ITFI20000150A1 - APPLICATION OF THE ENDOTHERMAL GASIFICATION PROCESS ON LIQUID FUELS THROUGH H2O AND / OR H2O2 FOR THE REALIZATION OF COMBUSTIBLE GAS - Google Patents
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- Industrial Gases (AREA)
Description
Applicazione del processo di gassificazione endotermico su combustibili liquidi tramite H20 do H202 per la realizzazione di gas combustibili atti all' alimentazione di motori a combustione, turbine a gas, motori aeronautici, generatori termici e/o di vapore; suoi metodi chimico fisici di realizzazione e costruzione di idonei congegni ed accessori adatti allo scopo. Application of the endothermic gasification process on liquid fuels through H20 or H202 for the production of combustible gases suitable for powering combustion engines, gas turbines, aircraft engines, thermal and / or steam generators; its chemical-physical methods of realization and construction of suitable devices and accessories suitable for the purpose.
Oggeto dell'invenzione: Object of the invention:
Applicazione della gassificazione di sostanze organiche liquide tramite vapore di acqua e/o acqua ossigenata e/o acqua con o senza catalisi ad opportuna temperatura con lo scopo di generare gas combustibili e sfruttare la combustione in fase gassosa per ridurre l inquinamento e migliorare i consumi di motori termici, turbine a gas, motori aeronautici e generatori di vapore (caldaie). Application of the gasification of liquid organic substances through steam of water and / or hydrogen peroxide and / or water with or without catalysis at a suitable temperature with the aim of generating combustible gases and exploiting the combustion in the gaseous phase to reduce pollution and improve the consumption of heat engines, gas turbines, aircraft engines and steam generators (boilers).
Premessa; Premise;
E’ noto da parecchi anni che la miscelazione dell’acqua con carburanti porta ad un miglioramento delle prestazioni generali qualora possa essere realizzata. La limitazione principale di questa soluzione tecnologica è il fiuto che acqua e idrocarburi sono sostanze immiscibili tra loro. It has been known for several years that mixing water with fuels leads to an improvement in general performance if it can be achieved. The main limitation of this technological solution is the sense that water and hydrocarbons are immiscible substances.
Una possibile soluzione chimica è quella di miscelare le due sostanze assieme ad un mediatore (tensioattivo) che permette la formazione di emulsioni. E' noto, comunque, che l emulsione è un sistema delicato e spesso comporta delle separazioni nel tempo e/o con variazione della temperatura. Un sistema più avanzato, utilizzante l’acqua, era stato improntato dalla scuderia Ferrari negli anni 80 sui motori turbocompressi i quali utilizzavano un emulsionatore a sistema Venturi che permetteva di usufruire in pieno delle prestazioni di cui sopra, l unico problema è che tale sistema era legato alla presenza di un turbocompressore. A possible chemical solution is to mix the two substances together with a mediator (surfactant) which allows the formation of emulsions. It is known, however, that the emulsion is a delicate system and often involves separations over time and / or with variations in temperature. A more advanced system, using water, had been marked by the Ferrari team in the 80s on turbocharged engines which used a Venturi system emulsifier that allowed to take full advantage of the above performances, the only problem is that this system was linked to the presence of a turbocharger.
Un secondo ostacolo alle emulsioni è la minore evaporabilità del liquido emulsionato; questo è dovuto principalmente alla grande capacità termica dell’acqua ed al suo elevato calore di vaporizzazione. Per ovviare questo inconveniente servono temperature elevate in camera di scoppio (per un corretto funzionamento nel motore) che non sempre sono ottenibili. Soluzione di tutti i problemi legati sia alla combustione di liquidi sia alla loro miscelazione con acqua è allora la “gassificazione con acqua” del carburante. Con questo accorgimento, infatti, si genera un gas di idrogeno e ossido di carbonio (gas d’acqua) che è altamente combustibile e produce come unici prodotti di combustione finale acqua e biossido di carbonio. Inoltre, visto che che la combustione è un fenomeno che avviene in fase gas, una miscelazione tra aria comburente e gas d’acqua è totale e brucia in modo perfetto (quindi non vi sono incombusti). Questo fatto migliora le prestazioni del motore ed abbatte drasticamente l’inquinamento. Inoltre, se tutta o parte dell’energia necessaria alla gassificazione viene recuperata dagli sprechi, (fumi, raffreddamenti, corrente non erogata) si ottiene un incremento straordinario delle prestazioni, il tutto però compatibilmente con il secondo principio della termodinamica. A second obstacle to emulsions is the lower evaporability of the emulsified liquid; this is mainly due to the large heat capacity of the water and its high heat of vaporization. To overcome this drawback, high temperatures in the combustion chamber are required (for correct engine operation) which are not always obtainable. The solution to all the problems related to both the combustion of liquids and their mixing with water is therefore the “gasification with water” of the fuel. With this device, in fact, a hydrogen and carbon monoxide gas (water gas) is generated which is highly combustible and produces water and carbon dioxide as the only final combustion products. Furthermore, since combustion is a phenomenon that occurs in the gas phase, a mixture between combustion air and water gas is total and burns perfectly (so there are no unburned products). This fact improves engine performance and drastically reduces pollution. Furthermore, if all or part of the energy required for gasification is recovered from waste (fumes, cooling, current not supplied), an extraordinary increase in performance is obtained, all however compatible with the second principle of thermodynamics.
Descrizione del processo: Process description:
Nella chimica industriale il processo ad uso dell’idea è noto come “Steam Reforming” (riferimento 1) ed è finora stato applicato alla gassificazione di DPL e/o GPL e idrocarburi vari per la generazione di gas sia nell industrìa dell’ammoniaca sia, in tempi passati, nella generazione di gas di città. Tale processo può essere a carattere endotermico o autotermico a seconda del numero di moli di vapore acqueo coinvolte e/o dalla presenza o assenza di ossidanti (aria/ossigeno/acqua ossigenata). In sostanza si tratta di fabbricare un gas d’acqua partendo da un combustibile liquido (alcool, olio, benzine, petrolio, bitume, sugna etc...) e vapore acqueo ad alta temperatura in presenza o meno di un catalizzatore effettuando una gassificazione per reforming. Un catalizzatore che si è dimostrato particolarmente efficace per tale processo è il Nickel supportato. E’ da sottolineare che per le applicazioni a motori, turbine e generatori termici è da preferirsi il processo endotermico (sia per il potere calorìfico del gas generato sia per l’assenza di composti non combustibili tipo C02 ) a quello autotermico (per quanto anche se quest’ultimo si presenta, in misura minore, funzionale, allo scopo). In questo processo “endotermico” ideale, ogni atomo di carbonio del combustibile si trova alla fine della reazione combinato con un solo atomo di Ossigeno (come Ossido di carbonio “CO”) sia che quest’ultimo provenga dal vapore di acqua e/o dal combustibile stesso (caso di Alcoli, Chetoni, Acidi organici). L’idrogeno, a sua volta, passa dallo stato combinato in composto organico o nell’àcqua ad idrogeno molecolare (“H2”). Data l’endotermicità della reazione è necessario un energetico esterno e quindi di una fonte di calore accoppiata al gassificatole (elettrica, combustione parziale del combustibile, plasma, recupero del calore dai fumi di scarico, forno a combustibile esterno). In industrial chemistry, the process used by the idea is known as "Steam Reforming" (reference 1) and has so far been applied to the gasification of DPL and / or LPG and various hydrocarbons for the generation of gas both in the ammonia industry and, in the past, in the generation of city gas. This process can be endothermic or autothermal depending on the number of moles of water vapor involved and / or the presence or absence of oxidants (air / oxygen / hydrogen peroxide). Basically it is a question of manufacturing a water gas starting from a liquid fuel (alcohol, oil, gasoline, petroleum, bitumen, lard etc ...) and high temperature water vapor in the presence or not of a catalyst by carrying out a gasification for reforming. A catalyst that has proved particularly effective for this process is Supported Nickel. It should be emphasized that for applications to engines, turbines and heat generators, the endothermic process (both for the calorific value of the gas generated and for the absence of non-combustible C02-type compounds) is preferable to the autothermal one (although even if the latter is, to a lesser extent, functional for the purpose). In this ideal "endothermic" process, each carbon atom of the fuel is at the end of the reaction combined with a single oxygen atom (such as carbon monoxide "CO") whether the latter comes from water vapor and / or from the fuel itself (case of alcohols, ketones, organic acids). The hydrogen, in turn, passes from the combined state in organic compound or in water to molecular hydrogen ("H2"). Given the endothermic nature of the reaction, an external energy source is required and therefore a heat source coupled to the gasifier (electric, partial combustion of the fuel, plasma, heat recovery from exhaust fumes, external fuel furnace).
La reazione complessiva generale del processo può essere descritta come: The overall overall reaction of the process can be described as:
C,HyOx (x - Z)H20 calore = xCO (y/2 x - z)H2 C, HyOx (x - Z) H20 heat = xCO (y / 2 x - z) H2
Il processo pratico (vd. schema allegato) prevede in prima una generazione di vapore possibilmente surriscaldato, successiva iniezione di combustibile possibilmente allo stato gassoso (anche se questo non è determinante) nel flusso del vapore ed infine risurriscaldamento in miscela per la gassificazione finale con o senza catalisi. Questa successione di passaggi nel processo ha lo scopo di evitare reazioni parassite quali: Pirolisi degli organici, produzione di nerofumo, parziale polimerizzazione, aromatizzazioni, alchenizzazioni e, comunque, processi concorrenti. Tale sequenza, inoltre, permette un iniziale cracking di combustibili complessi (agevolato sia dalla temperatura che dalla presenza di vapore). The practical process (see attached diagram) first involves a generation of possibly superheated steam, subsequent injection of fuel, possibly in a gaseous state (even if this is not decisive) into the steam flow and finally re-heating in the mixture for final gasification with or without catalysis. This succession of steps in the process has the purpose of avoiding parasitic reactions such as: Pyrolysis of organics, production of carbon black, partial polymerization, aromatization, alkenization and, in any case, competing processes. Moreover, this sequence allows an initial cracking of complex fuels (facilitated both by the temperature and by the presence of steam).
E’ possibile anche realizzare il processo in un unico stadio tramite remulsionamento di acqua con il carburante con l’uso di un tensioattivo di tipo non ionico (gli ionici producono sostanze nocive e tossiche), ma questo non consente un adeguato controllo della reazione (specie per la rottura delle emulsioni) e non consente neppure l’utilizzo adeguato del catalizzatore. It is also possible to carry out the process in a single stage through the remulsification of water with the fuel with the use of a non-ionic surfactant (the ionics produce harmful and toxic substances), but this does not allow adequate control of the reaction (especially for breaking up the emulsions) and does not even allow the proper use of the catalyst.
Alcune applicazioni di gassificazione (però di tipo autotermico) si possono già osservare nel settore autotrazione e in quello della produzione di energia. Questi processi, però, sono orientati alla massima produzione di idrogeno da idrocarburi (Steam reforming totale) al fine dello sfruttamento in celle a combustibile. Some gasification applications (but of the autothermal type) can already be observed in the automotive sector and in the energy production sector. These processes, however, are oriented towards the maximum production of hydrogen from hydrocarbons (total steam reforming) for the purpose of exploitation in fuel cells.
Esempio di applicazione dell’idea: Example of application of the idea:
Prendendo come esempio un autoveicolo e il suo motore possiamo considerare pregi e difetti di un alimentazione a combustibile liquido ed in alternativa una a combustibile gassoso. Taking a car and its engine as an example, we can consider the strengths and weaknesses of a liquid fuel supply and alternatively a gaseous fuel one.
Nel caso di autoveicolo a combustibile gassoso si ha combustione totale e pulita, assenza di antidetonanti (aromatici o a base di piombo organici), maggiore durata del motore, minore costo del gas, come pregi ma, per contro, vi è il fatto di dover accettare la presenza di un serbatoio di stoccaggio gas ad alta pressione (circa 200 atmosfere) con i possibili rischi di esplosioni in caso di incidente specie se poi si tratta di gas detonanti (idrogeno). In the case of a gaseous fuel vehicle there is total and clean combustion, absence of antiknock agents (aromatic or organic lead-based), longer engine life, lower cost of gas, as advantages but, on the other hand, there is the fact of having to accept the presence of a high pressure gas storage tank (about 200 atmospheres) with the possible risk of explosions in the event of an accident, especially if it is a question of detonating gases (hydrogen).
Un autoveicolo a carburante liquido, quale la benzina, offre una maggiore sicurezza sullo stoccaggio (è noto che le combustioni avvengono sempre e comunque in fase gassosa) ma presenta un maggiore inquinamento in quanto la combustione non è perfetta, necessita della presenza di antidetonanti tossici, ha minore durata del motore e ulteriore perdita di potenza utile (data la peggiore combustione terminante spesso al di fuori dei cilindri). A liquid fuel vehicle, such as petrol, offers greater safety on storage (it is known that combustion always occurs in the gaseous phase) but presents greater pollution as combustion is not perfect, it requires the presence of toxic anti-knocks, it has shorter engine life and further loss of useful power (given the worse combustion often ending outside the cylinders).
Il sistema proposto nel brevetto permette una combinazione dei 2 sistemi per sfruttare i pregi di entrambi in quanto permette: The system proposed in the patent allows a combination of the 2 systems to exploit the advantages of both as it allows:
a) di stoccare il carburante in forma liquida sfruttandone la sua relativa stabilità (occorre però prevedere un sistema analogo per l’acqua di reforming) a) to store the fuel in liquid form by exploiting its relative stability (however, a similar system must be provided for the reforming water)
b) di usufruire delle migliori proprietà combusti ve del gas rispetto all’aerosol di combustibile liquido e aria di combustione b) to take advantage of the best combustible properties of the gas compared to the aerosol of liquid fuel and combustion air
c) di ridurre l’inquinamento per via dell’assenza di incombusti, antidetonanti, etc. c) to reduce pollution due to the absence of unburnt, anti-knock, etc.
d) di aumentare notevolmente il rendimento del motore e quindi ridurre di conseguenza il consumo (questo è dovuto a diversi fattori tra cui l’energy recycle, e la presenza di acqua migliorativa (in opportune dosi) delle combustioni). d) to significantly increase engine efficiency and therefore reduce consumption accordingly (this is due to various factors including energy recycle, and the presence of water to improve combustion (in appropriate doses)).
Per quanto riguarda il punto b) è da specificare che gassificando completamente il combustibile si ottengono idrogeno e ossido di carbonio gassosi con buona velocità di combustione (~16 dm/s) contro i circa 3,9 dm/s caratteristici del benzene puro (componente di circa un terzo delle benzine verdi). Questo aumenta le prestazioni generali del sistema a gassificaiore. E’ poi da dire che poi le benzine sono anche svantaggiate dalla necessità di una prima fase di evaporazione dovuta al fatto che la combustione si svolge sempre in fase gassosa. As regards point b), it should be specified that by completely gasifying the fuel, gaseous hydrogen and carbon monoxide are obtained with a good combustion rate (~ 16 dm / s) against the approximately 3.9 dm / s characteristic of pure benzene (component about one third of unleaded gasolines). This increases the overall performance of the gasification system. It must also be said that gasolines are also disadvantaged by the need for a first phase of evaporation due to the fact that combustion always takes place in the gaseous phase.
Riguardo al punto c) è da dire che un gas composto da soli idrogeno e ossido di carbonio permette un’unica evoluzione chimica nella combustione: Anidride carbonica e Acqua, entrambe non inquinanti. La formazione di altri composti è tipica invece di combustibili liquidi che sono miscele formate da molecole più complesse quali ad esempio i benzeni e gli IPA che non riescono nei brevi tempi di permanenza nelle camere di combustione a terminare il processo di ossidazione. Infetti spesso la combustione si completa al di fuori della macchina termica vera e propria (sul catalizzatore dello scarico; quando funziona) causando una perdita di potenza utile e inquinamento. With regard to point c) it must be said that a gas composed of only hydrogen and carbon monoxide allows a single chemical evolution in combustion: Carbon dioxide and water, both non-polluting. The formation of other compounds is typical instead of liquid fuels which are mixtures formed by more complex molecules such as benzenes and PAHs that are unable to finish the oxidation process in the short residence times in the combustion chambers. Infect often the combustion completes outside the actual heat engine (on the exhaust catalyst; when it works) causing a loss of useful power and pollution.
Al punto d) è opportuno fere una piccola premessa: In un motore endotermico per autotrazione si ha un rendimento meccanico pratico del 25% relativo all’energia sviluppata dal carburante. Il restante 75% viene perduto sia nei fumi (circa il 50%) e sia in raffreddamenti ed attriti vari (il rimanente 25%). E’ intuitivo capire che un sistema che recupera parte di questa energia come calore per gassificare introduce una sorta di riciclo energetico mantenendo l’energia all’interno del sistema, riduce di conseguenza gli sprechi e aumenta il rendimento effettivo. Ottenendo, poi, un incremento della temperatura di combustione, dovuto sia all’aumento della velocità di fiamma sia al fatto che i gas entrano già a temperatura elevata (si parla di valori attorno ai 350°C) consegue un aumento notevole del rendimento termico e quindi della macchina termica in generale. Qualora si presentassero fenomeni di detonazione si può semplicemente prevedere di diluire il gas con parte dei gas di scarico in modo da uscire dai limiti di esplosività della miscela con aria e conseguire un recupero termico ancora più spinto. Prove effettuate in via sperimentale e con mezzi non del tutto idonei hanno mostrato una diminuzione del consumo di carburante (a parità di prestazioni) ed uno scarico pulito senza incombusti e/o odori. Il sistema è comunque aperto a miglioramenti ed innovazioni. In point d) it is appropriate to make a small premise: In an endothermic motor for automotive there is a practical mechanical efficiency of 25% relative to the energy developed by the fuel. The remaining 75% is lost both in the fumes (about 50%) and in cooling and various frictions (the remaining 25%). It is intuitive to understand that a system that recovers part of this energy as heat to gasify introduces a sort of energy recycling while keeping the energy inside the system, consequently reducing waste and increasing the actual efficiency. By obtaining, then, an increase in the combustion temperature, due both to the increase in the flame speed and to the fact that the gases already enter at a high temperature (we are talking about values around 350 ° C), a significant increase in thermal efficiency is achieved and therefore of the thermal machine in general. If knocking phenomena occur, one can simply plan to dilute the gas with part of the exhaust gases in order to get out of the explosive limits of the mixture with air and achieve an even more extreme heat recovery. Tests carried out on an experimental basis and with not entirely suitable means have shown a decrease in fuel consumption (with the same performance) and a clean exhaust without unburnt materials and / or odors. The system is however open to improvements and innovations.
Congegni necessari alla gassificazione: Devices necessary for gasification:
I congegni atti alla gassificazione sono realizzabili in diversi modi ma seguono lo schema generale dello schema allegato. In tale schema il processo parte con una generazione di vapore acqueo seguita da miscelazione con combustibile e sua successiva gassificazione catalitica o meno. Il processo, essendo/ endotermico, richiede un apporto di energia esterno (Q) che è ottenibile in diversi modi (calore autogeno, ‘ calore esterno o di recupero, plasmi, fometti elettrotermici etc..). E’ quindi evidente la molteplicità di configurazioni e varianti che possono essere realizzate. A titolo di esempio chiarificativo è mostrato lo schema dell’apparecchio usato per le prime sperimentazioni. The devices suitable for gasification can be made in different ways but follow the general scheme of the attached scheme. In this scheme the process starts with a generation of water vapor followed by mixing with fuel and its subsequent catalytic or non-catalytic gasification. The process, being / endothermic, requires an external energy input (Q) which can be obtained in various ways (autogenous heat, 'external or recovery heat, plasmas, electro-thermal fomets etc ..). The multiplicity of configurations and variants that can be created is therefore evident. As a clarifying example, the diagram of the apparatus used for the first experiments is shown.
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