DE102021003976A1

DE102021003976A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Separation von CO2 aus Gasen

Info

Publication number: DE102021003976A1
Application number: DE102021003976.9A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-08-03
Filing date: 2021-08-03
Publication date: 2023-02-09

Abstract

Es wird ein Verfahren vorgeschlagen, dass die Separation von CO2 aus der Atmosphäre und aus dem Abgas, das bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen entsteht, ermöglicht. Der Verbrennungsmotor (1) kann durch einfaches Umschalten der zweigeteilten Kurbelwelle als zweistufiger Kiefermotor (1) oder als zweistufiger Kiefer Verdichter (20) arbeiten. Der Kiefermotor (1) wird als Antrieb oder zur Stromproduktion verwendet. Mit dem Kiefer Verdichter (20) wird Energie gespeichert, indem flüssige Luft hergestellt wird. CO2 wird aus der zweistufig verdichteten Luft im Kiefermotor (1) und im Kiefer Verdichter (20) in einem CO2 Abscheider (9) separiert und in den Hochdruckteil eines Arbeitskreislaufes mit CO2 zugeführt. Das von einer Hochdruckpumpe (16) in den Arbeitskreislauf geförderte CO2 wird in Wärmetauschern (4), (5) und (10) auf die entsprechende Temperatur gebracht, so dass es sich bei der Entspannung im Düsenrad (14) verflüssigt und zurück in den Behälter (18) fließt. Im Kiefermotor (1) wird in einem weiteren CO2 Abscheider (9) CO2 aus dem Abgas separiert und der angesaugten Luft beigemischt. Das vorgeschlagene Verfahren erlaubt es, mit geringem Energieeinsatz Kohlenwasserstoffe umweltfreundlich zur Stromproduktion, zur Energiespeicherung und in Antrieben zu verwenden.

Description

Der in der Atmosphäre ansteigende Anteil von CO2 verursacht den z.Zt. stattfindenden Klimawandel. Um diesen aufzuhalten und wieder rückgängig zu machen, darf kein CO2 bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen in die Atmosphäre gelangen und CO2 muss aus der Atmosphäre separiert werden.
Es soll hier ein Verfahren vorgeschlagen werden, dass die Separation von CO2 aus der Atmosphäre und aus dem Abgas, das bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen entsteht, ermöglicht. Das in dieser Patentschrift vorgeschlagene Verfahren erlaubt es, Kohlenwasserstoffe umweltfreundlich zur Speicherung von Energie, zur Stromproduktion und in Antrieben zu verwenden.
Beschreibung
Es wird hier als Antriebsaggregat oder als Verdichter der im Patent DD 228 321 A1 beschriebene Verbrennungsmotor (Kiefermotor) mit zweifacher Verdichtung und zweifacher Entspannung eingesetzt.
Gefilterte Luft wird vom großen Zylinder (Z1) (s. Zeichnung 1, Zeichnung 2) angesaugt und aus diesem verdichtet in einen Wärmetauscher (4) ausgeschoben. In diesem wird die verdichtete Luft erster Stufe abgekühlt und vom kleinen Zylinder (Z2) angesogen, weiter verdichtet und in den Wärmetauscher (5) zur Abkühlung geschoben. Die abgekühlte, zweifach verdichtete Luft hohen Druckes wird in dem Abscheider (8) von Schadstoffen befreit und gelangt in den CO2 Abscheider (9). In diesem wird CO2 aus der Druckluft separiert, z.B. mittels Membran oder Adsorption. Das aus der Luft separierte CO2 hohen Druckes wird nun in den Hochdruckteil des CO2 Arbeitskreislaufes zugeführt (s. Zeichnung 1, Zeichnung 2). In dem CO2 Arbeitskreislauf wird mittels Hochdruckpumpe flüssiges CO2 aus einem Behälter (18) durch die Wärmetauscher (4) und (5) zu deren Kühlung gedrückt. Anschließend wird das CO2 im Kühler (10) gekühlt, so dass es sich im Düsenrad (14) bei Arbeitsgewinnung entspannt und dabei verflüssigt (s. Patentanmeldung DE 10 2018 001 524 A1 ). Flüssiges CO2 fließt zurück in den Behälter (18). Die Welle (12) des Düsenrades (14) ist über ein Getriebe (11) mit der Welle (13) des Kiefermotors (1) oder des Kiefer Verdichters (20) verbunden.
Die vier Zylinder des Kiefermotors (1) können durch Verdrehen eines Teils der zweigeteilten Nockenwelle um einen Winkel so geschaltet werden, dass zwei zweistufige Verdichter als Kiefer Verdichter (20) zur Verfügung stehen (s. Zeichnung 2). Im Zylinder (Z4) wird nun wie im Zylinder (Z1) Luft angesaugt und zur ersten Stufe verdichtet und im Zylinder (Z3) wird wie im Zylinder (Z2) die verdichtete Luft angesaugt und zur zweiten Stufe verdichtet. Der Kiefer Verdichter (20) wird zur Herstellung flüssiger Luft und damit zur Speicherung von Energie genutzt.
Bilden die vier Zylinder einen Kiefermotor (1) (s. Zeichnung 1), so gelangt nach den Zylindern (Z1) und (Z2) die gekühlte und von CO2 befreite Druckluft in den Zylinder (Z3) zur Verbrennung. In oberster Kolbenstellung öffnet das Lufteinlassventil und Kraftstoff gelangt über ein geöffnetes Kraftstoffventil oder durch kurzzeitige Einspritzung in den Zylinder. Ab einer gewissen Kolbenstellung werden die Einlassventile geschlossen. Die Verbrennung und gleichzeitige Entspannung setzten sich fort. Das Brenngas wird mit noch relativ hohem Druck und hoher Temperatur in den Zylinderkopf (15) ausgeschoben und gelangt von dort in den Zylinder (Z4) zur Fortsetzung der Verbrennung und Entspannung zweiter Stufe. Zum Druckausgleich sind die Druckbehälter (2), (3) und (17) installiert.
Werden Kohlenwasserstoffe verbrannt, dann wird das Abgas über einen Abscheider (8) geleitet. Das kann z.B. ein Kondensator sein. Hier werden die für den nachfolgenden CO2 Abscheider (9) schädlichen Stoffe abgeschieden. Danach gelangt das Abgas in den CO2 Abscheider (9). In diesem kann z.B. eine Membran oder ein Adsorptionsmittel installiert sein. Das von CO2 befreite Abgas strömt in die Atmosphäre und das separierte CO2 wird je nach Reinheitsgrad vor oder nach dem Filter (7) der angesaugten Luft zugemischt.
In herkömmlichen, modernen Verbrennungsmotoren ist die Separation von CO2 aus dem Abgas nur mit hohem Aufwand möglich, da das Abgas stark verunreinigt ist. Dagegen ist die Separation von CO2 mit dem Kiefermotor (1) möglich, da man mit dem neuartigen Verbrennungsverfahren ein nahezu sauberes Abgas erhält. Durch die für die Verbrennung zur Verfügung stehende sehr lange Zeit und die hohen Wandtemperaturen des Verbrennungszylinders (Z3) und die intensive Durchmischung des Brenngasgasgemisches wird bei Sauerstoffüberschuss der Kraftstoff garantiert vollständig verbrannt. Kohlenwasserstoffe und Ruß werden sich demzufolge nicht im Abgas befinden. Die wenigen brennbaren Schmierstoffmoleküle, die im Zylinder (Z4) nicht verbrannt sind, werden im Abscheider (8) ausgesondert.
Eine Zumischung von CO2 in der erforderlichen Menge zur angesaugten Luft ist in herkömmlichen modernen Verbrennungsmotoren schwer zu realisieren, da der Anteil Sauerstoff im angesaugten Luft-CO2 Gemisch sinkt und die Verbrennung noch unvollständiger erfolgt. Im Kiefermotor (1) wird das CO2 nach der zweifachen Verdichtung im CO2 Abscheider (9) abgeschieden so dass von CO2 befreite Druckluft in den Verbrennungszylinder (Z3) gelangt. Um einen Leistungsabfall zu vermeiden, können die Zylinder (Z1) und (Z2) etwas größer dimensioniert werden. Die zusätzliche Kompressionsarbeit in den Zylindern (Z1) und (Z2) infolge des zur Ansaugluft zugemischten CO2 wird durch den CO2 Arbeitskreislauf wettgemacht.
Da die Menge an CO2 in dem Behälter (18) zunimmt, muss dieser nach einer gewissen Zeit geleert werden. Das CO2 kann zur Produktion von Methanol eingesetzt oder als Feststoff z.B. in Höhlen gespeichert werden. Die dazu erforderliche Kälte wird von der Anlage mit dem Arbeitskreislauf mit flüssiger Luft (s. Zeichnung 1, Zeichnung 2) geliefert.
Die infolge der Zumischung von CO2 in die angesaugte Luft erfolgende Leistungsminderung kann im Kiefermotor (1) durch einen Dampfmaschinenprozess (s. Zeichnung 1) und einen Arbeitskreislauf mit flüssiger Luft (s. Zeichnung 1 und Zeichnung 2) wettgemacht werden. Beim Dampfmaschinenprozess wird Wasser mittels Hochdruckpumpe (16) in im Motorblock befindliche Hohlräume gepumpt. Hier wird der Dampf erhitzt und anschließend der in den Zylinder (3) einströmenden Hochdruckluft zugemischt. Der Motorblock wird dabei gekühlt. Beim Arbeitskreislauf mit flüssiger Luft wird flüssige Luft von einer Hochdruckpumpe (16) aus dem Behälter (19) entnommen und in einen Wärmetauscher (6) gedrückt. In diesem wird die Luft von der Umgebungswärme erwärmt und dehnt sich aus. Im Düsenrad (14) entspannt sie und fließt als flüssige Luft zurück in den Behälter (19). Damit sich die Luft nach der Entspannung auch tatsächlich verflüssigt, kann sie vor Eintritt in das Düsenrad (14) auf die entsprechende Temperatur abgekühlt werden. Zur Aufrechterhaltung der Menge flüssiger Luft im Arbeitskreislauf kann durch zeitweiliges Öffnen des Hahnes (21) Druckluft in den Arbeitskreislauf zugegeben werden.
Bezugszeichenliste

1: Kiefermotor
2, 3,: Druckbehälter
4, 5, 6, 7: Wärmetauscher
7: Filter
8: Abscheider
9: CO2 Abscheider
10: Kühlrohr
11: Getriebe
12: Welle Düsenräder
13: Welle Kiefermotor / Kiefer Verdichter
14: Düsenrad
15: Zylinderkopf
16: Hochdruckpumpe
17: Druckbehälter
18: Behälter für flüssiges CO2
19: Behälter für flüssige Luft
20: Kiefer Verdichter
21: Hahn
Z1, Z2, Z3, Z4: Zylinder

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DD 228321 A1 [0003]
DE 102018001524 A1 [0004]

Claims

Verfahren und Vorrichtung zur Abscheidung von CO2 dadurch gekennzeichnet, dass aus der angesaugten und zweifach verdichteten und gekühlten Luft eines Kiefermotors 1 oder eines Kiefer Verdichters 20 CO2 in einem CO2 Abscheider 9 separiert wird und dass dieses unter hohem Druck stehende CO2 einem CO2 Arbeitskreislauf in dessen Hochdruckleitung zugeführt wird.
Verfahren und Vorrichtung zur Abscheidung von CO2 nach Punkt 1 dadurch gekennzeichnet, dass im CO2 Arbeitskreislauf von einer Hochdruckpumpe 16 flüssiges CO2 aus dem Behälter 18 in die Hochdruckleitung, die durch die Wärmetauscher 10, 4 und 5 zu deren Kühlung führt, gedrückt wird und dass das unter Hochdruck stehende CO2 danach im Wärmetauscher 10 so weit gekühlt wird, dass das zur Arbeitsverrichtung in das Düsenrad 14 strömende CO2 sich bei der Entspannung in diesem verflüssigt und das flüssige CO2 zurück in den Behälter 18 strömt.
Verfahren und Vorrichtung zur Abscheidung von CO2 nach Punkt 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass im zweistufig verdichtenden und zweistufig entspannenden Kiefermotor 1 nach der zweistufigen Verdichtung von Luft und Abscheidung von CO2 die Hochdruckluft im Zylinder Z3 unter Zugabe einer gewissen Menge von Kohlenwasserstoffen verbrennt und dass die Brenngase über den Zylinderkopf 15 in den Zylinder Z4 gelangen, in dem sich die Verbrennung und Entspannung fortsetzt und dass die Brenngase aus dem Zylinder Z4 über einen CO2 Abscheider 9 geleitet werden, aus dem das Abgas in die Atmosphäre gelangt und das separierte CO2 der Ansaugluft des Kiefermotors 1 zugemischt wird.
Verfahren und Vorrichtung zur Abscheidung von CO2 nach Punkt 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass in dem CO2 Abscheider 9 eine Membran installiert ist, die die CO2 Moleküle von allen anderen Molekülen der Luft oder des Abgases trennt.
Verfahren und Vorrichtung zur Abscheidung von CO2 nach Punkt 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Gase vor dem CO2 Abscheider 9 über einen Abscheider 8 laufen, der alle für den CO2 Abscheider 9 schädlichen Stoffe ausscheidet.
Verfahren und Vorrichtung zur Abscheidung von CO2 nach Punkt 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass durch Verdrehen eines Teils der zweigeteilten Nockenwelle aus einem Kiefermotor 1 ein Kiefer Verdichter 20, der aus zwei zweizylindrischen Verdichtern besteht, wird und umgekehrt.
Verfahren und Vorrichtung zur Abscheidung von CO2 nach Punkt 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeitskreislauf mit flüssiger Luft angeschlossen wird derart, dass von einer Hochdruckpumpe flüssige Luft aus dem Behälter 19 in Druckleitungen 6 gedrückt wird, die von der Umgebungswärme oder von sonstigen Wärmequellen erwärmt werden, so dass sich die entstehende Druckluft ausdehnt und danach in einem Düsenrad 14, das mit der Welle 13 des Kiefermotors 1 oder des Kiefer Verdichters 20 über ein Getriebe gekoppelt ist, entspannt und verflüssigt und die flüssige Luft in den Behälter 19 zurückströmt.
Verfahren und Vorrichtung zur Abscheidung von CO2 nach Punkt 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Leistung des Kiefermotors 1 Wasser von einer Hochdruckpumpe in Hohlräume des Motorblocks, die zur Kühlung des Motorblocks dienen, gedrückt werden und dass der entstehende Hochdruckdampf der zweifach verdichteten Luft im Zylinderkopf 15 zugemischt wird.
Verfahren und Vorrichtung zur Abscheidung von CO2 nach Punkt 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass zum Druckausgleich in den Druckleitungen Druckbehälter 2, 3, 17 installiert sind.