DE2614838C2 - Verfahren zum Betrieb eines Spaltgasgenerators - Google Patents
Verfahren zum Betrieb eines SpaltgasgeneratorsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Spaltgasgenerators, in dem verdampfte oder
versprühte flüssige, höhere Kohlenwasserstoffe mit einem sauerstoffhaltigen Gas bei erhöhter Temperatur
in ein Methan, Kohlenmonoxid und/oder Wasserstoff enthaltendes Gasgemisch umgesetzt werden, wobei die
umzusetzenden Reaktanten vor dem Einleiten in den Spaltgasgenerator gegebenenfalls auf eine erhöhte
Einlauftemperatur erhitzt werden, der Durchsatz der
Reaktanten veränderlich ist und die Luftzahl λ des
sauerstoffhaltigen Gases zwischen 0,05 und 0,2 liegt
In sogenannten Spaltgasgeneratoren werden versprühte, vergaste oder verdampfte flüssige Kohlenwasserstoffe mit einem sauerstoffhaltigen Gas bei erhöhten
Temperaturen in ein Kohlenmonoxid, Methan und/oder Wasserstoff enthaltendes Brenngas (Spaltgas) umgesetzt Als Sauerstoff enthaltendes Gas kann z. B. Luft,
das den Sauerstoff in freier Form enthält, oder Abgas,
to das den Sauerstoff in gebundener Form (CO2 und H2O)
enthält, verwendet werden. Das entstehende Spaltgas kann als Synthesegas oder als Reduktionsgas bei
metallurgischen Prozessen dienen. Insbesondere kann es mit Verbrennungsluft vermischt und als Brenngas für
is Brenner und Brennkraftmaschinen verwendet werden.
Während bei der Verwendung von nicht vorbehandeltem flüssigem Brennstoff die unvollkommene Verdampfung des Brennstoffes und die ungleichmäßige Vermischung mit Verbrennungsluft zu einer unvollständigen
Verbrennung und zur Emission von Schadstoffen führt,
kann das Spaltgas nämlich besser mit der Verbrennungsluft vermischt und weitgehend rückstandslos
verbrannt werdea Da es ferner eine hohe Octanzahl besitzt, kann beim Betrieb von Brennkraftmaschinen auf
die Zugabe von Antiklopfmitteln zum Brennstoff verzichtet werden, so daß der Gehalt an gesundheitsgefährdenden Stoffen im Abgas weiter gesenkt wird.
Bei der Umsetzung von Kohlenwasserstoffen mit Luft handelt es sich um eine exotherme partielle Oxidation
bei niedrigen Luftzahlen. Unter der Luftzahl λ versteht man hierbei das Verhältnis der zur Oxidation eingesetzten Luft zu der Luftmenge, die zu einer stöchiometrischen Verbrennung der Kohlenwasserstoffe benötigt
würde. Die Luftzahl wird dabei klein gehalten, um bei
der Umsetzung möglichst wenig chemische Energie zu
verbrauchen und den Heizwert des Brenngases nicht wesentlich zu verringern. Man kann auch gebundenen
Sauerstoff (z. B. Abgas) als Sauerstoffträger verwenden,
wobei jedoch der Kohlenwasserstoff endotherm umge
setzt wird und dem Generator Wärme zugeführt
werden muß. Dabei erhöht sich der Heizwert des entstehenden Brenngases.
Hierbei tritt die Schwierigkeit auf, daß das erzeugte Spaltgas im thermodynamischen Gleichgewicht den
Kohlenwasserstoff teilweise in Form von Ruß und Verkokungsprodukten enthält Ein derartiger Ruß
würde jedoch die Verbrennung des Spaltgases wesentlich verschlechtern und zudem, vor allein bei Brennkraftmaschinen, zu einer Verstopfung von Leitungen
und Ventilen führen.
Es sind nun schon Katalysatoren entwickelt worden, die sowohl endotherme wie exotherme Umsetzungsreaktionen katalysieren und bei geeigneten Laborbedingungen zu einem rußfreien Brenngas führen. Derartige
Katalysatoren sind beispielsweise in der DE-AS 24 31 168 beschrieben.
Aus der DE-OS 23 06 026 ist ferner ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem
Spaltgasgenerator bekannt bei dem ein Gemisch aus
kohlenwasserstoffhaltigem Brennstoff und einem primären sauerstoffhaltigen Gas im Spaltgasgenerator in
ein Brenngas umgesetzt wird und dieses Brenngas sodann mit Verbrennungsluft vermischt vom Sog der
Brennkraftmaschine in deren Brennräume gesaugt wird.
Die Menge des in den Spaltgasgenerator geleiteten Brennstoffes wird dabei annähernd proportional zum
jeweiligen Bedarf der Brennkraftmaschine geregelt. Als primäres sauerstoffhaltiges Gas kann Luft verwendet
werden, wobei die Luftzahl zwischen 0,05 und 0,5 liegt
und vorzugsweise nicht Ober 0,2 beträgt Es kann aber
die Luft auch ganz oder teilweise durch Abgas ersetzt werden. Die Umsetzungstemperatur an den Katalysatoren des Spaltgasgenerators kann dann durch Regelung
des Mengenverhältnisses von Luft zu Abgas geregelt werden, wobei einem größeren Luftanteil eine stärker
exotherme Umsetzung und somit eine höhere Umsetzungstemperatur entspricht Hierbei ist vorgesehen, die
umzusetzenden Reaktanten vor dem Einleiten in den Spaltgasgenerator auf eine möglichst hohe Einlauftemperatur zu erhitzen und dem Spaltgasgenerator selbst
von außeii Fremdwärme zuzuführen. Die hierzu benötigte Wärme wird dem heißen Abgas der
Brennkraftmaschine mittels Wärmetauschern entnommen. Dadurch soll eine möglichst weitgehende endotherme Umsetzung von Brennstoff mit Abgas ermöglicht werden, die zu einer Umwandlung der Abfallwärme des Abgases in chemische Energie des Brenngases
bewirkt
Entsprechend den Betriebsbedingungen des verwendeten Spaltgasgenerators ist die Qualität des erzeugten
Spaltgases selbst bei Verwendung ein und desselben Katalysators unterschiedlich. Wird ein Gemisch aus
Kohlenwasserstoffen und Luft derart in einen Reaktor 2s geleitet daß die Einlauftemperatur des Gemisches, die
Luftzahl und der Durchsatz konstant gehalten oder nur langsam verändert werden, und wird der Reaktionsraum durch Zuführung von Fremdwärme sorgfältig auf
eine konstante Temperatur erwärmt so kann ein rußfreies Spaltgas erzeugt werden, wobei der Umsetzungsgrad der Kohlenwasserstoffe mit steigender
Umsetzungstemperatur, steigender Einlauftemper&tur und fallendem Durchsatz praktisch bis zur vollständigen
Umsetzung gesteigert werden kann. Bei dem aus der DE-OS 23 06 026 bekannten Verfahren jedoch wird der
Durchsatz entsprechend dem Bedarf der Brennkraftmaschine rasch verändert und den der Erhitzung der
Reaktanten und des Reaktionsraumes dienenden Wärmetauscher!), die von sich aus eine gewisse Trägheit
besitzen, wird eine sich ändernde Menge von heißem Brenngas angeboten. Die Einlauftemperatur der Reaktanten und die Umsetzungstemperatur im Reaktionsraum unterliegen dann raschen Schwankungen. Entsprechend unterschiedlich ist auch die Qualität des
erzeugten Spaltgases, wobei die Entstehung von Ruß nicht zuverlässig oder nur durch eine rasch ansprechende, aufwendige Regelung ausgeschlossen werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein betriebssicheres und möglichst wenig Regelungsaufwand erforderndes Verfahren anzugeben, bei dem
flüssige Kohlenwasserstoffe in ein rußfreies Spaltgas umgesetzt werden können.
Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch ein Verfahren der eingangs angegebenen Art bei dem ein
den Sauerstoff nur in freier Form enthaltendes Gas verwendet wird, dem Spaltgasgenerator keine Fremdwärme zugeführt wird und die Luftzahl λ und/oder die
Einlauftemperatur als Funktion des sich verändernden Durchsatzes so geregelt werden, daß der Umsetzungsgrad der Kohlenwasserstoffe zwischen 60 und 95%
liegt
Unter dem Umsetzungsgrad der Umsetzung von flüssigen Kohlenwasserstoffen ist hier der prozentuale
Anteil der eingesetzten Kohlenwasserstoffe zu verstehen, der in Methan, Kohlenmonoxid und/oder Wasserstoff sowie möglicherweise auch Kohlendioxid, Wasserdampf und niedrige Kohlenwasserstoffe mit zwei bis
fünf Kohlenstoffatomen pro Molekül umgesetzt worden ist
Die Regelung des Umsetzungsgrades kann in der Weise erfolgen, daß einem Ansteigen des Umsetzungsgrades dadurch entgegengewirkt wird, daß bei konstanter Luftzahl die Einlauftemperatur erniedrigt wird. Es
kann aber auch gleichzeitig die Einlauftemperatur erniedrigt und die Luftzahl erhöht werden. Entsprechend wird einem Absinken des Umsetzungsgrades
dadurch entgegengewirkt daß die Einlauftemperatur bei konstanter Luftzahl erhöht wird oder daß
gleichzeitig die Einlauftemperatur erhöht und die Luftzahl erniedrigt wird
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also auf die Verwendung von Abgas als sauerstoffhaltigem Gas
für die Umsetzung verzichtet Es findet folglich nur noch eine exotherme Umsetzung statt und es besteht nicht
meiir die Möglichkeit die Umsetzungstemperatur dadurch zu regeln, daß durch Zumischen von Abgas die
Wärmebilanz der Umsetzung verändert wird. Auch wird auf eine Fremdbeheizung des Reaktionsraumes,
z.B. unter Ausnutzung der Abgaswärme, verzichtet Jedoch vereinfacht sich dadurch der Aufwand für die
Temperaturregelung, da z. B. ein eigener Temperaturfühler zur Erfassung der Umsetzungstemperatur im
Reaktionsraum nicht mehr benötigt wird. Wie noch gezeigt werden wird, stellt sich nämlich im Reaktionsraum von selbst eine vorteilhafte Umsetzungstemperatur ein und wird ferner eine Rußbildung bei der
Umsetzung unterbunden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist sowohl für die thermische, d.h. nicht-katalytische Umsetzung von
höheren Kohlenwasserstoffen, z. B. Kohlenwasserstoffe mit vier oder mehr Kohlenstoffatomen, mit einem freien
Sauerstoff enthaltenden Gas (z. B. Luft) geeignet wie auch für die katalytische Umsetzung. Der Umsetzungsgrad liegt vorteilhaft insbesondere zwischen 75 und
90%.
Die Einlauftemperatur kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zwischen der Umgebungstemperatur
und der Umsetzungstemperatur liegen, vorteilhaft liegt sie jedoch zwischen 200 und 4500C Bei diesen
Temperaturen liegen viele der als Brennstoffe verwendeten Kohlenwasserstoffe bereits in Dampfform vor,
reagieren jedoch noch nicht mit Luft In den Reaktionsraum wird also ein dampfförmiges, noch nicht
reagierendes Gemisch eingeleitet
Die Grenzen, innerhalb derer die Einlauftemperatur und die Luftzahl Λ verändert werden können, ohne daß
der Umsetzungsgrad den vorgeschriebenen Bereich verläßt sind von der Art der eingesetzten Kohlenwasserstoffe und des verwendeten Katalysators (z. B. von
der Aktivität und dem Volumen) abhängig und können experimentell ermittelt werden.
Beim Betrieb eines Spaltgasgenerators, dem keine Fremdwärme zugeführt wird, können die drei Parameter Durchsatz der Kohlenwasserstoffe, Luftzahl und
Einlauftemperatur der Reaktanten unabhängig voneinander variiert werden. Durch diese Variation kann man
experimentell ein dreidimensionales Kennfeld aufnehmen, bei dem jedem Punkt des Kennfeldes ein
bestimmter Betriebszustand mit experimentell bestimmbarem Umsetzungsgrad der Kohlenwasserstoffe
entspricht Dem erfindungsgemäßen Verfahren entspricht nun ein Gebiet des dreidimensionalen Kennfeldes, das durch die Vorschriften, daß die Luftzahl
zwischen 0,05 und 0,2 und der Umsetzungsgrad zwischen 60 und 95% liest, begrenzt ist.
Hierbei wird erfindungsgemäß so verfahren, daß die Einlauftemperatur und/oder die Luftzahl als Funktion
des Durchsatzes der Kohlenwasserstoffe geregelt werden. Bevorzugt wird diese Regelung so durchgeführt,
daß der Umsetzungsgrad annähernd konstant gehalten wird. Dies kann dadurch geschehen, daß bei
konstanter Einlauftemperatur mit steigendem Durchsatz die Luftzahl Λ vermindert bzw. mit fallendem
Durchsatz die Luftzahl erhöht wird. Es kann aber auch vorteilhaft bei konstanter Luftzahl Λ mit steigendem
Durchsatz die Einlauftemperatur erhöht bzw. mit fallendem Durchsatz die Einlauftemperatur erniedrigt
werden.
Es kann aber auch vorteilhaft sein, das Verfahren so durchzuführen, daß die Luftzahl und/oder die Einlauf- is
temperatur in Abhängigkeit vom Durchsatz und von der Umsetzungstemperatur geregelt werden. Diese Verfahrensvariante
ist in der Praxis oft einfacher zu verwirklichen, da die Umsetzungstemperatur im Reaktionsraum
einer Messung leichter zugänglich ist als der Umsetzungsgrad. Die Umsetzungstemperatur beträgt
hierbei vorteilhaft zwischen 700 und 8500C. Diese Möglichkeit ergibt sich daraus, daß zwischen Umsetzungsgrad
und Umsetzungstemperatur ein eindeutiger, experimentell bestimmbarer Zusammenhang besteht
Vorteilhaft wird dabei, wenigstens solange der Durchsatz innerhalb eines Teils des für den Durchsatz
zugelassenen Bereiches bleibt, die Umsetzungstemperatur konstant gehalten. Dabei kann vorteilhaft die
Luftzahl λ bei Absinken bzw. Ansteigen der Umset-Zungstemperatur
im Spaltgasgenerator erhöht bzw. erniedrigt werden.
Das Regelgesetz, nach dem die Einlauftemperaturen und die Luftzahl beim Betrieb des Spaltgasgenerators
entsprechend dem Durchsatz geregelt werden, kann dadurch ermittelt werden, daß man in dem obenerwähnten
dreidimensionalen Kennfeld zu jedem Durchsatz die Einlauftemperatur und Luftzahl aufsucht, bei denen die
Umsetzung unter den entsprechenden Nebenbedingungen (konstanter Umsetzungsgrad und/oder konstante
Umsetzungstemperatur) abläuft Ist für einen Spaltgasgenerator eines bestimmten Typs das Regelgesetz
experimentell ermittelt so können dann alle Spaltgasgeneratoren dieses Typs nach diesem Regelgesetz
betrieben werdea
Um das Regelgesetz beim Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Spaltgasgeneratoren zu verwirklichen,
kann man so verfahren, daß man aus Betriebsdaten der Brennkraftmaschine (ζ. B. Drehmoment und Drehzahl)
den momentanen Brennstoffbedarf und somit die Menge der umzusetzenden Kohlenwasserstoffe ermittelt
Das Regelgesetz für den Spaltgasgenerator gibt dann die Luftzahl und die Einlauftemperatur an. Zur
Einstellung der Luftzahl kann eine Drosselklappe an der Luftzuführung des Spaltgasgenerators dienen; die
entsprechende Einlauftemperatur kann z.B. durch abgasbeheizte Wärmetauscher erreicht werden, bei
denen über einen Bypass dem heißen Abgas so viel kalte Nebenluft zugemischt wird, daß die Reaktanten im
Wärmetauscher auf die gewünschte Temperatur erwärmt werden. Man benötigt dann nur noch eine
Steuerung, die als Eingangsgröße die Betriebsdaten der
Brennkraftmaschine benutzt und als Ausgangsgröße Steuersignale für die Brennstoffzufuhr, die Drosselklappe
und den Bypass liefert
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung kann vorteilhaft im entstehenden Gasgemisch anfallendes
Kondensat in den Spaltgasgenerator zurückgeführt werden. Dieses Kondensat kann nicht umgesetzte
Kohlenwasserstoffe oder hchermolekulare, d. h. flüssige
Spaltprodukte enthalten. Das Kondensat wird hierbei als Teil der umzusetzenden Kohlenwasserstoffe betrachtet,
d.h., die Einlauf temperatur der Reaktanten
bezieht sich auf die mittlere Temperatur des Gemisches aus sauerstoffhaltigem Gas, rückgeführtem Kondensat
und eingesetzten Kohlenwasserstoffen. Ebenso bezieht sich der Umsetzungsgrad auf die gesamte Menge an
eingesetzten und rückgeführten Kohlenwasserstoffen.
Zum genaueren Verständnis der Erfindung sei die unterstöchiometrische Umsetzung von Kohlenwasserstoffen
mit Luft genauer untersucht
Bei tiefen Temperaturen verläuft die Spaltung der Kohlenwasserstoffe exotherm und liefert neben anderen
Spaltprodukten CO2, H2O und CH4. Bei höheren
Temperaturen setzen endotherme Reaktionen ein, die zur Bildung von CO, H2, CH4 und Kohlenwasserstoffen
mit zwei bis fünf C-Atomen führen. Bei weiterer Temperaturerhöhung setzt ein exothermer Zerfall der
Kohlenwasserstoffe in Ruß ein. In F i g. 1 ist mit der
Kurve 1 die Abhängigkeit der Wärmetönung Qr von der Umsetzungstemperatur Γ dargestellt Mit wachsender
Temperatur bewirkt die exotherme Bildung von CO2 und H2O zunächst ein steiles Ansteigen und die
endothermen Reaktionen anschließend einen steilen Abfall der Wärmetönungskurve, die sodann im Bereich
der exothermen Rußbildung wieder ansteigt
Ein konstanter Betriebspunkt des Spaltgasgenerators liegt nun vor, wenn die bei der Reaktion entstehende
Wärme Qr gleich der Wärme Qe ist, die benötigt wird,
um die mit der Einlauftemperatur ϋ·Ε in den Reaktionsraum eintretenden Reaktanten auf die Reaktionstemperatur
Tr zu erhitzen. Bezeichnet man mit Ce die spezifische Wärme der Reaktanten, so muß für einen
stabilen Betriebspunkt demnach gelten:
Qr=Qe= Ce-(Tr-Ue)
Hierbei ist angenommen, daß die Umsetzung annähernd adiabatisch verläuft, d. h„ daß weder Fremdwärme
zugeführt wird noch wesentliche Wärmeverluste auftreten. Ist die entstehende Reaktionswärme größer als es
zur Erhitzung der Reaktanten nötig ist so erhöht sich die Temperatur im Reaktionsraum, ist sie jedoch
niedriger, so sinkt sie. Diese Temperaturänderungen führen schließlich zu einem stabilen Betriebspunkt, bei
??g
In Fi g. 1 ist ferner für verschiedene Einlauftemperaturen
#& #&.., #e die Größe
in Abhängigkeit von der Umsetzungstemperatur eingezeichnet Es ergeben sich annähernd lineare Kurven. Die
Schnittpunkte a, b,.., e dieser Geraden mit der Kurve 1 entsprechen; jeweils stabilen Betriebszuständen bei
adiabatischerUmsetzung. Die entsprechenden Ümsetziingstemperaturen
sind mit T* Tk-., Te bezeichnet
Wie man siebt ist z. B. bei einer Einlauftemperatur üb
und einer Unisetzungstemperatur unter 71 Qx<
Qb Ein Gasgenerator könnte daher bei derartigen Temperaturen nur betrieben werden, wenn dem Reaktiönsraum die
zur Erwärmung der Reaktanten nötige Wärme von außen zugeführt würde, andernfalls erlischt die Umsetzung.
Bei Umsetzungstemperaturen über % ist ebenfalls
Qr<Qe; wird dem Reaktionsraum hier keine Fremdwärme
zugeführt so sinkt die Ümsetzungstemperatur bis auf den Wert Tj,. V/ird die Umsetzung jedoch bei
Temperaturen zwischen T\ und Tj, vorgenommen, so gilt
<?«><?s in diesem Fall steigt die Umsetzungstemperatur
an, bis sie den Wert 7/, erreicht Bei dem Betriebspunkt b handelt es sich also um einen
»selbststabilisierenden Zustand«, auf den sich das System bei der Einlauftemperatur #6 selbst einreguliert
Ein Erlöschen der Umsetzung ist nicht zu befürchten.
Insbesondere entnimmt man der F i g. 1, daß selbst bei
großen Schwankungen der Einlauftemperatur die Umsetzungstemperatur nur geringen Änderungen unterliegt
Die Einlauftemperaturen #& #o #</ und #e sind so
gewählt, daß bei den dazugehörigen stabilen Betriebstemperaturen
Tb, Ta Td und re der Umsetzungsgrad der
Kohlenwasserstoffe 70, 80, 90 und 99% beträgt Man kann also durch Erhöhung der Einlauftemperatur oder
(was bei einer adiabatischen Umsetzung zwangsläufig gleichbedeutend hiermit ist) mit Steigerung der
Umsetzungstemperatur eine Erhöhung des Umsetzungsgrades erreichen. Bei der Temperatur Γ» der auf
der Wärmetönungskurve 1 ein mit einem relativen Minimum nahezu zusammenfallender Punkt a entspricht
setzt jedoch die Rußbildung ein. Zur Erzeugung eines rußfreien Spaltgases ist es daher notwendig, daß
der Umsetzungsgrad einen gewissen Maximalwert nicht überschreitet Insbesondere führt eine Reaktionstemperatur,
die über der Temperatur Tt liegt zur Rußbildung.
Eine derartig überhöhte Umsetzungstemperatur würde beispielsweise auftreten, wenn die Einlauftemperatur
größer als ϋ; gewählt wird oder wenn dem Reaktionsraum von außen zu viel Fremdwärme zugeführt wird.
Da die verschiedenen Spaltreaktionen an verschiedenen Katalysatoren mit unterschiedlicher Geschwindigkeit
ablaufen, ist dar genaue Verlauf der Kurve 1 von der
Art des verwendeten Katalysators sowie der eingesetzten Kohlenwasserstoffe abhängig. Die hier beschriebenen
Modelluntersuchungen, die die Umsetzung von Heptan an einem Katalysator betreffen, der sowohl
endotherme wie exotherme Reaktionen katalysiert, dürften jedoch in ihren wesentlichen Zügen allgemein
auf Spaltreaktionen anwendbar sein, selbst auf die nichtkatalytische thermische Spaltung.
In Fig.2 ist die Wärmetönungskurve für eine
Umsetzung mit einer Luftzahl von λ=0,1 (Kurve 10)
und eine Umsetzung mit λ=0,2 (Kurve 20) dargestellt
wobei nur der Teil der Wärmetönungskurven eingezeichnet ist auf dem stabile Betriebspunkte liegen und
der daher einer experimentellen Messung zugänglich ist Gleichzeitig ist in der Figur die Wärme
Qe= CE-(T-Ve)
eingetragen, die von den mit der Temperatur # in den
Reaktionsraum auftretenden Reaktanten bei der Erwärmung
auf die Temperatur !"aufgenommen werden muß. Da bei einer Verdoppelung der Luftzahl Λ neben dem
Kohlenwasserstoff auch die doppelte Luftmenge erhitzt werden muß, hat z.B. die von der Temperatur #i
ausgehende <?£-Kurve 21 für:λ=0,2 eine größere
Steigung als die Kurve 11 für λ=0,1. Von &2 gehen,
entsprechende Kurven 22 und 12 aus. Bei festem Durchsatz der Kohlenwasserstoffe entspricht also einer
Einlauf temperatur von fti und einer Luftzahl A=O5I ein
stabiler Betriebspunkt f, der von dem Schnittpunkt der
Kurven 10 und 11 gegeben ist und dem die Umsetzungstemperatur 7} entspricht Bei A=0,2 hingegen
ergibt sich der stabile Betriebspunkt g als Schnittpunkt der Kurven 20 und 21, die entsprechende
Umsetzungstemperatur Tg liegt über der Temperatur 7).
Man kann der Figur ferner entnehmen, daß stabile Betriebszustände auf der Kurve 20 nur für Temperaturen
über Th existieren, zu diesen Temperaturen Jedoch
auf der Kurve 10 Betriebszustände gehören, die mit Rußbildung verbunden sind. Daraus folgt die Erkenntnis,
daß ein Spaltgasgenerator, bei dessen Betrieb die Einlauftemperatur konstant gehalten, jedoch die Luftzahl
variiert wird, zur Rußbildung neigen kann. Die Rußbildung tritt insbesondere dann auf, wenn der
Umsetzungsgrad eine gewisse, für den speziellen
ίο Gasgenerator charakteristischen Höchstwert überschritten
hat
In F i g. 3 sind die Verhältnisse dargestellt, die sich ergeben, wenn bei konstanter Luftzahl der Durchsatz
geändert wird. Die Kurve 31 entspricht hierbei der in Fig. 1 gezeigten Kurve 1. Die Kurven 32 und 33
entsprechen einer Verminderung des Durchsatzes um den Faktor 2,5 bzw. 10.
Mit k sind in Fig.3 jeweils Betriebszustände
bezeichnet die einem Umsatz von 70% entsprechen.
Die mit /, m und π bezeichneten Punkte entsprechen
jeweils Umsetzungsgraden von 80, 90 und 99%. Mit ρ sind die Betriebspunkte angegeben, bei denen eine
Rußbildung auftritt Bei fester Luftzahl bewirkt eine Abnahme des Durchsatzes (Übergang von Kurve 31 auf
Kurve 33), daß bei fester Einlauftemperatur der Umsetzungsgrad zunimmt Um einen konstanten
Umsetzungsgrad zu erhalten, muß andererseits mit abnehmendem Durchsatz auch die Einlauftemperatur
niedriger gewählt werden. Dies ist insbesondere bei der Verwendung von Wärmetauschern zu beachten, mit
denen die Reaktanten vor ihrem Einleiten in den Reaktionsraum erhitzt werden. Mit abnehmendem
Durchsatz wächst nämlich die Verweilzeit der Reaktanten in den Wärmetauschern, so daß ihre Temperatur
ansteigt sofern nicht geeignete Gegenmaßnahmen getroffen werden.
Ferner erkennt man, daß bei der hier gewählten Luftzahl λ=0,08 eine Einlauftemperatur #3 bei hohem
Durchsatz zu einem Umsetzungsgrad führt der sich aus dem Schnittpunkt der Kurve 31 mit der Geraden 35
ergibt und bei etwa 80% liegt Bei abnehmendem Durchsatz erhöht sich nun der Umsetzungsgrad, wie
sich aus dem Schnittpunkt der Kurve 32 ergibt jedoch
liegt bei minimalem Durchsatz der Schnittpunkt mit der
Kurve 33 bereits jenseits der Rußgrenze. Um eine Rußbildung zu vermeiden, muß man also in diesem Fall,
d.h. bei festgehaltener Luftzahl λ, mit sinkendem
Durchsatz auch die Einlauftemperatur absenken. Man gelangt dann bei einer Einlauftemperatur von #4 wieder
zu einem Betriebspunkt, der Rußfreiheit gewährleistet
(Schnittpunkt der Geraden 34 mit der Kurve 33).
Man kann mit einer Veränderung des Durchsatzes auch die Luftzahl λ verändern. Fig.4 zeigt die
Wärmetönungskurven, die mit den Drehsätzen der
F i g. 3 erhalten werden. Da sich mit einer Änderung des
Durchsatzes auch die von den Einsatzstoffen zu ihrer
Erwärmung aufzunehmenden Wärmemengen Qe ändern, sind einer größeren Übersichtlichkeit wegen die
Wärmetönungen als reduzierte Wärmetönungen angegeben, d. h, sie sind durch einen Durchsatz-abhängigen
Faktor dividiert der so gewählt ist daß die von einer gemeinsamen Einlauftemperatur ausgehenden Qe-Kur-
ve'n für alle Durchsätze zusammenfallen. 4
Die Kurve 43 entspricht der Kurve 33, die Kurve 42 der Kurve 32, jedoch bei etwa doppelter Luftzahl, und
die Kurve 41 der Kurve 31, jedoch bei etwa dreifacher LuftzahL Die genauen Werte der Luftzahlen wurden so
gewählt, daß die Maxima der Wärmetönung bei der
230243/212
gleichen Temperatur auftreten. Die Punkte s entsprechen den Einsatzpunkten der Rußbildung.
Die Kurve 41 wird mit der außerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens vorliegenden Luftzahl A=0,25
erhalten. Ihr Abfall ist flacher als derjenige der Kurven 42 und 43, und die Schnittpunkte mit den Geraden 44
und 45 entsprechen Betriebspunkten mit unerwünscht hohen Umsetzungstemperaturen und niedrigen Umsetzungsgraden.
Zum Auffinden eines geeigneten Regelgesetzes für den Betrieb des Spaltgasgenerators kann man z. B.
zunächst zu jedem Durchsatz die Luftzahl A aufsuchen, bei der sich bei einer vorgegebenen mittleren
Einlauftemperatur eine Umsetzungstemperatur von etwa 8000C ergibt Anschließend wird die Einlauftemperatur so verändert, daß sich ein Umsetzungsgrad
einstellt der einerseits möglichst hoch liegt, andererseits noch einen ausreichenden Sicherheitsabstand zum
Einsatzpunkt der Rußbildung aufweist Hierbei ergibt sich nur eine geringfügige Verschiebung der Umsetzungstemperatur. Notfalls kann auch die Luftzahl A
etwas nachgeregelt werden, damit ein Umsetzungsgrad innerhalb des vorgeschriebenen Bereiches erreicht wird.
Insgesamt wird man niedrige Luftzahlen und hohe Einlauftemperaturen anstreben, um einen geringen
Verbrauch an chemischer Energie zu erreichen; ferner sind häufig hohe Umsetzungsgrade erwünscht um die
Kohlenwasserstoffe möglichst weitgehend in das hochwertige Brenngasgemisch umzusetzen. Beim Betrieb von Brennkraftmaschinen ist außerdem z. B. eine
niedrige Umsetzungstemperatur vorteilhaft da sich der Füllgrad in den Brennräumen der Maschinen mit
abnehmender Gemischtemperatur verbessert und das Gemisch daher nach Verlassen des Spaltgasgenerators
abgekühlt werden muß. Welche der einzelnen Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens die vorteilhafteste
ist wird jeweils vom verwendeten Katalysator, den eingesetzten Kohlenwasserstoffen und dem Verwendungszweck abhängen.
Anhand zweier Ausführungsbeispiele soll die Erfindung nun näher erläutert werden.
In diesen Anwendungsbeispielen wird ein Kraftfahrzeugmotor mit dem in einem Spaltgasgenerator
erzeugten Brenngas (Spaltgas) betrieben. Als kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff dient sogenanntes
Grundbenzin, ein Rohöldestillat im Siedebereich von 40 bis 2000C, das außer der Destillation keinen weiteren
Verarbeitungsschritten unterzogen wurde. Dii Octanzahl (ROZ) liegt bei etwa 40 bis 60, der Aromatengehalt
zwischen 10 und 15%. Der Reaktionsraum des zur Umsetzung benutzten Spaltgasgenerators hat einen
Durchmesser von etwa 10 cm und ist mit 400 cm3 eines
Spaltkatalysators gefüllt der auf einem Träger aus Aluminiumoxid eine aktive Komponente aus 0,6%
Eisen, 0,5% Chrom und 1,4% Molybdän enthält Ein derartiger Katalysator ist in der DE-AS 24 31168 als
Beispiel 6 beschrieben. *
Ein Personenkraftfahrzeugder Mittelklasse erfordert einen Benzineinsatz zwischen 11 Benzin pro Stunde bei
Leerlauf und 201 Benzin pro Stunde bei Vollast
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf eine Fremdbeheizung des Reaktionsraumes verzichtet und
die Luftzahl und die Einlauftemperatur derart in Abhängigkeit vom Durchsatz geregelt, daß der Reaktor
stets im Bereich der selbststabilisierenden Betriebszustände gefahren wird, dh, bei Umsetzungsgraden
zwischen 60 und 95%. Bei diesen Umsetzungsgraden ist der Spaltgasgenerator gleichzeitig gegen Erlöschen wie
gegen Überhitzung gesichert Ferner liefern diese Umsetzungsgrade einen ausreichenden Schutz gegen
die Rußbildung, die erst bei noch höheren Umsetzungsgraden bzw. bei hohen Temperaturen auftritt
Ein Durchsatz von 201 pro Stunde im Spaltgasgenerator entspricht hierbei einem Durchsatz von 501 pro
Stunde und 1 Katalysatorvolumen, im folgenden als 50 VATi bezeichnet Für stärkere Motoren, die größere
Durchsätze erfordern, muß die Katalysatorfüllung des
ίο Reaktors so dimensioniert werden, daß die in V/Vh
angegebene Katalysatorbelastung in diesen Bereichen bleibt
Im ersten Ausführungsbeispiel wird zunächst beim größten zu erwartenden Durchsatz von 50 V/Vh die
Eintrittstemperatur auf 400° C festgelegt und die Luftzahl so gewählt daß sich eine Umsetzungstemperatur von 8000C im Reaktionsraum einstellt Dies läßt sich
mit einer Luftzahl von λ-0,08 erreichen, wobei der Umsatz etwa 75% beträgt Selbst bei Schwankungen
der Eintrittstemperatur von mehr als 100°C treten nur Schwankungen der Reaktionstemperatur von ±10° C
auf. Mit abnehmendem Durchsatz wird nun bei konstanter Einlauftemperatur die Luftzahl stetig angehoben, bis sie bei einem Durchsatz von 12,5 V/Vh den
Wert von A=O1I erreicht Der Umsetzungsgrad steigt
hierbei auf etwa 85% an, die Reaktionstemperatur bleibt etwa bei 8000C.
Mit weiter sinkendem Durchsatz wird die Luftzahl weiter angehoben, bis sie bei 2,5 V/Vh den Wert von
0,15 erreicht Eine Einlauftemperatur von 400°C würde jedoch einem Betrieb entsprechen, dessen Betriebspunkte nicht mehr auf dem steil abfallenden Teil der
Wärmetönungskurve liegen. Der Umsetzungsgrad und die Reaktionstemperatur wurden unzulässig ansteigen,
und eine starke Rußbildung wäre unvermeidlich. Daher wird bei Belastungen unterhalb von 12,5 V/Vh die
Einlauftemperatur abgesenkt bis sie bei 2,5 V/Vh bei 200° C liegt Damit bleibt der Umsetzungsgrad mit
Werten zwischen 90 und 95% noch im zulässigen
Bereich, und eine Rußbildung wird mit Sicherheit
vermieden.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel wird bei einer maximalen Katalysatorbelastung von 50 V/Vh der
Spaltgasgenerator wie im ersten Ausführungsbeispiel
mit einer Luftzahl von 0,08 und einer Einlauftemperatur
von 4000C betrieben, wobei die Reaktionstemperatur
bei 80O0C und der Umsetzungsgrad bei 75% liegt Bei
Verminderung des Durchsatzes bis herab zu 12£ V/Vh
wird nun bei konstantem A die Einlauftemperatur auf
so 2000C abgesenkt Dabei sinkt die Umsetzungstemperatur auf 7000C ab, der Umsatz steigt auf etwa 80%. Bei
einer weiteren Durchsatzverminderung bis auf 2J5 V/Vh
wird nunmehr die Einlauftemperatur von 200° C (die niedrigste Einlauftemperatur, bei der das eingesetzte
und die Luftzahl auf 0,15 erhöht Dadurch steigt die
800°Can.
noch eine ausreichend hohe Octanzahl des in die Brennkraftmaschine einzuspeisenden Brenngases zu
erhalten, kann ferner vorgesehen sein, der Brennkraftmaschine nicht das gesamte aus dem Spaltgasgenerator
austretende Gemisch aus umgesetzten und nicht
umgesetzten Kohlenwasserstoffen zuzuführen, sondern
das Spaltgas abzukühlen und das hierbei ausfallende Kondensat das neben nicht umgesetzten Kohlenwasserstoffen und flüssigen Spaltprodukten auch noch
geringe Mengen von Wasser enthält und eine niedrige Octanzahl besitzt, dem eingesetzten Benzin zuzumischen.
Um jedoch eine hohe Octanzahl des entstehenden Spaltgases zu gewährleisten, kann auch eine Verfah-
rensvariante angewendet werden, bei der durch gleichzeitige Veränderung der Luftzahl und der
Einlauftemperaturen der Umsetzungsgrad konstant gehalten wird, z.B. auf einem Umsetzungsgrad von
90%.
Claims (10)
1. Verfahren zum Betrieb eines Spaltgasgenerators, in dem verdampfte oder versprühte flüssige,
höhere Kohlenwasserstoffe mit einem sauerstoffhaltigen Gas bei erhöhter Temperatur in ein Methan,
Kohlenmonoxid und/oder Wasserstoff enthaltendes Gasgemisch umgesetzt werden, wobei die umzusetzenden Reaktanten vor dem Einleiten in den
Spaltgasgenerator gegebenenfalls auf sine erhöhte Einlauftemperatur erhitzt werden, der Durchsatz
der Reaktanten veränderlich ist und die Luftzahl A des sauerstoffhaltigen Gases zwischen 0,05 und 0,2
liegt, dadurch gekennzeichnet, daß einN den Sauerstoff nur in freier Form enthaltendes Gas
verwendet wird, daß dem Spaltgasgenerator keine Fremdwärme zugeführt wird und daß die Luftzahl Λ
und/oder die Einlauftemperatur als Funktion des sich verändernden Durchsatzes so geregelt werden,
daß der Umsetzungsgrad der Kohlenwasserstoffe zwischen 60 und 95% liegt
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenwasserstoffe katalytisch
umgesetzt werdea
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umsetzungsgrad zwischen
75 und 90% gehalten wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlauftemperatur
zwischen 200 und 450° C gehalten wird
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umsetzungsgrad annähernd
konstant gehalten wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei steigendem bzw. fallendem
Durchsatz die Einlauftemperatur konstant gehalten und die Luftzahl vermindert bzw. erhöht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit steigendem bzw. fallendem
Durchsatz bei konstanter Luftzahl Λ die Einlauftemperatur erhöht bzw. erniedrigt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzahl und/oder
die Einlauftemperatur in Abhängigkeit vom Durchsatz und von der Umsetzungstemperatur geregelt
werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Absinken bzw. Ansteigen der
Umsetzungstemperatur die Luftzahl λ erhöht bzw. erniedrigt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im entstehenden
Gasgemisch anfallendes Kondensat in den Spaltgasgenerator zurückgeführt wird.
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