DE937769C - Verfahren und Vorrichtung zur unvollstaendigen Verbrennung von Methan und von Methanenthaltenden anderen gas- oder dampffoermigen oder feinverteilten kohlenstoff- und wasser-stoffhaltigen Brennstoffen mit Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasen, vorzugsweise zur Gewinnung von Synthesegas in einem Verbrennungsmotor und Gewinnung von mechanischer Arbeit - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur unvollständigen Verbrennung von Methan und von Methan enthaltenden anderen gas- oder dampfförmigen oder feinverteilten kohlenstoff- und wasserstoffhaltigen Brennstoffen mit Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasen, vorzugsweise zur Gewinnung von Synthesegas in einem Verbrennungsmotor und Gewinnung von mechanischer Arbeit Es sind bereits Verfahren zur unvollständigen Verbrennung von Methan und anderen gas- oder dampfförmigen oder vernebelten Kohlenwasserstoffen mit Sauerstoff bzw. sauerstoffhaltigen Gasen, unter Umständen mit Zusatz. von Wasserdampf, bekannt, bei denen als Verbrennungsprodukt ein. Kohlenoxyd und Wasserstoff enthaltendes Gasgemisch anfällt, das für synthetische Zwecke verwendet werden kann. Ebenso hat man schon die bei der unvollständigen Verbrennung frei werdende Energie in einem Motor zur Erzeugung mechanischer Arbeit nutzbar gemacht, indem die Verbrennung des Kohlenwasserstoffs bzw. Kohlenwasserstoffgemisches unmittelbar in einem Gasmotor vorgenommen wird. Es kann dazu beispielsweise ein Motor besonderer Bauart verwendet werden, der getrennte Einlässe für die zu verbrennenden Gase vorsieht, deren Ventile in voneinander abhängigem, zeitlich bestimmtem Takt die Gaszuführung öffnen, wonach dann Zündung erfolgt. Bei einer solchen Verfahrensweise wird also die Herstellung des zündfähigen Gemisches im Motor selbst vorgenommen. Es ist unbezweifelbar, daß bei einer solchen Anordnung beträchtliche Unterschiede in der Gemischzusammensetzung der einzelnen Zylinderfüllungen entstehen. Dasselbe trifft zu, wenn man etwa einen Motor üblicher Bauart verwendet, bei dem das Gemisch unmittelbar vor Eintritt in, den Zylinder hergestellt wird, da hierbei die Gemischzusammensetzung von dem Vordruck der beiden Gase abhängt.
• Bei solchen Verfahrensweisen wirken sich etwaige Unterschiede in der Sauerstoffkonzentration außerordentlich stark auf das angestrebte Ergebnis aus, indem mit sinkender Sauerstoffkonzentration der Methangehalt des Abgases beträchtlich anwächst, während. ein erhöhter Sauerstoffgehalt der Gasbeladung die teilweise Verbrennung des Wasserstoffs zu Wasser begünstigt.
• Ausgeführte Untersuchungen haben gezeigt, daß weder bei Herstellung des Gemisches im Zylinder noch auch unmittelbar vor Eintritt in den Zylinder nach Art des üblichen. Gasmotorenbetriebes ein gleichmäßiges Arbeiten des Motors und die Erzeugung eines einheitlichen Produktes erzielt werden können. Bei zu niedriger Sauerstoffbeladung des zur Verbrennung kommenden Gasgemisches kann außer Methan auch noch Sauerstoff im Abgas auftreten; gleichzeitig werden dadurch Unregelmäßigkeiten im Motorenbetrieb. verursacht, infolge Zündverzugs und längerer Dauer der Verbrennung sowie auch infolge zeitweiligen Aussetzens der Zündung. Eine zu hohe Sauerstoffkonzentration des Gasgemisches kann hingegen den Motorenbetrieb infolge Anwachsens des Explosiondruckes gefährden.
• Es wurde dagegen gefunden, daß man überraschenderweise doch die unvollständige Verbrennung unter Gewinnung von beispielsweise Synthesegas in einem Gasmotor üblicher Bauart in gleichmäßigem Betrieb und unter Gewinnung gleichbleibender Produkte durchführen kann, wenn, man einen solchen Motor mit einem: fertig vorbereiteten, durchaus homogenen Gemisch der umzusetzenden Gase belädt und dieses zur Entzündung bringt. Gasförmige Kohlenwasserstoffe mit Kohlenoxyd und Wasserstoff in regenerativen Gaserhitzern umzusetzen, wobei die Reaktionsteilnehmer in einem vorgeschalteten mechanischen Mischer homogen ineinander verteilt werden, ist bekannt. Demgegenüber betrifft das Verfahren der Erfindung die Umsetzung von Kohlenwasserstoffen mit solchen Mengen von Sauerstoff, die zur vollständigen Verbrennung nicht ausreichen. Die, Umsetzung findet in einem Motor statt, in dem neben Synthesegas auch mechanische Energie erzeugt wird. Die gleichmäßige Mischung der Ausgangsstoffe in einem Zwischenbehälter wird vorgenommen, um ein sicheres und gleichmäßiges Arbeiten des Motors zu gewährleisten. Dabei wird erfindungsgemäß in diesem Zwischenbehälter ein solcher Druck aufrechterhalten, bei dem das Gasgemisch nicht zündbar ist.
• Im Falle der Verwendung von Methan ist diese Voraussetzung beispielsweise gewährleistet;- wenn die Methankonzentration über 51% und die Sauerstoffkonzentration unter 49% sowie der Druck im Vorratsbehälter i atii beträgt. Dieses Gemisch ist jedoch bei dem im Motor herrschenden Kompressionsdruck von beispielsweise 6 atü ohne, weiteres zündfähig. Es ist ein besonderer Vorzug des Verfahrens, daß Rückzündungen vom Motor zum Vorratsbehälter bei Einhalten der geschilderten Voraussetzungen niemals eintreten können.
• Zur Durchführung des Verfahrens ist es nicht notwendig, daß der verwendete Sauerstoff in reinem Zustand vorliegt. Es können auch Gemische. von Sauerstoff mit inerten Gasen bis zu einem Inertgasgehalt von 5o% Verwendung finden. Noch niedrigere Sauerstoffkonzentrationen sind jedoch unzweckmäßig, da hierbei der Wasserstoffgehalt des Abgases zugunsten der Bildung von Wasser beträchtlich absinkt.
• Über längere Zeiträume durchgeführte Versuche haben erwiesen, daß es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren unterAufrechterhalten der beschriebenen Bedingungen ohne weiteres gelingt, eine weitgehend gleichmäßige Zusammensetzung des Endproduktes bei vollkommen gleichmäßigemArbeiten des Motors im Dauerbetrieb. zu erhalten.
• Zur Durchführung des Verfahrens wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung benutzt, die aus einer Mischkammer bzw. Mischdüse für die; beiden in getrennten Zuleitungen ankommenden Gase, Dämpfe usw., einem Zwischenbehälter für das fertig gemischte Gas sowie einem Gasmotor üblicher Bauart besteht.
• Die folgenden Beispiele erläutern näher das Verfahren und die mit der beschriebenen Vorrichtung erzielten Ergebnisse: Beispiel i Ein Vi ertakt-Einzylinder-Verbrennungsmo:tor mit stehendem Zylinder von 61 Hubvolumen, Kompressionsverhältnis i :6,5, wurde mit einem Gasgemisch, bestehend aus 40% Sauerstoff, 580/0 Methan und 20/m Stickstoff, das wie oben beschrieben zubereitet wurde, betrieben. Der Druck im Zwischenbehälter betrug hierbei i5o mm W. S. über Atmosphärendruck, die Umdrehungszahl des Motors betrug 350 pro Minute. Es wurde in vollkommen gleichmäßigem Betrieb ein Gas als Reaktionsprodukt mit folgender Zusammensetzung erhalten: C02 ........................ 3,7°/0 C O ......................... 36,5% H2 ......................... 55,90/0: CH4 ........................ 2,IO/om N2 ..................:...... 1,8%.
• Die Arbeitsleistung des Motors betrug hierbei o,2i kWh pro cbm Synthesegas, während die Verwertung der Abwärme des Motors in einem Abhitzekessel o,zS kg Dampf von io atü pro. cbm Synthesegas ergab.
• Beispiel 2 Wenn in dem im Beispiel i beschriebenen Verbrennungsmotor ein Gasgemisch, bestehend aus 38% Sauerstoff, 6o% Methan und 2:% Stickstoff, . bei: den: beschriebenen Bedingungen verarbeitet wurde, entstand neben einem Auspuffgas mit der Zusammensetzung von c02 ........................ 3,2% C O ......................... 31,80/a 112 .......................... 57,80/0 C H4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5,2%, N2 .......................... 2,00/0 auch Ruß. Die Ausbeute an Ruß betrug 5%, bezogen auf den eingesetzten Kohlenstoff. Der Ruß hat eine tiefschwarze Farbe mit der Farbtiefe eines guten amerikanischen Farbrußes, eine gute Dispergie:rbarkeit in Lack und eine niedrigeViskosität des Lack-Ruß-Gemisches.
• Wenn man dagegen versucht, die Reaktion unter Gewinnung mechanischer Arbeit in einem Verbrennungsmotor so, durchzuführen, daß man das Gasgemisch erst im Zylinderraum oder unmittelbar vor dem Ansaugeventil herstellt, ist ein ruhiger und kontinuierlicher Betrieb nicht zu erzielen. Es treten Fehlzündungen und andererseits so hohe Zünddrücke auf, daß der Motor erschüttert wird und die Motorlager schon nach kurzer Zeit beschädigt werden.
• Die Voraussetzung dieses Ergebnisses ist lediglich die konstante Zusammensetzung und Homogenität des Ausgangsgasgemisches, die bei Einhalten der geschilderten Verfahrensmaßnahmen; gewährleistet ist, sowie die Aufrechterhaltung des Druckes im Zwischenbehälter.
• Bei der großen Bedeutung dieser Voraussetzung ist es zweckmäßig, das in den Zwischenbehälter eintretende Gasgemisch laufend zu überwachen, und es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Gemischzusammensetzung innerhalb der Grenzen von plus/minus 10/& Abweichung vom Sollwert konstant zu halten. Auch ist es für die: Durchführung des Verfahrens zweckmäßig, besondere selbsttätige Signal- und Regelorgane vorzusehen, die, bei Überschreiten der für die Sollwerte festgelegten. bestimmten Grenzen Alarmvorrichtungen auslösen und gegebenenfalls Abstell- oder andere Organe betätigen. Da bei dem erfindungsgemäßenVerfahren immer in einem Gebiet des Brennstoffüberschusses gearbeitet wird, kann sich lediglich ein Anwachsen der Sauerstoffkonzentration gefährdend auswirken. Es hat sich daher als zweckmäßig erwiesen, am Zwischenbehälter für das Ausgangsgasgemisch ein Kontrollorgan vorzusehen, das bei Überschreiten des Sollwertes für die Sauerstoffkonzentration eine Alarmvorrichtung betätigt und bei weiterer Erhöhung um insgesamt 4% des Sollwertes die Sauersto:ff7ufuhr automatisch schließt. Ebenso hat es sich bewährt, an den Zylindern anzeigende b:zw. registrierende Druckanzeiger zur Erfassung des Explosionsdruckes anzubringen und eine Vorrichtung vorzusehen, die bei Überschreiten des Explosionsdruckes um 25 0/a über dem Sollwert Alarm gibt und gleichzeitig durch automatische Betätigung eines Ventils dem vom Motor angesaugten Gasgemisch. unmittelbar vor dessen. Eintritt in den Motor Kohlensäure in Mengen von IS bis 400/0, bezogen auf das Gasgemisch, zuführt. Durch diese Maßnahme werden der durch die hohe Sauerstoffkonzentration hervorgerufene, für den Motorbetrieb schädliche Explosionsdruck und die Verbrennungstemperatur augenblicklich herabgesetzt, wodurch Gelegenheit zur Beseitigung der Störungen ohne Unterbrechung des Motorbetriebes gegeben, ist. Die Zusammensetzung des Endgases wird durch diese gelegentlich zur Auswirkung kommende Maßnahme nicht wesentlich beeinflußt.
• Um eine gleichmäßige Zusammensetzung des Abgases und einen ruhigen Gang des Motors zu erzielen, ist es fernerhin zweckmäßig, die Temperatur des Motorkühlraumes, gemessen, an derKühlwasse:rtemperatur, innerhalb enger - Grenzen, von. z. B. plus/minus 5°, konstant zu halten.
• Die Abwärme des Motors kann auf verschiedene Weise nutzbar gemacht werden. Wird sie z. B. zur Dampferzeugung benutzt, dann kann die Abwärmeverwertung verschiedenartig erfolgen. Beispielsweise kann das Motorkühlwasser über einen Wärmeaustauscher zur Vorwärmung von Kesselspeisewasser dienen, oder aber es kann dem Kessel unmittelbar als Speisewasser zugeführt werden, während die fühlbare Abgaswärme zur eigentlichen Dampferzeugung dient.
• Zur Durchführung des Verfahrens kann an und für sich jeder serienmäßige Gasmotor benutzt werden. Es wurde jedoch gefunden, daß bei Verwendung von Motoren, die einen Hubraum von etwa 5 1, vorzugsweise io 1 und mehr, für jeden Zylinder besitzen, der Sauerstoffbedarf pro Volumeneinheit Synthesegas kleiner ist als bei Motoren mit kleinerem Hubvolumen. Aus demselben Grunde werden mit Vorteil Motore verwendet, deren. Verbrennungsraum möglichst einfach, z. B. scheiben-oder halbkugelförmig, gestaltet ist und ein möglichst kleines Verhältnis von Oberfläche zu Inhalt aufweist. Im Falle der Erzeugung von Synthesegas ist beispielsweise eine hohe Flammentemperatur durchaus erwünscht, da in diesem Falle. die sich abspielende Reaktion am günstigsten im Sinne der Bildung von Kohlenoxyd und Wasserstoff bei hoher Temperatur verläuft, während andererseits die Rußbildung weitgehend unterdrückt ist. Aus diesem Grunde ist es auch zweckmäßig, Motore mit einer Drehzahl von. mindestens 300 pro Minute zu verwenden, um eine genügend hohe mittlere Temperatur des Verbrennungsraumes aufrechtzuerhalten.
• Das aus dem Kurbelgehäuse in den Zylinderraum normalerweise übertretende 01 kann insofern zu Störungen, Anlaß geben, als einerseits die Neigung zur Rußbildung dadurch vergrößert wird und andererseits im Abgas ein erhöhter Methangehalt auftreten kann. Es werden darum vorteilhaft Motore mit stehendem Zylinder benutzt, bei denen diese Beeinträchtigung weitgehend verringert ist. Zweckmäßig werden diese mit einer zwangläufigen Umlaufschmierung der Zylinderlauffläche mit einstellbarem Ölumlauf ausgerüstet.
• Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Durchführung der unvollständigem Verbrennung gelingt es mit einer verhältnismäßig einfachen Anlage, unmittelbar einen beträchtlichen Teil der freiwerdenden Energie des Prozesses in Gestalt mechanischerArbeit, also in einer besonders vorteilhaften Energieform, zu gewinnen. Die restliche Energie kann als Wärme in üblicher Weise, z. B., zur Dampferzeugung; vollständig nutzbar gemacht werden. Das Verfahren hat weiterhin den Vorteil, daß es erlaubt, einfache, serienmäßige Gasmotore ohne wesentliche Änderungen zu verwenden. Bei korrekter Einhaltung der geforderten, Voraussetzungen wie der eines gleichmäßigen, homogenen Gasgemisches sowie einer gleichmäßigen Motorkühlung kann ein Abgas gleichbleibender und jederzeit reproduzierbarer Zusammensetzung erhalten werden.
• Dabei ist der Betrieb vollkommen gefahrlos, da Rückzündungen nicht eintreten können., und zeichnet sich durch einen ruhigen und gleichmäßigen Motorlauf aus. Im Gegensatz zu anderen, nicht unter motorischer Wärmeausnutzung verlaufenden Verfahren der unvollständigen Verbrennung von Kohlenwasserstoffeh ist der Lauf des Motors sogar ein Indiz für die Einhaltung der Verfahrensbedingungen und -ergebnisse. Etwaige Änderungen in der Gemischzusammensetzung oder Kühlwassertemperatur zeigen sich zuverlässig inUnregelmäßigkeiten des Motorlaufes, so daß umgekehrt aus solchen auf die korrekte Einhaltung der Voraussetzungen wie auch auf die Abgaszusammensetzung geschlossen werden kann.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die Herstellung von Synthesegas beschränkt. Es kann mit Vorteil auch mit anderer Zielsetzung angewandt werden, z. B. zur Erzeugung von. Ruß durch explosive Verbrennung von Kohlenwasserstoffeh mit einer zur Verbrennung nicht ausreichenden Menge Sauerstoff. In solchem Falle wird man zweckmäßig, z. B: durch stärkere Kühlung des Verbrennungsraumes, für eine niedrigere Flammentemperatur sorgen., wodurch die Bildung von Ruß wesentlich begünstigt wird.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur unvollständigen Verbrennung von Methan und von Methan enthaltenden anderen gas- oder dampfförmigen oder feinverteilten kohlenstoff- und wasserstoffhaltigen Brennstoffen mit Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasen, vorzugsweise zur Gewinnung von Synthesegas, in einem Verbrennungsmotor unter Gewinnung mechanischer Arbeit, dadurch gekennzeichnet, daß man das Reaktionsgasgemisch aus Methan bzw. lern anderen: Brennstoffen und! Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasen, die mindestens 5o % Sauerstoff enthalten, als völlig homogenes Gemisch außerhalb des Motors herstellt und: einem Zwi.sdhenbe@hälter zwfühzt, von dem es durch den Verbrennungsmotor angesaugt wird, wobei man in dem Zwischenbehälter .einen Druck aufrechterhält, bei .dem das Gasgemisch nicht zündbar ist.
2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Gemischzusammensetzung innerhalb der Grenzen von plus/minus i 0/0 eines Sollwertes konstant gehalten wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gemischzusammensetzung vor Eintritt in das Zwischengefäß laufend kontrolliert und ein Überschreiten des Sollwertes der Sauerstoffkonzentration um 2% durch einen Signalalarm angezeigt und bei Überschreiten um 4% durch mechanische Vorrichtungen die Sauerstoffzufuhr selbsttätig abgestellt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Explosionsdrücke jedes Motorzylinders registriert werden und bei Ansteigen des Explosionsdruckes um 25 01a über dem Sollwert ein Signalalarm ausgelöst und, selbsttätig unmittelbar folgend, kurz vor Eintritt des Gasgemisches in den Motor Kohlendioxyd in Mengen von 15 bis 4o % des Gasgemisches zugeführt wird.
5. 5. Verfahren, nach Anspruch i bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Kühlraumes des Motors innerhalb plus/minus 50 konstant gehalten wird.
6. 6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zwecks Herstellung von Synthesegas gemäß Anspruch i bis 5, gekennzeichnet durch einen Motor, dessen Verbrennungsraum ein möglichst niedriges Verhältnis von Oberfläche zu Inhalt besitzt und z. B. scheiben- oder halbkugelförmig gestaltet ist.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor mit vorzugsweise stehendem Zylinder ein Hubvolumen jedes Zylinders von mindestens 5 1, insbesondere io 1 und mehr, besitzt und vorzugsweise eine Drehzahl von mindestens 300 pro Minute aufweist. B. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor eine zwangläufige und einstellbare Schmierung der Kolbenbahn besitzt.