DE102010033709A1

DE102010033709A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reaktion kohlenstoffhaltiger Brennstoffe mit Sauerstoff und Wasser

Info

Publication number: DE102010033709A1
Application number: DE102010033709A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-08-06
Filing date: 2010-08-06
Publication date: 2012-02-09
Also published as: EP2415851A3; EP2415851A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reaktion kohlenstoffhaltiger Brennstoffe (18) mit Sauerstoff und Wasser (22) in Form von Heißdampf, um einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen, entstehende Schadstoffe zu binden und zu reduzieren. Der kohlenstoffhaltige Brennstoff (18), der Sauerstoff und das Wasser (22) wird dabei in eine Brennerkammer (14) eingebracht, wobei zumindest das Wasser (22) mit einem Druck von mehr als einem bar durch mindestens eine Düse (20a–c) in die Brennerkammer (14) eingebracht wird. Das Verfahren und die Vorrichtung kann in Klein-, Mittel- und Großheizungen, sowie in Öfen und Verbrennungsmotoren eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reaktion kohlenstoffhaltiger Brennstoffe mit Sauerstoff und Wasser, bei dem der kohlenstoffhaltige Brennstoff, der Sauerstoff und das Wasser in eine Brennerkammer eingebracht werden.
Ein solches Verfahren ist aus der DE 29 33 402 C2 bekannt geworden. Bei dem bekannten Verfahren zur Herstellung von Schwelgas, Wassergas und Koks aus festen Brennstoffen wird Wasserdampf auf erhitzten Koks aufgebracht. Um weitere Reaktionen des Schwelgases und Wassergases zu vermeiden, wird das erzeugte Schwelgas und Wassergas aus der Brennerkammer herausgeführt. Die Erzeugung von Schwelgas und Wassergas ist ein endothermer Prozess, d. h. der Reaktion muss Energie zugeführt werden.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem der Wirkungsgrad bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe erhöht werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, wobei zumindest das Wasser mit einem Druck von mehr als einem bar durch mindestens eine Düse in die Brennerkammer eingespritzt wird. Durch den hohen Druck des Wassers von mindestens einem bar, vorzugsweise von 8 bar, wird der kohlenstoffhaltige Brennstoff in kleine Teile zersetzt und in der Brennerkammer verwirbelt. Aufgrund der Zersetzung des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs wird das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs stark vergrößert. Bei der darauf folgenden Erhitzung des Wassers in der Brennerkammer vergrößert sich dessen Volumen, wodurch die Zersetzung des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs und letztlich der gesamten Reaktion weiter verstärkt wird.
Bei entsprechend hohen Temperaturen kann es darüber hinaus zu einer so genannten Wassergasreaktion in der Brennerkammer kommen. Dabei reagiert das Wasser mit dem kohlenstoffhaltigen Brennstoff zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Da der Wasserstoff im Gegensatz zu typischen Wassergasreaktionen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, nicht aus der Brennerkammer entnommen wird, kann der Wasserstoff mit dem Sauerstoff wieder zu Wasser reagieren. Durch die Aufspaltung des Wassers und die anschließende Rückreaktion wird zwar keine zusätzliche Energie frei, die sich bildenden Gase können allerdings durch ihre Expansion die Zersetzung des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs und dessen Reaktion mit dem Sauerstoff beschleunigen. Vorteilhafterweise können bei der Reaktion entstehende Rußpartikel durch das Wasser gebunden und abgeführt werden.
Der kohlenstoffhaltige Brennstoff kann der Brennerkammer sowohl fest, beispielsweise in Form von Holz oder Koks, als auch flüssig, beispielsweise in Form von Heizöl oder Diesel, oder gasförmig, in Form von Erdgas, zugeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit auch zum Betrieb von Dampfmaschinen, Öfen, wie beispielsweise Großbacköfen, Holzbacköfen, Kachelöfen, Heißluftkaminöfen, Pelletheizungen, Klein-, Mittel- und Großheizungen, Hackschnitzelheizungen, Holzkohleheizkesseln, Heizkaminen, Herdfeuerungen, Kohlekraftwerken, Ölheizungen, Verbrennungsmotoren, Kleinheizkesseln von Schwimmbecken und dergleichen eingesetzt werden.
Die Brennerkammer kann in einem Verbrennungsmotor angeordnet sein. Das Wasser kann in diesem Fall vorteilhafterweise zusammen mit dem kohlenstoffhaltigen Brennstoff durch die Düse in die Brennerkammer eingebracht werden. Ein solcher mit Wasser und flüssigem oder gasförmigem kohlenstoffhaltigen Brennstoff beschickter Verbrennungsmotor kann für eine Leistung von mehr als 150 kW ausgelegt sein.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann das Wasser zusammen mit dem Sauerstoff durch die Düse in die Brennerkammer eingebracht werden. Das Wasser kann auf diese Art und Weise schon vor Einbringung in die Brennerkammer mit dem Sauerstoff vermischt werden.
Damit das Wasser der Reaktion in der Brennerkammer nur wenig Energie entzieht, kann das Wasser, insbesondere durch die Wärme eines Abgasrohrs, erhitzt werden, bevor es in die Brennerkammer eingebracht wird.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Wasser in Form von Wasserdampf in die Brennerkammer eingebracht werden. Ebenso wie flüssiges, in die Brennerkammer eingebrachtes Wasser, expandiert der Wasserdampf in der Brennerkammer und erhöht so den Wirkungsgrad der Reaktion. Der Wasserdampf muss vorteilhafterweise, im Gegensatz zu flüssigem Wasser, in der Brennerkammer weniger erhitzt werden. Der Wasserdampf entzieht der Reaktion dadurch weniger Energie als flüssiges Wasser.
Die Reaktion in der Brennerkammer kann besonders einfach und ressourcensparend durchgeführt werden, wenn Wasser in Form von Regenwasser und/oder Sauerstoff in Form von Luftsauerstoff verwendet wird.
Die Erfindung umfasst weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Reaktion kohlenstoffhaltiger Brennstoffe mit Sauerstoff und Wasser, wobei die Vorrichtung eine Brennerkammer mit zumindest einer Düse zur Einbringung des Wassers in die Brennerkammer aufweist.
Die Vorrichtung weist vorzugsweise eine Heizeinrichtung zur Erhitzung des Wassers vor Einbringung in die Brennerkammer auf. Die Heizeinrichtung kann als beheizter Behälter oder als Heizrohr ausgebildet sein. Das Heizrohr kann im Bereich der Brennerkammer, insbesondere im Bereich eines Abgasrohrs angeordnet sein. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Heizrohr in Form einer Heizspirale um ein mit der Brennerkammer fluidleitend verbundenes Abgasrohr gewickelt.
Der Brennerkammer kann eine Mischeinheit vorgeordnet sein. Die Mischeinheit kann dabei zur Vermischung von Wasser und Sauerstoff oder zur Vermischung von Wasser und kohlenstoffhaltigem Brennstoff oder zur Vermischung von Wasser, Sauerstoff und kohlenstoffhaltigem Brennstoff vorgesehen sein. Durch die Mischeinheit kann ein Fertiggemisch aus Wasser und Sauerstoff und/oder kohlenstoffhaltigem Brennstoff der in der Brennerkammer angeordneten Düse zugeführt werden.
Die Vorrichtung kann ein Drucksystem zur Einbringung des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs, Wassers und/oder Sauerstoffs in die Brennerkammer vorsehen, das zumindest einen Druckwächter und/oder zumindest ein Rückschlagventil aufweist. Durch den Druckwächter kann der Druck auf die Düse konstant gehalten werden. Das zumindest eine Rückschlagventil verhindert eine Rückleitung des Wassers, des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs und/oder des Sauerstoffs.
Weiter Vorteile sind aus der Zeichnung ersichtlich, die zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellt.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Reaktion kohlenstoffhaltiger Brennstoffe mit Sauerstoff und Wasser; und
2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur Durchführung eines Verfahrens zur Reaktion kohlenstoffhaltiger Brennstoffe mit Sauerstoff und Wasser. Die Vorrichtung 10 weist einen Brenner 12 mit einer Brennerkammer 14 auf. In der Brennerkammer 14 ist ein Rost 16 angeordnet, auf den kohlenstoffhaltiger Brennstoff 18 in Form von Holz oder Kohle aufgelegt wird. Mittels dreier Düsen 20a, 20b, 20c wird Wasser und Sauerstoff in die Brennerkammer 14 eingebracht. Der kohlenstoffhaltige Brennstoff 18 verbrennt mit dem Sauerstoff. Gleichzeitig expandiert durch die Wärmeentwicklung das in die Brennerkammer 14 eingebrachte Wasser. Durch die Expansion des Wassers wird der kohlenstoffhaltige Brennstoff 18 in kleine Bestandteile mit einem sehr großen Oberfläche- zu Volumenverhältnis zersetzt und verwirbelt. Der Wirkungsgrad der Verbrennung wird hierdurch stark erhöht.
Nachfolgend wird die Zuführung des Wassers und des Sauerstoffs in die Brennerkammer 14 beschrieben. In einem Tank 20 wird Wasser 22 in Form von Regenwasser vorgehalten. Das Wasser 22 im Tank 20 kann durch einen mit einem Rückschlagventil 24 gesicherten Wasseranschluss 26 nachgefüllt werden. Der Wasseranschluss 26 kann mit einem Hauswasserwerk (nicht gezeigt) verbunden sein. Über einen Druckluftanschluss 28 wird Druckluft 30 mit einem Druck von 8 bar in den Tank 20 gepresst. Infolge der Druckluft 30 wird das Wasser 22 mit hohem Druck aus dem Tank 20 gepresst. Das aus dem Tank 20 fließende Wasser wird über ein Rohr 32 zu einer als Heizspirale 34 ausgebildeten Heizereinrichtung und weiter in eine Mischeinheit 36 geleitet. Der Wasserfluss ist dabei durch ein erstes Drosselventil 37 einstellbar. Die Heizspirale 34 ist um ein Abgasrohr 38 des Brenners 12 gewickelt. Das Abgasrohr 38 ist fluidleitend mit der Brennerkammer 14 verbunden. Das Wasser wird in der durch das Abgasrohr 38 erwärmten Heizspirale 34 erhitzt. Je nach Flussgeschwindigkeit des Wasser und der Wärme der Heizspirale 34 kann das Wasser stark erhitzt oder dampfförmig an der Mischeinheit 36 vorliegen. Die Mischeinheit 36 verfügt über einen Luftanschluss 40, durch den Sauerstoff in Form von Luftsauerstoff in die Mischeinheit 36 eingebracht und dort mit dem Wasser vermischt wird. In der Mischeinheit 36 kondensierendes Wasser kann durch einen Auslass 42 aus der Mischeinheit 36 abgeleitet werden. Die in der Mischeinheit 36 erzeugte Mischung aus Sauerstoff und Wasser wird aus der Mischeinheit 36 zu den Düsen 20a, 20b, 20c der Brennerkammer 14 geleitet. Der Fluss des Gemischs kann durch ein zweites Drosselventil 44 eingestellt werden. Alternativ zur Einleitung in die Brennerkammer 14 kann das Gemisch auch in eine Heizung 46 geleitet werden.
Ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10' zur Reaktion kohlenstoffhaltiger Brennstoffe mit Sauerstoff und Wasser ist in 2 dargestellt. Die Vorrichtung 10' dient dabei dem Betrieb eines Verbrennungsmotors 48. Der Verbrennungsmotor 48 weist eine Brennerkammer 14' auf, in die eine Düse 20' geführt ist. Die Düse 20' ist mit einer Mischeinheit 36' verbunden. In der Mischeinheit 36' werden unter hohem Druck Sauerstoff in Form von Luftsauerstoff, kohlenstoffhaltiger Brennstoff 18' in Form von Diesel oder Heizöl und Wasser 22' vermischt. Hierbei entsteht in der Mischeinheit 36' ein Vergaser-Nebel in Form eines Luft-Brennstoff-Wasser-Gemischs. Das Luft-Brennstoff-Wasser-Gemisch enthält vorzugsweise einen hohen Luftanteil. Der zur Vermischung nötige hohe Druck wird durch einen Kompressor 50 erzeugt. Das Luft-Brennstoff-Wasser-Gemisch brennt sauberer, als eine Mischung aus Brennstoff und Luft allein. Die Vorrichtung 10' kann mittels des Kompressors 50 als Pumpe-Düse-System betrieben werden. Ein Druckwächter 52 ist mit der Mischeinheit 36' verbunden. Bei zu niedrigem Druck einer Druckluft 30', 30'' schaltet der Druckwächter 52 den Kompressor 50 ein. Die Regelung des Kompressors 50 zur Bereitstellung der Druckluft 30', 30'' durch den Druckwächter 52 ist durch einen gestrichelten Pfeil 53 angedeutet. Auf diese Art und Weise wird der Druck in der Mischeinheit 36' konstant gehalten. Das Mischungsverhältnis von Wasser 22' zu kohlenstoffhaltigem Brennstoff 18' wird über Dosierventile 54, 56 eingestellt. Ein Abfall des Drucks in der Mischeinheit 36' wird durch Rückschlagventile 58a, 58b, 58c verhindert. Gleichzeitig oder anstelle des Verbrennungsmotors 48 kann mit dem Gemisch, das in der Mischeinheit 36' erzeugt wird, ein Brenner 12' zu Heizzwecken betrieben werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2933402 C2 [0002]

Claims

Verfahren zur Reaktion kohlenstoffhaltiger Brennstoffe (18, 18') mit Sauerstoff und Wasser (22, 22'), bei dem der kohlenstoffhaltige Brennstoff (18, 18'), der Sauerstoff und das Wasser (22, 22') in eine Brennerkammer (14, 14') eingebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Wasser (22, 22') mit einem Druck von mindestens einem bar durch mindestens eine Düse (20a–c, 20') in die Brennerkammer (14, 14') eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser (22, 22') zusammen mit dem kohlenstoffhaltigen Brennstoff (18, 18') durch die Düse (20a–c, 20') in die Brennerkammer (14, 14') eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser (22, 22') zusammen mit dem Sauerstoff durch die Düse (20a–c, 20') in die Brennerkammer (14, 14') eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser (22, 22') erhitzt wird, bevor es in die Brennerkammer (14, 14') eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser (22, 22') in Form von Wasserdampf in die Brennerkammer (14, 14') eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser (22, 22') in Form von Regenwasser und/oder Sauerstoff in Form von Luftsauerstoff verwendet wird.
Vorrichtung (10, 10') zur Durchführung eines Verfahrens zur Reaktion kohlenstoffhaltiger Brennstoffe (18, 18') mit Sauerstoff und Wasser (22, 22') nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Brennerkammer (14, 14') mit zumindest einer Düse (20a–c, 20') zur Einbringung des Wassers (22, 22') in die Brennerkammer (14, 14') aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizereinrichtung zur Erhitzung des Wassers (22, 22') vor Einbringung in die Brennerkammer (14, 14') vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mischeinheit zur Vermischung von a) Wasser (22, 22') und Sauerstoff oder b) Wasser (22, 22') und kohlenstoffhaltigem Brennstoff (18, 18') oder c) Wasser (22, 22'), Sauerstoff und kohlenstoffhaltigem Brennstoff (18, 18') vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drucksystem zur Einbringung des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs (18, 18'), Wassers (22, 22') und/oder Sauerstoffs in die Brennerkammer vorgesehen ist, das zumindest einen Druckwächter (52) und/oder zumindest ein Rückschlagventil (24, 58a–c) aufweist.