WO1982003422A1 - Method and device for the transformation of reaction heat into mechanical energy - Google Patents

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WO1982003422A1
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heat
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Pocrnja Anton
Streich Martin
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for converting the enthalpy of reaction into mechanical energy, reactants being fed to a reaction space and reacting with one another.
  • the reaction enthalpy of chemical reactions is used differently.
  • the generic methods include, for example, the production of synthesis gas in gasification reactors for the synthesis of ammonia or methanol.
  • the processes for synthesis gas generation are based on the principle of incomplete combustion (partial oxidation) of hydrocarbons with oxygen with the addition of water vapor. These conventional processes operate as a continuous process at temperatures from 1300 ° C to 1600 ° C. However, the heat of the product coming out of the reactor at the reaction temperature can only be used very incompletely in the subsequent waste heat recovery - at the temperature level of water evaporation and steam superheating, which is far too low on average.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method of the type mentioned at the outset by which the reaction enthalpy can be better used in comparison with previous processes and converted into mechanical energy with better efficiency.
  • reaction products formed in the reaction are relaxed during and / or after the reaction in a work-performing manner.
  • This procedure according to the invention which can be used in very different processes, enables an improved use of the enthalpy of reaction, i.e. a conversion of the enthalpy of reaction into mechanical energy with a higher efficiency than conventional methods.
  • the method according to the invention can be used in numerous processes with different objectives.
  • the primary purpose of these processes can advantageously be the production of a chemical intermediate as a reaction product, but also the provision of energy or energy and heat.
  • a hydrocarbon or a mixture of hydrocarbons, an oxygen-containing gas - in particular air, oxygen-enriched air or pure oxygen - and water vapor are used as reaction partners in a ratio in which imperfect combustion (partial oxidation) takes place in the reaction space .
  • This procedure according to the invention is based on the idea that, for example, each combustion engine or each combustion chamber of a gas turbine corresponds in its or its mode of operation to a gasification reactor. With a motor, reaction temperatures of well over 2000 ° C are reached within a cooled wall (temperature ⁇ 100 ° C). Because of the subsequent relaxation of work, the reaction product (exhaust gas) leaves the engine compartment at a temperature which is significantly below 1000 ° C. With optimal engine settings, the exhaust gas is largely soot-free.
  • the proposal according to the invention now enables an energetically favorable gasification of fossil fuels, for example any hydrocarbons and (ashed) coal by partial oxidation, the energy contained in the hydrocarbons being partly converted into mechanical energy.
  • the reactants preheated as far as possible oxygen, hydrocarbons, possibly water vapor
  • injected into the combustion chamber of a single or multi-cylinder piston engine e.g. oxygen, hydrocarbons, possibly water vapor
  • reaction takes place by spark or auto-ignition, with the pressure or the pressure depending on the procedure, analogous to a conventional Otto engine
  • reaction product expands adiabatically and does work until the piston reaches the bottom dead center.
  • the reaction product cools down considerably.
  • the housing is cooled with water.
  • the reactants can be injected in the same way as in conventional gasification. Oxygen and water vapor are mixed, for example, before entering and injected concentrically around the fuel jet.
  • the cylinder head and the piston are designed so that good mixing is ensured.
  • the process according to the invention has the advantage that the majority of the excess heat generated by the reaction is converted directly into mechanical energy. Another advantageous consequence of this procedure is that the heat conversions in the subsequent waste heat recovery are smaller by the work done.
  • the proposed method can be used for all ash-free fuels, enables largely soot-free operation and allows greater freedom in the choice of the reaction pressure, the temperature, the reaction time, the amount of steam added, etc.
  • a fuel, an oxygen-containing gas, hydrocarbons and water vapor are used as reaction partners, the fuel being burned with the oxygen-containing gas in the reaction space and the heat of fuel causing the splitting of the hydrocarbons and the steam and the fission gases formed and the Combustion gases can be relaxed.
  • the reactants are conducted in the tubes of a heat exchanger, the heat exchanger being heated from the outside by heat of fuel. According to the invention, however, the necessary heat is supplied by combustion of reactants within the reaction space.
  • the other advantages of this Variants correspond to those of partial oxidation, if this takes place in the procedure according to the invention.
  • the amount of at least one reaction partner is varied over time to control the heat of reaction released in the reaction space, namely the heat of reaction can be used to control the time of the reaction and thereby influence the composition of the reaction products.
  • reaction products are formed in the combustion chamber of an internal combustion engine and are relaxed while performing work.
  • reaction partners into a combustion chamber under reaction pressure, to produce the reaction products in the combustion chamber and to relax in a turbine.
  • one of the reaction partners has a higher oxygen content than air and is burned together with a fossil fuel in the combustion chamber of an internal combustion engine, the oxygen-containing reaction partner being in a stoichiometric ratio to the fuel for combustion or being passed to the combustion chamber in excess and is compressed to the final compression pressure outside the engine.
  • the reactants are usually converted in an internal combustion engine.
  • the reactants are introduced into the combustion chamber of a cylinder and reacted there under pressure, ie burned. It is already known to completely or at least essentially compress the reaction partners outside the engine to the final compression pressure.
  • An increase in the efficiency with which the energy contained in the fossil fuels can be converted into mechanical energy can be achieved according to the invention if, depending on the fossil fuel, pure oxygen or at least oxygen-enriched air with an oxygen content of more than, for example, approx 30 vol.% Is used.
  • water or steam is admitted into the reaction space together with the compressed reaction partners.
  • the steam serves, among other things, to absorb heat in order to limit the maximum temperature of the reaction gases in the reaction space.
  • the compressed reaction partners are heated outside the reaction space in the heat exchange with reaction gases previously formed during the reaction. Therefore, the heat of fuel to be supplied can be reduced in comparison to processes without additional heating of the compressed reaction partners.
  • an internal combustion engine is used to carry out the procedure according to the invention, this also means that less fuel has to be supplied. In this way, a significantly better degree of efficiency is achieved in comparison to conventional diesel engines or Otto engines.
  • the conversion of the fuel heat into mechanical energy in an internal combustion engine can expediently be carried out in a two-cycle work cycle. Doing so in the first stroke (piston movement from the upper to the lower dead center) the working medium compressed to the final compression pressure is let into the combustion chamber with the inlet valve open, the inlet valve is closed again, the fuel is fed and the resulting mixture is burned and expanded. In the second cycle, the reaction gases generated during combustion are pushed out of the combustion chamber with the exhaust valve open.
  • a further improvement in the energy efficiency can be achieved in an embodiment according to the invention if the water vapor-containing reaction products are expanded to a subatmospheric pressure and subsequently cooled to about ambient temperature and the non-condensed portion of the reaction products is compressed to atmospheric pressure and fed to the atmosphere while the condensate fully or partially returned to the reaction process by means of a pump and excess or unused water is discarded.
  • the proportion of water vapor does work during relaxation, so that more energy can be given off by an expansion machine. However, since the water vapor portion condenses on cooling to ambient temperature, this portion no longer needs to be recompressed.
  • the reaction products cool down.
  • the compressed reaction partners are therefore only raised to a temperature level which is far below the temperature level at which the reaction partners, e.g. without damaging the reaction space, of the inlet valve of a combustion chamber can be supplied.
  • This temperature level corresponds to the temperature of the reaction products leaving the reaction space.
  • the compressed reactants and / or the water vapor are then heated by external heat after being heated in the heat exchange with reaction products and before being admitted into the reaction space. This measure is to be used especially when compared to the expensive fuel energy inexpensive waste heat with a suitable temperature level is available.
  • gaseous reactants are compressed in several stages, preferably with intermediate cooling.
  • gaseous reaction partners are compressed almost isothermally, so that these reaction partners have approximately ambient temperature after the complete compression. This means that the multi-stage compression with intermediate cooling reduces the compression work on the one hand and enables the heat contained in the relaxed reaction gases to be used almost completely.
  • the gaseous reactants are cooled prior to compression.
  • the cooling can take place to a temperature above or below 0 ° C., the compression work being additionally reduced and the end compression temperature is reduced.
  • the compression heat that is generated anyway can be used to evaporate the water that is injected. Since a water vapor reactant mixture prepared in this way can absorb a larger amount of heat compared to the pure reactant and a larger amount of working medium to be released is available in the reaction products, the described process variant achieves a further increase in efficiency and performance .
  • one of the reactants is oxygen-enriched air
  • the low temperature at which oxygen can be extracted from the air separation plant can be used to reduce the overall compression work.
  • the reaction gases which are relaxed in the combustion chamber and pushed out of the combustion chamber are relaxed in an expansion machine arranged outside the engine before they are released in the Heat exchange with compressed reaction partners are cooled down to about the temperature of the compressed reaction partners.
  • part of the energy contained in the reaction products after exiting the reaction space is used.
  • the reaction products ejected from the reaction space are first relaxed while working in an expansion machine (“exhaust gas turbine”) and then cooled to about the temperature of the compressed reaction partners during heat exchange with the compressed reaction partners.
  • the energy contained in the reaction products is not given off uselessly in this procedure, but is to a large extent re-coupled into the conversion process or given off in the form of mechanical energy.
  • the proportion of heat recovered from the reaction gases also increases.
  • the measures described bring about an improvement in the efficiency and a lower temperature of the reaction products released, for example, into the environment.
  • Ver drive an increase in efficiency compared to known internal combustion engines.
  • the waste heat given off to the environment is considerably reduced.
  • the pollutant emissions also decrease due to the lower fuel consumption.
  • An engine according to the invention enables the use of discontinuous waste heat (for heating the compressed reaction partners and heated in the heat exchange with flue gases), as well as discontinuous mechanical energy (for the compression of the reaction partners), since if these energy sources fail, the required energy is replaced by more fuel consumption in the engine can be.
  • a possible device for carrying out the method working with oxygen-enriched air consists of an internal combustion engine with one or more pistons, each movable in a housing, and a combustion chamber delimited by housing and piston, each with an inlet (and inlet valve) for the reactants oxygen-enriched air and fuel , and a reaction gas outlet (with outlet valve).
  • an internal combustion engine according to the invention has at least one compressor driven by an exhaust gas turbine connected to the reaction gas outlet, which is connected to a flow cross section of a recuperator connected to the working medium inlet, a further flow cross section connected to the exhaust gas turbine outlet for the relaxed reaction gases being arranged in the recuperator.
  • Figure 1 is a schematic diagram of an internal combustion engine according to the invention, working with oxygen-enriched air and fuel.
  • Figure 2 is a sketch of an engine working with air cooling, water injection and use of external heat.
  • Figures 3 temperature-entropy diagrams of a constant to 6 pressure process with exhaust gas turbine and a process with exhaust gas turbine, external compression and heat recuperator.
  • Figure 7 shows the process in the cylinder of an energy-producing gasification reactor during a shaft revolution.
  • Figure 10 is a schematic diagram of a device with which e.g. carbon monoxide formed during the coal gasification and the heat generated can be used in the manner according to the invention
  • Figure 11 is a schematic diagram of a device in which e.g. Natural gas with a low proportion of fuel gas can be used in the manner according to the invention.
  • oxygen-enriched air is drawn in by a compressor 1 and compressed to the final compression pressure.
  • the compressed, oxygen-enriched air comes into heat in a recuperator 2 connected downstream exchange with reaction gases formed in previous work cycles.
  • the oxygen-enriched air heated in this way is fed out of the recuperator and into the combustion chamber of an engine, of which only one cylinder 4 is shown symbolically in the figures.
  • Fuel 3 is introduced into the compressed, oxygen-enriched air.
  • an internal combustion engine with auto ignition is to be described. This means that the pressure and temperature of the oxygen-enriched air introduced are sufficient for the fuel-air-oxygen mixture to self-ignite. In this first cycle of the two-cycle work cycle, the resulting mixture is burned and expanded.
  • reaction gases formed are pushed out of the combustion chamber when the piston 5 moves upward and introduced into an exhaust gas turbine 6. There, the reaction gases are expanded while performing work and introduced into the recuperator 2 and then released into the atmosphere. In the recuperator, the reaction gases cool down in the heat exchange with oxygen-enriched air to almost their entry temperature into the recuperator.
  • FIG. 2 the system shown in FIG. 1 has been supplemented by a heat exchanger or heater 7, a cooling system 9 and a water injection device 8.
  • oxygen-enriched air originating from an air separator is compressed by a compressor 10 and subsequently cooled to a temperature T below ambient temperature T in a water-cooled heat exchanger 9 in the exemplary embodiment.
  • this reduces the compression work of the subsequent compressor 1 and on the other hand the temperature of the oxygen-enriched air after the compression is lower than in a system according to FIG. 1 at a comparable location.
  • water is injected into the compressed oxygen-enriched air via an injection device (not shown).
  • the oxygen-enriched air-water vapor mixture heated in the recuperator is subsequently heated by external heat, if possible by the waste heat, to a temperature limited by the material properties of the inlet valve, with which the mixture is let into the combustion chamber.
  • FIG. 3 shows an ideal diesel process working with an exhaust gas turbine in a temperature-entropy diagram.
  • Adiabatic compression (1-2) is followed by pressure p 2 , isobaric heating (2-3), followed by adiabatic expansion (3-4).
  • the compressed oxygen-enriched air is under a pressure of about 35 bar.
  • the relaxation is carried out from p 2 to the ambient pressure p 1 . This enables the exhaust gas turbine in which the pressure is reduced from p AT to p 1 .
  • FIG. 4 shows an ideally running process according to the invention. This process is based on the same pressure ratio as the process shown in FIG. 3.
  • isothermal compression (1 - 2) is followed by heating in the recuperator (2 - 3 ') and then in the motor (3' - 3).
  • Adiabatic relaxation takes place in the engine (3 - 4 '), followed by relaxation in the exhaust gas turbine (4' - 4). After relaxation, cooling takes place in the recuperator (4 - 5).
  • a dashed line in this figure shows a cooling of the sucked-in oxygen-enriched air to a temperature below the ambient temperature (1 ').
  • thermodynamic quality of the method according to the invention can be attributed, among other things, to the combination of the following measures:
  • FIG. 7 schematically shows the process sequence in the cylinder of an engine operating as an energy-producing gasification reactor during a shaft revolution.
  • any conventional motor can be used.
  • the following procedure, which is part of the method according to the invention, is also possible:
  • reaction participants preheated as much as possible that is to say oxygen, water vapor and fuel, are injected into the combustion chamber of a single or multi-cylinder piston engine with the exhaust valve 11 closed.
  • the piston 5 approaches the top dead center.
  • the reaction takes place by spark ignition or self-ignition, with the pressure and the temperature increasing sharply with an approximately constant volume of the combustion chamber (wave movement from a to b).
  • the reaction product expands adiabatically and does the work to the desired pressure until the piston 5 reaches the bottom dead center (point c).
  • the reaction product cools down considerably.
  • the shaft or piston movement from c to a the product is pushed out of the combustion chamber with the outlet valve 11 open.
  • the housing of the cylinder 4 is cooled with water.
  • FIGS. 8 and 9 show two variants for preheating and supplying the reactants for an energy-producing gasification reactor.
  • a system is assumed that provides high pressure steam via a line 15.
  • This steam is supplemented by steam from a line 16 which has been generated from water in heat exchange with the product gas leaving the gasification reactor.
  • the heat exchange takes place in a heat exchanger 17.
  • the fuel is in further heat exchangers 18 and 19 and the oxygen is heated and injected into the combustion chamber via lines 13 and 12, respectively. Condensing steam from line 15 is used to heat these reaction participants.
  • the reaction gases are fed into line 20 via outlet valves 11 and heat exchanger 17.
  • FIG. 9 shows a variant according to which the reaction participants are heated in a heat exchanger 21 first by heat exchange with the reaction gases and subsequently in a heat exchanger 22 by external heat, in particular waste heat with a suitable temperature level. Then oxygen, water vapor and fuel are injected into the combustion chamber. After leaving the combustion chamber, the reaction gases are expanded in an expansion turbine 23, cooled to ambient temperature in heat exchanger 21 and cleaned in a system 24 and subsequently compressed to the desired delivery pressure.
  • the energy-generating gasification reactor described in FIGS. 7 to 9 can be used, for example, in a reduction steelworks.
  • Oxygen from an air separation plant is brought to a pressure of approx. 6 bar and in a quantity of approx. 2000 m 3 / h a four-cylinder engine with approx. 100 1 Huhraur each. fed.
  • approximately 4000 m 3 of natural gas are introduced into the cylinders per hour.
  • the engine which operates at a speed of approx. 150 rpm, has an output of approx. 1.5 MW and produces a reducing gas consisting of hydrogen and carbon monoxide in an amount of approx. 12000 m 3 / h and at a pressure of approx. 3.5 bar.
  • This reducing gas is together with circulated, freed of carbon dioxide and water and ge to 3.5 bar pressure brought top gas (approx. 24000 m 3 / h) and fed to a shaft furnace (20 to / h iron).
  • the heat requirement per ton of iron is approximately 1.7 Gcal.
  • the device shown schematically in FIG. 10 shows a system according to the invention in which carbon monoxide formed and the heat generated during a coal gasification are used.
  • Carbon monoxide is introduced into a motor 4, 5 together with oxygen (line 26) and water or steam (line 27). Carbon monoxide is burned with oxygen, first expanded in the engine and then expanded in a turbine 28. In the same way, it would be possible to burn the reactants mentioned in several stages in a combustion chamber and then to relax in a turbine.
  • the third reaction partner is water, which mainly functions as a heat transfer medium. The water is largely heated and evaporated in a heat exchanger 30 in the heat exchange with reaction gases formed, but also by the waste heat generated during coal gasification. After the (last) combustion, the reaction product consists largely of water vapor. The remaining ingredients are essentially carbon monoxide and unburned oxygen.
  • the condensed water is separated off in separator 32.
  • the separated water is fed into a line 35 by means of pump 34 and together with fresh water (line 36) and returned to the process.
  • an "exhaust gas” which consists essentially of carbon dioxide and unburned oxygen.
  • This amount of exhaust gas is an order of magnitude smaller than the amount of exhaust gas obtained in conventional processes, so that, according to the invention, a pollutant-free exhaust gas is released into the atmosphere with little effort. It is also possible to recover unused oxygen and return it to the process. Carbon dioxide can also be recovered.
  • the device according to the invention offers the possibility of being able to carry out an optimal energy production process for coal gasification.
  • this device can also be regarded as a gasification reactor in which carbon dioxide and oxygen are formed.
  • a device is shown in a schematic sketch in FIG. 11, in which natural gas (otherwise unusable) with little or no fuel gas content can be used to generate energy.
  • Natural gas is produced under high pressure.
  • natural gas is introduced into a combustion chamber 37 via line 41 at the given pressure. If the natural gas does not contain any fuel gas, any fuel must be added to the natural gas; if there is a small amount of fuel gas, no fuel has to be added.
  • oxygen line 40
  • Oxygen and natural gas or fuel react in the combustion chamber.
  • the reaction products are expanded in a turbine 38 and cooled in the heat exchanger 39 against natural gas and oxygen.
  • This procedure offers the advantage that the compression of the proportion of inert reactants required in the combustion chamber is eliminated, since the natural gas is naturally produced under pressure.
  • the energy required for oxygen generation and post-compression to process pressure is lower than the energy required for compressing another inert component (e.g. air).

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Abstract

Method for transforming reaction heat into mechanical energy, wherein a plurality of bodies participating to the reaction are introduced in a reaction chamber where they are reacted between each other. The reaction heat of chemical reactions is used differently. In methods such as the synthesis gas production, which are continuously implemented at temperatures comprised between 1300<o>C and 1600<o>C, the heat of products coming out of the reactor at the reaction temperature is used uncompletely during the thermal recovery which follows. In order to make a better use of the heat released during such reactions, the products formed during the reaction are, according to the invention, brought to an expansion producing energy during and/or after the reaction.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Umwandlung von Reaktionsenthalpie in mechanische Energie Method and device for converting the enthalpy of reaction into mechanical energy
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umwandlung von Reaktionsenthalpie in mechanische Energie, wobei Reaktionspartner einem Reaktionsraum zugeführt und miteinander zur Reaktion gebracht werden.The invention relates to a method and a device for converting the enthalpy of reaction into mechanical energy, reactants being fed to a reaction space and reacting with one another.
Die Reaktionsenthalpie chemischer Reaktionen wird unterschiedlich genutzt. Zu den gattungsgemäßen Verfahren zählt .beispielsweise die in Vergasungsreaktoren erfolgende Produktion von Synthesegas für die Synthese von Ammoniak oder Methanol. Die Verfahren zur Synthesegaserzeugung beruhen auf dem Prinzip der unvollkommenen Verbrennung (partielle Oxidation) von Kohlenwasserstoffen mit Sauerstoff unter Zugabe von Wasserdampf. Diese konventionellen Verfahren werden als kontinuierlicher Prozeß bei Temperaturen von 1300 ºC bis 1600°C betrieben. Dabei kann jedoch die Wärme des mit Reaktionstemperatur aus dem Reaktor kommenden Produktes in der anschließenden Abhitzeverwertung nur sehr unvollkommen - auf dem im Mittel viel zu niedrigen Temperaturniveau der Wasserverdampfung und Wasserdampüberhitzung - genutzt werden.The reaction enthalpy of chemical reactions is used differently. The generic methods include, for example, the production of synthesis gas in gasification reactors for the synthesis of ammonia or methanol. The processes for synthesis gas generation are based on the principle of incomplete combustion (partial oxidation) of hydrocarbons with oxygen with the addition of water vapor. These conventional processes operate as a continuous process at temperatures from 1300 ° C to 1600 ° C. However, the heat of the product coming out of the reactor at the reaction temperature can only be used very incompletely in the subsequent waste heat recovery - at the temperature level of water evaporation and steam superheating, which is far too low on average.
Außerdem ist wegen der nach oben begrenzten Reaktionstemperatur und unter anderem wegen der unvollkommenen Vermischung der Reaktionsteilnehmer (Brennstoff, Sauerstoff, Wasserdampf) beim Eindüsen in den großen Reaktorraum eine lange Verweilzeit der Reaktionspartner im Reaktionsraum erforderlich und ein rußfreier Betrieb nicht möglich. Entstandener Ruß muß aus dem Produkt entfernt, aufgearbeitet und mit Brennstoff vermischt in den Reaktor zurückgeführt werden. Wegen der langen Verweilzeit ist die Strömungsgeschwindigkeit und daher auch die Produktionsrate gering.In addition, because of the upper-limit reaction temperature and, inter alia, because of the imperfect mixing of the reactants (fuel, oxygen, water vapor), there is a long residence time of the reactants in the reaction space when they are injected into the large reactor space required and soot-free operation not possible. Resulting soot must be removed from the product, worked up and mixed with fuel and returned to the reactor. Because of the long dwell time, the flow rate and therefore the production rate is low.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, durch das Reaktionsenthalpie im Vergleich zu bisherigen Prozessen besser genutzt und mit besserem Wirkungsgrad in mechanische Energie umgewandelt werden kann.The invention is therefore based on the object of specifying a method of the type mentioned at the outset by which the reaction enthalpy can be better used in comparison with previous processes and converted into mechanical energy with better efficiency.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die bei der Reaktion gebildeten Reaktiσnsprcduktswährend und/oder nach der Reaktion arbeitsleistend entspannt werden.This object is achieved according to the invention in that the reaction products formed in the reaction are relaxed during and / or after the reaction in a work-performing manner.
Durch diese erfindungsgemäße Verfahrensweise, die bei sehr unterschiedlichen Prozessen anwendbar ist, wird eine verbesserte Nutzung der Reaktionsenthalpie ermöglicht, d.h. eine Umwandlung der Reaktionsenthalpie in mechanische Energie mit einem im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren besseren Wirkungsgrad. Das erfindungsgemäße Verfahren ist bei zahlreichen Prozessen mit unterschiedlichen Zielsetzungen anwendbar. Primärer Zweck dieser Verfahren kann mit Vorteil äle Herstellung eines chemischen Zwischenproduktes als Reaktionsprodukt sein, aber auch die Bereitstellung von Energie bzw. Energie und Wärme.This procedure according to the invention, which can be used in very different processes, enables an improved use of the enthalpy of reaction, i.e. a conversion of the enthalpy of reaction into mechanical energy with a higher efficiency than conventional methods. The method according to the invention can be used in numerous processes with different objectives. The primary purpose of these processes can advantageously be the production of a chemical intermediate as a reaction product, but also the provision of energy or energy and heat.
Nach einer vorteilhaften Variante der Erfindung dienen als Reaktionspartner ein Kohlenwasserstoff oder ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen, ein sauerstoffhaltiges Gas - insbesondere Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder reiner Sauerstoff - und Wasserdampf in einem Mengenverhältnis, bei dem im Reaktionsraum eine unvollkommene Verbrennung (partielle Oxication) stattfindet. Dieser erfindungsgemäßen Verfahrensweise liegt der Gedanke zugrunde, daß z.B. jeder Verbrennungsmotor oder auch jede Brennkammer einer Gasturbine in seiner bzw. ihrer Wirkungsweise einem Vergasungsreaktor entspricht. Bei einem Motor werden innerhalb einer gekühlten Wandung (Temperatur < als 100°C) Reaktionstemperaturen von weit über 2000°C erreicht. Wegen der nachfolgenden arbeitsleistenden Entspannung verläßt das Reaktionsprodukt (Abgas) den Motorraum mit einer Temperatur, die wesentlich unter 1000°C liegt. Bei optimale Motoreinstellung ist das Abgas weitgehend rußfrei.According to an advantageous variant of the invention, a hydrocarbon or a mixture of hydrocarbons, an oxygen-containing gas - in particular air, oxygen-enriched air or pure oxygen - and water vapor are used as reaction partners in a ratio in which imperfect combustion (partial oxidation) takes place in the reaction space . This procedure according to the invention is based on the idea that, for example, each combustion engine or each combustion chamber of a gas turbine corresponds in its or its mode of operation to a gasification reactor. With a motor, reaction temperatures of well over 2000 ° C are reached within a cooled wall (temperature <100 ° C). Because of the subsequent relaxation of work, the reaction product (exhaust gas) leaves the engine compartment at a temperature which is significantly below 1000 ° C. With optimal engine settings, the exhaust gas is largely soot-free.
Der erfinάungsgemäße Vorschlag ermöglicht nun eine energetisch günstige Vergasung fossiler Brennstoffe, beispielsweise beliebiger Kohlenwasserstoffe und (entaschter) Kohle durch partielle Oxidation, wobei die in den Kohlenwasserstoffen enthaltene Energie teilweise auch in mechanische Energie umgewandelt wird. Dazu werden die soweit wie möglich vorgewärmten Reaktionsteilnehmer (Sauerstoff, Kohlenwasserstoffe, gegebenenfalls Wasserdampf) z.B. in den Brennraum eines ein- oder mehrzylindrigen Kolbenmotors eingedüst.The proposal according to the invention now enables an energetically favorable gasification of fossil fuels, for example any hydrocarbons and (ashed) coal by partial oxidation, the energy contained in the hydrocarbons being partly converted into mechanical energy. For this purpose, the reactants preheated as far as possible (oxygen, hydrocarbons, possibly water vapor) e.g. injected into the combustion chamber of a single or multi-cylinder piston engine.
Durch Fremd- oder Selbstzündung erfolgt die Reaktion (partielle Oxidation), wobei analog einem konventionellen Otto-Motor je nach Verfahrensweise der Druck oder derThe reaction (partial oxidation) takes place by spark or auto-ignition, with the pressure or the pressure depending on the procedure, analogous to a conventional Otto engine
Druck und die Temperatur stark ansteigen. Nach erfolgter Reaktion expandiert das Reaktionsprodukt adiabat und arbeitsleistend bis der Kolben die untere Totlage erreicht. Dabei kühlt sich das Reaktionsprodukt stark ab. Während der Wellen- bzw. Kolbenbewegung von der unteren zur oberen Totlage wird das Produkt bei geöffnetem Auslaßventil aus dem Brennraum ausgeschoben. Das Gehäuse wird - analog den konventionellen Verbrennungsmotoren - mit Wasser gekühlt. Das Eindüsen der Reaktionsteilnehmer kann wie bei der konventionellen Vergasung erfolgen. Dabei werden Sauerstoff und Wasserdampf z.B. vor dem Eintritt vermischt und konzentrisch um den Brennstoffstrahl eingedüst. Der Zylinderköpf und der Kolben werden so ausgeführt, daß eine gute Vermischung gewährleistet wird.Pressure and temperature rise sharply. After the reaction has taken place, the reaction product expands adiabatically and does work until the piston reaches the bottom dead center. The reaction product cools down considerably. During the shaft or piston movement from the bottom to the top dead center, the product is pushed out of the combustion chamber with the exhaust valve open. Like the conventional internal combustion engines, the housing is cooled with water. The reactants can be injected in the same way as in conventional gasification. Oxygen and water vapor are mixed, for example, before entering and injected concentrically around the fuel jet. The cylinder head and the piston are designed so that good mixing is ensured.
Im Vergleich zu konventionellen Vergasungsprozessen besitzt das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, daß der größte Teil der durch die Reaktion entstandenen überschüssigen Wärme direkt in mechanische Energie umgewandelt wird. Weitere vorteilhafte Folge dieser Verfahrensweise ist, daß die Wärmeumsätze bei der nachfolgenden Abhitzeverwertung um die geleistete Arbeit kleiner sind. Das vorgeschlagene Verfahren ist für alle aschefreien Brennstoffe -anwendbar, ermöglicht einen weitgehend rußfreien Betrieb und gewährt eine größere Freiheit in der Wahl des Reaktionsdrucks, der Temperatur, der Reaktionszeit, der zugesetzten Dampfmenge usw..Compared to conventional gasification processes, the process according to the invention has the advantage that the majority of the excess heat generated by the reaction is converted directly into mechanical energy. Another advantageous consequence of this procedure is that the heat conversions in the subsequent waste heat recovery are smaller by the work done. The proposed method can be used for all ash-free fuels, enables largely soot-free operation and allows greater freedom in the choice of the reaction pressure, the temperature, the reaction time, the amount of steam added, etc.
In einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Verfahrensweise dienen als Reaktionspartner ein Brennstoff, ein sauerstoffhaltiges Gas, Kohlenwasserstoffe und Wasserdampf, wobei der Brennstoff mit dem Sauerstoffhaltigen Gas im Reaktionsraum verbrannt wird und die Brennstoffwärme die Spaltung der Kohlenwasserstoffe und des Dampfes be wirkt und die gebildeten Spaltgase und die Verbrennungsgase entspannt werden.In a further variant of the procedure according to the invention, a fuel, an oxygen-containing gas, hydrocarbons and water vapor are used as reaction partners, the fuel being burned with the oxygen-containing gas in the reaction space and the heat of fuel causing the splitting of the hydrocarbons and the steam and the fission gases formed and the Combustion gases can be relaxed.
Bei konventionellen Verfahren dieser Art werden die Reaktanten in den Rohren eines Wärmetauschers geführt, wobei der Wärmetauscher von außen durch 3rennstoffwärme beheizt wird. Erfindungsgemäß wird die notwendige Wärme dagegen durch Verbrennung von Reaktionspartnern innerhalb des Reaktionsraumes zugeführt. Die übrigen Vorteile dieser Variante entsprechen denen der partiellen Oxidation, so diese in der erfindungsgemäßen Verfahrensweise erfolgt.In conventional processes of this type, the reactants are conducted in the tubes of a heat exchanger, the heat exchanger being heated from the outside by heat of fuel. According to the invention, however, the necessary heat is supplied by combustion of reactants within the reaction space. The other advantages of this Variants correspond to those of partial oxidation, if this takes place in the procedure according to the invention.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens wird zur Steuerung der im Reaktionsraum freigesetzten Reaktionswärme die Mengenzugabe wenigstens eines Reaktionspartners zeitlich variiert, über die Reaktionswärme kann nämlich der Reaktionsverlauf zeitlich gesteuert und hierüber Einfluß auf die Zusammensetzung der Reaktionsprodukte gewonnen werden.In an advantageous embodiment of the concept of the invention, the amount of at least one reaction partner is varied over time to control the heat of reaction released in the reaction space, namely the heat of reaction can be used to control the time of the reaction and thereby influence the composition of the reaction products.
In einer Variante der Erfindung ist es von Vorteil, wenn die Reaktionsprodukte im Brennraum eines Verbrennungsmotors gebildet und arbeitsleistend entspannt werden.In a variant of the invention, it is advantageous if the reaction products are formed in the combustion chamber of an internal combustion engine and are relaxed while performing work.
Es ist aber in einer anderen Variante der Erfindung ebenfalls mit Vorteil möglich, die Reaktionspartner unter Reaktionsdruck in eine Brennkammer zu leiten, die Reaktiαns produkte in der Brennkammer zu erzeugen und in einer Turbin zu entspannen.In another variant of the invention, however, it is also advantageously possible to conduct the reaction partners into a combustion chamber under reaction pressure, to produce the reaction products in the combustion chamber and to relax in a turbine.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besitzt einer der Reaktionspartner einen höheren Sauerstoffgehalt als Luft und wird zusammen mit einem fossilen Brennstoff im Brennraum eines Verbrennungsmotors verbrannt, wobei der Sauerstoffhaltige Reaktionspartner in einem für die Verbrennung stöchiometrischen Verhältnis zum Brennstoff steht oder im Überschuß in den Brennraum geleitet wird und außerhalt des Motors auf Kompressionsenddruck verdichtet wird.In an advantageous embodiment of the invention, one of the reaction partners has a higher oxygen content than air and is burned together with a fossil fuel in the combustion chamber of an internal combustion engine, the oxygen-containing reaction partner being in a stoichiometric ratio to the fuel for combustion or being passed to the combustion chamber in excess and is compressed to the final compression pressure outside the engine.
Gilt es Brennstoffenergie in mechanische Energie umzusetzen, so werden die Reaktionspartner üblicherweise in einem Verbrennungsmotor umgesetzt. Dazu werden die Reaktionspartner in den Brennraum eines Zylinders eingeführt und dort unter Druck zur Reaktion gebracht, d.h. verbrannt. Es ist bereits bekannt, die Reaktionspartner außerhalb des Motors vollständig oder zumindest im wesentlichen auf den Kompressionsenddruck zu verdichten. Eine Steigerung des Wirkungsgrades, mit dem die in den fossilen Brennstoffen enthaltene Energie in mechanische Energie umgewandelt werden kann, ist erfindungsgemäß dann erreichbar, wenn je nach fossilem Brennstoff anstelle von Luft reiner Sauerstoff oder zumindest mit Sauerstoff angereicherte Luft mit einem Sauerstoffgehalt von mehr als z.B. ca. 30 Vol.% verwendet wird.If fuel energy needs to be converted into mechanical energy, the reactants are usually converted in an internal combustion engine. For this purpose, the reactants are introduced into the combustion chamber of a cylinder and reacted there under pressure, ie burned. It is already known to completely or at least essentially compress the reaction partners outside the engine to the final compression pressure. An increase in the efficiency with which the energy contained in the fossil fuels can be converted into mechanical energy can be achieved according to the invention if, depending on the fossil fuel, pure oxygen or at least oxygen-enriched air with an oxygen content of more than, for example, approx 30 vol.% Is used.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens wird zusammen mit den verdichteten Reaktionspartnern Wasser oder Wasserdampf in den Reaktionsraum eingelassen. Der Wasserdampf dient unter anderem dazu, Wärme aufzunehmen, um die Höchsttemperatur der Reaktionsgase im Reaktionsraum zu begrenzen.According to an advantageous embodiment of the inventive concept, water or steam is admitted into the reaction space together with the compressed reaction partners. The steam serves, among other things, to absorb heat in order to limit the maximum temperature of the reaction gases in the reaction space.
Gemäß einer "weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindüng werden die komprimierten Reaktionspartner außerhalb des Reaktionsraums im Wärmetausch mit zuvor bei der Reaktion gebildeten Reaktionsgasen erhitzt. Daher kann eventuell zuzuführende Brennstoffwärme im Vergleich zu Prozessen ohne zusätzliche Erhitzung der komprimierten Reaktions-partner reduziert werden.According to a further advantageous embodiment of the invention, the compressed reaction partners are heated outside the reaction space in the heat exchange with reaction gases previously formed during the reaction. Therefore, the heat of fuel to be supplied can be reduced in comparison to processes without additional heating of the compressed reaction partners.
Dient beispielsweise ein Verbrennungsmotor zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahrensweise, so bedeutet dies aber auch, daß weniger Brennstoff zugeführt werden muß. Auf diese Weise wird im Vergleich zu herkömmlichen Dieselmotoren oder Otto-Motoren ein wesentlich besserer Wirkungsgrad erzielt. Erfindungsgemäß kann dabei die Umwandlung der Brennstoffwärme in mechanische Energie in einem Verbrennungsmotor zweckmäßigerweise in einem aus zwei Takten bestehenden Arbeitszyklus, durchgeführt werden. Dabei wird im ersten Takt (Kolbenbewegung von der oberen bis zur unteren Totlage) das auf Kompressionsenddruck verdichtete Arbeitsmedium bei geöffnetem Einlaßventil in den Brennraum eingelassen, das Einlaßventil wieder geschlossen, der Brenn stoff zugeführt und das entstehende Gemisch verbrannt und entspannt. Im zweiten Takt werden die bei der Verbrennung entstandenen Reaktionsgase bei geöffnetem Auslaßventil aus dem Brennraum ausgeschόben.If, for example, an internal combustion engine is used to carry out the procedure according to the invention, this also means that less fuel has to be supplied. In this way, a significantly better degree of efficiency is achieved in comparison to conventional diesel engines or Otto engines. According to the invention, the conversion of the fuel heat into mechanical energy in an internal combustion engine can expediently be carried out in a two-cycle work cycle. Doing so in the first stroke (piston movement from the upper to the lower dead center) the working medium compressed to the final compression pressure is let into the combustion chamber with the inlet valve open, the inlet valve is closed again, the fuel is fed and the resulting mixture is burned and expanded. In the second cycle, the reaction gases generated during combustion are pushed out of the combustion chamber with the exhaust valve open.
Eine weitere Verbesserung des energetischen Wirkungsgrades kann in einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung erreicht werden, wenn die wasserdampfhaltigen ReaktionsProdukte auf einen unteratmosphärischen Druck entspannt und nachfolgend auf etwa Umgebungstemperatur abgekühlt werden und der nichtkondensie-rte Anteil der Reaktionsprodukte auf Atmosphärendruck rückverdichtet und der Atmosphäre zugeführt wird, während das Kondensat mittels einer Pumpe ganz oder teilweise in den Reaktionsprozeß rückgeführt und überschüssiges oder nicht genutztes Wasser verworfen wird. Der Wasserdampfanteil leistet bei der Entspannung Arbeit, so daß von einer Expansionsmaschine mehr Energie abgegeben werden kann. Da jedoch der Wasserdampfanteil bei der Abkühlung auf Umgebungstemperatur kondensiert, braucht dieser Anteil nicht mehr rekomprimiert werden.A further improvement in the energy efficiency can be achieved in an embodiment according to the invention if the water vapor-containing reaction products are expanded to a subatmospheric pressure and subsequently cooled to about ambient temperature and the non-condensed portion of the reaction products is compressed to atmospheric pressure and fed to the atmosphere while the condensate fully or partially returned to the reaction process by means of a pump and excess or unused water is discarded. The proportion of water vapor does work during relaxation, so that more energy can be given off by an expansion machine. However, since the water vapor portion condenses on cooling to ambient temperature, this portion no longer needs to be recompressed.
Grundsätzlich ist es möglich, die Reaktionspartner und/oder den Wasserdampf vor .dem Einleiten in den Reaktionsraum mit beliebigen Wärmequellen vorzuwärmen. Nach einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung werden - wie bereits angegeben - Reaktionspartner und/oder Wasserdampf bzw. Wasser in Wärmetausch mit dem entspannten Reaktionsprodukt erwärmt. Die Maximaltemperatur im Reaktionsräum bzw. das Druckniveau der Reaktionsprodukte nach der Entspannung wird begrenzt durch das Temperaturniveau, mit dem die Reaktionsprodukte den Reaktionsraum über das Auspuffventil verlassen dürfen, ohne daß dieses Ventil zerstört wird.In principle, it is possible to preheat the reactants and / or the water vapor with any heat sources before introducing them into the reaction space. According to an advantageous feature of the invention - as already indicated - reactants and / or water vapor or water are heated in heat exchange with the relaxed reaction product. The maximum temperature in the reaction space or the pressure level of the reaction products after the expansion is limited by the temperature level at which the reaction products enter the reaction space via the exhaust valve allowed to leave without destroying this valve.
Werden die Reaktionsprodukte .erfindungs gemäß arbeit s leisten entspannt, so kühlen sich die Reaktionsprodukte ab. Im Wärmetausch mit den entspannten ReaktionsProdukten werden die komprimierten Reaktionspartner daher lediglich auf ein Temperaturniveau angehoben, das weit unter dem Temperaturniveau liegt, mit dem die Reaktioπspartner ohne Beschädigun des Reaktionsraums z.B. des Einlaßventils eines Brennraums zugeführt werden können. Dieses Temperaturniveau entspricht der Temperatur der den Reaktionsraum verlassenden Reaktions produkte. Mit besonderem Vorteil werden daher nach einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgedankens die komprimierten Reaktionspartner und/oder der Wasserdampf nach dar Erwärmung im Wärmetausch mit Reaktionsprodukten und vor dem Einlassen in den Reaktionsraum durch Fremdwärme erhitzt Diese Maßnahme ist besonders dann anzuwenden, .wenn im Vergleich zur teuren Brennstoffenergie preisgünstig Abwärme mit einem geeigneten Temperaturniveau zur Verfügung steht. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden gasförmige Reaktionspartner in mehreren Stufen, vorzugsweise mit Zwischenkühlung komprimiert. Durch eine mehrstufige Verdichtung mit Zwischenkühlung werden gasförmige Reaktions partner nahezu isotherm komprimiert, so daß diese Reaktions partner nach der vollständigen Kompression annähernd Umgebungstemperatur besitzen. Das heißt, die mehrstufige Kompression mit Zwischenkühlung verringert einerseits die Kompressionsarbeit und ermöglicht andererseits eine nahe¬zu vollständige Nutzung der in den entspannten Reaktionsgasen enthaltenen Wärme.If the reaction products are relaxed according to the invention, the reaction products cool down. In the heat exchange with the relaxed reaction products, the compressed reaction partners are therefore only raised to a temperature level which is far below the temperature level at which the reaction partners, e.g. without damaging the reaction space, of the inlet valve of a combustion chamber can be supplied. This temperature level corresponds to the temperature of the reaction products leaving the reaction space. According to a further embodiment of the concept of the invention, the compressed reactants and / or the water vapor are then heated by external heat after being heated in the heat exchange with reaction products and before being admitted into the reaction space.This measure is to be used especially when compared to the expensive fuel energy inexpensive waste heat with a suitable temperature level is available. In an advantageous embodiment of the invention, gaseous reactants are compressed in several stages, preferably with intermediate cooling. Through a multi-stage compression with intermediate cooling, gaseous reaction partners are compressed almost isothermally, so that these reaction partners have approximately ambient temperature after the complete compression. This means that the multi-stage compression with intermediate cooling reduces the compression work on the one hand and enables the heat contained in the relaxed reaction gases to be used almost completely.
Nach einem anderen vorteilhaften Merkmal der Erfindung werden die gasförmigen Reaktionspartner vor der Verdichtung gekühlt- Die Kühlung kann auf eine Temperatur von oberhalb oder unterhalb 0°C erfolgen, wobei die Kompressionsarbeit zusätzlich verringert und die Endkompressions temperatur gesenkt wird.According to another advantageous feature of the invention, the gaseous reactants are cooled prior to compression. The cooling can take place to a temperature above or below 0 ° C., the compression work being additionally reduced and the end compression temperature is reduced.
Nach einer weiteren erfindungsgemäßen Variante ist es vorteilhaft, in komprimierte gasförmige Reaktionspartner vor deren Wärmetausch mit den entspannten Reaktionsprodukten Wasser einzudüsen. Da selbst bei Kompression in mehreren Stufen und jeweiliger Zwischenkühlung eine isotherme Kompression gasförmiger Reaktionspartner nicht bewirkt werden kann, haben die Reaktionspartner nach der Kompression stets eine über Umgebungstemperatur liegende Temperatur.According to a further variant according to the invention, it is advantageous to inject water into compressed gaseous reactants prior to their heat exchange with the relaxed reaction products. Since isothermal compression of gaseous reactants cannot be effected even with compression in several stages and respective intermediate cooling, the reactants always have a temperature above the ambient temperature after the compression.
Durch das eingedüste Wassers kann die ohnehin anfallende Kompressionswärme zur Verdampfung des eingedüsten Wasser genutzt werden. Da ein auf diese Weise bereitetes Wasserdampf-Reaktionspartner-Gemisch eine im Vergleich zum reinen Reaktionspartner größere Wärmemenge aufnehmen kann und in den Reaktionsprodukten eine größere Menge an zu entspannendem Arbeitsmedium zur Verfügung steht, wird durch die geschilderte Verfahrensvariante eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades und der Leistung erzielt.Due to the water that is injected, the compression heat that is generated anyway can be used to evaporate the water that is injected. Since a water vapor reactant mixture prepared in this way can absorb a larger amount of heat compared to the pure reactant and a larger amount of working medium to be released is available in the reaction products, the described process variant achieves a further increase in efficiency and performance .
Ist einer der Reaktionspartner sauerstoffangereicherte Luft, so hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn als Standort für die Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahrensweisen die Nachbarschaft einer Luftzerlegungsanläge gewählt wird. Hier kann die niedrige Temperatur, mit der Sauerstoff aus der Luftzerlegungsanlage abgezogen werden kann, dazu genutzt werden, die Kompressionsarbeit insgesamt zu verringern.If one of the reactants is oxygen-enriched air, it has proven to be useful if the neighborhood of an air separation plant is chosen as the location for carrying out the inventive procedures. Here, the low temperature at which oxygen can be extracted from the air separation plant can be used to reduce the overall compression work.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens, bei der die Reaktion im Brennraum eines Motors durchgeführt wird, werden die im Brennraum arbeitsleistend entspannten und aus dem Brennraum ausgeschobenen Reaktionsgase in einer außerhalb des Motors angeordneten Expansionsmaschine arbeitsleistend entspannt, bevor sie im Wärmetausch mit verdichteten Reaktionspartnern bis etwa auf die Temperatur der verdichteten ReaktionsPartner abgekühlt werden. In dieser vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens wird ein Teil der in den Reaktionsprodukten nach dem Austritt aus dem Reaktionsraum enthaltenen Energie genutzt. Dazu werden die aus dem Reaktionsraum ausgeschobenen Reaktionsprodukte zunächst in einer Expansionsmaschine ("Abgasturbine") arbeitsleistend entspannt und anschließend beim Wärmetausch mit den komprimierten Reaktionspartnern bis etwa auf die Temperatur der komprimierten Reaktionspartner gekühlt. Die in den Reaktionsprodukten enthaltene Energie wird in dieser Verfahrensweise nicht nutzlos abgegeben, sondern zu einem wesentlichen Teil erneut in den Umwandlungsprozeß eingekoppelt bzw. in Form mechanischer Energie abgegeben. Wird z.B. die Brennstoffzufuhr in den Brennraum eines Verbrennungsmotors und damit die Maximaltemperatur der Verbrennungsgase im Brennraum erhöht, so steigt auch der Anteil der aus den Reaktionsgasen rückgewonnenen Wärme. Die geschilderten Maßnahmen bewirken eine Verbesserung des Wirkungsgrades und eine niedrigere Temperatur der z.B. an die Umgebung abgegebenen Reaktionsprodukte.In an advantageous embodiment of the concept of the invention, in which the reaction is carried out in the combustion chamber of an engine, the reaction gases which are relaxed in the combustion chamber and pushed out of the combustion chamber are relaxed in an expansion machine arranged outside the engine before they are released in the Heat exchange with compressed reaction partners are cooled down to about the temperature of the compressed reaction partners. In this advantageous embodiment of the inventive concept, part of the energy contained in the reaction products after exiting the reaction space is used. For this purpose, the reaction products ejected from the reaction space are first relaxed while working in an expansion machine (“exhaust gas turbine”) and then cooled to about the temperature of the compressed reaction partners during heat exchange with the compressed reaction partners. The energy contained in the reaction products is not given off uselessly in this procedure, but is to a large extent re-coupled into the conversion process or given off in the form of mechanical energy. For example, if the fuel supply to the combustion chamber of an internal combustion engine and thus the maximum temperature of the combustion gases in the combustion chamber are increased, the proportion of heat recovered from the reaction gases also increases. The measures described bring about an improvement in the efficiency and a lower temperature of the reaction products released, for example, into the environment.
Grundsätzlich ist es dabei möglich, die zur Kompression der Reaktionspartner erforderliche Energie durch eine vom Verbrennungsmotor unabhängige Anlage bereitstellen zu lassen. In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird jedoch die gesamte Kompressionsarbeit für die Verdichtung der Reaktionspartner auf Kompressionsenddruck durch die in der dem Motor nachgeschalteten Expansionsmaschine (Abgasturbine) aus den Reaktionsgasen gewonnene Energie gedeckt.In principle, it is possible to have the energy required for compressing the reactants provided by a system that is independent of the internal combustion engine. In an embodiment according to the invention, however, the entire compression work for the compression of the reaction partners to the compression end pressure is covered by the energy obtained from the reaction gases in the expansion machine (exhaust gas turbine) connected downstream of the engine.
Zusammenfassend läßt sich für den zuletzt geschilderten Anwendungsfall feststellen, daß das erfindungsgemäße Ver fahren eine Steigerung des Wirkungsgrades gegenüber bekannten Verbrennungsmotoren zuläßt. Die an die Umwelt abgegebene Abwärme wird erheblich reduziert. Ebenso sinkt aufgrund des geringeren Brennstoffverbrauchs die Schadstoffemission. Ein erfindungsgemäßer Motor ermöglicht die Nutzung diskontinuierlich anfallender Abwärme (für die Erwärmung der komprimierten und im Wärmetausch mit Rauchgasen erwärmten Reaktionspartner), sowie diskontinuierlich anfallender mechanischerEnergie (für die Verdichtung der Reaktionspartner), da bei Ausfall dieser Energiequellen die erforderliche Energie durch mehr Brennstoffverbrauch im Motor ersetzt werden kann.In summary, it can be stated for the last-mentioned application that the Ver drive an increase in efficiency compared to known internal combustion engines. The waste heat given off to the environment is considerably reduced. The pollutant emissions also decrease due to the lower fuel consumption. An engine according to the invention enables the use of discontinuous waste heat (for heating the compressed reaction partners and heated in the heat exchange with flue gases), as well as discontinuous mechanical energy (for the compression of the reaction partners), since if these energy sources fail, the required energy is replaced by more fuel consumption in the engine can be.
Eine mögliche Vorrichtung zur Durchführung des mit Sauerstoff angereicherter Luft arbeitenden Verfahrens besteht aus einem Verbrennungsmotor mit einem oder mehreren, jeweils in einem Gehäuse bewegbaren Kolben und einem durch Gehäuse und Kolben begrenzten Brennraum mit je einem Einlaß (und Einlaßventil) für die Reaktionspartner sauerstoffangereicherte Luft und Brennstoff, und einem Reaktionsgasauslaß (mit Auslaßventil). Mit Vorteil besitzt ein derartiger Verbrennungsmotor erfindungsgemäß wenigstens einen von einer an den Reaktionsgasauslaß angeschlossenen Abgasturbine angetriebenen Kompressor, der mit einem an den Arbeitsmediumeinlaß angeschlossenen Strömungsquerschnit eines Rekuperators verbunden ist, wobei im Rekuperator ein weiterer an den Abgasturbinenausgang angeschlossener Strömungsquerschnitt für die entspannten Reaktionsgase angeordnet ist.A possible device for carrying out the method working with oxygen-enriched air consists of an internal combustion engine with one or more pistons, each movable in a housing, and a combustion chamber delimited by housing and piston, each with an inlet (and inlet valve) for the reactants oxygen-enriched air and fuel , and a reaction gas outlet (with outlet valve). Advantageously, such an internal combustion engine according to the invention has at least one compressor driven by an exhaust gas turbine connected to the reaction gas outlet, which is connected to a flow cross section of a recuperator connected to the working medium inlet, a further flow cross section connected to the exhaust gas turbine outlet for the relaxed reaction gases being arranged in the recuperator.
Im folgenden sollen anhand Schematischer Skizzen Ausführungsbeispiele erläutert werden:Exemplary embodiments will be explained below using schematic sketches:
Es zeigen: Figur 1 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen, mit Sauerstoffangereicherter Luft und Brennstoff arbeitenden Verbrennungsmotors.Show it: Figure 1 is a schematic diagram of an internal combustion engine according to the invention, working with oxygen-enriched air and fuel.
Figur 2 eine Skizze eines mit Luftkühlung, Wassereindüsung und Fremdwärmenutzung arbeitenden Motors.Figure 2 is a sketch of an engine working with air cooling, water injection and use of external heat.
Figuren 3 Temperatur-Entropie-Diagramme eines Gleichbis 6 druckprozesses mit Abgasturbine und eines Prozesses mit Abgasturbine, Außenkompression und Wärmerekuperator.Figures 3 temperature-entropy diagrams of a constant to 6 pressure process with exhaust gas turbine and a process with exhaust gas turbine, external compression and heat recuperator.
Figur 7 den Prozeßverlauf im Zylinder eines energieerzeugenden Vergasungsreaktors während einer Wellenumdrehung.Figure 7 shows the process in the cylinder of an energy-producing gasification reactor during a shaft revolution.
Figuren 8 je eine Prinzipskizze für die Versorgung und 9 eines energieerzeugenden Vergasungsreaktors mit den Reaktionsteilnehmern.8 each a schematic diagram for the supply and 9 of an energy-generating gasification reactor with the reactants.
Figur 10 eine Prinzipskizze einer Vorrichtung mit der z.B. bei der Kohlevergasung gebildetes Kohlenmonoxid und entstehende Wärme in erfindungsgemäßer Weise genutzt werden können,Figure 10 is a schematic diagram of a device with which e.g. carbon monoxide formed during the coal gasification and the heat generated can be used in the manner according to the invention,
Figur 11 eine Prinzipskizze einer Vorrichtung, in der z.B. Erdgas mit geringem Brenngasanteil in der erfindungsgemäßen Weise verwertet werden kann.Figure 11 is a schematic diagram of a device in which e.g. Natural gas with a low proportion of fuel gas can be used in the manner according to the invention.
Gemäß Figur 1 wird sauerStoffangereicherte Luft von einem Kompressor 1 angesaugt und auf Kompressionsenddruck komprimiert. In einem nachgeschalteten Rekuperator 2 tritt die komprimierte, Sauerstoffangereicherte Luft in Wärme tausch mit in vorausgegangenen Arbeitstakten gebildeten Reaktionsgasen. Die so erhitzte Sauerstoffangereicherte Luft wird aus dem Rekuperator aus und in den Brennraum eines Motors, von dem in den Figuren jeweils nur ein Zylinder 4 symbolisch dargestellt ist, ein. In die komprimierte, Sauerstoffangereicherte Luft wird Brennstoff 3 eingeführt. Im Ausführungsbeispiel soll ein Verbrennungsmotor mit Selbs zündung beschrieben werden. Das bedeutet, Druck und Temperatur der eingeführten sauerstoffangereicherten Luft reichen für eine Selbstzündung des Brennstoff-Luft-SauerstoffGemisches aus. In diesem ersten Takt des aus zwei Takten bestehenden Arbeitszyklus' werden das entstandene Gemisch verbrannt und entspannt. Im nachfolgenden Takt werden die gebildeten Reaktionsgase bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens 5 aus dem Brennraum ausgeschoben und in eine Abgasturbine 6 eingeleitet. Dort werden die Reaktionsgase arbeitsleistend entspannt und in den Rekuperator 2 eingeleitet und anschließend an die Atmosphäre abgegeben. Im Rekuperator kühlen sich die Reaktionsgase im Wärmetausch mit Sauerstoffangereicherter Luft bis nahezu auf deren Eintrittstemperatur in den Rekuperator ab.According to FIG. 1, oxygen-enriched air is drawn in by a compressor 1 and compressed to the final compression pressure. The compressed, oxygen-enriched air comes into heat in a recuperator 2 connected downstream exchange with reaction gases formed in previous work cycles. The oxygen-enriched air heated in this way is fed out of the recuperator and into the combustion chamber of an engine, of which only one cylinder 4 is shown symbolically in the figures. Fuel 3 is introduced into the compressed, oxygen-enriched air. In the exemplary embodiment, an internal combustion engine with auto ignition is to be described. This means that the pressure and temperature of the oxygen-enriched air introduced are sufficient for the fuel-air-oxygen mixture to self-ignite. In this first cycle of the two-cycle work cycle, the resulting mixture is burned and expanded. In the subsequent cycle, the reaction gases formed are pushed out of the combustion chamber when the piston 5 moves upward and introduced into an exhaust gas turbine 6. There, the reaction gases are expanded while performing work and introduced into the recuperator 2 and then released into the atmosphere. In the recuperator, the reaction gases cool down in the heat exchange with oxygen-enriched air to almost their entry temperature into the recuperator.
In Figur 2 ist die in Figur 1 dargestellte Anlage durch einen Wärmetauscher bzw. Erhitzer 7, eine Kühlanlage 9 sowie eine EindüsVorrichtung für Wasser 8 ergänzt worden. In dieser Ausgestaltung wird beispielsweise aus einem Luftzerleger stammende mit Sauerstoff angereicherte Luft von einem Kompressor 10 verdichtet und nachfolgend in einem im Ausführungsbeispiel wassergekühlten Wärmetauscher 9 auf eine unter Umgebungstemperatur T liegende Temperatur T gekühlt. Einerseits verringert sich hierdurch die Kompressionsarbeit des nachfolgenden Kompressors 1 und andererseits ist die Temperatur der sauerstoffangereicherten Luft nach der Kompression niedriger als in einer Anlage gemäß Figur 1 an vergleichbarer Stelle. Um die bei der Kompression unvermeidbare Kompressionswärme zu nutzen, wird in die komprimierte säuerstoffangereicherte Luft über eine nicht näher dargestellte Eindüsvorrichtung Wasser eingedüst. Das im Rekuperator erwärmte mit Sauerstoff angereicherte Luft-Wasserdampf-Gemisch wird nachfolgend durch Fremdwärme, nach Möglichkeit durch die Abwärme auf eine durch die Materialeigenschaften des Einlaßventils begrenzte Temperatur erhitzt, mit der das Gemisch in den Brennraum eingelassen wird.In FIG. 2, the system shown in FIG. 1 has been supplemented by a heat exchanger or heater 7, a cooling system 9 and a water injection device 8. In this embodiment, oxygen-enriched air originating from an air separator is compressed by a compressor 10 and subsequently cooled to a temperature T below ambient temperature T in a water-cooled heat exchanger 9 in the exemplary embodiment. On the one hand this reduces the compression work of the subsequent compressor 1 and on the other hand the temperature of the oxygen-enriched air after the compression is lower than in a system according to FIG. 1 at a comparable location. To the To use compression heat that is unavoidable during compression, water is injected into the compressed oxygen-enriched air via an injection device (not shown). The oxygen-enriched air-water vapor mixture heated in the recuperator is subsequently heated by external heat, if possible by the waste heat, to a temperature limited by the material properties of the inlet valve, with which the mixture is let into the combustion chamber.
In Figur 3 ist ein idealer, mit einer Abgasturbine arbeitender Dieselprozeß in einem Temperatur-Entropie-Diagramm dargestellt. Einer adiabatischen Kompression (1 - 2) auf den Druck p2 folgt, eine Isobare Erwärmung (2 - 3) der sich eine adiabatische Expansion (3 - 4) anschließt. Die verdichtete sauerstoffangereicherte Luft steht unter einem Druck von etwa 35 bar. Die Entspannung wird von p2 bis zum Umgebungsdruck p1 geführt. Dies ermöglicht die Abgasturbine, in der der Druck von pAT auf p1 erniedrigt wird.FIG. 3 shows an ideal diesel process working with an exhaust gas turbine in a temperature-entropy diagram. Adiabatic compression (1-2) is followed by pressure p 2 , isobaric heating (2-3), followed by adiabatic expansion (3-4). The compressed oxygen-enriched air is under a pressure of about 35 bar. The relaxation is carried out from p 2 to the ambient pressure p 1 . This enables the exhaust gas turbine in which the pressure is reduced from p AT to p 1 .
In Figur 4 ist ein ideal ablaufender, erfindungsgemäßer Prozeß wiedergegeben. Diesem Prozeß ist das gleiche Druckverhältnis zugrundegelegt, wie dem in Figur 3 dargestellten Prozeß. Hier folgt einer isothermen kompression (1 - 2) die Erwärmung im Rekuperator (2 - 3') und anschließend im Motor (3' - 3). Im Motor erfolgt eine adiabatische Entspannung (3 - 4'), der sich die Entspannung in der Abgasturbine anschließt (4' - 4). Nach der Entspannung folgt die Abkühlung im Rekuperator (4 - 5). Gestrichelt ist in dieser Figur eine Abkühlung der angesaugten sauerstoffangereicherten Luft auf eine unter Umgebungstemperatur liegende Temperatur, dargestellt (1').FIG. 4 shows an ideally running process according to the invention. This process is based on the same pressure ratio as the process shown in FIG. 3. Here isothermal compression (1 - 2) is followed by heating in the recuperator (2 - 3 ') and then in the motor (3' - 3). Adiabatic relaxation takes place in the engine (3 - 4 '), followed by relaxation in the exhaust gas turbine (4' - 4). After relaxation, cooling takes place in the recuperator (4 - 5). A dashed line in this figure shows a cooling of the sucked-in oxygen-enriched air to a temperature below the ambient temperature (1 ').
In den Figuren 5 und 6 sind die beiden angegebenen Pro zesse als reale Prozesse dargestellt. Das heißt, bei diesen Darstellungen wurden die Wirkungsgrade bei der Kompression und der Expansion berücksichtigt, während bei der Wärmezufuhr im Motor weiter davon ausgegangen wird, daß lediglich sauerstoffangereicherte Luft erhitzt wird. Die real ablaufenden chemischen Reaktionen wurden nicht berücksichtigt. In Figur 6 ist eine vierstufige Kompression mit jeweiliger Zwischenkühlung dargestellt. Allen Prozessen wurde ein Adiabatenexponent ℋ - 1,4 zugrundegelegt. Als adiabatischer Wirkungsgrad der Expansion und der Kompression wurden für die Realprozesse ηE = ηK = 0,9 gewählt, Verluste an eine Außenkühlung wurden nicht berücksichtigt. Druσkverluste von jeweils 0,15 bar in den Zwischenkühlern beim Prozeß gemäß Figur 6 sind dagegen berücksichtigt.In Figures 5 and 6, the two specified Pro processes are represented as real processes. This means that the efficiencies in compression and expansion have been taken into account in these representations, while it is further assumed that only oxygen-enriched air is heated when the engine is supplied with heat. The chemical reactions actually taking place were not taken into account. FIG. 6 shows a four-stage compression with respective intermediate cooling. All processes were based on an adiabatic exponent ℋ - 1.4. The adiabatic efficiency of expansion and compression was chosen for the real processes η E = η K = 0.9, losses due to external cooling were not taken into account. Pressure losses of 0.15 bar in each case in the intercoolers in the process according to FIG. 6, however, are taken into account.
Die thermodynamische Güte des erfindungsgemäßen Verfahrens ist unter anderem auf die Kombination folgender Maßnahmen zurückzuführen:The thermodynamic quality of the method according to the invention can be attributed, among other things, to the combination of the following measures:
1. (Quasi isotherme) Verdichtung mit wenig Energie außerhalb des Motors.1. (Quasi isothermal) compression with little energy outside the engine.
2. Weitgehende Rekuperation der Abwärme im Reaktionsgas2. Extensive recuperation of the waste heat in the reaction gas
3. Eine von hohen Temperaturen ausgehende arbeitsleistende Entspannung im Motor.3. A work-related relaxation in the engine that starts from high temperatures.
Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet in gewisser Weise ähnlich wie ein Gasturbinenprozeß bei welchem die Brennkammer durch einen arbeitsleistenden Motor ersetzt wird. Anstelle der mit Rücksicht" auf das Turbinenmaterial üblicherweise auf 600°C bis 900°C begrenzten Eintrittstemperatur können beim erfindungsgemäßen Verfahren Temperaturen von ca. 2000°C ohne teure Materialien erreicht werden. In Figur 7 ist der Prozeßverlauf im Zylinder eines als energieerzeugender Vergasungsreaktor arbeitenden Motors während einer Wellenumdrehung schematisch dargestellt. Grundsätzlich kann jeder konventionelle Motor eingesetzt werden. Es ist aber auch folgende, zu den erfincungsgemäßen Verfahren zählende Verfahrensweise möglich:The method according to the invention works in a way similar to a gas turbine process in which the combustion chamber is replaced by a work-performing engine. Instead of the inlet temperature, which is usually limited to 600 ° C. to 900 ° C. with regard to the turbine material, temperatures of approximately 2000 ° C. can be achieved in the process according to the invention without expensive materials. FIG. 7 schematically shows the process sequence in the cylinder of an engine operating as an energy-producing gasification reactor during a shaft revolution. In principle, any conventional motor can be used. However, the following procedure, which is part of the method according to the invention, is also possible:
Die soweit wie möglich vorgewärmten Reaktionsteilnehmer, also Sauerstoff, Wasserdampf und Brennstoff, werden in den Brennraum eines ein- oder mehrzylindrigen Kolbenmotors bei geschlossenem Auslaßventil 11 eingedüst. Zu Beginn des Eindüsens (Punkt a) nähert sich der Kolben 5 der oberen Totlage. Durch Fremd- oder Selbstzündung erfolgt die Reaktion, wobei der Druck und die Temperatur bei annähernd konstantem Volumen des Brennraums stark ansteigen (Wellenbewegung von a bis b). Nach erfolgter Reaktion (Punkt b) expandiert das Röaktionsprodukt adiabat und arbeitsleistend auf den gewünschten Druck bis der Kolben 5 die untere Totlage (Punkt c) erreicht. Dabei kühlt sich das Reaktionsprodukt stark ab. Während der Wellen- bzw. Kolbenbewegung von c bis a wird das Produkt bei geöffnetem Auslaßventil 11 aus dem Brennraum ausgeschoben. Das Gehäuse des Zylinders 4 wird mit Wasser gekühlt.The reaction participants preheated as much as possible, that is to say oxygen, water vapor and fuel, are injected into the combustion chamber of a single or multi-cylinder piston engine with the exhaust valve 11 closed. At the beginning of the injection (point a), the piston 5 approaches the top dead center. The reaction takes place by spark ignition or self-ignition, with the pressure and the temperature increasing sharply with an approximately constant volume of the combustion chamber (wave movement from a to b). After the reaction (point b), the reaction product expands adiabatically and does the work to the desired pressure until the piston 5 reaches the bottom dead center (point c). The reaction product cools down considerably. During the shaft or piston movement from c to a, the product is pushed out of the combustion chamber with the outlet valve 11 open. The housing of the cylinder 4 is cooled with water.
In den Figuren 8 und 9 sind zwei Varianten für die Vorwärmung und Zuführung der Reaktionsteilnehmer für einen energieerzeugenden Vergasungsreaktor dargestellt.FIGS. 8 and 9 show two variants for preheating and supplying the reactants for an energy-producing gasification reactor.
Gemäß Figur 8 wird von einer Anlage ausgegangen, die Hochdruckdampf über eine Leitung 15 bereitstellt. Dieser Dampf wird ergänzt durch Dampf aus einer Leitung 16, der aus Wasser im Wärmetausch mit dem den Vergasungsreaktor verlassenden Produktgas erzeugt worden ist. Der Wärmetausch findet in einem Wärmetauscher 17 statt. In weiteren Wärmetauschern 18 und 19 werden der Brennstoff und der Sauerstoff erwärmt und über Leitung 13 bzw. 12 in den Brennraum eingedüst. Zum Erwärmen dieser Reaktionsteilnehmer dient kondensierender Dampf aus Leitung 15. Nach erfolgter Reaktion im Brennraum werden die Reaktionsgase über Auslaßventile 11, Wärmetauscher 17 in eine Leitung 20 eingespeist.According to FIG. 8, a system is assumed that provides high pressure steam via a line 15. This steam is supplemented by steam from a line 16 which has been generated from water in heat exchange with the product gas leaving the gasification reactor. The heat exchange takes place in a heat exchanger 17. The fuel is in further heat exchangers 18 and 19 and the oxygen is heated and injected into the combustion chamber via lines 13 and 12, respectively. Condensing steam from line 15 is used to heat these reaction participants. After the reaction has taken place in the combustion chamber, the reaction gases are fed into line 20 via outlet valves 11 and heat exchanger 17.
In Figur 9 ist eine Variante dargestellt, wonach die Reaktionsteilnehmer in einem Wärmetauscher 21 zunächst im Wärmetausch mit den Reaktionsgasen und nachfolgend in einem Wärmetauscher 22 durch Fremdwärme, insbesondere Abwärme mit geeignetem Temperaturniveau, erhitzt werden. Anschließend werden Sauerstoff, Wasserdampf und Brennstoff in den Brennraum eingedüst. Die Reaktionsgase werden nach Verlassen des Brennraums in einer Entspannungsturbine 23 entspannt, in Wärmetauscher 21 bis Umgebungstemperatur abgekühlt und in einer Anlage 24 gereinigt und auf den gewünschten Lieferdruck nachkomprimiert.FIG. 9 shows a variant according to which the reaction participants are heated in a heat exchanger 21 first by heat exchange with the reaction gases and subsequently in a heat exchanger 22 by external heat, in particular waste heat with a suitable temperature level. Then oxygen, water vapor and fuel are injected into the combustion chamber. After leaving the combustion chamber, the reaction gases are expanded in an expansion turbine 23, cooled to ambient temperature in heat exchanger 21 and cleaned in a system 24 and subsequently compressed to the desired delivery pressure.
Ausführungsbeispiel:Design example:
Der in den Figuren 7 bis 9 beschriebene energieerzeugende Vergasungsreaktor kann beispielsweise, in einem Reduktionsstahlwerk Anwendung finden. Sauerstoff aus einer Luftzerlegungsanläge wird auf einen Druck von ca. 6 bar gebracht und in einer Mengen von ca. 2000 m3 /h einem vierzylindrigen Motor mit je ca. 100 1 Huhraur. zugeführt. Gleichzeitig werden ca. 4000 m3 Erdgas pro Stunde in die Zylinder eingeleitet. Der mit einer Drehzahl von ca. 150 U/min arbeitende Motor leistet ca. 1,5 MW und produziert ein aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehendes Reduktionsgas in einer Menge von ca. 12000 m3 /h und mit einem Druck von ca. 3,5 bar. Dieses Reduktionsgas wird zusammen mit im Kreislauf geführtem, von Kohlendioxid und Wasser befreitem und auf 3,5 bar Druck ge brachten Gichtgas (ca. 24000 m3/h) zusammengeführt und einem Schachtofen (20 to/h Eisen) zugeleitet. Der Wärmebedarf pro Tonne Eisen beträgt ca. 1,7 Gcal. Herkömmliche Verfahren besitzen dagegen einen Wärmebedarf von ca. 3,1 Gcal/to Eisen.The energy-generating gasification reactor described in FIGS. 7 to 9 can be used, for example, in a reduction steelworks. Oxygen from an air separation plant is brought to a pressure of approx. 6 bar and in a quantity of approx. 2000 m 3 / h a four-cylinder engine with approx. 100 1 Huhraur each. fed. At the same time, approximately 4000 m 3 of natural gas are introduced into the cylinders per hour. The engine, which operates at a speed of approx. 150 rpm, has an output of approx. 1.5 MW and produces a reducing gas consisting of hydrogen and carbon monoxide in an amount of approx. 12000 m 3 / h and at a pressure of approx. 3.5 bar. This reducing gas is together with circulated, freed of carbon dioxide and water and ge to 3.5 bar pressure brought top gas (approx. 24000 m 3 / h) and fed to a shaft furnace (20 to / h iron). The heat requirement per ton of iron is approximately 1.7 Gcal. Conventional processes, on the other hand, have a heat requirement of approx. 3.1 Gcal / to iron.
Die in Figur 10 schematisch dargestellte Vorrichtung zeigt eine erfindungsgemäße Anlage, in der bei einer Kohlevergasung gebildetes Kohlenmonoxid und entstandene Wärme genutzt werden.The device shown schematically in FIG. 10 shows a system according to the invention in which carbon monoxide formed and the heat generated during a coal gasification are used.
Kohlenmonoxid wird über eine Leitung 25 zusammen mit Sauerstoff (Leitung 26) und Wasser bzw. Wasserdampf (Leitung 27) in einen Motor 4,5 eingeleitet. Kohlenmonoxid wird mit Sauerstoff verbrannt, zunächst im Motor und nachfolgend in einer Turbine 28 entspannt. In gleicher Weise wäre es möglich, die genannten Reaktionspartner in mehreren Stufen jeweils in einer Brennkammer zu verbrennen und nachfolgend in einer Turbine zu entspannen. Dritter Reaktionspartner ist in diesem Ausführungsbeispiel Wasser, das hauptsächlich als Wärmeträger fungiert. Das Wasser wird in einem Wärmetauscher 30 im Wärmetausch mit gebildeten Reaktionsgasen zum großen Teil aber auch durch die bei der Kohlevergasung entstehende Abhitze erwärmt und verdampft. Nach der (letzten) Verbrennung besteht das Reaktionsprodukt zum größten Teil aus Wasserdampf. Die übrigen Bestandteile sind im wesentlichen Kohlenmonoxid und unverbrannter Sauerstoff. Nach Abkühlung des Reaktionsproduktes auf nahezu Umgebungstemperatur in Wärmetauscher 30 gegen anzuwärmendes Wasser sowie in einem Wärmetauscher 31 gegen Kühlwasser erfolgt in Abscheider 32 eine Abtrennung des kondensierten Wassers. Das abgeschiedene Wasser wird mittels Pumpe 34 und zusammen mit Frischwasser (Leitung 36) in eine Leitung 35 eingespeist und in den Prozeß zurückgeführt. Beim Prozeß ent steht ein "Abgas", das im wesentlichen aus Kohlendioxid und unverbranntem Sauerstoff besteht. Diese Abgasmenge ist um eine Größenordnung kleiner als die bei konventionellen Verfahren anfallende Abgasmenge, so daß erfindungsgemäß mit wenig Aufwand ein schadstofffreies Abgas in die Atmosphäre entlassen wird. Außerdem ist es möglich, unverbrauchten Sauerstoff zurückzugewinnen und in den Prozeß zurückzuführen. Auch Kohlendioxid kann zurückgewonnen werden. In diesem Fall bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung die Möglichkeit, ein optimales Energieerzeugungsverfahren für die Kohlevergasung durchführen zu können. Darüber hinaus- kann diese Vorrichtung zudem als Vergasungsreaktor aufgefaßt werden, in dem Kohlendioxid und Sauerstoff gebildet werden.Carbon monoxide is introduced into a motor 4, 5 together with oxygen (line 26) and water or steam (line 27). Carbon monoxide is burned with oxygen, first expanded in the engine and then expanded in a turbine 28. In the same way, it would be possible to burn the reactants mentioned in several stages in a combustion chamber and then to relax in a turbine. In this exemplary embodiment, the third reaction partner is water, which mainly functions as a heat transfer medium. The water is largely heated and evaporated in a heat exchanger 30 in the heat exchange with reaction gases formed, but also by the waste heat generated during coal gasification. After the (last) combustion, the reaction product consists largely of water vapor. The remaining ingredients are essentially carbon monoxide and unburned oxygen. After the reaction product has cooled to almost ambient temperature in heat exchanger 30 against water to be heated and in a heat exchanger 31 against cooling water, the condensed water is separated off in separator 32. The separated water is fed into a line 35 by means of pump 34 and together with fresh water (line 36) and returned to the process. During the process is an "exhaust gas", which consists essentially of carbon dioxide and unburned oxygen. This amount of exhaust gas is an order of magnitude smaller than the amount of exhaust gas obtained in conventional processes, so that, according to the invention, a pollutant-free exhaust gas is released into the atmosphere with little effort. It is also possible to recover unused oxygen and return it to the process. Carbon dioxide can also be recovered. In this case, the device according to the invention offers the possibility of being able to carry out an optimal energy production process for coal gasification. In addition, this device can also be regarded as a gasification reactor in which carbon dioxide and oxygen are formed.
In Figur 11 ist in einer schematischen Skizze eine Vorrichtung dargestellt, in der .(sonst nicht nutzbares) Erdgas mit geringem oder mit keinem Brenngasanteil zur Gewinnung von Energie genutzt werden kann. Erdgas fällt unter hohem Druck an. Erfindungsgemäß wird Erdgas unter dem gegebenen Druck über Leitung 41 in eine Brennkammer 37 eingeleitet. Enthält das Erdgas keinen Brenngasanteil, so muß dem Erdgas ein beliebiger Brennstoff zugesetzt werden, ist ein geringer Brenngasanteil enthalten, muß kein Brennstoff zugegeben werden. In beiden Fällen wird Sauerstoff (Leitung 40) ebenfalls in die Brennkammer 37 geleitet. In der Brennkammer reagieren Sauerstoff und Erdgas bzw. Brennstoff. Die Reaktionsprodukte werden in einer Turbine 38 entspannt und im Wärmetauscher 39 gegen Erdgas und Sauerstoff abgekühlt. Diese Verfahrensweise bietet den Vorteil, daß die Verdichtung des im Brennraum erforderlichen Anteils an inerten Reaktionspartnern entfällt, da das Erdgas von Natur aus unter Druck anfällt. Dabei ist der Energieaufwand für die Sauerstofferzeugung und Nachverdichtung auf Prozeßdruck geringer als der für die Verdichtung eines anderen inerten Anteils (z.B. Luft) erforderliche Energieaufwand. A device is shown in a schematic sketch in FIG. 11, in which natural gas (otherwise unusable) with little or no fuel gas content can be used to generate energy. Natural gas is produced under high pressure. According to the invention, natural gas is introduced into a combustion chamber 37 via line 41 at the given pressure. If the natural gas does not contain any fuel gas, any fuel must be added to the natural gas; if there is a small amount of fuel gas, no fuel has to be added. In both cases, oxygen (line 40) is also fed into the combustion chamber 37. Oxygen and natural gas or fuel react in the combustion chamber. The reaction products are expanded in a turbine 38 and cooled in the heat exchanger 39 against natural gas and oxygen. This procedure offers the advantage that the compression of the proportion of inert reactants required in the combustion chamber is eliminated, since the natural gas is naturally produced under pressure. The energy required for oxygen generation and post-compression to process pressure is lower than the energy required for compressing another inert component (e.g. air).

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zur Umwandlung von Reaktionsenthalpie in mechanische Energie, wobei mehrere Reaktionspartner einem Reaktionsraum zugeführt und miteinander zur Reaktion gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Reaktion gebildeten Reaktionsprddukte während und/oder nach der Reaktion arbeitsleistend entspannt werden.1. A process for converting the enthalpy of reaction into mechanical energy, with a plurality of reactants being fed to a reaction space and reacting with one another, characterized in that the reaction products formed during the reaction are relaxed during and / or after the reaction.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsprodukte chemische Zwischenprodukte sind.2. The method according to claim 1, characterized in that the reaction products are chemical intermediates.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Reaktionspartner ein Kohlenwasserstoff oder ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen, ein Sauerstoffhaltiges Gas - insbesondere Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder reiner Sauerstoff - und Wasserdampf in einem Mengenverhältnis dienen, bei dem im3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that a hydrocarbon or a mixture of hydrocarbons, an oxygen-containing gas - in particular air, oxygen-enriched air or pure oxygen - and steam serve as a reactant in a ratio in which in
Reaktionsraum eine unvollkommene Verbrennung (partielle Oxidation) stattfindet..Reaction chamber an imperfect combustion (partial oxidation) takes place ..
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Reaktionspartner ein Brennstoff, ein sauerstoffhaltiges Gas, Kohlenwasserstoffe und Wasserdampf dienen, wobei der Brennstoff mit dem sauerstoffhaltigen Gas im Reaktionsräum verbrannt wird und die Brennstoffwärme die Spaltung der Kohlenwasserstoffe und des Dampfes bewirkt und die gebildeten Spaltgase und die Verbrennungsgase entspannt werden.4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that a fuel, an oxygen-containing gas, hydrocarbons and water vapor serve as reactants, wherein the fuel is burned with the oxygen-containing gas in the reaction space and the heat of fuel causes the splitting of the hydrocarbons and the steam and the fission gases formed and the combustion gases are released.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der im Reaktionsräum freigesetzten Reaktionswärme die Mengenzugabe wenigstens eines Reaktionspartners zeitlich variiert wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the amount of at least one reactant is varied over time to control the heat of reaction released in the reaction space.
6. Verfahren nach einem der .Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsprodukte im Brennraum eines Verbrennungsmotors gebildet und arbeitsleistend entspannt werden.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the reaction products are formed in the combustion chamber of an internal combustion engine and are relaxed while performing work.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , dadurch gekannzeichnet, daß die Reaktionspartner unter7. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the reactants under
Reaktionsdruck in eine Brennkammer geleitet, und die Reaktionsprodukte in der Brennkammer erzeugt und in einer Turbine entspannt werden.Reaction pressure is passed into a combustion chamber, and the reaction products are generated in the combustion chamber and expanded in a turbine.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Reaktionspartner einen höheren Sauerstoffgehalt als Luft besitzt und zusammen mit einem fossilen Brennstoff im Brennraum eines Verbrennungsmotors verbrannt wird, wobei der Sauerstoffhaltige Reaktionspartner in einem für die Verbrennung stöchiometrischen Verhältnis zum Brennstoff steht oder im Überschuß in den Brennraum geleitet wird und außerhalb des Motors auf Kompressionsenddruck verdichtet wird.8. The method according to claim 1, characterized in that one of the reactants has a higher oxygen content than air and is burned together with a fossil fuel in the combustion chamber of an internal combustion engine, the oxygen-containing reactant being in a stoichiometric ratio to the fuel for combustion or in excess is directed into the combustion chamber and is compressed outside the engine to the final compression pressure.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zusammen mit den verdichteten Reaktionspartnem Wasser oder Wasserdampf in den Reaktionsraum eingelassen wird. 9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that water or steam is admitted into the reaction space together with the compressed reaction partners.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die entspannten Reaktionsprodukte in indirekten Wärmetausch mit wenigstens einem Teil der verdichteten Reaktionspartner gebracht werden.10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the relaxed reaction products are brought into indirect heat exchange with at least some of the compressed reactants.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die wasserdampfhaltigen Reaktions- produkte auf einen unteratmosphärischen Druck entspannt und nachfolgend auf etwa Umgebungstemperatur abgekühlt werden und der nichtkondensierte Anteil der Reaktionsprodukte auf Atmosphärendruck rückverdichtet und der Atmosphäre zugeführt .wird, während das Kondensat mittels einer Pumpe ganz oder teilweise in den Reaktionsprozeß rückgeführt und überschüssiges oder nichtge- nutztes Wasser verworfen wird.11. The method according to any one of claims 9 or 10, characterized in that the water vapor-containing reaction products are expanded to a subatmospheric pressure and subsequently cooled to about ambient temperature and the uncondensed portion of the reaction products is recompressed to atmospheric pressure and supplied to the atmosphere while All or part of the condensate is returned to the reaction process by means of a pump and excess or unused water is discarded.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die im Wärmetausch mit den entspannten Reaktionsprodukten erwärmten Reaktionspart- ner vor dem Einlassen in den Reaktionsräum durch Fremdwärme erhitzt werden.12. The method according to any one of claims 10 or 11, characterized in that the reaction partners heated in the heat exchange with the relaxed reaction products are heated by external heat before being admitted into the reaction space.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß gasförmige Reaktionspartner in mehreren Stufen verdichtet und zwischen den Verdichtungsstufen gekühlt werden.13. The method according to any one of claims 1 to 12, characterized in that gaseous reactants are compressed in several stages and cooled between the compression stages.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß gasförmige Reaktionspartner vor der Verdichtung auf eine unterhalb Umgebungstemperatur liegende Temperatur gekühlt werden.14. The method according to any one of claims 1 to 13, characterized in that gaseous reactants are cooled to a temperature below ambient temperature before compression.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einleitung von Wasserdampf in den Reaktionsraum in wenigstens einen gasförmigen Reaktionspartner vor dessen Wärmetausch mit den entspannten Reaktionsprodukten Wasser eingedüst wird.15. The method according to any one of claims 9 to 14, characterized in that for introducing water vapor into the reaction space in at least one gaseous Reactant is injected with the relaxed reaction products water before its heat exchange.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Reaktion im Brennraum eines Motors durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die im Brennraum arbeitsleistend entspannten und aus dem Brennraum ausgeschobenen Reaktionsprodukte in einer außerhalb des Motors angeordneten Expansionsmaschine arbeitsleistend entspannt werden, bevor sie im Wärmetausch mit verdichteten Reaktionspartnern bis etwa auf die Temperatur der verdichteten Reaktionspartner abgekühlt werden.16. The method according to any one of claims 1 to 15, wherein the reaction is carried out in the combustion chamber of an engine, characterized in that the reaction products relaxed in the combustion chamber and pushed out of the combustion chamber in an expansion machine arranged outside the engine are relaxed while working before being in the Heat exchange with compressed reactants are cooled down to about the temperature of the compressed reactants.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Koπpressions arbeit für die gasförmigen Reaktionspartner durch die außerhalb des Motors in der Expansionsmaschine gewonnene Arbeit gedeckt wird.17. The method according to claim 16, characterized in that the entire Koπpressions work for the gaseous reactants is covered by the work obtained outside the engine in the expansion machine.
18. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und 8 bis 17 mit einem Verbrennungsmotor mit einem oder mehreren, jeweils in einem Gehäuse bewegbaren Kolben und einem durch Gehäuse und Kolben begrenzten Brennraum mit Einlassen für die Reaktionspartner und einem Reaktionsproduktauslaß samt Auslaßventil, gekennzeichnet durch wenigstens einen von einer an den Reaktionsproduktauslaß angeschlossenen Abgasturbine angetriebenen Kompressor, der mit einem an den bzw. die Reaktionspartnereinlaß (-einlasse) angeschlossenen Strömungsquerschnitt eines Rekuperators verbunden ist, wobei im Rekuperator ein weiterer an den Abgasturbinenausgang angeschlossener Strömungsquerschnitt für die entspannten Reaktionsgase angeordnet ist. 18. Device for carrying out the method according to one of claims 1 to 6 and 8 to 17 with an internal combustion engine with one or more pistons, each movable in a housing and a combustion chamber delimited by the housing and piston, with inlets for the reactants and a reaction product outlet together with an outlet valve , characterized by at least one compressor driven by an exhaust gas turbine connected to the reaction product outlet, which is connected to a flow cross section of a recuperator connected to the reaction partner inlet (s) (inlet), wherein a further flow cross section connected to the exhaust gas turbine outlet for the relaxed reaction gases is arranged in the recuperator is.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Rekuperator und Reaktionspartnereinlaß des Brennraums ein Wärmetauscher für eine Erhitzung der Reaktionspartner mit Fremdwärme angeordnet ist.19. The apparatus according to claim 18, characterized in that a heat exchanger for heating the reactants with external heat is arranged between the recuperator and the reactant inlet of the combustion chamber.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 oder 19, gekennzeichnet durch in den Strömungsquerschnitt für komprimierte Reaktionspartner vor dem Rekuperator einmündende Eindüsvorrichtung(en) für Wasser.20. Device according to one of claims 18 or 19, characterized by injecting device (s) for water opening into the flow cross section for compressed reactants in front of the recuperator.
21. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 18 bis 20, mit einem Verbrennungsmotor mit einem oder mehreren, jeweils in einem Gehäuse bewegbaren Kolben und einem durch Gehäuse und Kolben begrenzten Brennraum, dadurch gekennzeichnet, daß in den Brennraum Eindüsvorrichtungen für komprimierten, erhitzten Sauerstoff und Wasserdampf münden. 21. Device for performing the method according to one of claims 18 to 20, with an internal combustion engine with one or more pistons, each movable in a housing and a combustion chamber delimited by the housing and piston, characterized in that injection devices for compressed, heated in the combustion chamber Oxygen and water vapor flow out.
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