EP3513121A1 - Verfahren und verbrennungsofen zur umsetzung von wasserstoff und luftsauerstoff zu wasser oder von hho-gas zu wasser - Google Patents

Verfahren und verbrennungsofen zur umsetzung von wasserstoff und luftsauerstoff zu wasser oder von hho-gas zu wasser

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EP3513121A1
EP3513121A1 EP17787099.5A EP17787099A EP3513121A1 EP 3513121 A1 EP3513121 A1 EP 3513121A1 EP 17787099 A EP17787099 A EP 17787099A EP 3513121 A1 EP3513121 A1 EP 3513121A1
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EP
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combustion
water
gas
hydrogen
combustion chamber
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EP17787099.5A
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EP3513121B1 (de
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Janet-Susan Schulze
Dieter Schulze
Renate Hamel von der Lieth
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Individual
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C13/00—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material
    • F23C13/08—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material characterised by the catalytic material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C13/00—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material
    • F23C13/06—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material in which non-catalytic combustion takes place in addition to catalytic combustion, e.g. downstream of a catalytic element
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/9901—Combustion process using hydrogen, hydrogen peroxide water or brown gas as fuel

Definitions

  • the invention relates to a process for the reaction of hydrogen and
  • Atmospheric oxygen to water or H HO gas to water in a combustion furnace the combustion chamber of a cooling jacket in which a
  • Heat transfer fluid is circulated, is surrounded. Furthermore, the invention relates to a combustion furnace for the conversion of hydrogen and oxygen to water or H HO gas to water with a combustion chamber with at least one gas supply line with outlet nozzle, through which the gas to be burned is supplied, and a cooling jacket enclosing the combustion chamber with a circulating therein heat transfer fluid.
  • HHO gas means a mixture of hydrogen and oxygen exactly in the atomic one
  • Hydrogen (H 2 ) was and is mainly used in the chemical and petroleum industry for the reduction of chemical compounds, for the hydrogenation of unsaturated hydrocarbons, for the production of high-quality gasoline and others. More recently, the production of hydrogen (H 2 ) and its
  • Hydrogen (H 2 ) can thus be generated ecologically from water (H 2 0) by means of electrical energy by electrolysis.
  • the thus obtained hydrogen (H 2) can on the one hand as a chemical energy storage whose energy in case of need by reaction with atmospheric oxygen (0 2 ) to water (H 2 0) with
  • H 2 incinerators from the company Xerion Advanced Heating GmbH, which contain graphite elements in the reactor chamber, which serve to heat the combustion reaction electronically. These furnaces are used for the production of special steels and ceramics as well
  • thermolysis of the water (H 2 0) is achieved by injecting water (H 2 0) under pressure on a hollow body which has been heated by previous chemical reactions to about 2000 - 3000 ° C.
  • the object of the invention is to hydrogen (H 2 ) and atmospheric oxygen (0 2 ) or HHO gas without application of a Wrbel Anlagen method at
  • the object is achieved according to the device in a
  • Combustion furnace with a combustion chamber with at least one Gas supply line with outlet nozzle, through which the gas to be burned is supplied, wherein in the combustion chamber metal oxide earths as
  • Catalyst are arranged.
  • An air supply line with an auxiliary nozzle is provided in the combustion chamber, which immediately adjacent to the outlet nozzle for the gases to be burned hydrogen and oxygen or H HO gas in
  • Combustion chamber is arranged, so that the gases to be burned directly air can be added to keep the combustion temperature in the desired range. Since, as already explained above, the max.
  • this combustion reaction can be carried out in a combustion furnace, for example made of stainless steel, suitable for hydrogen embrittlement, for example
  • Melting temperature of the steel material for example, held 1400 ° C.
  • ceramic components which have a higher temperature resistance can also be contained in the incinerator.
  • the gas to be burned, at least hydrogen and oxygen in the mixture are injected and ignited via a gas supply line with outlet nozzle in the combustion chamber of the incinerator.
  • the metal-oxide-containing earths are preferably pulverulent and / or coarse-grained (coarsely crystalline).
  • the effective surface area of the catalyst which comes into contact with the combustion gases is correspondingly large.
  • the influence of the catalyst on the combustion reaction can be controlled.
  • the combustion temperature in a range of preferably 1800 ° C to max. 2600 ° C are controlled.
  • the control of the position of the outlet nozzle (combustion nozzle in the combustion chamber) by an outwardly reaching mechanism, with the efficiency of the reaction heat and the heat transfer to the cooling jacket can be optimized.
  • the metal oxide-containing earths are mixed with water in a mass ratio of up to 33% of the metal oxide-containing earth mass in order to further improve the catalytic effect of the metal-oxide-containing earths.
  • Combustion temperature resisting base plate in the center of the
  • Combustion furnace are arranged, the acting as a catalyst metal oxide earths can be provided in the center of the incinerator without a direct influence on the kiln outer walls and thus there might arise thermal overload.
  • Incinerator injected.
  • distilled, deionized water or seawater is used.
  • Incinerator returned. It has been shown that at one Throughput of combustion gas of 1000 to 5000 l / h, a water injection up to 1, 5 l / h is particularly preferred.
  • the combustion gas is mixed with hydrogen and atmospheric oxygen or the H HO gas in addition to air with gaseous nitrogen or gaseous carbon dioxide.
  • These additional gaseous substances are preferably arranged via a separate auxiliary nozzle immediately adjacent to the outlet nozzle for the gases to be combusted hydrogen and oxygen or H HO gas in the combustion chamber. That the combustion chamber at a gas flow rate of 1000 to 5000 l / h, a volume of 4 to 25 I, preferably 6 to 12 I and more preferably 8 I, is provided for the preferred gas flow from a volume ideal combustion chamber.
  • the combustion chamber may be cubic or spherical. A particularly preferred
  • Combustion chamber has internal dimensions of 200 x 200 x 200 mm 3 , ie 8 I in cubic form.
  • the thermal energy yield is controlled to significantly exceed the energy of the H HO gas water-forming reaction because the combustion process thus proceeds to increase the likelihood of nuclear fusions within the combustion reaction.
  • the combustion temperature can be influenced by the water used for injection.
  • the metal oxide earths in particular when using Al 2 0 3 , gems having a Mohs hardness of 8 to 10
  • gemstones can be produced as a byproduct of the combustion reaction, which can be used, for example, for industrial purposes.
  • alumina Al 2 0 3 as a catalyst for the best possible implementation of the combustion gases hydrogen and oxygen to water at the combustion temperatures of 1800 ° C to max. 2600 ° C preferred.
  • the catalyst is placed in the combustion chamber of the incinerator on the massive base plate, wherein the catalyst hardly consumed in the continuous operation of the incinerator. With appropriate maintenance intervals of several weeks or months then the catalyst can be supplemented or replaced and the resulting gems are removed.
  • the resulting thermal energy can be generated according to the state of the art in different levels and used directly as such specifically for heating and cooling processes or converted by conventional method via turbine and generator into electricity.
  • the efficiency would be at Combined heat and power at approx. 90% without consideration of
  • Fig. 1 shows schematically the structure of a combustion furnace
  • a combustion furnace 1 is shown schematically.
  • Incinerator 1 has a in the illustrated embodiment
  • Incinerator 1 includes a cooling jacket 2 containing a plurality of channels for flow of a heat transfer fluid.
  • the heat transfer fluid is circulated in a circulation system by a pump, not shown here, wherein outside of the incinerator 1, a corresponding heat sink for delivering the thermal energy and further use for heating purposes or to generate electricity is provided.
  • a gas supply line 3 For supplying the gases to be combusted, here hydrogen and oxygen, is a gas supply line 3 with an outlet nozzle 31 within the gases to be combusted, here hydrogen and oxygen, is a gas supply line 3 with an outlet nozzle 31 within the gases to be combusted.
  • Combustion chamber 11 is arranged.
  • Gas supply lines for example, an air supply line 32 with a corresponding auxiliary nozzle 33 in the combustion chamber 11 is arranged. Via the gas supply line 3 is supplied from outside hydrogen and oxygen in a mixed form and under pressure through the outlet nozzle 31 in the Combustion chamber 11 injected. Optionally, as shown schematically in Fig. 2, air via the air supply line 32 and auxiliary nozzle 33 in the
  • Combustion chamber injected. In addition to the supply of air and gaseous C0 2 and / or gaseous nitrogen can be fed into the combustion chamber 1 1.
  • Combustion temperature resisting base plate 5 is provided.
  • Base plate 5 is made of ceramic, for example. On the upper side of the base plate 5, metal-oxide-containing earths 4 are applied as catalyst. Furthermore, an exhaust gas outlet 6 is provided at a suitable location in the combustion chamber 11, through which the "exhaust gases", essentially consisting of water vapor, can escape.
  • Heat transfer fluid in the cooling jacket 2 the temperature of Combustion furnace 1 controlled so that overheating of the wall 10 of the incinerator 1 is avoided.
  • the temperature in the center of the combustion chamber 11 is now up to 1800 ° C to max. Increased to 2600 ° C. At this temperature, the
  • Gems can be used, for example, for industrial applications.
  • the heat recovery efficiency was measured relative to the energy used for the water electrolysis to produce the HHO gas.
  • the degree of control was 98%.
  • the temperature of the exhaust gases directly at the exhaust outlet 6 was about 500 ° C. It is therefore to be assumed that the other wall 10 of the combustion chamber 11 temperatures of little more than 1000 ° C reach. In this case, no measured values could be achieved in the tests carried out so far.
  • Heat energy yield exceeds the energy of the water formation reaction from the gas to be burned.
  • an additional source of energy from the suspected, partial nuclear fusion can be exploited in a relatively simple apparatus and economically feasible method.
  • the desired combustion reaction at temperatures of 1800 ° C to max. 2600 ° C in particular taking into account a possible (cold) nuclear fusion over 2000 ° C is to be maintained.
  • the flame geometry is narrowly limited to the center of the combustion chamber 1 1, in which the
  • Catalyst 4 serving alumina rests on the example ceramic base plate 5.
  • the combustion flame is thereby directly on this Catalyst and thus at most directed to the base plate 5.
  • the walls 10 of the combustion chamber 11 are not touched directly by the flame. Accordingly, it is possible, the wall 10 of the
  • Combustion chamber 11 to maintain temperatures ⁇ 1250 ° C in continuous operation.
  • suitable steels are known in the art.
  • stainless steel can be used with the material no. 1.4438 317 L, which has a melting point of over 1400 ° C and is also resistant to hydrogen embrittlement.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umsetzung von Wasserstoff und Luftsauerstoff zu Wasser oder H HO-Gas zu Wasser in einem Verbrennungsofen (1), wobei der Verbrennungsraum (10) von einem Kühlmantel (2), in dem eine Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert wird, wobei Wasserstoff und Luftsauerstoff oder HHO-Gas in den Verbrennungsofen (1) eingedüst und gezündet wird und in Gegenwart von metalloxidhaltigen Erden (4) bei Temperaturen bis 2600 °C zu entstehendem Reaktionswasser umgesetzt werden, wobei der Verbrennungsofen (1) mit einer Wärmeträgerflüssigkeit gekühlt wird. Ferner betrifft die Erfindung einen Verbrennungsofen (1) zur Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser oder HHO-Gas zu Wasser mit einem Verbrennungsraum (11) mit wenigstens einer Gaszufuhrleitung (3) mit Austrittsdüse (31), durch die das zu verbrennende Gas zugeführt wird, und einem den Verbrennungsraum (11) umschließenden Kühlmantel (2) mit einer darin zirkulierenden Wärmeträgerflüssigkeit, wobei im Verbrennungsraum (11) metalloxidhaltige Erden als Katalysator (4) angeordnet sind.

Description

B E S C H R E I B U N G
Verfahren und Verbrennungsofen zur Umsetzung von Wasserstoff und Luftsauerstoff zu Wasser oder von H HO-Gas zu Wasser
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umsetzung von Wasserstoff und
Luftsauerstoff zu Wasser oder H HO-Gas zu Wasser in einem Verbrennungsofen, wobei der Verbrennungsraum von einem Kühlmantel, in dem eine
Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert wird, umgeben ist. Ferner betrifft die Erfindung einen Verbrennungsofen zur Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser oder H HO-Gas zu Wasser mit einem Verbrennungsraum mit wenigstens einer Gaszufuhrleitung mit Austrittsdüse, durch die das zu verbrennende Gas zugeführt wird, und einem den Verbrennungsraum umschließenden Kühlmantel mit einer darin zirkulierenden Wärmeträgerflüssigkeit. Dabei bedeutet HHO-Gas eine Mischung von Wasserstoff und Sauerstoff genau in dem atomaren
Verhältnis zweimal H zu einmal O, wie es als Reaktionsprodukt bei der
Elektrolyse von Wasser entsteht.
Die Erzeugung und Verwendung von Wasserstoff (H2) hat eine lange Tradition. Wasserstoff (H2) wurde und wird vor allem in der chemischen und Erdöl-Industrie zur Reduktion von chemischen Verbindungen, zur Hydrierung von ungesättigten Kohlenwasserstoffen, Gewinnung von hochwertigem Benzin u.a. verwendet. In neuerer Zeit gewinnt die Herstellung von Wasserstoff (H2) und dessen
Verwendung zusätzlich an Bedeutung im Zusammenhang mit der Nutzung elektrischer Energie aus Wndstrom- und Solarstromanlagen. Wasserstoff (H2) kann damit ökologisch aus Wasser (H20) mittels elektrischer Energie durch Elektrolyse erzeugt werden. Der so gewonnene Wasserstoff (H2) kann einerseits als chemischer Energiespeicher, dessen Energie im Bedarfsfall durch Umsetzung mit Luftsauerstoff (02) zu Wasser (H20) mit
angeschlossener Stromgewinnung abgerufen und benutzt werden oder andererseits in Gasleitungen den Verbrauchern zugeführt werden. Dabei ist die Verbrennung des Wasserstoffs (H2) mit Luftsauerstoff (02) sowie die Umsetzung von HHO-Gas aus der Wasser-Elektrolyse insofern mit
Problemen behaftet, dass die Reaktionswärme der Wasser-Bildungs-Reaktion aus Wasserstoff (H2) sowie aus HHO-Gas sehr hoch ist, was zu Materialschäden in den Verbrennungsöfen bzw. bei Absenkung der Verbrennungstemperaturen zur Unterbrechung der Verbrennungsreaktion und zur Absenkung des
energetischen Wrkungsgrades führen kann.
Während bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen Reaktionstemperaturen, die materialtechnisch sowohl das Ofenmaterial selbst als auch die in der Regel im Inneren der Öfen liegenden Wärmetauscher-Rohrbündel aus Stahl belasten, von ca. 900 bis 1300 °C erreicht und beherrscht werden, ergibt sich bei der Verbrennung von Wasserstoff (H2 ) mit Sauerstoff (02) als auch bei der
Verbrennung von HHO-Gas ein anderes Bild.
Bekannt sind auch die H2 -Verbrennungsöfen der Fa. Xerion Advanced Heating GmbH, die im Reaktorraum Graphitelemente enthalten, die dazu dienen, die Verbrennungsreaktion elektronisch anheizen zu können. Diese Öfen dienen der Herstellung von speziellen Stählen und Keramiken sowie zu
Forschungszwecken, wobei die Standzeiten der Graphit-Elektroden durch Abbrandreaktionen sehr begrenzt sind.
In DE 20 2013 00541 1 U1 ist die H2 -Verbrennung im Wirbelschicht-Verfahren beschrieben, die der Aufwirbelung von metalloxidhaltigen Substanzen bedarf; hierbei wird der Wirkungsgrad der Wärmegewinnung mit > 80% beschrieben. Bekannt ist auch die Eigenschaft von Wasserstoff (H2), bei höheren
Temperaturen und Drücken durch Stahl zu diffundieren, was die Handhabung von Wasserstoff (H2) unter solchen Bedingungen erschwert bzw. verhindert.
In DE 10 2006 047222 A1 wird die Verbrennung von Wasserstoff (H2), der durch Thermolyse von Wasser (H20) gewonnen wird, genannt. Die dafür erforderliche Brennervorrichtung wurde nicht näher beschrieben. Ein energetischer
Wrkungsgrad wird nicht angegeben. Die Thermolyse des Wassers (H20) wird durch Einspritzen von Wasser (H20) unter Druck auf einen Hohlkörper, der durch vorherige chemische Reaktionen auf ca. 2000 - 3000 °C erhitzt worden ist, erreicht.
Aufgabe der Erfindung ist es, Wasserstoff (H2) und Luftsauerstoff (02) bzw. HHO-Gas ohne Anwendung eines Wrbelschicht-Verfahrens bei
atmosphärischem Druck mit Wrkungsgraden der Wärmegewinnung > 95% zu Wasser (H20) umzusetzen. Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren zur Umsetzung von Wasserstoff und Luftsauerstoff bzw. HHO-Gas zu Wasser gemäß Anspruch 1 und einem Verbrennungsofen dafür gemäß Anspruch 10.
Wenn Wasserstoff und Luftsauerstoff oder HHO-Gas in den Verbrennungsofen eingedüst und gezündet wird und in Gegenwart von metalloxidhaltigen Erden bei Temperaturen bis 2600 °C zu entstehendem Reaktionswasser umgesetzt werden, wobei der Wasserstoff und Luftsauerstoff oder das HHO-Gas mit Luft vermischt wird, kann eine effiziente und dauerhafte Verbrennung der Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff (oder HHO-Gas entstanden aus Elektrolyse von Wasser) mit einer hohen Wärmeenergieausbeute erreicht werden. Die
Temperaturen bis 2600 °C treten unmittelbar im Reaktionsbereich an den metalloxidhaltigen Erden auf.
Entsprechend wird die Aufgabe vorrichtungsgemäß gelöst in einem
Verbrennungsofen mit einem Verbrennungsraum mit wenigstens einer Gaszufuhrleitung mit Austrittsdüse, durch die das zu verbrennende Gas zugeführt wird, wobei im Verbrennungsraum metalloxidhaltige Erden als
Katalysator angeordnet sind. Eine Luftzufuhrleitung mit einer Hilfsdüse ist im Verbrennungsraum vorgesehen, die unmittelbar neben der Austrittsdüse für die zu verbrennenden Gase Wasserstoff und Sauerstoff bzw. H HO-Gas im
Verbrennungsraum angeordnet ist, womit den zu verbrennenden Gasen direkt Luft zugemischt werden kann, um die Verbrennungstemperatur im gewünschten Bereich zu halten. Da, wie bereits vorangehend erläutert, die max.
Reaktionstemperatur von bis zu 2600 °C nur im Bereich des Katalysators (metalloxidhaltige Erden) auftritt, kann diese Verbrennungsreaktion in einem Verbrennungsofen durchgeführt werden, der beispielsweise aus Edelstahl, geeignet gegen Wasserstoff-Versprödung, beispielsweise der
Werkstoff Nr. 1.4438 317 L oder anderen geeigneten Stählen durchgeführt werden. Der bei solchen Verbrennungsräumen üblicherweise vorgesehene umschließende Kühlmantel wird dabei durch das darin zirkulierende
Wärmeträgermedium auf einer Temperatur deutlich unterhalb der
Schmelztemperatur des Stahl Werkstoffs von beispielsweise 1400 °C gehalten. Daneben können in dem Verbrennungsofen auch keramische Bestandteile enthalten sein, die eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweisen. Das zu verbrennende Gas, zumindest Wasserstoff und Sauerstoff im Gemisch, werden über eine Gaszufuhrleitung mit Austrittsdüse in den Verbrennungsraum des Verbrennungsofens eingedüst und entzündet.
Um eine ausreichende Reaktionsmasse einerseits und andererseits eine nicht zu große, nicht mehr beherrschbare Reaktion hervorzurufen, werden bei der Verbrennung 1000 bis 5000 l/h Wasserstoff und Luftsauerstoff oder HHO-Gas und 200 bis 5000 l/h Luft zugeführt.
Wenn die Verbrennungsflamme direkt auf die metalloxidhaltigen Erden gerichtet wird, wird der intensive Kontakt der Verbrennungsgase mit dem als Katalysator wirkenden metalloxidhaltigen Erden erreicht. Dabei sind die metalloxidhaltigen Erden bevorzugt pulverförmig und/oder grobkörnig strukturiert (grob kristallin). Entsprechend groß ist die wirksame Oberfläche des Katalysators, der mit den Verbrennungsgasen in Kontakt tritt.
Wenn der Abstand des Eindüsungspunktes der Gaszufuhr zu den
metalloxidhaltigen Erden zur Steuerung des Verbrennungsprozesses verändert wird, kann der Einfluss des Katalysators auf die Verbrennungsreaktion gesteuert werden. Unter anderem kann mit dieser Verstellbarkeit der Austrittsdüse zur Gaszufuhr relativ zu den im Verbrennungsraum abgelegten metalloxidhaltigen Erden die Verbrennungstemperatur in einem Bereich von vorzugsweise 1800 °C bis max. 2600 °C gesteuert werden. Dabei erfolgt die Steuerung der Position der Austrittsdüse (Verbrennungsdüse im Verbrennungsraum) durch eine nach außen reichende Mechanik, mit der der Wirkungsgrad der Reaktionswärme und der Wärmeübertragung an den Kühlmantel optimiert werden kann.
Ferner sind die metalloxidhaltigen Erden mit Wasser in einem Massenverhältnis bis zu 33 % der metalloxidhaltigen Erden-Masse gemischt, um die katalytische Wrkung der metalloxidhaltigen Erden weiter zu verbessern.
Wenn die metalloxidhaltigen Erden auf einer massiven, die
Verbrennungstemperatur widerstehenden Grundplatte im Zentrum des
Verbrennungsofens angeordnet sind, können die als Katalysator wirkenden metalloxidhaltigen Erden im Zentrum des Verbrennungsofens bereitgestellt werden, ohne dass eine unmittelbare Beeinflussung der Brennofenaußenwände und damit eine dort evtl. entstehende thermische Überlastung entstehen könnte.
Als weiteres Mittel zur Steuerung der Verbrennungstemperatur auf 1800 °C bis max. 2600 °C zur Erzielung einer optimalen Wärmegewinnung im Kühlmantel des Verbrennungsofens wird Wasser während der Verbrennung in den
Verbrennungsofen eingespritzt. Bevorzugt wird destilliertes, entionisiertes Wasser oder auch Meerwasser verwendet. Alternativ wird ein Teil des entstandenen Reaktionswassers während der Verbrennung in den
Verbrennungsofen zurückgeführt. Dabei hat sich gezeigt, dass bei einem Durchsatz von Verbrennungsgas von 1000 bis 5000 l/h eine Wassereinspritzung bis zu 1 ,5 l/h besonders bevorzugt ist.
Weiter kann zur Steuerung der Verbrennung und damit auch der
Verbrennungstemperatur das Verbrennungsgas Wasserstoff und Luftsauerstoff oder das H HO-Gas neben Luft mit gasförmigem Stickstoff oder gasförmigen Kohlendioxid vermischt werden. Diese zusätzlichen gasförmigen Stoffe werden bevorzugt über eine gesonderte Hilfsdüse unmittelbar neben der Austrittsdüse für die zu verbrennenden Gase Wasserstoff und Sauerstoff bzw. H HO-Gas im Verbrennungsraum angeordnet. Dass der Verbrennungsraum bei einem Gasdurchsatz von 1000 bis 5000 l/h ein Volumen von 4 bis 25 I, bevorzugt 6 bis 12 I und besonders bevorzugt 8 I aufweist, wird für den bevorzugten Gasdurchsatz ein vom Volumen her idealer Verbrennungsraum bereitgestellt. Beispielsweise kann der Verbrennungsraum kubisch oder kugelförmig ausgebildet sein. Ein besonders bevorzugter
Verbrennungsraum weist Innenmaße von 200 x 200 x 200 mm3, also 8 I in kubischer Ausprägung auf.
Dadurch, dass das Verfahren so gesteuert wird, dass der im Reaktionswasser natürlich vorkommende Deuterium-Gehalt im Verlaufe des Verfahrens bei Reaktionstemperaturen über 2000 °C abnimmt, wird vermutlich erreicht, dass bei der Verbrennung neben der chemischen Reaktion eine partielle Kernreaktion abläuft, da möglicherweise eine Kernfusion von Deuterium unter erheblicher Energieabgabe innerhalb der Verbrennungsreaktion auftritt.
Entsprechend wird der Wärmeenergieertrag so gesteuert, dass er die Energie der Wasserbildungsreaktion aus H HO-Gas deutlich übersteigt, da somit das Verbrennungsverfahren so abläuft, dass die Wahrscheinlichkeit von Kernfusionen innerhalb der Verbrennungsreaktion zunimmt.
Um ein zu starkes Absinken des Deuterium-Gehalts zu vermeiden, ist es bevorzugt frisches Wasser statt Reaktionswasser in den Verbrennungsprozess einzuspritzen. Damit wird erreicht, dass der Deuterium-Gehalt für eine
gleichbleibend hohe Energieausbeute im Wesentlichen stabil gehalten wird. Beim Einspritzen von Meerwasser kann der Deuterium-Gehalt sogar leicht gesteigert werden. Somit kann über das zur Einspritzung verwendete Wasser auch die Verbrennungstemperatur beeinflusst werden.
Wenn bei der Verbrennungsreaktion die metalloxidhaltigen Erden, insbesondere bei Verwendung von Al203, Edelsteine mit einer Mohshärte von 8 bis 10 entstehen, können als Nebenprodukt der Verbrennungsreaktion Edelsteine hergestellt werden, die beispielsweise für industrielle Zwecke verwertet werden können. Insgesamt ist die Verwendung von Aluminiumoxid Al203 als Katalysator für eine möglichst optimale Umsetzung der Verbrennungsgase Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser bei den Verbrennungstemperaturen von 1800 °C bis max. 2600 °C bevorzugt. Der Katalysator wird dabei in den Verbrennungsraum des Verbrennungsofens auf der massiven Grundplatte aufgelegt, wobei sich der Katalysator im kontinuierlichen Betrieb des Verbrennungsofens kaum verbraucht. Bei entsprechenden Wartungsinterwallen von mehreren Wochen oder Monaten kann dann der Katalysator ergänzt oder ausgetauscht sowie die entstandenen Edelsteine entnommen werden.
Mit dem Anmeldungsgegenstand ist es somit möglich, einen sehr hohen
Wrkungsgrad der Wärmegewinnung im Wärmeträgerflüssigkeitskreislauf von > 95 % bezogen auf die Energie zur Erzeugung von Wasserstoff bei der Wasser- Elektrolyse zu erreichen. Dies scheint insbesondere durch die Kombination von Wärmeleitung und Wärmestrahlung möglich zu sein. Dabei wird der hohe Wrkungsgrad der Wärmegewinnung durch ein Verbrennungsverfahren ohne Wrbelschicht erreicht.
Die anfallende thermische Energie kann entsprechend dem Stand der Technik in verschieden hohen Niveaus erzeugt werden und direkt als solche spezifisch für Heiz- und Kühlprozesse genutzt oder nach klassischem Verfahren über Turbine und Generator in Strom umgewandelt werden. Somit läge der Wirkungsgrad bei Kraftwärmekopplung bei ca. 90 % ohne Berücksichtigung von
Elektrolyseverlusten, die bei der Zerlegung von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff auftreten.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der
beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben.
Darin zeigt:
Fig. 1 schematisch den Aufbau eines Verbrennungsofens und
Fig. 2 ein Verfahrensschema der Verbrennungsreaktion.
In Fig. 1 ist ein Verbrennungsofen 1 schematisch dargestellt. Der
Verbrennungsofen 1 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel einen
Verbrennungsraum 1 1 mit einem kubischen Volumen von beispielsweise 200 x 200 x 200 mm3 = 8 I auf. Die kubische Wandung 10 des
Verbrennungsofens 1 enthält einen Kühlmantel 2, der eine Vielzahl von Kanälen zum Durchfluss einer Wärmeträgerflüssigkeit enthält. Die Wärmeträgerflüssigkeit wird in einem Zirkulationssystem von einer hier nicht dargestellten Pumpe zirkuliert, wobei außerhalb des Verbrennungsofens 1 eine entsprechende Wärmesenke zur Abgabe der thermischen Energie und Weiternutzung für Heizzwecke oder zur Stromerzeugung vorzusehen ist. Diese Anlagenteile sind hier in den Fig. 1 und 2 nicht dargestellt. Zum Zuführen der zu verbrennenden Gase, hier Wasserstoff und Sauerstoff, ist eine Gaszufuhrleitung 3 mit einer Austrittsdüse 31 innerhalb des
Verbrennungsraumes 11 angeordnet. Optional sind noch weitere
Gaszufuhrleitungen, beispielsweise eine Luftzufuhrleitung 32 mit einer entsprechenden Hilfsdüse 33 im Verbrennungsraum 11 angeordnet. Über die Gaszufuhrleitung 3 wird von außen Wasserstoff und Sauerstoff in vermischter Form zugeführt und unter Druck durch die Austrittsdüse 31 in den Verbrennungsraum 11 eingedüst. Optional wird, so wie schematisch in Fig. 2 dargestellt, Luft über die Luftzufuhrleitung 32 und Hilfsdüse 33 in den
Verbrennungsraum eingedüst. Neben der Zuführung von Luft kann auch gasförmiges C02 und/oder gasförmiges Stickstoff in den Verbrennungsraum 1 1 zugeführt werden.
Innerhalb des Verbrennungsraumes 1 1 ist im Zentrum eine massive, die
Verbrennungstemperatur widerstehende Grundplatte 5 vorgesehen. Die
Grundplatte 5 besteht beispielsweise aus Keramik. Auf der Oberseite der Grundplatte 5 sind als Katalysator metalloxidhaltige Erden 4 aufgelegt. Ferner ist an geeigneter Stelle im Verbrennungsraum 11 ein Abgasausgang 6 vorgesehen, durch den die„Abgase", im Wesentlichen bestehend aus Wasserdampf, entweichen können.
In einem Versuchsaufbau wurde in einem derartigen Verbrennungsofen 1 ein Wasser-Aluminiumoxid-Gemisch bis zur Sättigung, sodass kein freies Wasser vorhanden ist, als Katalysator 4 auf die im Verbrennungsraum 11 im Zentrum angeordnete Grundplatte 5 gefüllt. Anschließend wurde H HO-Gas aus einer Wasser-Elektrolysevorrichtung bei geöffneter Gaszufuhrleitung 3 und geöffnetem Abgasausgang 6 im Verbrennungsraum 11 elektrisch gezündet. Die Zündanlage ist in Fig. 1 nicht gesondert dargestellt. Durch die Wasserbildungsreaktion steigt die Temperatur im flammennahen Bereich auf ca. 1000 bis 1300 °C. Nun werden Luftzufuhrleitung 32 mittels HilfsdüseAventil 33 und Abgasabgang 6 mit zugeordnetem Regelventil 6 auf ca. 50 % gedrosselt, sodass die Temperatur im Verbrennungsraum auf ca. 1500 °C steigt. Über den Abgasausgang 6 abgehender Wasserdampf wird auf das als Katalysator 4 wirkende Aluminiumoxid Al203 gerichtet, indem es über eine entsprechende Zufuhrleitung und Hilfsdüse in den Verbrennungsraum
rückgeführt wird. Entsprechend wird nun durch Zirkulation der
Wärmeträgerflüssigkeit im Kühlmantel 2 die Temperatur des Verbrennungsofens 1 so gesteuert, dass eine Überhitzung der Wandung 10 des Verbrennungsofens 1 vermieden wird.
Durch Erhöhung der Luftzufuhr über Luftzufuhrleitung 32 und HilfsdüseAventil 33 wird die Temperatur im Zentrum des Verbrennungsraums 11 nunmehr auf 1800 °C bis max. 2600 °C erhöht. Bei dieser Temperatur erfolgt der
Dauerbetrieb. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Temperatur von 1800 °C bis max. 2600 °C nur im zentralen Bereich des Verbrennungsraumes 1 1 auftritt, nämlich unmittelbar im Bereich der als Katalysator wirkenden metalloxidhaltigen Erden 4, hier Aluminiumoxid Al203, wobei dieser Katalysator auf einer temperaturbeständigen Grundplatte 5, beispielsweise aus Keramik,
bereitgehalten wird.
Nach einem längeren Dauerbetrieb, beispielsweise von 4 Wochen, haben sich am als Katalysator wirkenden Aluminiumoxid-Pulver edelsteinartige
Kristallstrukturen mit einer mohsschen Härte von ca. 9,5 gebildet. Diese
Edelsteine können beispielsweise für industrielle Anwendungen verwendet werden.
Während des Dauerbetriebes wurde der Wärme-Gewinnungs-Wirkungsgrad bezogen auf die für die Wasser-Elektrolyse eingesetzte Energie zur Erzeugung des HHO-Gases gemessen. Der Wrkungsgrad betrug 98 %. Die Temperatur der Abgase direkt am Abgasausgang 6 betrugen ca. 500 °C. Es ist daher davon auszugehen, dass auch die sonstige Wandung 10 des Verbrennungsraumes 11 Temperaturen von wenig mehr als 1000 °C erreichen. Hier konnten bei dem bisher durchgeführten Versuchen noch keine Messwerte erzielt werden.
Darüber hinaus waren in den Abgasen keine Stickoxide und keine
Kohlenwasserstoffverbindungen enthalten. Die CO- und C02-Werte lagen bei jeweils 0,00 ppm. Das Verfahren zeichnet sich somit durch sehr geringe
Schadstoffimmissionen gegenüber herkömmlichen Energiegewinnungs- Verfahren auf Basis fossiler Brennstoffe aus. Besonderes Augenmerk ist auf die Abnahme des Deuterium-Gehalts im
Reaktionswasser der Versuchsanlage zu richten. Die natürliche Häufigkeit des Isotops Deuterium in Wasserstoff beträgt 0,015 %. Am Anfang einer Messserie konnte dieser Anteil verifiziert werden. Im Laufe des Betriebes, bei dem die Verbrennungstemperatur am Katalysator stets über 2000 °C und unterhalb von 2600 °C gehalten wurde, konnte eine Abnahme des Deuterium-Gehalts nachgewiesen werden. Bei diesem Versuch konnte festgestellt werden, dass der Wärmeenergieertrag die Energie der Wasserbildungsreaktion aus HHO-Gas deutlich übersteigt. Unter Zugrundelegung der herkömmlichen Berechnung des Wrkungsgrades nämlich der Wärmegewinnung im Kühlkreislauf bezogen auf die Energie zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff mittels Wasser- Elektrolyse konnte somit ein Wrkungsgrad von deutlich über 100 %, nämlich ca. 120 % ermittelt werden. Dieser eigentlich physikalisch nicht mögliche Wrkungsgrad lässt sich nur durch eine in der Verbrennungsreaktion
stattfindende, spontane Kernfusion erklären. Als Indiz für das tatsächliche Auftreten von vereinzelten Kernfusionsreaktionen kann dabei der sinkende Deuterium-Gehalt im Reaktionswasser dienen.
Es ist daher bevorzugt, dass die chemische Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff im Verbrennungsofen so gesteuert wird, dass der
Wärmeenergieertrag die Energie der Wasserbildungsreaktion aus dem zu verbrennenden Gas übersteigt. Damit kann eine zusätzliche Energiequelle aus der vermuteten, partiell ablaufenden Kernfusion in einem apparativ relativ einfachen und ökonomisch durchführbaren Verfahren ausgenutzt werden.
Hinsichtlich der Langlebigkeit des Verbrennungsofens 1 sei darauf hingewiesen, dass die gewünschte Verbrennungsreaktion bei Temperaturen von 1800 °C bis max. 2600 °C, insbesondere unter Berücksichtigung einer möglichen (kalten) Kernfusion über 2000 °C zu halten ist. Dabei ist die Flammengeometrie eng begrenzt auf das Zentrum des Verbrennungsraumes 1 1 , in dem das als
Katalysator 4 dienende Aluminiumoxid auf der beispielsweise keramischen Grundplatte 5 aufliegt. Die Verbrennungsflamme wird dabei direkt auf diesen Katalysator und somit allenfalls auf die Grundplatte 5 gerichtet. Die Wandungen 10 des Verbrennungsraumes 11 werden jedoch nicht direkt von der Flamme berührt. Entsprechend ist es möglich, die Wandung 10 des
Verbrennungsraumes 11 auf Temperaturen < 1250 °C auch im Dauerbetrieb halten zu können. Für solche Temperaturen sind geeignete Stähle im Stand der Technik bekannt. Beispielsweise kann Edelstahl mit dem Werkstoff Nr. 1.4438 317 L verwendet werden, das einen Schmelzpunkt von über 1400 °C hat und zudem resistent gegen Wasserstoff-Versprödung ist.
Bezugszeichenliste
1 Verbrennungsofen
10 Wandung
11 Verbrennungsraum
2 Kühlmantel
3 Gaszufuhrleitung
31 Austrittsdüse
32 Luftzufuhrleitung
33 HilfsdüseAventil
4 metalloxidhaltige Erden; Katalysator
5 Grundplatte
6 Abgasausgang
61 Regelventil

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
Verfahren zur Umsetzung von Wasserstoff und Luftsauerstoff zu Wasser oder HHO-Gas zu Wasser in einem Verbrennungsofen (1), wobei
der Verbrennungsofen (1) mit einer Wärmeträgerflüssigkeit gekühlt wird, bei der ein Verbrennungsraum (10) von einem Kühlmantel (2), in dem die Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert wird, umgeben ist, und
- Wasserstoff und Luftsauerstoff oder HHO-Gas in den
Verbrennungsofen (1) eingedüst und gezündet wird und in
Gegenwart von metalloxidhaltigen Erden (4) bei Temperaturen bis 2600 °C zu entstehendem Reaktionswasser umgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff und Luftsauerstoff oder das HHO-Gas mit Luft vermischt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verbrennung 1000 bis 5000 l/h Wasserstoff und Luftsauerstoff oder HHO-Gas und 200 bis 5000 l/h Luft zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass di Verbrennungsflamme direkt auf die metalloxidhaltigen Erden (4) gerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des Eindüsungspunktes der Gaszufuhr zu den
metalloxidhaltigen Erden (4) zur Steuerung des
Verbrennungsprozesses verändert wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass Wasser, bevorzugt bis zu 1 ,5 l/h, während der Verbrennung in den Verbrennungsofen (1) eingespritzt wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff und Luftsauerstoff oder das H HO-Gas mit gasförmigem Stickstoff oder gasförmigen Kohlendioxid vermischt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren so gesteuert wird, dass der im Reaktionswasser natürlich vorkommende Deuterium-Gehalt im Verlaufe des Verfahrens bei Reaktionstemperaturen über 2000 °C abnimmt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeenergieertrag so gesteuert wird, dass er die Energie der Wasserbildungsreaktion aus HHO-Gas deutlich übersteigt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verbrennungsreaktion die
metalloxidhaltigen Erden (4), insbesondere bei Verwendung von Al203 Edelsteine mit einer Mohshärte von 8 bis 10 entstehen.
10. Verbrennungsofen (1) zur Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser oder HHO-Gas zu Wasser mit einem Verbrennungsraum (11) mit wenigstens einer Gaszufuhrleitung (3) mit Austrittsdüse (31), durch die das zu verbrennende Gas zugeführt wird, und einem den
Verbrennungsraum (1 1) umschließenden Kühlmantel (2) mit einer darin zirkulierenden Wärmeträgerflüssigkeit, wobei im
Verbrennungsraum (1 1) metalloxidhaltige Erden als Katalysator (4) pulverförmig und/oder grob-kristallin angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Luftzufuhrleitung (32) mit einer
Hilfsdüse (33) im Verbrennungsraum (11) vorgesehen ist, die unmittelbar neben der Austrittsdüse (31) für die zu verbrennenden Gase Wasserstoff und Sauerstoff bzw. H HO-Gas im
Verbrennungsraum (11) angeordnet ist.
11. Verbrennungsofen (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die metalloxidhaltigen Erden (4) mit Wasser in einem
Massenverhältnis bis zu 33 % der Masse der metalloxidhaltigen
Erden (4) gemischt sind.
12. Verbrennungsofen (1) nach Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch
gekennzeichnet, dass die metalloxidhaltigen Erden (4) auf einer massiven, die Verbrennungstemperatur widerstehenden Grundplatte (5) im Zentrum des Verbrennungsofens (1) angeordnet sind.
13. Verbrennungsofen (1)nach einem der Ansprüche 10, 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsraum (1 1) bei einem Gasdurchsatz von 1000 bis 5000 l/h ein Volumen von 4 bis 25 I, bevorzugt 6 bis 12 I und besonders bevorzugt 8 I aufweist. 14. Verbrennungsofen (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsraum (11) kubisch oder kugelförmig ausgebildet ist.
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