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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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%.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.