräume ausbilden, die zu einer Ausbildung von Flammen führen könnten. Die temperaturbeständigen Körper sind hierbei bevorzugt Platten aus einem keramischen Material, z. B. keramischen Tonerde-Silikat-Fasern, mit eingestanzten Strömungskanälen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die mit einem Gasgenerator erreichbaren Umsätze und die Belastbarkeit der Reaktorfüllung weiter zu erhöhen.
Dies wird bei einem Gasgenerator der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Schüttung in mehrere Schüttschichten durch Wärme- und Strömungsverteilungsplatten unterteilt ist, die in Strömungsrichtung verlaufende Strömungskanäle aufweisen.
Die Platten weisen eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, die über der Wärmeleitfähigkeit der Schüttung liegt. Sie wirken damit einer Ausbildung von Temperaturgradienten quer zur Strömungsrichtung entgegen und erwärmen sich und die die Platten umgebenden Schichten der Füllkörperschüttung einigermaßen gleichmäßig. Gleichzeitig wird das den Reaktionsraum durchströmende Reaktionsgemisch durch die Vielzahl der über den Plattenquerschnitt verteilten Strömungskanäle mehr oder weniger statistisch über die Hohlräume zwischen den Füllkörpern der Schüttung verteilt.
In den Hohlräumen selbst kommt es dabei schließlich auch noch zur Ausbildung von Turbulenzen und somit zur Durchmischung der einzelnen Komponenten der Umsetzung.
Die Teilchengröße der Füllkörper ist hierbei Vorzugsweise so klein, daß die Schüttung eine hohe Oberfläche aufweist und daß die Zwischenräume zwischen den Füllkörpern zu einer Rammenbildung nicht ausreichen, andererseits sollen die Füllkörper so groß sein, daß die Schüttung keinen unzulässig hohen Strömungswider- ι ο stand für das den Reaktionsraum durchströmende Reaktionsgemisch darstellt. Vorteilhaft beträgt die größte Abmessung der Füllkörper etwa 1 bis 6 mm, die kleinste Abmessung mindestens etwa 0,8 mm.
Die Füllkörper können beispielsweise die Form von Kugeln oder zylindrischen Stäbchen aufweisen. Bei zylindrischen Stäbchen ist unter der größten Abmessung dann die Stäbchenlänge, unter der kleinsten Abmessung der Durchmesser zu vestehen. Bei Kugeln fallen die größte und die kleinste Abmessung mit dem ;>o Kugeldurchmesser zusammen. Der Abstand der Platten beträgt dabei vorteilhaft etwa 5 bis 20 mm.
In dem erfindungsgemäßen Gasgenerator können Kohlenwasserstoffe thermisch oder thermisch-katalytisch mit dem sauerstoffhaltigen Gas umgesetzt werden. Soll z. B. Benzin mit Luft exotherm und nichtkatalytisch, d. h. thermisch, umgesetzt werden, so wird die Reaktorfüllung durch die entstehende Reaktionswärme selbst aufgeheizt und an den heißen Oberflächen der Reaktorfüllung findet der thermische Zerfall des sn Reaktionsgemisches mit hohen Umsetzungsgeschwindigkeiten statt
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasgenerators weisen die Füllkörper eine katalytisch aktive Oberfläche auf, um die j.5 Umsetzung im Spaltgasgenerator katalytisch zu steuern. Derartige Füllkörper können beispielsweise aus porösen, keramischen Körpern bestehen, die mit einer katalytisch aktiven Komponente getränkt sind.
Auch die Platten selbst können vorteilhaft eine katalytisch aktive Oberfläche besitzen. Als Platten werden vorteilhaft poröse, keramische Sintersteine verwendet. Die Plattendicke liegt bevorzugt zwischen 5 bis 20 mm. Über die sich quer zur Strömungsrichtung der Reaktanten erstreckenden Flächen der Sintersteine αί sind vorteilhaft etwa 10 bis 100 Durchr.rittsöffnungen pro cm2 Plattenfläche verteilt. Der Durchmesser der Durchtrittsöffnungen kann dabei zwischen 0,6 und 3 mm liegen. Bevorzugt weisen die Sintersteine eine Dicke von etwa 10 mm und pro cm2 Plattenfläche etwa 40 in Durchtrittsöffnungen von etwa I mm Durchmesser auf.
Bei Sinterstfinen mit kataly'isch aktiver Oberfläche stellen die an der Oberfläche der Platten und deren Durchtrittsöffnungen liegenden Poren eine hohe katalytisch aktive Oberfläche dar, wobei gleichzeitig das « Volumen klein gehalten werden kann. Darüber hinaus weisen diese Sintersteine eine gegenüber der Füllkörperschüttung gesteigerte Wärmeleitfähigkeit auf, sie ermöglichen daher einen verbesserten Temperaturausgleich in radialer Richtung, d. h. senkrecht zur μ Strömungsrichtung des Reaktionsgemisches im Reaktionsraum. Das Reaktionsgemisch trifft also beim Durchströmen einer Platte in allen Teilen dieser Platte auf eine hinreichend erwärmte katalytisch aktive Oberfläche, an der es umgesetzt wird. Da in den 6!"> Durchtrittsöffnungen eine vorwiegend laminare Strömung vorliegt, werden diese Oberflächen zwar nur auf einer Tiefe von wenigen Millimetern mit einem noch reaktionsfähigen Reaktionsgemisch angeströmt Da aber die zwischen den Platten gelegenen Füllkörperschichten das den Reaktionsraum durchsetzende Gasgemisch nicht nur statistisch über den Strömungsquerschnitt verteilen, sondern auch kräftig durchmischen, kommen die Oberflächen in den Durchtrittsöffnungen der darauffolgenden Platte mit dem noch nicht umgesetzten Reaktionsgemisch in Berührung, so daß bereits an wenigen hintereinandergeschalteten Platten eine nahezu vollkommene Umsetzung auch bei starken Belastungen erreicht wird, insbesondere wenn die Füllkörperschüttung selbst eine aktive Oberfläche aufweist
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestehen die Platten aus einem metallischen Werkstoff. Dadurch wird einerseits eine erhöhte mechanische Stabilität, andererseits eine noch größere Wärmeleitung innerhalb der Füllkörperschüttung erreicht
Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn die Summe der Querschnittsflächen der DurchtriKjüffnungen pro Plattenflächeneinheit zum Plattenrand hin zunimmt. Derartige Platten weisen einen zum Plattenrand hin abfallenden Strömungswiderstand auf, wodurch verhindert wird, daß sich eine Kernströmung mit einem in der Mitte der Platten erhöhten Massendurchsatz pro Querschnittsfläche ausbildet, während die Öffnungen an den Plattenrändern und die dort benachbarten Füllkörperschüttungen nur ungenügend durchströmt werden und dort die katalytische Aktivität der Reaktorfällung nicht ausgenutzt wird.
Vorzugsweise sind die Platten aus Molybdänsilizid (M0S12) gefertigt, dem stabilisierende, rekristallisationshemmende Zusätze beigemischt sind. Ein derartiger Werkstoff ist unter dem eingetragenen Warenzeichen »Mosilit« handelsüblich (»Römpps Chemie-Lexikon«, 7. Auflage, Stuttgart 1974, Band 4, Seite 2222). Dieses Hartmetall kann nach pulvermetaliurgischen Verfahren hergestellt und zu Formkörpern verarbeitet werden, die sich durch große Härte und Temperaturbeständigkeit sowie durch eine hohe metallische Wärmeleitfähigkeit auszeicnnen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn in der Füllkörperschüttung Körper aus metallischem Werkstoff angeordnet sind, die parallel zur Strömungsrichtung verlaufende Wandflächen besitzen. Dadurch wird die Wärmeleitfähigkeit der Reaktorfüllung auch in Strömungsrichtung erhöht und die gesamte Reaktorfüllung durch die bei der Umsetzung entstehende Reaktionswärme gleichmäßig erwärmt. So können auch die weiter stromabwärts in der Reaktorfüllung gelegenen Teile dieser Füllung zur Umsetzung von geringen, in den stromaufwärts gelegenen Teilen der Reaktorfüllung noch nicht umge~eti..en Anteilen des Reaktionsgemisches ausgenutzt werden. Auch bei Reaktionen, die nicht exotherm, ablaufen und bei denen die zur Umsetzung nötige Wärme von außen, z. B. durch eine Beheizung der Reaktorwände, zugeführt werden muß, ist die hohe Wärmeleitfähigkeit in Her Reaktorfüllung vorteilhaft.
Als derartige Körper können beispielsweise senkrecht zu den Platten angeordnete Metallstreifen oder Rohrstücke vorgesehen sein. Man kann aber auch an den Wandungen des Reaktionsraumes angebrachte Rippen verwenden oder Metallstifte, die in die Füllkörperschüttung eingebettet und in Bohrungen der Platten verankert sind und auch durch entsprechende Bohrungen hindurch mehrere Platten durchdringen können. Vorteilhaft sind auch diese Körper aus
Molybdänsilizid gefertigt und können einen gasdichten, quarzglasähnlichen Überzug aufweisen.
Der erfindungsgemäße Gasgenerator soll anhand von Ausfuhrungsbeispielen näher erläutert werden.
Fig. I zeigt einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gasgenerators,
Fig.2 einen Querschnitt längs der Linie 11-11 durch dieselbe Ausführungsform,
F i g. 3 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasgenerators,
F i g. 4 einen Querschnitt längs der Linie IV-IV durch diese Ausführungsform.
Das Gehäuse der in den Fig. 1 und 3 dargestellten Gasgeneratoren besteht im wesentlichen aus einem von einem doppelwandigen Mantel 1 umgebenen Reaktionsraum 2. Der von den Wänden 3 und 4 und einem ringförmigen Profilteil 16 gebildete Hohlraum 5 des Mantels ist über eine Durchtrittsöffnung 6 mit dem Reaktionsraum 2 und über eine Austrittsöffnung 7 beispielsweise mit der Ansaugleitung einer brennkraftmaschine verbunden. Die Durchtrittsöffnung 6 nimmt die gesamte Grundfläche der zylindrischen Innenwand 3 ein. Am unteren Rand dieser Innenwand 3 sind sternförmig nach außen führende, senkrecht auf der Fläche der Durchtrittsöffnung 6 stehende Leitflächen 8 angeschweißt. An diesen Leitflächen ist ein topfartig geformtes Blech 9 befestigt, das bis in die Nähe des ringförmigen Profilteiles 16 reicht und das aus dem Reaktionsraum 2 austretende Gas radial nach außen führt, umlenkt, an der Innenwand 3 des Mantels entlang leitet, am Profilteil 16 erneut umlenkt und im Gegenstrom an der Außenwand 4 entlang zur Austrittsöffnung 7 leitet. Durch diese Anordnung wird die den Reaktionsraum begrenzende Wand 3 von dem austretenden heißen Brenngas auf der mittleren Austrittstemperatur des Brenngases gehalten und vor Wärmeabgabe an die Umgebung und Abkühlung geschützt.
Zur Erzeugung von Brenngas für den Betrieb einer Brennkraftmaschine wird beispielsweise über die Eintrittsöffnung 13 im Gehäusedeckel 14 der Gasgenerator mil einem Gemisch aus verdampftem Benzin und Luf» gespeist. Ober seitliche, durch den Mantel 1 hindurchführende Stutzen 15 ist das Innere des Generators für Meß- und Regeleinrichtungen zugänglich. So kann beispielsweise über ein Thermoelement die Temperatur im Reaktionsraum gemessen werden.
Auf den Leitflächen 8 liegt ein Sinterstein 10 mit einer Vielzahl von Durchtrittsöffnungen 11 auf. Über diesem Sinterstein 10 sind Füllkörper 23 aufgeschichtet und in die Füllkörperschüttung sind zwei weitere Sintersteine 20 und 21 eingebettet. So entstehen drei Füllkörperschichten 26, 27 und 28, die eine Dicke von etwa 12 mm aufweisen. Die Dicke der dazwischenliegenden Sintersteine 20 und 21 beträgt etwa 10 mm. Die Sintersteine 10, 20 und 21 weisen pro cm* Plattenfläche etwa 40 Durchtrittsöffnungen 11 und 24 mit einem Durchmesser "> von etwa 1 mm auf. Die Sintersteine bestehen aus einem porösen keramischen Material, z. B. etwa 26% MgO und 74% AI2O3, das mit einer katalytisch aktiven Metallkomponente, z.B. mit etwa 10mg Nickel pro cm3 Katalysatorträger, getränkt ist. Als Füllkörper können
in beispielsweise zylindrische Stäbchen mit etwa 1 mm
Durchmesser und 3 mm Länge aus AI2O3 mit O.3Gew.°/o Fe, 0,3 Gew.-% Cr und l,0Gew.-% Molybdän verwendet werden.
Aufgrund ihrer kompakten Struktur bewirken die
'■'· Sintersteine eine gegenüber der Füllkörperschüttung verbesserte Wärmeleitfähigkeit senkrecht zur Strömungsrichtung der den Reaktor durchsetzenden Stoffe. Zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit in Strömungsrichtung der Stoffe befinden sich zwischen den Sintersteinen zylindrische Rohrstücke 25 aus M0S12, deren Zylindermantelfläche sich senkrecht zur Strömungsrichtung erstreckt.
In Fig. 3 ist ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gasgenerators dargestellt, wobei
>■-, das Gehäuse dem des in Fig. I gezeigten Gasgenerators entspricht und die gleichen Bezugsziffern trägt, Über dem in der Durchtrittsöffnung 6 liegenden keramischen Sinterstein 10 ist eine Füllkörperschüttung 43 auigeschichtet, in die im Abstand von 15 mm
κ> metallische Platten 40, 41 und 42 mit einer Dicke von 5 mm eingebettet sind. Diese Platten tragen sechs konzentrische Reihen von Durchtrittsöffnungen 44, deren Zahl und Größe zum Plattenrand hin zunimmt. Wie in Fig. 4 dargestellt ist, weist die innere Reihe
κ sechs Durchtrittsöffnungen mit etwa 0,5 mm Durchmesser, die äußerste Reihe 36 Durchtrittsöffnungen mit 10 mm Durchmesser auf. Der Innendurchmesser des Reaktionsraumes beträgt dabei etwa 103 cm. Zwischen diesen Platten befinden sich auf dem Sinterstein 10 und den Platten 40, 41 und 42 senkrecht stehende, sternförmig ineinander gesteckte Metallbleche 45, die der Reaktorfüllung eine gute Wärmeleitfähigkeit in Längsrichtung verleihen. Um eine unerwünschte katalytische Aktivität der metallischen Teile zu vermeiden, ist
■»■> der Reaktionsraum mit einer keramischen Schutzschicht, beispielsweise Aluminiumoxid, ausgekleidet und sind die Platten 40 und Metallbleche 45 aus Molybdänsilizid gefertigt, das durch Glühen an Luft einen inerten, quarzglasähnlichen Überzug erhalten hai.
Mit dem erfindungsgemaöen Gasgenerator kann die Umsetzung von kohlenwasserstoffhaltigem Brennstoff und Luft zu einem Brenngas wesentlich verbessert werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Spaltgasgenerator zur Umsetzung von flüssigem Kohlenwasserstoff in ein Brenngas zur Speisung von Brennkraftmaschinen, der in einer Reaktorkammer eine Schüttung von Füllkörpern aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die SchQttung (23, 24) in mehrere Schüttschichten durch Wärme- und Strömungsverteilungsplatten unterteilt ist, die in Strömungsrichtung verlaufende Strömungskanäle aufweisen.
2. Spaltgasgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllkörper und/oder die Platten eine katalytisch aktive Oberfläche aufweisen.
3. Spaltgasgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke einer Schüttschicht aus Füllkörpern von 1—6 mm Länge und etwa 0,8 mm Durchmesser 5 bis 20 mm beträgt.
4. Spaltgasgenerator nach Anspruch 1, dadirch gekennzeichnet, daß die aus einem keramischen Sinterwerkstoff bestehenden Wärme- und Strömungsverteilungsplatten 5 bis 20 mm dick sind.
5. Spaltgasgeneirator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme- und Strömungsverteilungsplatten aus einem metallischen Werkstoff bestehen.
6. Spaltgasgenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstoff Molybdänsilizid (M0S12) verwendet wird.
7. Spaltgasgenerator nach Anspruch 1, dadurch 3" gekennzeichnet, daß die Schüttschichten der Füllkörper von in Strömungsrichtung verlaufenden Abstandsstegen (25) durchsetzt iind.
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