DE2717993C2 - Vorrichtung mit einem Reaktor zum Reformieren von wahlweise mit Wasser vermischtem Methanol in einen gasförmigen Brennstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit einem Reakto' zum Reformieren von wahlweise mit Wasser vermischtem Methanol in einen gasförmigen Brennstoff gemäß Oberbegriff des Anspruchs.

Eine Vorrichtung der eingangs .Eenannten Art ist aus der DE-OS 24 10 644 bekannt 3ie beschreibt eine Methanol-Reformierungseinrichtung in Verbindung mit einer getrennten Verbrennungseinrichtung, wobei die Zersetzung von Methanol durch die Wärme des aus der Verbrennungseinrichtung ausströmenden Verbrennungsgases aufrechterhalten wird.

Auch die DE-OS 25 26 617 beschreibt eine Anlage, bei der die Wärme der Abgase für die Reformierreaktion ausgenutzt wild.

Ferner sind Wärmetauscher, wie Gleichstromwärmeaustauscher oder Gegenstromwärmeaustauscher, an sich bekannt, mittels denen Wärme von einem wärmeren auf ein kälteres Medium im Gleichstrom oder Gegenstrom übertragen wird. Ein solcher Wärmeaustauscher könnte daher bei der eingangs genannten Vorrichtung zum Vorwärmen von Methanol genutzt werden, bevor es in Berührung mit dem Katalysator in der Reaktionskammer des Reaktors zum Reformieren von wahlweise mit Wasser vermischtem Methanol in einen gasförmigen Brennstoff gelangt.

Bei einer solchen Auslegung der Vorrichtung der gattungsgemäßen Art ist aber eine platzsparende Unterbringung eines solchen Reaktors in Verbindung mit einer üblichen Verbrennungseinrichtung unmöglich und es ergeben sich auch Schwierigkeiten hinsichtlich der effektiven Nutzung der Wärme der Verbrennungsgase für die Reformierreaktion im Reaktor zum Reformieren von wahlweise mit Wasser vermischtem Methanol in einen gasförmigen Brennstoff.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art platzsparend auszulegen und eine effektive Wärmeaustauschwirkung zwischen den von der Verbrennungseinrichtung kommenden Verbrennungsgasen und dem Reaktor zum Reformieren von Methanol in einen gasförmigen Brennstoff zu gewährleisten.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs gelöst

Da bei der Erfindung die beiden Rohre, zwischen denen sieh der Zwischenraum als Reaktionskammer des Reaktors befindet, koaxial angeordnet sind, läßt sich der Reaktor mit kleinen Längsubmessungen auslegen. Ferner enthält erfindungsgemäß der Zwischenraum auch ein die Wärmeleitung förderndes Material, und

ίο zwar in Mathanolströmungsrichtung durch den Zwischenraum als Reaktionskammer des Reaktors vor dem Katalysator für die Zersetzungsreaktion von Methanol, so daß das Methanol vor der Berührung mit dem Katalysator durch den Wärmeaustausch vom inneren zum äußeren Rohr wirksam aufgewärmt wird und daher die Zersetzungsreaktion im Katalysator unter günstigen Bedingungen ablaufen karn. Gleichzeitig wird bei der erfindungsgemäßen Auslegung auch der Katalysator durch den Wärmeaustausch vom inneren zum äußeren Rohr des Reaktors vorgewärmt, so daß auch der Katalysator effektiv die Zersetzungsreaktion fördert Die erfindungsgemäß vorgesehene Vereinigung eines Gegenstromwärmeaustauschers mit einem einen Katalysator zur Zersetzung von Methanol enthaltenden Reaktor wird dadurch erreicht daß man bei der Erfindung nur ein Aggregat mit dem Brennstoffeinlaß und dem Brennstoffauslaß der Verbrennungseinrichtung zu verbinden braucht wodurch sich sowohl die Montage als auch der Einbau einer solchen Vorrichtung wesentlich erleichtern, so daß sich diese Vorrichtung auch bei gedrängten Platzverhältnissen, wie bei einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine, ohne Schwierigkeiten sogar nachträglich noch einbauen läßt Zur Trennung der Zonen für den Katalysator und das die Wärmeleitung fördernde Material für die Aufwärmung des zu zersetzenden Methanols und den als Rekationskammer dienenden Zwischenraum zwischen den beiden Rohren ist ferner eine Lochplatte eingesetzt, mit der gleichzeitig eine zusätzliche Innenversteifung für den Reaktor erreicht wird, so daß für den Wärmeaustausch günstigere dünnwandige Rohre beim Reaktor verwendet werden können. Somit gewährleistet diese Vorrichtung trotz einer gedrängten Bauweise eine effektive Nutzung der Wärme der von der Verbrennungseinrichtungen kommenden Verbrennungsgase zur Unterstützung und Aufrechterhaltung der Zersetzungsreaktion im Reaktor zum Reformieren von Methanol in einen gasförmigen Breiinstoff.

Die Erfindung wird nachstehend an Beispielen unter

so Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung mit

einem Reaktor zum Reformieren von Methanol in Verbindung mit einer Verbrennungseinrichtung,

F i g. 2 eine Seitenansicht des Reaktors in F i g. 1 in Teilschnittdarstellung,

F i g. 3 und 4 weitere Ausbildungsformen eines Reaktors zum Reformieren von Methanol,

F i g. 5 eine schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine als Verbrennungseinrichtung in Verbindung mit einem Reaktor zum Reformieren von Methanol nach den F i g. 2 oder 3 und

P i g. 6 bis 9 schematische Ansichten von weiteren Auslegungsformen von Verbrennungseinrichtungen in Verbindung mit einem Reaktor zum Reformieren von Methanol.

In Fig. 1 ist mit 10 eine Verbrennungseinrichtung zum Verbrennen eines gasförmigen Brennstoffs bezeichnet, der von einem Reaktor 12 zum Reformieren

von wahlweise mit Wasser vermischtem Methanol in den gasförmigen Brennstoff kommt Der Reaktor 12 enthält einen Katalysator und arbeitet als Wärmeaustauscher. Das Methanol oder ein Gemisch von Methanol und Wasser wird von einem Methanol-Vorratsbehälter 14 dem Reaktor 12 zugeführt. Das reformierte, durch katalytische Zersetzung von Methanol gewonnene Gas gelangt vom Reaktor 12 zur Verbrennungseinrichtung 10, die Lufteinlaßelemente hat und während ihres Betriebs das reformierte Gas verbrennt

Das von der Verbrennungseinrichtung 10 abgegebene Verbrennungsgas wird in den Reaktor 12 eingeleitet um seine Wärme infolge von Wärmeaustausch ohne unmittelbaren Kontakt mit dem Katalysator oder dem Methanol an diese abzugeben. Auch läßt sich ein Wärmeaustauscher 15 zwischen dem Methanol-Vorratsbehäker 14 und dem Reaktor 12 vorsehen, um das Methanol bereits vor seinem Eintritt in den Reaktor 12 durch Verwendung eines Teils des Verbrennungsgases zu erwärmen und zu verdampfen. Üblicherweise weist die Verbrennungseinrichtung 10 eine Starteinrichtung für die Aufwärmphase auf, die arbeitet, bis die Temperatur im Reaktor 12 durch das Verbrennungsgas ausreichend angestiegen ist

Gemäß F i g. 2 weist der Reaktor 12 ein inneres Rohr 16 aus einem hitzebeständigen wärmeleitenden Material und ein äußeres Rohr 18 auf, das koaxial zum inneren Rohr 16 angeordnet und an diesem befestigt ist sowie fast die gesamte Länge des inneren Rohrs 16 einschließt. Das äußere Rohr 18 ist im Querschnitt größer als das innere Rohr 16, so daß sich ein Zwischenraum 20 als Reaktionskammer zwischen den zwei Rohren 16 und 18 über die ganze Länge des Rohres 18 bildet. Die zwei Rohre 16 und 18 weisen im allgemeinen einen kreisrunden Querschnitt auf, lassen sich aber erforderlichenfalls auch anders ausbilden. Das Innere 22 des inneren Rohres 16 bildet den Verbrennungsdurchgang.

Durch der Zwischenraum 20 geht das Methanol durch und reagiert mit einem Katalysator 24 für die Zersetzung von Methanol, der in den Zwischenraum 20 eingefüllt ist. Als Katalysator 24 hierfür kommt bekanntermaßen Pt, CuO. ZnO, NiO und Cr₂O₃ in Betracht Der Katalysator 24 liegt in Form eines Granulats oder von Pellets aus e'ner katalytischen Substanz vor.

Alternativ läßt sich als Katalysator 24 auch ein Träger aus einer gesinterten Metallstruktur, einer porösen Keramikstruktur oder einer Honigwabenstruktur aus Aluminium mit einem Überzug oder einer Imprägnierung aus einer katalytischen Substanz verwenden. Ein Teil des Zwischenraums 20 enthält ein die Wärmeleitung förderndes Material 26. wie ein versponnenes faserförmiges Material, etwa Drahtgewebe, Metallfaser. Asbestfaser oder Kohlenstoffaser. Zwischen den zwei Rohren 16 und 18 ist als Trennwand zwischen dem Katalysator 24 und dem die Wärmeleitung fördernden Material 26 eine Lochplatte 28 eingesetzt. An dem einen Ende des äußeren Rohrs 18 ist ein Methanoleinlaß 30 so angeordnet, daß das Methanol zuerst durch das die Wärmeleitung fördernde Material 26 hindurchgeht, bevor es mit dem Katalysator 24 in Berührung kommt. Am anderen Ende des äußeren Rohres 18 ist ein Gasauslaß 32 für das reformierte Gas vorgesehen, über den das reformierte Gas in die Verbrennungseinrichtung 10 strömt. Das inne-ε Rohr 16 ist mit seinem einen f-lanschende ί6a. das auf derselben Seite wie der Auslaß 32 für das reformierte Gas angeordnet ist, mit einer Leitung 36 verbunden, die die von der Verbrennungseinrichtung 10 kommende Verbrennungsgasieitung darstellt Zweckmäßigerweise ist die Außenseite und/oder die Innenseite des äußeren Rohrs 18 (in F i g. 2 ist nur die Außenseite dargestellt) mit einer wärmeisolierenden Schicht 34 überzogen.

Während des Betriebs wird das Methanol oder ein Gemisch aus Methanol und Wasser über den Methanoleinlaß 30 in den Zwischenraum 20 eingeleitet und das Verbrennungsgas strömt durch das Innere 22 des inneren Rohrs 16 vom offenen Ende 16a zum gegenüberliegenden Ende 166. Dabei wird das Methanol durch die Wärmeübertragung vom Verbrennungsgas durch die Wand des inneren Rohrs 16, während es durch die Zwischenräume des die Wärmeleitung fördernden Materials 26 geht erwärmt und verdampft Die Wärme des Verbrennungsgases wird auch auf den Katalysator 24 übertragen. Das Methanol in Dampfform hat eina Temperatur von etwa 200° C, wenn es mit dem Katalysator 24 in Berührung ommt Deshalb unterliegt der Methanoidampf sofort der sndothermen Zersetzungsreaktion mit dem Katalysator 24. Das Zersetzungsprodukt d. h. das reformierte Gas, tritt über den Auslaß 32 zur Verbrennungseinrichtung 10 aus. Die Zusammensetzung des reformierten Gases, d.h. die prozentualen Mengen von H2, CO und/oder CO2, läßt sich durch Veränderung der Menge des dem Methanol anfangs zugeführten Wassers variieren.

Die wärmeisolierende Schicht 34 unterdrückt die Wärmeabstrahlung vom äußeren Rohr 18 und trägt zu einer wirkungsvollen Ausnutzung der Wärme des Verbrennungsgases bei.

Das die Wärmeleitung fördernde Material 26 ist im vom Methanol durchströmten Zwischenraum 20 so angeordnet, daß das Methanol vor seinem Eintritt in die Zone mit dem Katalysator 24 zuverlässig verdampft ist.

Das innere Rohr 16 besteht aus einem Material mit

gutem Wärmeleitvermögen. Um einen wirkungs/ollen Wärmeübergang vom Verbrennungsgas zum Zwischenraum 20 zu gewährleisten, läßt sich das innere Rohr 16 gewellt oder gewunden ausbilden. Nach Fig.3 ist im Reaktor 12Λ ein wie ein Faltenbalg rundherum gewelltes Rohr 16/4 als inneres Rohr vorgesehen. Die Wellungen oder Windungen des inneren Rohrs 16 bringen eine Vergrößerung der Wärmeübertragungsoberfläche pro Längeneinheit mit sich und erzeugen außerdem eine turbulente Strömung des Verbrennungsgases im inneren Rohr 16Λ.

Auch läßt sich der Reaktor 12 insgesamt in Form eines gekrümmten oder gewundene "Ohrs ausbilden. Der Reaktor 12Bin Fig.4 hat eine Spiralform. Dieser Reaktor 125 ist zwar schwieriger herzustellen, weist ab:r andererseits entsprechend seiner vergrößerten Wärmeübertragungsfläche einen verbesserten Reformierungswirkungsgi ad auf als der mit glatten Flächen ausgebildete Reaktor 12 in Fi g. 2, wenn beide Reaktoren 12ß und 12 nahezu das gleiche Volumen haben.

In F i g. 5 ist als Verbrennungseinrichtung 10 eine Brennkraftmaschine 40 gezeigt. Die Brennkraftmaschine 40 ist eine übliche Mehrkammer-Brennkraftrr.aschine (in F i g. 5 ist eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine dargestellt), die mit Benzin oder Diesel als Kraftstoff betrieben ist. Die Brennkraftmaschine ist als Hubkolben-Brennkraftmaschine oder als Rotationskolben-Brennkraftmaschine ausgebildet. Die vier Brennkammern (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine 40 sind

jeweils mit einem gesonderten Auspuffkanal 42 versehen. Vier Reaktoren 12 sind an der Brennkraftmaschine 40 so angeordnet, daß die inneren Rohre 16 der vier Reaktoren 12 mit jeweils ihrem einen Ende (1.6a in F i g. 2) mit den vier Auspuffkanälen 42 verbunden sind. An ihren anderen Enden (16f> in F i g. 2) sind die inneren Rohre 16 der vier Reaktoren 12 alle zusammen mit einer Auspuffleitung 44 verbunden. Eine Methanolzuführungsleitung, die einen Methanol-Vorratsbehälter 46 mit dem Reaktor 12 verbindet, enthält eine Methanolpumpe 48, ein Druckregelventil 50 und eine Leitung 52, an die die Methanoleinlässe 30 der vier Reaktoren 12 angeschlossen sind. Die Gasauslässe 32 der vier Reaktoren 12 sind mit einer Zuführungsleitung 54 der Brennkraftmaschine 40 verbunden. Das aus den Reaktoren 12 ausströmende reformierte Gas wird zusammen mit Luft in die Brennkammern der Brennkraftmaschine 40 geleitet.

Dank der kompakten Auslegung der Reaktoren 12, die jeweils an den gesonderten Auspuffkanälen 42 angebracht sind, läßt sich eine raumsparende Auslegung der Brennkraftmaschine 40 erreichen, die auch für Fahrzeuge geeignet ist, wobei das Abgas der Brennkraftmaschine 40 zur Aufwärmung der Reaktoren 12 ausreicht. Auch braucht die Brennkraftmaschine als solche nicht nennenswert abgeändert zu werden.

Fig.6 zeigt den Reaktor 12 bei einem Gasturbinenmotor 55. Der Reaktor 12 ist so angeordnet, daß sein inneres Rohr 16 ein Teil des Auspuffkanal 36 einer Leistungsturbine 56 des Gasiurbinenmotors 55 bildet. Der Gasauslaß 32 des Reaktors 12 ist mit einem Brenner 58 des Gasturbinenmotors 55 verbunden. Der Auspuffkanal 36 enthält einen Wärmeaustauscher 60 mit indirektem Wärmeaustausch an einer Stelle unterhalb des Reaktors 12. Eine Verdichtungsturbine 62 ist mit dem Brenner 58 über den Wärmeaustauscher 60 verbunden, so daß die verdichtete Luft durch das Auspuffgas in den Wärmeaustauscher 60 vor ihrer Einführung in den Brenner 58 vorerwärmt wird. Der Methanoleinlaß 30 zum Zwischenraum 20 des Reaktors 12 ist über eine Pumpe 48 mit dem Methanol-Vorratsbehälter 46 verbunden.

Das reformierte Gas wird in der bereits beschriebenen Weise gebildet und dem Brenner 58 zugeführt. Das in diesem Brenner 58 erzeugte Verbrennungsgas strömt zusammen mit Sekundärluft in die Leistungsturbine 56 und unterliegt einer adiabatan Expansion, um die Leistungsturbine 56 anzutreiben. Danach wird das Verbrennungsgas durch den Auspuffkanal 36 geleitet, um Wärme an das Methanol und die Luft abzugeben.

Die Verdichtungsturbine 62 wird durch die Leistungsturbine 56, mit Ausnahme der Anlaßphase, angetrieben. Fig. 7 zeigt die Anwendung des Reaktors 12 bei einem Dampfkessel 64 in einer thermoelektrischen Kraftanlage. Der Reaktor 12 ist dabei so angeordnet, daß sein inneres Rohr 16 teilweise ein Feuerrohr 68 des Dampfkessels 64 bildet. Der Schornstein ist mit 70 bezeichnet. Der Gasauslaß des Reaktors 12 ist mit dem Brennstoff-Lufteinlaß des Dampfkessels 64 verbunden.

ίο Das Methanol wird mit Hilfe der Pumpe 48 aus dem Methanol-Vorratsbehälter 46 zum Einlaß 30 des Reaktors 12 geleitet.

Das reformierte Gas wird in dem Dampfkessel 64 verbrannt und verdampft dabei das durch das Wasserrohr 66 fließende Wasser. Gewöhnlich wird der erzeugte überhitzte Dampf dazu verwendet, eine Turbine 72 anzutreiben, die mit einem Generator 74 gekuppelt ist. Das Verbrennungsgas überträgt seine Wärme an das Methanol in den Rcakior 12, bevor es in die Außenluft abgeleitet wird.

Die Verbrennungseinrichtung 10 nach F i g. 1 läßt sich nicht nur bei Anlagen zur Gewinnung von mechanischer oder elektrischer Energie, sondern nach F i g. 8 auch bei einer Feuerungsanlage 76 zum Verbrennen von Abfall mit Hilfe des reformierten Gases verwenden. Der Reaktor 12 ist über einer Verbrennungskammer 78 der Feueranlage 76 so angeordnet, daß sein inneres Rohr 16,4 avj unterer Teil eines im wesentlichen vertikal angeordneten Kamins 80 der Feuerungsanlage 76 dient.

Das Methanol wird durch die Pumpe 48 aus dem Methanol-Vorratsbehälter 46 zum Einlaß 30 geleitet. Der Einlaß 30 für das Methanol zum Zwischenraum 20 ist daher am oberen Ende des Reaktors 12 angeordnet und der Auslaß nahe dem unteren Ende. Das reformierte Gas wird einem Gasbrenner 78a der Verbrennungskammer 78 zugeführt. Dabei wird auch Luft in den Gasbrenner 78a eingeführt. Die durch die Verbrennung des reformierten Gases erzeugte Wärme wird zur Verbrennung des Abfalls in der Feuerungsanla-

ge 76 genutzt, so daß eine nahezu vollständige Verbrennung des Abfalls erreicht wird.

In Fig.9 bildet der Reaktor 12 einen Teil einer Haus-Heizungsanlage. Das reformierte Gas wird dabei in einer Verbrennungskammer 84 verbrannt. Das Verbrennungsgas strömt durch den Innenraum des inneren Rohrs 16a und wird dann durch einen Heißgaskanal 88 zu einem Radiator 86 geleitet, wobei das innere Rohr 16A einen senkrechten Abschnitt des Heißgaskanals 88 bildet.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Vorrichtung mit einem Reaktor zum Reformieren von wahlweise mit Wasser vermischtem Methanol in einen gasförmigen Brennstoff, der als größeren Bestandteil Wasserstoffgas enthält, in Verbindung mit einer Verbrennungseinrichtung zum Verbrennen des vom Reaktor kommenden Brennstoffes, wobei der Reaktor als Reaktionskammer zum Reformieren von Methanol einen Zwischenraum zwischen zwei Rohren aufweist, der einen Katalysator enthält, der durch ein von der Verbrennungseinrichtung kommendes und durch das innere und wärmeleitfähige Rohr die beiden Rohre des Reaktors geleitetes Verbrennungsgas erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Rohre (16, 18) koaxial angeordnet sind, der Zwischenraum (20) ein vom Methanol vor seiner Berührung mit dem Katalysator (24) durchströmtes und die Wärmeleitung förderndes Material (26) aus einem versponnenen faserigen Material enthält und im Zwischenraum (20) eine Lochplatte (28) als Trennwand zwischen dem Katalysator (24) und dem die Wärmeleitung fördernden Material (26) eingesetzt ist