WO2010124727A1 - Vorrichtung zur erhöhung der effizienz eines verbrennungssystems und zur weiterverarbeitung von abgasen des verbrennungssystems - Google Patents

Vorrichtung zur erhöhung der effizienz eines verbrennungssystems und zur weiterverarbeitung von abgasen des verbrennungssystems Download PDF

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    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a device with a
  • hybrid vehicles have long been known which have a higher efficiency than conventional vehicles. Such a hybrid vehicle includes some special components. It is evident that these hybrid vehicles are very complicated and thus very expensive. Other disadvantages of the hybrid vehicles are the increased weight and the reduced trunk. In addition, the drive train, depending on the design of the hybrid vehicle, very expensive.
  • Vehicle or other combustion system can be increased by increasing the inlet air pressure. This can improve the efficiency of the combustion process. Very efficient combustion allows the engine to be downsized, thus reducing fuel consumption without sacrificing performance.
  • turbochargers Part of the currently produced internal combustion engines is equipped with an exhaust gas turbocharger. However, turbochargers only have an efficiency of less than 50%. There are also internal combustion engines equipped with a compressor. Since the compressor is typically mechanically driven via belt directly from the engine, its additional pressure, unlike the turbo, is already available from idle speed.
  • Turbocharger and compressors are fixed.
  • the compressor can be decoupled when the speed for the exhaust gas turbocharger is sufficient.
  • the object of the invention is therefore to provide a method and the
  • a device is used, the one
  • the apparatus includes a turbo-reactor which is connected to the exhaust conduit so as to be fueled with carbonaceous exhaust gases and heat energy from the combustion system.
  • This turbo-reactor comprises a first reaction zone designed to perform a redox reaction, a nitrogen inlet and a second reaction zone.
  • the second reaction zone can be fed with nitrogen-containing gas via the nitrogen inlet.
  • the second reaction region is primarily designed to carry out a nitridation reaction in which a reduced intermediate (eg, silicon and / or C) from the first reaction region reacts with the nitrogen-containing gas.
  • the combustion system operates at a constant speed.
  • the turbo-reactor is switched on or energy is used for these phases, which was previously generated by the reactor and stored in an energy store (eg a rechargeable battery).
  • This energy can be stored in the form of electrical energy.
  • it can also be stored as a hydrogen energy carrier (eg in NH 3 ).
  • the invention is particularly suitable for mobile use, such as
  • the device preferably has a complex control electronics, which cooperates advantageously with a motor or combustion control to set and control different gas streams and reactions.
  • Fig. 1 is a schematic view of a first device according to
  • FIG. 2 is a schematic view of a second device according to
  • FIG. 3 is a schematic view of a third device according to
  • FIG. 4 shows a schematic sectional view of a first turbo-reactor according to the invention
  • Fig. 5 is a schematic sectional view of a second turbo reactor according to the invention.
  • FIG. 1 A schematic view of a first overall device 100 according to the invention is shown in FIG.
  • the invention relates to a device 100 with a combustion system 10 with exhaust pipe 11.
  • internal combustion engines are shown as combustion systems 10.
  • the combustion system 10 may also be a turbine, a combustion chamber, a reactor or another combustion system (eg a gas boiler), in which there is a reaction of hydrocarbons (gasoline, diesel, methanol, kerosene, coal, wood, Biomass, natural gas, or the like) with pure oxygen or with oxygen-containing gas (eg air) comes.
  • the combustion system 10 operates at a constant speed or at a steady load.
  • the combustion system 10 has an oxygen inlet 22.
  • Oxygen-containing gas eg air
  • Oxygen-containing gas can be supplied to a combustion chamber of the combustion system 10 via the oxygen inlet 22.
  • pure oxygen or oxygen-containing gas with a high proportion of oxygen is used. This has two reasons. On the one hand, this measure ensures that the combustion reaction runs smoothly. This means that the carbon-containing exhaust gas stream AG (containing eg CO and CO 2 ) has only a few pollutants (NOx). In addition, such provides Combustion process a relatively large amount of heat El. This amount of heat El is needed as described below.
  • the device 100 comprises a so-called
  • Turboreactor 30 which is fluidly connected to the exhaust pipe 11 so that it can be fed with the carbonaceous exhaust gases AG and the heat energy El from the combustion system 10.
  • the exhaust gas flow quasi transfers the (waste) heat contained therein from the combustion system 10 to the turbo-reactor 30.
  • This turbo-reactor 30 comprises a first reaction region R1 (see FIGS. 4 and 5) which is designed to carry out a redox reaction.
  • the turbo-reactor 30 comprises a nitrogen inlet 23 and a second reaction zone R2.
  • This second reaction region R2 can be fed via the nitrogen inlet 23 with nitrogen-containing gas.
  • the second reaction region R2 is configured to perform a nitridation reaction in which a reduced intermediate ZP from the first reaction region R1 reacts with the nitrogen-containing gas.
  • Reaction process takes place, is operated by the heat energy El, supported or at least triggered.
  • the generator 40 may be connected to the turbo-reactor 30 via a mechanical coupling 32 (eg a drive shaft).
  • the energy A2 can be converted, for example, by means of output-side, turbine-like blades in the interior of the turbo-reactor 30 into a rotary movement of the mechanical coupling 32 (eg a drive shaft).
  • Device 100 includes a compressor device 20 that includes an air inlet 21, an oxygen outlet 22, and a nitrogen outlet 23. Further, the compressor device 20 includes an air separation device (e.g., the lime method). In this embodiment, the oxygen-containing gas and the nitrogen-containing gas are provided by the compressor device 20.
  • the compressor device 20 is driven either mechanically via a mechanical coupling 24 from the combustion system 10 or electrically with power from an accumulator 41. It can also be a combined mechanical and electrical coupling.
  • the turbo-reactor 30 may, depending on the embodiment, be driven mechanically by a mechanical coupling 25 from the combustion system 10. This mechanical drive via the mechanical coupling 25 (e.g., in the form of a drive shaft) is optional.
  • the turboreactor 30 is preferably coupled to the combustion system 10 purely chemically / thermally via the exhaust gas line 11. In this case, the exhaust gas flow transports both the exhaust components AG contained therein and the heat energy El.
  • the turbo-reactor 30 thus preferably draws its energy from the exhaust gas flow.
  • the turbo-reactor 30 may in a preferred embodiment
  • FIG. 5 shows an embodiment of a turbo-reactor 30 with input-side blades 35 and shaft 32.
  • the turbo-reactor 30 has at least one outlet side 31 (in FIG.
  • FIG. 1 shows two output sides) for dispensing reaction products RP.
  • the turbo-reactor 30 may have a connection 32 to a generator 40, as mentioned.
  • the silicon nitride in a downstream system 50, can be converted to ammonia (NH 3 ), as indicated schematically in Fig. 1.
  • the apparatus 100 may also include a tank 51 for storing the ammonia and / or a fuel cell 52 for converting the ammonia into electricity.
  • the fuel cell 52 may feed the power to an accumulator 41 or condenser 41.
  • a scrubbing system is present to "wash" CO 2 using ammonia liquor from a gas stream, thereby producing ammonium bicarbonate and / or ammonium carbonate which can be used as a fertilizer.
  • the device 100 can also be designed so that by accurate control of the exhaust gas and gas streams (O 2 and / or N 2 ), a conversion of the exhaust gas components to a synthesis gas of CO and H 2 takes place.
  • a fuel cell is used, which is arranged on the output side of the turbo-reactor 30. This fuel cell converts the synthesis gas into electricity.
  • Turboreactor 30 an input 33 for hydrocarbon-containing gas Gl (eg, propane gas) on.
  • This gas Gl can be injected through the inlet 33 to drain a two-stage carbothermic nitridation in the turbo-reactor 30.
  • a carbothermal reduction of the CO 2 and / or CO components of the exhaust gas AG takes place.
  • carbothermal nitridation is followed by carbothermal nitridation.
  • the hydrocarbon-containing gas Gl eg, propane gas
  • Turboreactor 30 has an oxygen-containing gas inlet G2 (e.g., pure oxygen). This gas G2 may be injected through the inlet 36 to generate heat, for example, by hot carbothermal combustion in the turbo-reactor 30.
  • G2 oxygen-containing gas inlet
  • a flow control 60 which is indicated only schematically in Figures 1, 2 and 3.
  • This sequencer 60 controls the reactions in the turbo-reactor 30 by the controlled (switchable and metered) supply of the carbonaceous waste gases AG, the heat energy El and the nitrogen-containing gas.
  • the sequencer 60 may also control the delivery of hydrocarbon-containing gas G1 and / or gas G2 through an inlet 33 or 36 and / or other reactants (e.g., silica) through an inlet 34 or water glass through an inlet 31.
  • reactants e.g., silica
  • sequencer 60 is a complex
  • Exhaust pipe 11 is kept relatively short in order to connect the turbo-reactor 30 as directly as possible to the output side of the combustion system 10.
  • the combustion reaction in the combustion system 10 is controlled so that the combustion system 10 emits a flame or a very hot gas stream. This flame or this hot gas stream allows the turbo-reactor 30 to be used as a kind of entrained-flow gasifier.
  • FIG. 4 shows a section through a turbo-reactor 30, which functions purely chemically.
  • the exhaust gases AG flow through the inlet 11 into the first reaction region Rl.
  • hydrocarbon-containing gas Gl (and / or gas G2) flows over the Include 33.
  • This gas Gl is preheated by flowing past the inlet 11.
  • the intermediate product (s) ZP are forwarded to the second reaction zone R2 to react there with nitrogen, which is supplied through the inlets 23.
  • the turbo-reactor 30 releases one or more reaction products.
  • a shaft 32 with (turbo) blades 35 is arranged in the center.
  • the flow energy in the exhaust stream AG is converted into mechanical work.
  • a generator 40 can be driven.
  • water glass can also be produced in order to then inject or inject this water glass into the device 30 via a connection 31.
  • Water glass is here a mixture of sand (SiO 2 ) with acid or lye.
  • Auxiliary Power Units APU
  • They are also suitable for use as a heating system or energy supplier for the household or for smaller businesses.
  • the invention enables a mobile and off-grid power supply.

Abstract

Vorrichtung (100), die ein Verbrennungssystem (10) mit Abgasleitung (11) umfasst. Das Verbrennungssystem (10) weist einen Sauerstoffeingang (22) auf, wobei über den Sauerstoffeingang (22) sauerstoffhaltiges Gas einem Verbrennungsraum des Verbrennungssystems (10) zuführbar ist. Die Vorrichtung (100) umfasst einen Turboreaktor (30), der mit der Abgasleitung (11) so verbunden ist, dass er mit kohlenstoffhaltigen Abgasen und Wärmeenergie aus dem Verbrennungssystem (10) speisbar ist. Dieser Turboreaktor (30) umfasst einen ersten Reaktionsbereich, der zum Durchführen einer Redoxreaktion ausgelegt ist, einen Stickstoffeingang und einen zweiten Reaktionsbereich. Der zweite Reaktionsbereich ist über den Stickstoffeingang mit stickstoffhaltigem Gas speisbar. Der zweite Reaktionsbereich ist primär zum Durchführen einer Nitridierungsreaktion ausgelegt, bei welcher ein reduziertes Zwischenprodukt (z.B. Silizium und/oder C) aus dem ersten Reaktionsbereich mit dem stickstoffhaltigen Gas reagiert.

Description

Vorrichtung zur Erhöhung der Effizienz eines Verbrennungssystems und zur Weiterverarbeitung von Abgasen des Verbrennungssystems
[001] Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung mit einem
Verbrennungssystem mit Abgasleitung.
[002] Verschiede Hybridfahrzeuge sind schon lange bekannt, die eine höhere Effizienz als herkömmliche Fahrzeuge haben. Ein solches Hybridfahrzeug umfasst einige spezielle Komponenten. Es ist evident, dass diese Hybridfahrzeuge sehr kompliziert und somit sehr teuer sind. Weitere Nachteile der Hybridfahrzeuge sind das erhöhte Gewicht und der reduzierte Kofferraum. Ausserdem gestaltet sich der Antriebsstrang, je nach Aufbau des Hybridfahrzeugs, sehr aufwendig.
[003] Es ist allgemein bekannt, dass die Effizienz eines Antriebs eines
Fahrzeuges oder eines anderen Verbrennungssystems durch die Erhöhung des Eintrittsluftdrucks erhöht werden kann. Dadurch kann die Effizienz des Verbrennungsprozesses verbessert werden. Eine sehr effiziente Verbrennung erlaubt eine Reduzierung des Hubraumes (downsizing genannt) des Verbrennungsmotors und auf diese Weise eine Reduzierung des Verbrauches, ohne Leistungskompromisse machen zu müssen.
[004] Ein Teil der zurzeit hergestellten Verbrennungsmotoren ist mit einem Abgasturbolader ausgerüstet. Abgasturbolader haben aber nur einen Wirkungsgrad von weniger als 50%. [005] Es gibt auch Verbrennungsmotoren, die mit einem Kompressor ausgerüstet sind. Da der Kompressor typischerweise über Riemen direkt vom Verbrennungsmotor mechanisch angetrieben wird, steht sein Zusatzdruck, anderes als beim Turbo, bereits ab der Leerlaufdrehzahl zur Verfügung.
[006] Ein Teil dieser Nachteile kann durch eine Kombination von
Abgasturbolader und Kompressoren behoben werden. In dieser Kombination kann der Kompressor entkoppelt werden, wenn die Drehzahl für den Abgasturbolader ausreicht.
[007] Ein gewisser Anteil der Energie, die in einem Verbrennungssystem bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoff mit Sauerstoff entsteht, wird in Form von Wärme mit dem Abgasstrom abgegeben und „verpufft" teilweise komplett ungenutzt. Dies ist nicht nur aus energetischer Sicht unbefriedigend.
[008] Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und die zur
Ausführung des Verfahrens notwendige Vorrichtung bereit zu stellen, um möglichst einfach und kostengünstig die Erhöhung der Effizienz eines Verbrennungssystems bewerkstelligen zu können, wobei möglichst der Abgasstrom sinnvoll eingesetzt werden soll.
[009] Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäss durch eine
Vorrichtung, welche die in Anspruch 1 genannten Merkmale aufweist.
[0010] Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt weiterhin erfindungsgemäss durch ein Verfahren, welches die in Anspruch 14 genannten Merkmale aufweist.
[0011] Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Ansprüche definiert.
[0012] Gemäss Erfindung wird eine Vorrichtung eingesetzt, die ein
Verbrennungssystem mit Abgasleitung umfasst. Das Verbrennungssystem weist einen Sauerstoffeingang auf, wobei über den Sauerstoffeingang sauerstoffhaltiges Gas einem Verbrennungsraum des Verbrennungssystems zuführbar ist. Die Vorrichtung umfasst einen Turboreaktor, der mit der Abgasleitung so verbunden ist, dass er mit kohlenstoffhaltigen Abgasen und Wärmeenergie aus dem Verbrennungssystem speisbar ist. Dieser Turboreaktor umfasst einen ersten Reaktionsbereich, der zum Durchführen einer Redoxreaktion ausgelegt ist, einen Stickstoffeingang und einen zweiten Reaktionsbereich. Der zweite Reaktionsbereich ist über den Stickstoffeingang mit stickstoffhaltigem Gas speisbar. Der zweite Reaktionsbereich ist primär zum Durchführen einer Nitridierungsreaktion ausgelegt, bei welcher ein reduziertes Zwischenprodukt (z.B. Silizium und/oder C) aus dem ersten Reaktionsbereich mit dem stickstoffhaltigen Gas reagiert.
[0013] Gemäss Erfindung wir eine Art des Oxyfue I Verfahrens zusammen mit einer carbothermischen Nitridierung auf Motorkonzepte angewendet. Vorzugsweise arbeitet das Verbrennungssystem bei einer gleichbleibenden Drehzahl. Für das Beschleunigen oder für Spitzenlasten, wird der Turboreaktor zugeschaltet oder es wird für diese Phasen Energie eingesetzt, die vorher vom Tu rboreaktor erzeugt und in einem Energiespeicher (z.B. einem Akku) gespeichert worden ist. Diese Energie kann in Form elektrischer Energie gespeichert werden. Sie kann aber auch als Wasserstoffenergieträger (z.B. in NH3) gespeichert werden.
[0014] Die Erfindung eignet sich besonders für eine mobile Nutzung, wie
Schiffen, Busse, Eisenbahnen, PKWs, LKWs und dergleichen.
[0015] Die Vorrichtung weist vorzugsweise eine komplexe Regelelektronik auf, welche vorteilhafterweise mit einer Motor- oder Verbrennungssteuerung zusammenarbeitet, um verschiedene Gasströme und Reaktionen einstellen und kontrollieren zu können.
[0016] Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im
Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigen : Fig. 1 eine schematische Ansicht einer ersten Vorrichtung gemäss
Erfindung; Fig. 2 eine schematische Ansicht einer zweiten Vorrichtung gemäss
Erfindung; Fig. 3 eine schematische Ansicht einer dritten Vorrichtung gemäss
Erfindung; Fig. 4 eine schematische Schnittansicht eines ersten Turboreaktors gemäss Erfindung; Fig. 5 eine schematische Schnittansicht eines zweiten Turboreaktors gemäss Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
[0017] Eine schematische Ansicht einer ersten Gesamtvorrichtung 100, gemäss Erfindung, ist in Fig. 1 gezeigt. Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung 100 mit einem Verbrennungssystem 10 mit Abgasleitung 11. In den Figuren 1, 2 und 3 sind Verbrennungsmotoren als Verbrennungssysteme 10 gezeigt. Es kann sich bei dem Verbrennungssystem 10 aber auch um eine Turbine, eine Brennkammer, einen Reaktor oder ein anderes Verbrennungssystem (z.B. eine Gastherme) handeln, bei dem es zu einer Reaktion von Kohlenwasserstoffen (Benzin, Diesel, Methanol, Kerosin, Kohle, Holz, Biomasse, Erdgas, oder dergleichen) mit reinem Sauerstoff oder mit sauerstoffhaltigem Gas (z.B. Luft) kommt. Vorzugsweise arbeitet das Verbrennungssystem 10 bei einer gleichbleibenden Drehzahl oder mit einer gleichmässigen Last.
[0018] Das Verbrennungssystem 10 weist einen Sauerstoffeingang 22 auf.
Über den Sauerstoffeingang 22 kann sauerstoffhaltiges Gas (z.B. Luft) einem Verbrennungsraum des Verbrennungssystems 10 zugeführt werden. Vorzugsweise kommt reiner Sauerstoff oder sauerstoffhaltiges Gas mit einem hohen Anteil an Sauerstoff zum Einsatz. Dies hat zwei Gründe. Einerseits erreicht man durch diese Massnahme, dass die Verbrennungsreaktion sauber aufläuft. Das bedeutet, dass der kohlenstoffhaltige Abgasstrom AG (der z.B. CO und CO2 enthält) nur wenige Schadstoffe (NOx) aufweist. Ausserdem liefert ein solcher Verbrennungsprozess eine relativ grosse Wärmemenge El. Diese Wärmemenge El wird gebraucht, wie im Folgenden beschrieben.
[0019] Die Vorrichtung 100 umfasst nämlich einen sogenannten
Turboreaktor 30, der mit der Abgasleitung 11 strömungstechnisch so verbunden ist, dass er mit den kohlenstoffhaltigen Abgasen AG und der Wärmeenergie El aus dem Verbrennungssystem 10 speisbar ist. Hier überführt der Abgasstrom quasi die darin enthaltene (Ab-)Wärme vom Verbrennungssystem 10 zum Turboreaktor 30. Dieser Turboreaktor 30 umfasst einen ersten Reaktionsbereich Rl (siehe Fig. 4 und 5), der zum Durchführen einer Redoxreaktion ausgelegt ist. Ausserdem umfasst der Turboreaktor 30 einen Stickstoffeingang 23 und einen zweiten Reaktionsbereich R2. Dieser zweite Reaktionsbereich R2 ist über den Stickstoffeingang 23 mit stickstoffhaltigem Gas speisbar. Ausserdem ist der zweite Reaktionsbereich R2 zum Durchführen einer Nitridierungsreaktion ausgelegt, bei welcher ein reduziertes Zwischenprodukt ZP aus dem ersten Reaktionsbereich Rl mit dem stickstoffhaltigen Gas reagiert.
[0020] Der Redoxprozess, der im Wesentlichen in dem ersten
Reaktionsprozess abläuft, wird durch die Wärmeenergie El betrieben, unterstützt oder zumindest ausgelöst.
[0021] Das Prinzip wird im Folgenden anhand eines Beispiels näher erläutert. Es kommt hier zum Einsatz von Siliziumdioxid (zum Beispiel als Sand). Durch die Reaktionsbedingungen im ersten Reaktionsbereich Rl wird Siliziumdioxid zu Silizium als Zwischenprodukt ZP reduziert. Dabei entsteht elementares Silizium. Sobald reines Stickstoffgas oder stickstoffhaltiges Gas mit dem Silizium in Verbindung tritt, kommt es zu einer stark exothermen Reaktion des Siliziums zu Siliziumnitrid (Si3N4). Bei dieser Reaktion, die im Wesentlichen in dem zweiten Reaktionsbereich R2 stattfindet, wird Energie (vorzugsweise Arbeit A2) frei gesetzt. Diese Energie A2 wird gemäss Erfindung eingesetzt, um mittels eines Generators 40 einen Akkumulator 41 oder einen Kondensator (z.B. einen Superkondensator) mit Strom aufzuladen. Zu diesem Zweck kann der Generator 40 über eine mechanische Kopplung 32 (z.B. eine Antriebswelle) mit dem Turboreaktor 30 verbunden sein. [0022] Die Energie A2 kann zum Beispiel mittels ausgangsseitiger, turbinenartiger Schaufeln im Inneren des Turboreaktors 30 in eine Drehbewegung der mechanischen Kopplung 32 (z.B. eine Antriebswelle) umgesetzt werden.
[0023] In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die
Vorrichtung 100 eine Kompressor-Vorrichtung 20 auf, die einen Lufteingang 21, einen Sauerstoffausgang 22 und einen Stickstoffausgang 23 umfasst, Weiterhin weist die Kompressor-Vorrichtung 20 eine Lufttrennungsvorrichtung (z.B. nach dem Lindeverfahren) auf. Bei dieser Ausführungsform werden das sauerstoffhaltige Gas und das stickstoffhaltige Gas durch die Kompressor- Vorrichtung 20 bereit gestellt.
[0024] Die Kompressor-Vorrichtung 20 wird entweder mechanisch über eine mechanische Kopplung 24 von dem Verbrennungssystem 10 oder elektrisch mit Strom aus einem Akkumulator 41 angetrieben. Es kann auch eine kombinierte mechanische und elektrische Kopplung erfolgen.
[0025] Der Turboreaktor 30 kann, je nach Ausführungsform, mechanisch über eine mechanische Kopplung 25 von dem Verbrennungssystem 10 angetrieben werden. Dieser mechanische Antrieb über die mechanische Kopplung 25 (z.B. in Form einer Antriebswelle) ist optional. Vorzugsweise ist der Turboreaktor 30 nämlich rein chemisch/thermisch über die Abgasleitung 11 mit dem Verbrennungssystem 10 gekoppelt. In diesem Fall transportiert der Abgasstrom sowohl die darin enthaltenen Abgasbestandteile AG als auch die Wärmeenergie El. Der Turboreaktor 30 bezieht also vorzugsweise seine Energie aus dem Abgasstrom.
[0026] Der Turboreaktor 30 kann in einer bevorzugten Ausführungsform
Schaufeln 35 aufweisen, die durch den einströmenden Abgasstrom AG in Rotation versetzt werden. Diese Rotation kann über eine Welle 32 z.B. an einen Generator 40 geleitet werden. In Fig. 5 ist eine Ausführungsform eines Turboreaktors 30 mit eingangsseitigen Schaufeln 35 und Welle 32 gezeigt. [0027] Der Turboreaktor 30 weist mindestens eine Ausgangsseite 31 (in
Fig. 1 sind zwei Ausgangsseiten gezeigt) für das Abgeben von Reaktionsprodukten RP auf. Ausserdem kann der Turboreaktor 30 eine Verbindung 32 zu einen Generator 40 haben, wie erwähnt.
[0028] Bei einer Ausführungsform, bei der Siliziumnitrid entsteht, kann in einem nachgelagerten System 50 das Siliziumnitrid zu Ammoniak (NH3) umgesetzt werden, wie in Fig. 1 schematisch angedeutet. In diesem Fall kann die Vorrichtung 100 auch einen Tank 51 zum Speichern des Ammoniaks und/oder eine Brennstoffzelle 52 zum Umwandeln des Ammoniaks in Strom umfassen. Die Brennstoffzelle 52 kann den Strom in einen Akkumulator 41 oder Kondensator 41 speisen.
[0029] In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Waschsystem vorhanden, um CO2 mittel Ammoniaklauge aus einem Gastrom zu „waschen". Dadurch entsteht Ammoniumhydrogencarbonat und/oder Ammoniumcarbonat, das als Dünger einsetzbar ist.
[0030] Die Vorrichtung 100 kann auch so ausgelegt sein, dass durch genaue Steuerung der Abgas- und Gasströme (O2 und/oder N2) eine Umsetzung der Abgasbestandteile zu einem Synthesegas aus CO und H2 erfolgt. In diesem Fall kommt eine Brennstoffzelle zum Einsatz, die ausgangsseitig des Turboreaktors 30 angeordnet ist. Diese Brennstoffzelle setzt das Synthesegas um zu Strom.
[0031] In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der
Turboreaktor 30 einen Eingang 33 für kohlenwasserstoffhaltiges Gas Gl (z.B. Propangas) auf. Dieses Gas Gl kann durch den Eingang 33 eingeblasen werden, um eine zweistufige carbothermische Nitridierung in dem Turboreaktor 30 ablaufen zu lassen. Im ersten Schritt findet eine carbothermische Reduktion der CO2- und/oder CO Anteile des Abgases AG statt. Dann folgt die carbothermische Nitridierung. [0032] In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der
Turboreaktor 30 einen Eingang 36 für sauerstoffhaltiges Gas G2 (z.B. reiner Sauerstoff) auf. Dieses Gas G2 kann durch den Eingang 36 eingeblasen werden, um zum Beispiel durch eine heisse carbothermische Verbrennung in dem Turboreaktor 30 Hitze zu erzeugen.
[0033] In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die
Vorrichtung 100 eine Ablaufsteuerung 60 auf, die in den Figuren 1, 2 und 3 nur schematisch angedeutet ist. Diese Ablaufsteuerung 60 steuert die Reaktionen in dem Turboreaktor 30 durch die kontrollierte (schalt- und dosierbare) Zufuhr der kohlenstoffhaltigen Abgase AG, der Wärmeenergie El und des stickstoffhaltigen Gases. Ausserdem kann die Ablaufsteuerung 60, je nach Ausführungsform, auch das Zuführen von kohlenwasserstoffhaltigem Gas Gl und/oder Gas G2 durch einen Einlass 33 oder 36 und/oder anderen Reaktanden (z.B. Siliziumdioxid) durch einen Einlass 34 oder Wasserglas durch einen Einlass 31 steuern.
[0034] Vorzugsweise ist in der Ablaufsteuerung 60 eine komplexe
Regelelektronik implementiert, welche vorteilhafterweise mit einer Motor- oder Verbrennungssteuerung zusammenarbeitet, um die verschiedene Gasströme und Reaktionen einstellen und kontrollieren zu können.
[0035] In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Länge der
Abgasleitung 11 relativ kurz gehalten, um den Turboreaktor 30 möglichst direkt mit der Ausgangsseite des Verbrennungssystems 10 zu verbinden. In diesem Fall wird die Verbrennungsreaktion in dem Verbrennungssystem 10 so gesteuert, dass das Verbrennungssystem 10 eine Flamme oder einen sehr heissen Gasstrom abgibt. Diese Flamme oder dieser heisse Gasstrom ermöglicht es den Turboreaktor 30 als eine Art Flugstromvergaser einzusetzen.
[0036] In den Figuren 4 und 5 sind zwei besonders bevorzugte
Ausführungsformen des Turboreaktors 30 gezeigt. In Fig. 4 ist ein Schnitt durch einen Turboreaktor 30 gezeigt, der rein chemisch funktioniert. Die Abgase AG strömen durch den Einlass 11 in den ersten Reaktionsbereich Rl. Aussen herum strömt optional kohlenwasserstoffhaltiges Gas Gl (und/oder Gas G2) über die Einlasse 33 ein. Dieses Gas Gl wird durch das Vorbeiströmen am Einlass 11 vorgewärmt. Im Bereich Rl kommt es dann zu einer Reduktionsreaktion, wie beschrieben. Das/die Zwischenprodukte ZP werden an den zweiten Reaktionsbereich R2 weitergeleitet, um dort mit Stickstoff zu reagieren, der durch die Einlasse 23 zugeführt wird. Am Ausgang 31 gibt der Turboreaktor 30 eines oder mehrere Reaktionsprodukte ab.
[0037] Die in Fig. 5 gezeigte Ausführungsform funktioniert ähnlich, wobei hier jedoch eine Welle 32 mit (Turbo)Schaufeln 35 im Zentrum angeordnet ist. Durch die Schaufeln 35 wird die Strömungsenergie im Abgasstrom AG umgewandelt in mechanische Arbeit. So kann zum Beispiel ein Generator 40 angetrieben werden.
[0038] In einem optionalen Schritt kann auch Wasserglas erzeugt werden, um dieses Wasserglas dann über eine Verbindung 31 in die Vorrichtung 30 einzublasen oder einzuspritzen. Wasserglas ist hier eine Mischung aus Sand (SiO2) mit Säure oder Lauge.
[0039] Das erfindungsgemässe System, respektive die erfindungsgemässe
Vorrichtung kann als Bordstromversorgung für Fahrzeuge, so genannten Auxiliary Power Units (APU), eingesetzt werden. Sie eignen sich auch für den Einsatz als Heizungssystem oder Energielieferant für den Haushalt oder für kleinere Betriebe. Die Erfindung ermöglicht eine mobile und netzferne Energieversorgung.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
1. Vorrichtung (100) mit einem Verbrennungssystem (10) mit Abgasleitung (11), dadurch gekennzeichnet, dass:
- das Verbrennungssystem (10) einen Sauerstoffeingang (22) aufweist, wobei über den Sauerstoffeingang (22) sauerstoffhaltiges Gas einem Verbrennungsraum des Verbrennungssystems (10) zuführbar ist,
- die Vorrichtung (100) einen Turboreaktor (30) umfasst, der mit der Abgasleitung (11) so verbunden ist, dass er mit kohlenstoffhaltigen Abgasen (AG) und Wärmeenergie (El) aus dem Verbrennungssystem (10) speisbar ist, wobei der Turboreaktor (30) aufweist: o einen ersten Reaktionsbereich (Rl), der zum Durchführen einer Redoxreaktion ausgelegt ist, o einen Stickstoffeingang (23), o einen zweiten Reaktionsbereich (R2), der über den Stickstoffeingang (23) mit stickstoffhaltigem Gas speisbar ist, wobei der zweite Reaktionsbereich (R2) zum Durchführen einer Nitridierungsreaktion ausgelegt ist, bei welcher ein reduziertes Zwischenprodukt (ZP) aus dem ersten Reaktionsbereich (Rl) mit dem stickstoffhaltigen Gas reagiert.
2. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Kompressor-Vorrichtung (20) umfasst, die einen Lufteingang (21), einen Sauerstoffausgang (22) und einen Stickstoffausgang (23), sowie eine Lufttrennungsvorrichtung aufweist, wobei das sauerstoffhaltige Gas und das stickstoffhaltige Gas durch die Kompressor-Vorrichtung (20) bereit gestellt werden.
3. Vorrichtung (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressor-Vorrichtung (20)
- mechanisch über eine mechanische Kopplung (24) von dem Verbrennungssystem (10) und/oder
- elektrisch mit Strom aus einem Akkumulator (41) antreibbar ist.
4. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Turboreaktor (30) mechanisch über eine mechanische Kopplung (25) von dem Verbrennungssystem (10) antreibbar ist.
5. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Turboreaktor (30) eine Ausgangsseite (31) für das Abgeben von Reaktionsprodukten (RP) und/oder eine Verbindung (32) zu einem Generator (40) hat.
6. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Generator (40) und einen Akkumulator (41) umfasst, wobei der Generator (40) von dem Turboreaktor (30) antreibbar und der Akkumulator (41) von dem Generator (40) mit Strom versorgbar ist.
7. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Turboreaktor (30) einen Eingang (34) für das Zuführen von Siliziumdioxid aufweist, wobei es sich in diesem Fall bei dem reduzierten Zwischenprodukt (ZP) um elementares Silizium handelt, wobei dieses elementare Silizium in dem zweiten Reaktionsbereich (R2) mit dem stickstoffhaltigen Gas exotherm zu Siliziumnitrid reagiert, und wobei Wärmeenergie freigesetzt wird.
8. Vorrichtung (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem nachgelagerten System (50) das Siliziumnitrid zu Ammoniak umsetzbar ist.
9. Vorrichtung (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Tank (51) zum Speichern von Ammoniak oder eine Brennstoffzelle (52) zum Umwandeln von Ammoniak in Strom umfasst.
10. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Turboreaktor (30) - einen Eingang (34) für kohlenwasserstoffhaltiges Gas (Gl) aufweist, wobei dieses Gas (Gl) einblasbar ist, um eine carbothermische Nitridierung in dem Turboreaktor (30) ablaufen zu lassen, und/oder
- einen Eingang (36) für sauerstoffhaltiges Gas (G2) aufweist, wobei dieses Gas (G2) einblasbar ist, um eine Oxidation als Teilreaktion der Redoxreaktion ablaufen zu lassen.
11. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Ablaufsteuerung (60) umfasst, um die Reaktionen in dem Turboreaktor (30) durch die Zufuhr der kohlenstoffhaltigen Abgase (AG), der Wärmeenergie (El), des stickstoffhaltigen Gases und/oder des kohlenwasserstoffhaltigen Gases (Gl) und/oder des sauerstoffhaltiges Gases (G2) steuern zu können.
12. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbrennungssystem (10) zum Durchführen einer Verbrennungsreaktion von Kohlenwasserstoffen mit Sauerstoff ausgelegt ist.
13. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine Vorrichtung (100) für den stationären oder um eine Vorrichtung (100) für den mobilen Einsatz handelt.
14. Verfahren mit den folgenden Schritten :
- Einleiten von sauerstoffhaltigem Gas in einen Verbrennungsraum eines Verbrennungssystems (10),
- Ableiten von kohlenstoffhaltigen Abgasen (AG) und Wärmeenergie (El) aus dem Verbrennungssystem in einen Turboreaktor (30),
- Durchführen einer Redoxreaktion (carbothermische Reduktionsreaktion) in einem ersten Reaktionsbereich (Rl) des Turboreaktors (30),
- Zuführen eines stickstoffhaltigen Gases in einen zweiten Reaktionsbereich (R2) des Turboreaktors (30), und - Durchführen einer Nitridierungsreaktion im zweiten Reaktionsbereich (R2), bei welcher ein reduziertes Zwischenprodukt (ZP) aus dem ersten Reaktionsbereich (Rl) mit dem stickstoffhaltigen Gas reagiert.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass beim Durchführen der Redoxreaktion aus CO2-Anteilen der kohlenstoffhaltigen Abgase (AG) durch Reduktion CO und/oder C als Zwischenprodukt (ZP) erzeugt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass beim Durchführen der Redoxreaktion aus SiO2-Anteilen durch Reduktion elementares Silizium als Zwischenprodukt (ZP) erzeugt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass Primärenergie, die für das Durchführen der Redoxreaktion erforderlich ist, durch Wärmeenergie der Abgase (AG) vom Verbrennungssystem (10) an den Turboreaktor (30) überführt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Turboreaktor (30) mechanisch von dem Verbrennungssystem (10) angetrieben wird.
19. Verfahren nach Anspruch 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Turboreaktor (30) eingesetzt wird, um Strom zu erzeugen.
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