WO2003097451A1 - Verfahren zur gewinnung von ballast aus dem abgas von verbrennungskraftmaschinen an bord von luftschiffen - Google Patents

Verfahren zur gewinnung von ballast aus dem abgas von verbrennungskraftmaschinen an bord von luftschiffen Download PDF

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    • B64B1/24—Arrangement of propulsion plant

Definitions

  • the invention relates to a method for obtaining ballast from the exhaust gas of internal combustion engines, in particular wave power gas turbines, on board airships.
  • the fuel consumed during the journey leads to a continuous decrease in the weight to be carried by the lifting gas.
  • the weight loss was compensated for by releasing the lifting gas.
  • Ballast water production in the LZ 130 airship is described in the VDI magazine, vol. 83, no. 15, (1939).
  • the exhaust gases from the piston engines used there pass through a three-stage cooler. In the first stage, the hot exhaust gas is cooled from 500 ° C to approx. 400 ° C using ambient air. In an exhaust gas temperature of 50 ° C is reached in a second stage water cooler. The exhaust gas is cooled to about 5 ° C above the ambient temperature in a final air-cooled heat exchanger.
  • weight compensation of fuel consumption could be achieved with such a system under certain conditions. These systems were large and heavy and, depending on the cooler design, caused considerable additional air resistance or a loss of efficiency in the propulsion system of the airship.
  • Wave power gas turbines are only possible with great additional effort and lead to unacceptable technical solutions. Gas turbines are operated with a much higher excess air. This also reduces the "dew point" of the exhaust gases. This means a higher cooling effort for a larger mass throughput.
  • the object of the invention is a method for obtaining non-corrosive ballast from the exhaust gas of internal combustion engines, in particular wave power gas turbines, on board airships, which requires little energy and equipment and the ballast recovery corresponds at least to the weight compensation of fuel consumption.
  • this object is achieved in that, according to the method for obtaining ballast from the exhaust gas of internal combustion engines, in particular wave power gas turbines, on board airships
  • wash liquor Absorption of carbon dioxide (CO2) and condensation of water vapor takes place by guiding an exhaust gas stream through a basic aqueous solution (“wash liquor”).
  • wash liquor ammonia-water or a crystalline hydroxide of an alkali or alkaline earth metal dissolved in water or spent alkali can be used as the wash liquor.
  • the hydroxide has a low molecular weight.
  • the hydroxide is an alkali or alkaline earth metal with a chemical atomic number between 3 and 12.
  • lithium hydroxide or lithium hydroxide with water of crystallization can be used as the wash liquor.
  • wash liquor and the carbon dioxide are brought into intensive contact.
  • the wash liquor absorbs the CO2 from the exhaust gas stream in a contact apparatus.
  • the contact apparatus is a jet washer and / or a
  • the temperature range can also be partially in the laundry itself, for example
  • the CO2 and the wash liquor react to form carbonate and / or hydrogen carbonate, which is separated off and stored on board.
  • the invention is based on the idea that the combustion of 1kg of kerosene produces about 3kg of carbon dioxide (CO2). By separating this A sufficient amount of ballast can be obtained in the exhaust gas from the internal combustion engines.
  • CO2 can be absorbed in basic aqueous solutions ("alkalis") by washing processes known from the chemical industry (amine, Benfield, etc.) and reacts therein to carbonate and / or to hydrogen carbonate. This can then be separated off using conventional processes and as ballast on board
  • alkalis basic aqueous solutions
  • the carbonate-containing aqueous solution is hygroscopic, ie, in addition to the absorption of CO2, it leads to a considerable extent to the condensation of water vapor from the exhaust gas and thus to the accumulation of additional ballast.
  • the alkali is either carried along (for example, as ammonia water) or produced on board the airship from the hydroxide of an alkali or alkaline earth metal by dissolving it in water or in an already used alkali.
  • Hydroxides of alkali or alkaline earth metals should preferably be low
  • Alkali and alkaline earth metals with a chemical atomic number between 3 and 12, i.e. Li, Be, Na, Mg.
  • the lye should absorb the CO2 from the exhaust gas in a contact apparatus in which the two phases to improve the mass transfer in intensive
  • ballast which is as non-corrosive as possible from the CO2 contained in the exhaust gas of the internal combustion engines used in an amount with which at least the fuel consumption
  • Airship drives can be compensated. Ballast should preferably be produced in excess in order to achieve complete weight compensation by ballast recovery from a partial flow of the entire exhaust gas of the drives, ie not having to provide a system for every drive unit of the airship. Since the solubility of gases in washing liquids (here: CO2 in lye) generally increases with decreasing temperature, the exhaust gas should be cooled before contact with the washing liquor, preferably to 0 ° C to 40 ° C. The cooling down to this temperature range can also partially take place in the laundry itself, for example by quenching. Because when the gas is dissolved in the liquid
  • the basic sequence of the method according to the invention is shown as a block diagram.
  • the hot exhaust gas 2 of an internal combustion engine 1 is passed through an exhaust gas cooler 3, in which the heat is given off to the ambient air 4.
  • the cooler can be designed in several stages and can also use other cooling media.
  • the cooled exhaust gas 5 is brought into intensive contact with the treated wash liquor 7 in a contact apparatus 6.
  • the wash liquor 7 should also be cooled.
  • the contact apparatus 6 also contains a separator for the carbonate / hydrogen carbonate 9, which is passed into a ballast collecting container 10.
  • the exhaust gas 8 cleaned of CO2 can be released into the environment from the contact apparatus 6.
  • the method according to the invention is finally explained using a concrete example.
  • the exhaust gas After the exhaust gas has been cooled to 15 ° C., it is passed into a jet scrubber with a downstream wash column.
  • the jet washer and washing column are operated isothermally at 15 ° C. and are designed so that together they represent an equilibrium stage in the thermodynamic sense. This is easy to achieve in terms of apparatus.
  • the laundry is operated with aqueous LiOH liquor at a pH of 8.5, which is circulated. Due to the chemical binding of CO2 to carbonate, the pH value of the alkali drops, so that fresh alkali has to be constantly added to the circuit via a pH sensor.

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Abstract

Verfahren zur Gewinnung von Ballast aus dem Abgas von Verbrennungskraftmaschinen (1), insbesondere Wellenleistungsgasturbinen, an Bord von Luftschiffen wobei die Absorption von Kohlendioxid und ein Auskondensieren von Wasserdampf durch eine Führung des Abgasstromes (5) durch eine basische wässrige Lösung (7) ('Waschlauge') erfolgt. Als Waschlauge kann Ammoniak-Wasser oder ein in Wasser oder verbrauchter Lauge gelöstes kristallines Hydroxid eines Alkali- oder Erdalkalimetalls eingesetzt werden. Das vorgeschlagene Verfahren eignet sich zur Gewinnung von Ballast aus dem Abgas von Verbrennungskraftmaschinen an Bord von Luftschiffen, insbesondere bei Langstreckeneinsätzen.

Description

Verfahren zur Gewinnung von Ballast aus dem Abgas von Verbrennungskraftmaschinen an Bord von Luftschiffen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Ballast aus dem Abgas von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Wellenleistungsgasturbinen, an Bord von Luftschiffen.
Beim Betrieb eines Luftschiffes führt der während der Fahrt verbrauchte Kraftstoff zu einer kontinuierlichen Abnahme des vom Traggas zu tragenden Gewichtes. Bei Luftschiffen mit Wasserstoff als Traggas wurde der Gewichtsverlust durch Ablassen von Traggas ausgeglichen.
Bei modernen Luftschiffen mit Heliumfüllung ist das aus wirtschaftlichen Gründen nicht mehr möglich. An Bord des Luftschiffes muß während der Fahrt Masse in Form von Ballast gewonnen/rückgewonnen werden.
Aus der DE-PS 465 461 sind ein Verfahren und eine Einrichtung zur Gewinnung von Ballast aus den Auspuffgasen der Motoren bei Luftschiffen bekannt. Die Gase werden zu ihrer Abkühlung durch hohle Blätter der zum Betrieb des Luftschiffes verwandten Propeller geführt. Das sich im Propeller niederschlagende Wasser wird durch entsprechende, um den Propeller angeordnete, Vorrichtungen aufgefangen.
Die US-amerikanischen Luftschiffe "Akron" und "Macon" waren mit luftgekühlten Ballastwassergewinnungsanlagen ausgestattet. Die verwendeten Wärmetauscher vergrößerten den Luftwiderstand wesentlich und erforderten eine sehr aufwendige Reinigung und Wartung.
In der VDI-Zeitschrift Bd. 83, Nr. 15, (1939) ist die Ballastwassergewinnung im Luftschiff LZ 130 beschrieben. Die Abgase der dort eingesetzten Kolbenmotoren durchlaufen dabei einen dreistufigen Kühler. In der ersten Stufe wird das heiße Abgas mittels umströmender Umgebungsluft von 500° C auf ca. 400°C gekühlt. In einem Wasserkühler der zweiten Stufe wird eine Abgastemperatur von 50°C erreicht. In einem abschließenden luftgekühlten Wärmetauscher wird das Abgas auf etwa 5°C über der Umgebungstemperatur abgekühlt. Bei Kolbenmotoren konnte mit einer solchen Anlage unter bestimmten Bedingungen eine Gewichtskompensation des Kraftstoffverbrauchs erreicht werden. Diese Anlagen waren groß und schwer und verursachten je nach Kühlerauslegung einen erheblichen zusätzlichen Luftwiderstand oder einen Verlust an Effizienz der Antriebe des Luftschiffes.
Die Übertragung dieser Technik auf moderne Dieselmotoren oder
Wellenleistungsgasturbinen ist nur mit großem Zusatzaufwand möglich und führt zu inakzeptalen technischen Lösungen. Gasturbinen werden bei wesentlich höherem Luftüberschuß betrieben. Damit sinkt auch der "Taupunkt" der Abgase. Das bedeutet einen höheren Kühlaufwand für einen größeren Massendurchsatz.
Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren zur Gewinnung von nicht korrosiv wirkendem Ballast aus dem Abgas von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Wellenleistungsgasturbinen, an Bord von Luftschiffen, das einen geringen energetischen und apparativen Aufwand erfordert und die Ballastgewinnung mindestens der Gewichtskompensation des Kraftstoffverbrauchs entspricht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß nach dem Verfahren zur Gewinnung von Ballast aus dem Abgas von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Wellenleistungsgasturbinen, an Bord von Luftschiffen eine
Absorption von Kohlendioxid (CO2) und ein Auskondensieren von Wasserdampf durch eine Führung eines Abgasstromes durch eine basische wassrige Lösung ("Waschlauge") erfolgt. Als Waschlauge kann nach der Erfindung Ammoniak-Wasser oder ein in Wasser oder verbrauchter Lauge gelöstes kristallines Hydroxid eines Alkali- oder Erdalkalimetalls eingesetzt werden.
Es ist zweckmäßig, daß das Hydroxid ein geringes Molekulargewicht aufweist. In Ausgestaltung der Erfindung ist das Hydroxid ein Alkali- oder Erdalkalimetall mit einer chemischen Ordnungszahl zwischen 3 und 12.
Erfindungsgemäß kann als Waschlauge Lithiumhydroxid oder Lithiumhydroxid mit Kristallwasser eingesetzt werden.
In weiterer Ausgestaltung werden die Waschlauge und das Kohlendioxid in einen intensiven Kontakt gebracht.
Erfindungsgemäß nimmt die Waschlauge das CO2 aus dem Abgasstrom in einem Kontaktapparat auf.
In Ausgestaltung ist der Kontaktapparat ein Strahlwäscher und/oder eine
Waschkolonne.
Es ist besonders vorteilhaft, den Abgasstrom vor Einleitung in die Waschlauge und/ oder die Waschlauge selbst zu kühlen. Die Medien werden auf eine Temperatur von 0°C bis 40°C gekühlt. Die Herabkühlung auf diesen
Temperaturbereich kann teilweise auch in der Wäsche selbst, bspw. durch
Quenchen, erfolgen.
In weiterer Ausgestaltung reagieren das CO2 und die Waschlauge zu Karbonat und/oder Hydrogenkarbonat, das abgeschieden und an Bord gelagert wird.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt ein Blockdiagramm zum erfindungsgemäßen Verfahren.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, daß bei der Verbrennung von 1kg Kerosin etwa 3kg Kohlendioxid (CO2) gebildet werden. Durch Abscheiden dieses im Abgas der Verbrennungskraftmaschinen enthaltenen CO2 ist die Gewinnung einer ausreichenden Menge an Ballast möglich.
CO2 kann nach aus der chemischen Industrie bekannten Waschverfahren (Amin, Benfield u.s.w.) in basischen wässrigen Lösungen („Laugen") absorbiert werden und reagiert darin zu Karbonat und / oder zu Hydrogenkarbonat. Dieses kann dann mit Hilfe üblicher Verfahren abgeschieden und als Ballast an Bord des Luftschiffes gelagert werden. Die karbonathaltige wassrige Lösung ist hygroskopisch, d.h. sie führt neben der Absorption von CO2 in erheblichem Umfang zum Auskondensieren von Wasserdampf aus dem Abgas und damit zur Ansammlung zusätzlichen Ballasts.
Die Lauge wird erfindungsgemäß entweder mitgeführt (bspw. als Ammoniak- Wasser) oder an Bord des Luftschiffs aus dem Hydroxid eines Alkali- oder Erdalkalimetalls durch Lösen in Wasser oder in bereits verbrauchter Lauge hergestellt. Bevorzugt sollen Hydroxide von Alkali- oder Erdalkalimetallen geringen
Molekulargewichts verwendet werden, um das Startgewicht des Luftschiffes möglichst wenig zu beeinflussen. Bevorzugt werden Alkali- und Erdalkalimetalle mit einer chemischen Ordnungszahl zwischen 3 und 12, d.h. Li, Be, Na, Mg. Die Lauge soll das CO2 aus dem Abgas in einem Kontaktapparat aufnehmen, in dem die beiden Phasen zur Verbesserung des Stofftransports in intensiven
Kontakt miteinander gebracht werden. Als Kontaktapparat kann ein Strahlwäscher, eine Waschkolonne oder eine Kombination beider eingesetzt werden. Intention der Erfindung ist es, möglichst nicht korrosiv wirkenden Ballast aus dem im Abgas der verwendeten Verbrennungskraftmaschinen enthaltenen CO2 in einer Menge zu gewinnen, mit der mindestens der Kraftstoffverbrauch der
Luftschiffantriebe kompensiert werden kann. Vorzugsweise soll Ballast im Überschuß produziert werden, um eine vollständige Gewichtskompensation durch Ballastrückgewinnung aus einem Teilstrom des gesamten Abgases der Antriebe zu erreichen, d.h. nicht für jede Antriebseinheit des Luftschiffes ein System vorsehen zu müssen. Da die Löslichkeit von Gasen in Waschfiüssigkeiten (hier: CO2 in Lauge) generell mit abnehmender Temperatur zunimmt, soll das Abgas vor Kontakt mit der Waschlauge gekühlt werden, vorzugsweise auf 0°C bis 40°C. Die Herabkühlung auf diesen Temperaturbereich kann teilweise auch in der Wäsche selbst, bspw. durch Quenchen, erfolgen. Da bei der Lösung des Gases in der Flüssigkeit
Sorptionswärme frei wird, soll auch die Waschlauge auf diese Temperatur gekühlt werden. Die Auslegung der Kühler für eine Anwendung im Luftschiff ist anspruchsvoll.
Der grundlegende Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ist als Blockdiagramm dargestellt. Das heiße Abgas 2 einer Verbrennungskraftmaschine 1 wird über einen Abgaskühler 3 geleitet, in dem die Wärme an die Umgebungsluft 4 abgegeben wird. Der Kühler kann mehrstufig ausgeführt sein und kann auch noch weitere Kühlmedien verwenden. Das gekühlte Abgas 5 wird zusammen mit der aufbereiteten Waschlauge 7 in einem Kontaktapparat 6 in intensiven Kontakt gebracht. Die Waschlauge 7 sollte ebenfalls gekühlt sein. Der Kontaktapparat 6 enthält auch einen Abscheider für das Karbonat / Hydrogenkarbonat 9, das in einen Ballast-Sammelbehälter 10 geleitet wird. Das von CO2 gereinigte Abgas 8 kann aus dem Kontaktapparat 6 in die Umgebung abgegeben werden. Das erfindungsgemäße Verfahren wird abschließend an einem konkreten Beispiel erläutert.
Bei der Verbrennung von beispielsweise 0,5 to/h Kerosin mit trockener Umgebungsluft in einer Wellenleistungsgasturbine fallen etwa 30 to/h Abgas bei 650°C mit folgender Zusammensetzung an: N2 75,8 mol-%, O2 17,1 mol-%, CO2 5,0 mol-%, H2O 2,1 mol-%, sowie Spuren von Sox, Nox und Ruß.
Nach Kühlung des Abgases auf 15°C wird dieses in einen Strahlwäscher mit nachgeschalteter Waschkolonne geführt. Strahlwäscher und Waschkolonne werden in diesem Anwendungsbeispiel isotherm bei 15°C betrieben und sind so ausgeführt, daß sie zusammen eine Gleichgewichtsstufe im thermodynamischen Sinne darstellen. Dies ist apparativ einfach zu erreichen. Die Wäsche wird mit wässriger LiOH-Lauge bei einem pH-Wert von 8,5 betrieben, die im Kreislauf gefahren wird. Durch die chemische Bindung von CO2 zu Karbonat fällt der pH-Wert der Lauge, sodaß dem Kreislauf über einen pH-Sensor geregelt ständig Frischlauge zudosiert werden muß.
Für dieses Szenario ergibt sich im stationären Betrieb eine Abscheidung von CO2, das zu 190 kg/h Li2C03 reagiert und als Feststoff ausgetragen wird. Weiter fallen 430 kg/h Wasser an, das teilweise durch die Neutralisationsreaktion gebildet und teilweise aus der Gasphase abgeschieden wird. Dem steht ein Verbrauch als Masseverlust von 0,5 to/h Kerosin und 20 kg/h LiOH gegenüber. Damit ergibt sich ein Massengewinn von 620 kg/h, dem ein Masseverlust von 500 kg/h Kerosin und 120 kg/h Chemikalien gegenübersteht, sodaß die Gesamtmasse des Luftschiffs konstant bleibt.
Wollte man den Ballast für diesen Betriebsfall durch Kondensation gewinnen, müßte das Abgas auf unter -5 °C gekühlt werden, was technische Probleme der Bereitstellung der erforderlichen Kälteleistung sowie betriebliche Probleme durch Unterschreiten des Gefrierpunkts und Vereisung des Kondensators erwarten läßt.
Den vorhergehend genannten Industrieprozessen ist gemein, daß gasförmiges CO2 gewonnen wird, das dann bei Bedarf unter hohem Druck bei tiefer Temperatur kondensiert werden muß. Die dafür erforderlichen Prozeßbedingungen wären jedoch, ähnlich der reinen Kondensation von Wasserdampf, ohne erheblichen energetischen und apparativen Aufwand in einem Luftschiff nicht darstellbar und auch nicht zielführend, denn die Lagerung des gasförmigen CO2 würde viel Raum beanspruchen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine hinsichtlich Gewicht, Größe, Leistungsbedarf und sonstigem Aufwand (z.B. Nutzung von Hilfsstoffen) akzeptable apparative Lösung zur Gewinnung von Ballast in adäquater Form aus dem Abgas der Verbrennungskraftmaschinen an Bord eines Luftschiffes. Das Verfahren ist besonders vorteilhaft für Langstreckenmissionen von großen LastenLuftschiffen. Bezugszeichenaufstellung
1 Verbrennungskraftmaschine
2 heißes Abgas 3 Abgaskühler
4 Umgebungsluft
5 gekühltes Abgas
6 Kontaktapparat mit Abscheider
7 aufbereitete Waschlauge 8 gereinigtes Abgas
9 Karbonat/Hydrogenkarbonat
10 Ballast-Sammelbehälter

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Gewinnung von Ballast aus dem Abgas von Verbrennungs kraftmaschinen, insbesondere Wellenleistungsgasturbinen, an Bord von Luftschiffen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Absorption von Kohlendioxid und ein Auskondensieren von Wasserdampf durch eine Führung eines Abgasstromes durch eine basische wassrige Lösung ("Waschlauge") erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß als Waschlauge Ammoniak-Wasser eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Waschlauge ein in Wasser oder verbrauchter Lauge gelöstes kristallines Hydroxid eines Alkalioder Erdalkalimetalls eingesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hydroxid ein geringes Molekulargewicht aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Hydroxid ein
Alkali- oder Erdalkalimetall mit einer chemischen Ordnungszahl zwischen 3 und 12 ist.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Waschlauge Lithiumhydroxid eingesetzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Waschlauge Lithiumhydroxid mit Kristallwasser eingesetzt wird.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Waschlauge und das Kohlendioxid in einen intensiven Kontakt gebracht werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Waschlauge das Kohlendioxid aus dem Abgasstrom in einem Kontaktapparat aufnimmt.
10.Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktapparat ein Strahlwäscher und/oder eine Waschkolonne ist.
1 1 . Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasstrom vor Einleitung in die Waschlauge gekühlt wird.
12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Waschlauge gekühlt wird.
13. Verfahren nach den Ansprüchen 1 1 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Medien auf eine Temperatur von 0°C bis 40°C gekühlt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Herabkühlung auf diesen Temperaturbereich in der Wäsche selbst erfolgt.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Herabkühlung durch Quenchen erfolgt.
16Nerfahren nach den Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlendioxid und die Waschlauge zu Karbonat und/oder Hydrogenkarbonat reagieren. Nerfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Karbonat/Hy drogenkarbonat abgeschieden und an Bord gelagert wird.
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