- _jO Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umwandlung von Reaktionsenthalpie in mechanische Ener¬ gie, wobei Reaktionspartner einem Reaktionsraum zugeführt und miteinander zur Reaktion gebracht werden.

₁ 5 Die Reaktionsenthalpie chemischer Reaktionen wird unter¬ schiedlich genutzt. Zu den gattungsgemäßen Verfahren zähl .beispielsweise die in Vergasungsreaktoren erfolgen¬ de Produktion von Synthesegas für die Synthese von Ammoniak oder Methanol. Die Verfahren zur Synthesegaserzeugung be- ruhen auf dem Prinzip der unvollkommenen Verbrennung (par¬ tielle Oxidation) von Kohlenwasserstoffen mit Sauerstoff unter Zugabe von Wasserdampf. Diese konventionellen Ver¬ fahren werden als kontinuierlicher Prozeß bei Temperaturen von 1300 ^β C bis 160Q°C betrieben. Dabei kann jedoch die 5 Wärme des mit Reaktionstemperatur aus dem Reaktor kommen¬ den Produktes in der anschließenden Abhitzeverwertung nur sehr unvollkommen - auf dem im Mittel viel zu niedrigen Temperaturniveau der Wasserverdampfung und Wasserda püber- hitzung - genutzt werden. 0

Außerdem ist wegen der nach oben begrenzten Reaktions¬ temperatur und unter anderem wegen der unvollkommenen Vermischung der Reaktionsteilnehmer (Brennstoff, Sauerstoff Wasserdampf) beim Ξindüsen in den großen Reaktorraum eine 5 lange Verweilzeit der Reaktionspartner im Reaktionsraum

erforderlich und ein ru freier Betrieb nicht möglich. Ent¬ standener Ruß muß aus dem Produkt entfernt, aufgearbeitet und mit Brennstoff vermischt ^' in den Reaktor zurückgeführt werden. Wegen der langen Verweilzeit ist die Strömungsge- schwindigkeit und daher auch die Produktionsrate gering.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver¬ fahren der eingangs genannten Art anzugeben, durch das Reaktionsenthalpie im Vergleich zu bisherigen Prozessen bes- ser genutzt und mit besserem Wirkungsgrad in mechanische Energie umgewandelt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die bei der Reaktion gebildeten Reaktiσnsprcdukswährend und/oder nach der Reaktion arbeitsleistend entspannt werden.

Durch diese erfindungsgemäße Verfahrensweise, die bei sehr unterschiedlichen Prozessen anwendbar ist, wird eine ver¬ besserte Nutzung der Reaktionsenthalpie ermöglicht, d.h." eine Umwandlung der Reaktionsenthalpie in mechanische Ener¬ gie mit einem im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren bes¬ seren Wirkungsgrad. Das erfindungsgemäße Verfahren ist bei zahlreichen Prozessen mit unterschiedlichen Zielsetzungen anwendbar. Primärer Zweck dieser Verfahren kann mit Vorteil äl Herstellung eines chemischen Zwischenproduktes als Reaktionsprodukt sein, aber auch die Bereitstellung von Energie bzw. Energie und Wärme.

Nach einer vorteilhaften Variante der Erfindung dienen als Reaktionspartner ein Kohlenwasserstoff oder ein Ge¬ misch aus Kohlenwasserstoffen, ein sauerstoffhaltiges Gas - insbesondere Luft, mit Sauerstoff angereicherte ^' Luft oder reiner Sauerstoff - und Wasserdampf in einem Mengen¬ verhältnis, bei dem im Reaktionsraum eine unvollkommene Verbrennung (partielle Oxication) stattfindet.

Dieser erfindungsgemäßen Verfahrensweise liegt der Gedanke zugrunde, daß z.B. jeder Verbrennungsmotor oder auch jede Brennkammer einer Gasturbine in seiner bzw. ihrer Wirkungs¬ weise einem Vergasungsreaktor entspricht. Bei einem Motor werden innerhalb einer gekühlten Wandung (Temperatur < als 100°C) Reaktionstemperaturen von weit über 2000 ^β C erreicht. Wegen der nachfolgenden arbeitsleistenden Entspannung ver¬ läßt das Reaktionsprodukt (Abgas) den Motorraum mit einer Temperatur, die wesentlich unter 1000 ^a C liegt. Bei optimale Motoreinstellung ist das Abgas weitgehend rußfrei.

Der erfinάungsgemä e Vorschlag ermöglicht nun eine energe¬ tisch günstige Vergasung fossiler Brennstoffe, beispiels¬ weise beliebiger Kohlenwasserstoffe und (entaschter) Kohle durch partielle Oxidation, wobei die in den Kohlenwasser¬ stoffen enthaltene Energie teilweise auch in mechanische Energie umgewandelt wird. Dazu werden die soweit wie mög¬ lich vorgewärmten Reaktionsteilnehmer (Sauerstoff, Kohlen¬ wasserstoffe, gegebenenfalls Wasserdampf) z.B. in den Brennraum eines ein- oder mehrzylindrigen Kolbenmotors eingedüst.

Durch Fremd- oder Selbstzündung erfolgt die Reaktion (par¬ tielle Oxidation) , wobei analog einem konventionellen Otto-Motor je nach Verfahrensweise der Druck oder der

Druck und die Temperatur stark ansteigen. Nach erfolgter Reaktion expandiert das Reaktionsprodukt adiabat und ar- beitsleistend bis der Kolben die untere Totlage erreicht. Dabei kühlt sich das Reaktionsprodukt stark ab. Während der Wellen- bzw. Kolbenbewegung von der unteren zur obe¬ ren Totlage wird das Produkt bei geöffnetem Auslaßventil aus dem Brennraum ausgeschoben. Das Gehäuse wird - analog den konventionellen Verbrennungsmotoren - mit Wasser ge¬ kühlt.

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Das Ξindüsen der Reaktionsteilnehmer kann wie bei der kon¬ ventionellen Vergasung erfolgen. Dabei werden Sauerstoff und Wasserdampf z.B. vor dem Eintritt vermischt und kon¬ zentrisch um den Brennstoffstrahl eingedüst. Der Zylinder- köpf und der Kolben werden so ausgeführt, daß eine gute Vermischung gewährleistet wird.

Im Vergleich zu konventionellen Vergasungsprozessen besitzt das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, daß der größte Teil der durch die Reaktion entstandenen überschüssigen Wärme direkt in mechanische Energie umgewandelt wird. Wei¬ tere vorteilhafte Folge dieser Verfahrensweise ist, daß die Wärmeumsätze bei der nachfolgenden Abhitzeverwertung um die geleistete Arbeit kleiner sind. Das vorgeschlagene Ver- fahren ist für alle aschefreien Brennstoffe -anwendbar, er¬ möglicht einen weitgehend rußfreien Betrieb und gewährt eine größere Freiheit in der Wahl des Reaktionsdrucks, der Temperatur, der Reaktionszeit,- der zugesetzten Dampfmenge usw..

In einer weiteren Variante der erfindungsgemä en Verfah¬ rensweise dienen als Reaktionspartner ein Brennstoff, ein sauerstoffhaltiges Gas, Kohlenwasserstoffe und Wasser¬ dampf, wobei der Brennstoff mit dem Sauerstoffhaltigen Gas im Reaktionsraum verbrannt wird und die Brennstoff¬ wärme die Spaltung der Kohlenwasserstoffe und des Dampfes be wirkt unddiegebildeten Spaltgase und die Verbrennungsgase entspannt werden.

Bei konventionellen Verfahren dieser Art werden die Reak- tanten in den Rohren eines Wärmetauschers geführt, wobei der Wärmetauscher von außen durch 3rennstoffwärme beheizt wird. Erfindungsgemäß wird die notwendige Wärme dagegen durch Verbrennung von Reaktionspartnern innerhalb des Reaktionsraumes zugeführt. Die übrigen Vorteile dieser

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Variante entsprechen denen der partiellen Oxidation, so di se in der erfindungsgemäßen Verfahrensweise erfolgt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedanke wird zur Steuerung der im Reaktionsraum freigesetzten Reak¬ tionswärme die Mengenzugabe wenigstens eines Reaktionspart¬ ners zeitlich variiert, über die Reaktionswärme kann nämlic der Reaktionsverlauf zeitlich gesteuert und hierüber Einflu auf die Zusammensetzung der Reaktionsprodukte gewonnen wer- den.

In einer Variante der Erfindung ist es von Vorteil, wenn die Reaktionsprodukte im Brennraum eines Verbrennungsmotors gebildet und arbeitsleistend entspannt werden.

Es ist aber in einer anderen Variante der Erfindung eben¬ falls mit Vorteil möglich, die Reaktionspartner unter Reaktionsdruck in eine Brennkammer zu leiten, die Reaktiαns produkte in der Brennkammer zu erzeugen und in einer Turbin zu entspannen.

✓ In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besitzt einer der Reaktionspartner einen höheren Sauerstoffgehalt als Luft und ^" wird zusammen mit einem fossilen Brennstoff im Brennraum eines Verbrennungsmotors verbrannt, wobei der Sauerstoffhaltige Reaktionspartner in einem für die Ver¬ brennung stöchiometrischen Verhältnis zum Brennstoff steht oder im Überschuß in den Brennraum geleitet wird und außer¬ halt des Motors auf Kompressionsenddruck verdichtet wird.

Gilt es Brennstoffenergie in mechanische Energie umzu¬ setzen, so werden die Reaktionspartner üblicherweise in einem Verbrennungsmotor umgesetzt. Dazu werden die Reak- tionspartner in den Brennraum eines Zylinders eingeführt und dort unter Druck zur Reaktion gebracht, d.h. verbrannt.

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Es ist bereits bekannt, die Reaktionspartner außerhalb des Motors vollständig oder zumindest im wesentlichen auf den Kompressionsenddruck zu verdichten. Eine Steigerung des Wirkungsgrades, mit dem die in den fossilen Brennstof- fen enthaltene Energie in mechanische Energie umgewandelt werden kann, ist erfindungsgemäß dann erreichbar, wenn je nach fossilem Brennstoff anstelle von Luft reiner Sauerstof oder zumindest mit Sauerstoff angereicherte Luft mit einem Sauerstoffgehalt von mehr als z.B. ca. 30 Vol.% verwendet wird.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsge¬ dankens wird zusammen mit den verdichteten Reaktionspart¬ nern Wasser oder Wasserdampf in den Reaktionsraum eingelas- sen. Der Wasserdampf dient unter anderem dazu, Wärme aufzu¬ nehmen, um die Höchsttemperatur der Reaktionsgase im Reak¬ tionsraum zu begrenzen.

Gemäß.--.einer "weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Ξrfin- düng werden die komprimierten Reaktionspartner außerhalb des Reaktionsraums im Wärmetausch mit zuvor bei der _t Reak¬ tion gebildeten Reaktionsgasen erhitzt. Daher kann even¬ tuell zuzuführende Brennstoffwärme im Vergleich zu Prozes¬ sen ohne zusätzliche Erhitzung der komprimierten Reaktions- Partner reduziert werden.

Dient beispielsweise ein Verbrennungsmotor zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahrensweise, so bedeutet dies aber auch, daß weniger Brennstoff zugeführt werden muß. Auf diese Weise wird im Vergleich zu herkömmlichen Diesel¬ motoren oder Otto-Motoren ein wesentlich besserer Wirkungs¬ grad erzielt. Erfindungsgemäß kann dabei die Umwandlung der Brennstoffwärme in mechanische Energie in einem Ver¬ brennungsmotor zweckmäßigerweise in einem aus zwei Takten bestehenden Arbeitszyklus, durchgeführt werden. Dabei wird

₁ . im ersten Takt (Kolbenbewegung von der oberen bis zur unte¬ ren Totlage) das auf Kompressionsenddruck verdichtete Ar¬ beitsmedium bei geöffnetem Einlaßventil in den Brennraum eingelassen, das Einlaßventil wieder geschlossen, der Brenn stoff zugeführt und das entstehende Gemisch verbrannt und entspannt. Im zweiten Takt werden die bei der Verbrennung entstandenen Reaktionsgase bei geöffnetem Auslaßventil aus dem Brennraum ausgeschόben.

Eine weitere Verbesserung des energetischen Wirkungsgrades kann in einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung erreicht wer¬ den, wenn die wasserdampfhaltigen ReaktionsProdukte auf einen unteratmosphärischen Druck entspannt und nachfolgend auf etwa Umgebungstemperatur abgekühlt werden und der nichtkondensie-rte Anteil der Reaktions rodukte auf Atmos¬ phärendruck rückverdichtet und der Atmosphäre zugeführt wird, während das Kondensat mittels einer Pumpe ganz oder teilweise in den Reaktionsprozeß rückgeführt und überschüs¬ siges oder nicht genutztes Wasser verworfen wird. Der Was- serdampfanteil leistet bei der Entspannung Arbeit, so daß von einer Expansionsmaschine mehr Energie abgegeben wer¬ den kann. Da jedoch der Wasserdampfanteil bei der Abkühlung auf Umgebungstemperatur kondensiert, braucht dieser Anteil nicht mehr rekomprimiert werden.

Grundsätzlich ist es möglich, die Reaktionspartner und/oder den Wasserdampf vor .dem Einleiten in den Reaktionsraum mit beliebigen Wärmequellen vorzuwärmen. Nach einem vor¬ teilhaften Merkmal der Erfindung werden - wie bereits an- gegeben - Reaktionspartner und/oder Wasserdampf bzw. Wasser in Wärmetausch mit dem entspannten Reaktionsprodukt er¬ wärmt. Die Maximaltemperatur im Reaktionsräum bzw. das Druckniveau der Reaktionsprodukte nach der Entspannung wird begrenzt durch das Temperaturniveau, mit dem die Reak- tionsprodukte den Reaktionsraum über das Auspuffventil

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verlassen dürfen, ohne daß dieses Ventil zerstört wird.

Werden die Reaktionsprodukte .erfindungsgemäß arbei sleisten entspannt, so kühlen sich die Reaktionsprodukte ab. Im Wär¬ metausch mit den entspannten ReaktionsProdukten werden die komprimierten Reaktionspartner daher lediglich auf ein Tem¬ peraturniveau angehoben, das weit unter dem Temperatur¬ niveau liegt, mit dem die Reaktioπspartner ohne Beschädigun des Reaktionsrau s z.B. des Einlaßventils eines Brennraums zugeführt werden können. Dieses Temperaturniveau entspricht der Temperatur der den Reaktionsraum verlassenden Reaktions produkte. Mit besonderem Vorteil werden daher nach einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgedankens die kompri¬ mierten Reaktionspartner und/oder der Wasserdampf nach dar Erwärmung im Wärmetausch mit Reaktionsprodukten und vor dem Einlassen in den Reaktionsraum durch Fremdwärme erhitzt Diese Maßnahme ist besonders dann anzuwenden, .wenn im Ver¬ gleich zur teuren Brennstoffenergie preisgünstig Abwärme -mit einem geeigneten Temperaturniveau zur Verfügung steht. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden gasförmige Reaktionspartner in mehreren Stufen, vorzugswei¬ se mit Zwischenkühlung komprimiert. Durch eine mehrstufige Verdichtung mit Zwischenkühlung werden gasförmige Reaktions partner nahezu isotherm komprimiert, so daß diese Reaktions partner nach der vollständigen Kompression annähernd Umge- bungste peratur besitzen. Das heißt, die mehrstufige Kom¬ pression mit Zwischenkühlung verringert einerseits die Kom ^p ressionsarbeit und ermöglicht andererseits eine nahe- zu vollständige Nutzung der in den entspannten Reaktions¬ gasen enthaltenen Wärme.

Nach einem anderen vorteilhaften Merkmal der Erfindung werden die gasförmigen Reaktionspartner vor der Verdich¬ tung gekühlt- Die Kühlung kann auf eine Temperatur von oberhalb oder unterhalb 0°C erfolgen, wobei die Kompres- sionsarbeit zusätzlich verringert und die Ξndkompressions-

temperatur gesenkt wird.

Nach einer weiteren erfindungsgemäßen Variante ist es vor¬ teilhaft, in komprimierte gasförmige Reaktionspartner vor deren Wärmetausch mit den entspannten Reaktionsprodukten Wasser einzudüsen. Da selbst bei Kompression in mehreren Stufen und jeweiliger Zwischenkühlung eine isotherme Kom¬ pression gasförmiger Reaktionspartner nicht bewirkt wer¬ den kann, haben die Reaktionspartner nach der Kompression stets eine über Umgebungstemperatur liegende Temperatur.

Durch das eingedüste Wasserskann die ohnehin anfallende Kom¬ pressionswärme zur Verdampfung des eingedüsten Wasser ge¬ nutzt werden.' Da ein auf diese Weise bereitetes Wasser¬ dampf-Reaktionspartner-Gemisch eine im Vergleich zum reinen Reaktionspartner größere Wärmemenge aufnehmen kann und in den Reaktionsprodukten eine größere Menge an zu entspannendem Arbeitsmedium zur Verfügung steht, wird durch die geschilderte Verfahrensvariante eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades und der Leistung erzielt.

Ist einer der Reaktionspartner sauerstoffangereicherte Luft, so hat es sich als zweckmäßig erwiesen,- wenn als Standort für die Durchführung der erfindungsgemäßen Ver¬ fahrensweisen die Nachbarschaft einer Luftzerlegungsan¬ läge gewählt wird. Hier kann die niedrige Temperatur, mit der Sauerstoff aus der Luftzerlegungsanlage abgezogen werden kann, dazu genutzt werden, die Kompressionsarbeit insgesamt zu verringern.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedan- kens, bei der die Reaktion im Brennraum eines Motors durch¬ geführt wird, werden die im Brennraum arbeitsleistend ent¬ spannten und aus dem Brennraum ausgeschobenen Reaktions- gase in einer außerhalb des Motors angeordneten Expan- sionsmaschine arbeitsleistend entspannt, bevor sie im

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Wärmetausch mit verdichteten Reaktionspartnern bis etwa auf die Temperatur der verdichteten ReaktionsPartner ab¬ gekühlt werden. In dieser vorteilhaften -Ausgestaltung des Erfindungsgedankens wird ein Teil der in den Reaktions- rodukten nach dem Austritt aus dem Reaktionsraum enthal¬ tenen Energie genutzt. Dazu werden die aus dem Reaktions¬ raum ausgeschobenen Reaktionsprodukte zunächst in einer Expansionsmaschine ("Abgas urbine") arbeitsleistend ent¬ spannt und anschließend beim Wärmetausch mit den kompri- mierten Reaktionspartnern bis etwa auf die Temperatur der komprimierten Reaktionspartner gekühlt. Die in den Reak¬ tionsprodukten enthaltene Energie wird in dieser Verfah¬ rensweise nicht nutzlos abgegeben, sondern zu einem wesent¬ lichen Teil erneut in den Umwandlungsprozeß eingekoppelt bzw. in Form mechanischer Energie abgegeben. Wird z.B. die Brennstoffzufuhr in den Brennraum eines Verbrennungs¬ motors und damit die Maximaltemperatur der Verbrennungs- gase im Brennraum erhöht, so steigt auch der Anteil der aus den Reaktionsgasen rückgewonnenen Wärme. Die geschil- derten Maßnahmen bewirken eine Verbesserung des Wirkungs¬ grades und eine niedrigere Temperatur der z.B. an die Um¬ gebung abgegebenen Reaktionsprodukte.

Grundsätzlich ist es dabei möglich, die zur Kompression der Reaktionspartner erforderliche Energie durch eine vom Verbrennungsmotor unabhängige Anlage bereitstellen zu lassen. In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird jedoch die gesamte Kompressionsarbeit für die Verdichtung der Reaktionspartner auf Kompressionsenddruck durch die in der dem Motor nachgeschalteten Expansionsmaschine (Ab- gasturbine) aus den Reaktionsgasen gewonnene Energie ge¬ deckt.

Zusammenfassend läßt sich für den zuletzt geschilderten Anwendungsfall feststellen, daß das erfindungsgemäße Ver-

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fahren eine Steigerung des Wirkungsgrades-gegenüber bekann ten Verbrennungsmotoren zuläßt. Die an die Umwelt abgege¬ bene Abwärme wird erheblich reduziert. Ebenso sinkt auf¬ grund des geringeren Brennstoffverbrauchs die Schadstoff- emission« Ein erfindungsgemäßer Motor ermöglicht die Nutzung diskontinuierlich anfallender Abwärme (für die Erwärmung der komprimierten und im Wärme ausch mit Rauch¬ gasen erwärmten Reaktionspartner), sowie diskontinuierlich anfallender mechanischerEnergie (für die Verdichtung der Reaktionspartner) , da bei Ausfall dieser Energiequellen die erforderliche Energie durch mehr Brennstoffverbrauch im Motor ersetzt werden kann.

Eine mögliche Vorrichtung zur Durchführung des mit Sauer- stoff angereicherter Luft arbeitenden Verfahrens besteht aus einem Verbrennungsmotor mit einem oder mehreren, je¬ weils in einem Gehäuse bewegbaren Kolben und einem durch Gehäuse und Kolben begrenzten Brennraum mit je einem Ein¬ laß (und Einlaßventil) für die Reaktionspartner sauerstoff- angereicherte Luft und Brennstoff, und einem Reaktionsgas¬ auslaß (mit Auslaßventil) . Mit Vorteil besitzt ein derar¬ tiger Verbrennungsmotor erfindungsgemäß wenigstens einen von einer an den Reaktionsgasauslaß angeschlossenen Ab- gasturbine angetriebenen Kompressor, der mit einem an den Arbeitsmediumeinlaß angeschlossenen Strömungsquerschnit eines Rekuperators verbunden ist, wobei im Rekuperator ein weiterer an den Abgasturbinenausgang angeschlossener Strömungsquerschnitt für die entspannten Reaktionsgase angeordnet ist.

Im folgenden sollen anhand Schematischer Skizzen Ausfüh- rungsbeispiele erläutert werden:

Es zeigen:

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Figur 1 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen, mit Sauerstoffangereicherter Luft und ^_ 3renn- stoff arbeitenden Verbrennungsmotors.

Figur 2 eine Skizze eines mit Luftkühlung, Wasser- eindüsung und Fremdwärmenutzungarbeitenden Motors.

Figuren 3 Temperatur-Entropie-Diagramme eines Gleich¬ bis 6 druckprozesses mit Abgasturbine und eines Prozesses mit Abgasturbine, Außenkompres- . sion und Wärmerekuperator.

Figur 7 den Prozeßverlauf im Zylinder eines energie- erzeugenden Vergasungsreaktors während einer Wellenumdrehung.

Figuren 8 je eine Prinzipskizze für die Versorgung und 9 eines energieerzeugenden Vergasungsreaktors mit den Reaktionsteilnehmern.

Figur 10 eine Prinzipskizze einer Vorrichtung mit der z.B. bei der Kohlevergasung gebildetes Kohlenmonoxid und entstehende Wärme in er¬ findungsgemäßer Weise genutzt werden können,

Figur 11 ^" eine Prinzipskizze einer Vorrichtung, in der z.B. Erdgas mit geringem Brenngasan¬ teil in der erfindungsgemäßen Weise ver¬ wertet werden kann.

Gemäß Figur 1 wird sauerStoffangereicherte Luft von einem Kompressor 1 angesaugt und auf Kompressionsenddruck kom¬ primiert. In einem nachgeschalteten Rekuperator 2 tritt die komprimierte, Sauerstoff ngereicherte Luft in Wärme-

tausch mit in vorausgegangenen Arbeitstakten gebildeten Reaktionsgasen. Die so erhitzte Sauerstoffangereicherte Luft wird aus dem Rekuperator aus und in den Brennraum eines Motors, von dem in den Figuren jeweils nur ein Zylin der 4 symbolisch dargestellt ist, ein. In die komprimierte Sauerstoffangereicherte Luft wird Brennstoff 3 eingeführt. Im Ausführungsbeispiel soll ein Verbrennungsmotor mit Selbs zündung beschrieben werden. Das bedeutet, Druck und Tempe¬ ratur der eingeführten sauerstoffangereicherten Luft rei- chen für eine Selbstzündung des Brennstoff-Luft-Sauerstoff Gemisches aus. In diesem ersten Takt des aus zwei Takten bestehenden Arbeitszyklus' werden das entstandene Gemisch verbrannt und entspannt. Im nachfolgenden Takt werden die gebildeten Reaktionsgase bei der Aufwärtsbewegung des Kol- bens 5 aus dem Brennraum ausgeschoben und in eine Abgas¬ turbine 6 eingeleitet. Dort werden die Reaktionsgase ar- beitsleistend entspannt und in den Rekuperator 2 eingelei¬ tet und anschließend an die Atmosphäre abgegeben. Im- Re¬ kuperator kühlen sich die Reaktionsgase im Wärmetausch mit SauerstoffangereicherterLuft bis nahezu auf deren Eintrittstemperatur in den Rekuperator ab.

In Figur 2 ist die in Figur 1 dargestellte Anlage durch ei¬ nen- Wärmetauscher bzw. Erhitzer 7, eine Kühlanlage 9 so- wie eine EindüsVorrichtung für Wasser 8 ergänzt worden. In dieser Ausgestaltung wird beispielsweise aus einem Luftzerleger stammende mit Sauerstoff angereicherte Luft von einem Kompressor 10 verdichtet und nachfolgend in einem im Ausführungsbeispiel wassergekühlten Wärmetauscher 9 auf eine unter Umgebungstemperatur T liegende Tempera¬ tur T gekühlt. Einerseits verringert sich hierdurch die Kompressionsarbeit des nachfolgenden Kompressors 1 und andererseits ist die Temperatur der sauerstoffangereicher¬ ten Luft nach der Kompression niedriger als in einer Anlage gemäß Figur 1 an vergleichbarer Stelle. Um die

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bei der Kompression unvermeidbare Kompressionswärme zu nutzen, wird in die komprimierte säuers offangereicherte Luft über eine nicht näher dargestellte Eindüsvorrichtung Wasser eingedüst. Das im Rekuperator erwärmte mit Sauer¬ stoff angereicherte Luft-Wasserdampf-Gemisch wird nachfol¬ gend durch Fremdwärme, nach Möglichkeit durch die Abwärme auf eine durch die Materialeigenschaften des Einlaßven¬ tils begrenzte Temperatur erhitzt, mit der das Gemisch in den Brennraum eingelassen wird.

In Figur 3 ist ein idealer, mit einer Abgasturbine arbei- . tender Dieselprozeß in einem Temperatur-Entropie-Diagramm dargestellt. Einer adiabatischen Kompression (1 - 2) auf den Druck p- folgt, ein Isobare Erwärmung (2 - 3) der sich eine adiabatische Expansion (3 - 4) anschließt. Die ver¬ dichtete sauerstoffangereicherte Luft steht unter einem 'Druck von etwa 35 bar. Die Entspannung wird von p ₂ bis zum Umgebungsdruck p.. geführt. Dies ermöglicht die Abgas¬ turbine, in der der Druck von p _Ä _ auf p-. erniedrigt wird.

In Figur 4.ist ein ideal ablaufender, erfindungsgemäßer Prozeß wiedergegeben. Diesem Prozeß ist das gleiche Druckverhältnis zugrundegelegt, wie dem in Figur 3 dar¬ gestellten Prozeß. Hier folgt einer isothermen ompres- sion (1 - 2) die Erwärmung im Rekuperator (2 - 3') und anschließend im Motor (3' - 3) . Im Motor erfolgt eine adiabatische Entspannung (3 - 4'), der sich die Entspan¬ nung in der Abgasturbine anschließt (4 ¹ - 4). Nach der Entspannung folgt die Abkühlung im Rekuperator (4 - 5) . Gestrichelt ist in dieser Figur eine Abkühlung der an¬ gesaugten sauerstoffangereicherten Luft auf eine unter Umgebungstemperatur liegende Temperatur, dargestellt d').

In den Figuren 5 und 6 sind die beiden angegebenen Pro-

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zesse als reale Prozesse dargestellt. Das heißt, bei die¬ sen Darstellungen wurden die Wirkungsgrade bei der Kompres¬ sion und der Expansion berücksichtigt, während bei der Wärmezufuhr im Motor weiter davon ausgegangen wird, daß lediglich sauerstoffangereicherte Luft erhitzt wird. Die real ablaufenden chemischen Reaktionen wurden nicht •berücksichtigt. In Figur 6 ist eine vierstufige Kompression mit jeweiliger Zwischenkühlung dargestellt. Allen Prozes¬ sen wurde ein Adiabatenexponent . % - 1 4 zugrundegelegt. Als adiabatischer Wirkungsgrad der Expansion und der Kom¬ pression wurden für die Realprozesse 77- _E - 7 _κ = 0,9 ge¬ wählt, Verluste an eine Außenkühlung wurden nicht berück¬ sichtigt. Druσkverluste von jeweils 0,15 bar in den Zwi¬ schenkühlern beim Prozeß gemäß Figur β sind dagegen berück- sichtigt.

Die thermodynamische Güte des erfindungsgemäß n Verfahrens ist unter anderem auf die Kombination folgender Maßnahmen zurückzuführen:

1. (Quasi isotherme) Verdichtung mit wenig Energie außer¬ halb des Motors.

2. Weitgehende Rekuperation der Abwärme im Reaktionsgas

3. Eine von hohen Temperaturen ausgehende arbeitsleistende Entspannung im Motor.

Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet in gewisser Weise ähnlich wie ein Gasturbinenprozeß bei welchem die Brenn¬ kammer durch einen arbeitsleistenden Motor ersetzt wird. Anstelle der mit Rücksicht" auf das Turbinenmaterial üb¬ licherweise auf 600°C bis 900°C begrenzten Eintrittstempe- ratur können beim erfindungsgemäßen Verfahren Te peratu- ren von ca. 2000°C ohne teure Materialien erreicht werden.

In Figur 7 ist der Prozeßverlauf im Zylinder eines als energieerzeugender Vergasungsreaktor arbeitenden Motors während einer Wellenumdrehung schematisch dargestellt. Grundsätzlich kann jeder konventionelle Motor eingesetzt werden. Es ist aber auch folgende, zu den erfincungsgemäßen Verfahren zählende Verfahrensweise möglich:

Die soweit wie möglich vorgewärmten Reaktionsteilnehmer, also Sauerstoff, Wasserdampf und Brennstoff, werden in den Brennraum eines ein- oder mehrzylindrigen Kolbenmotors bei geschlossenem Auslaßventil 11 eingedüst. Zu 3eginn des Eindüsens (Punkt a) nähert sich der Kolben 5 der obe¬ ren Totlage. Durch Fremd- oder Selbstzündung erfolgt die Reaktion, wobei der Druck und die Temperatur bei annähernd konstantem Volumen des Brennraums stark ansteigen (Wellen¬ bewegung von a bis b) . Nach erfolgterReaktion (Punkt b) expandiert das Röaktionsprodukt adiabat und arbeitsleistend auf den gewünschten Druck bis der Kolben 5 die' untere Totlage (Punkt c) erreicht. Dabei kühlt sich das Reaktions- produkt stark ab. Während der Wellen- bzw. Kolbenbewegung von c bis a wird -das Produkt bei geöffnetem Auslaßventil 11 aus dem Brennraum ausgeschoben. Das Gehäuse des Zylin¬ ders 4 wird mit Wasser gekühlt.

In den Figuren 8 und 9 sind zwei Varianten für ^* die Vor¬ wärmung und Zuführung der Reaktionsteilnehmer für einen energieerzeugenden Vergasungsreaktor dargestellt.

Gemäß Figur 8 wird von einer Anlage ausgegangen, die Hochdruckdampf über eine Leitung 15 bereitstellt. Dieser Dampf wird ergänzt durch Dampf aus einer Leitung 16, der aus Wasser im Wärmetausch mit dem den Vergas ngs- reaktor verlassenden Produktgas erzeugt worden ist. Der Wärmetausch findet in einem Wärmetauscher 17 statt. In weiteren Wärmetauschern 18 und 19 werden der Brennstoff

und der Sauerstoff erwärmt und über Leitung 13 bzw. 12 in den Brennraum eingedüst. Zum Erwärmen dieser Reaktions¬ teilnehmer dient kondensierender Dampf aus Leitung 15. Nach erfolgter Reaktion im Brennraum werden die Reaktions- gase über Auslaßventile 11, Wärmetauscher 17 in eine Lei¬ tung 20 eingespeist.

In Figur 9 ist eine Variante dargestellt, wonach die Reaktionsteilnehmer in einem Wärmetauscher 21 zunächst im Wärmetausch mit den Reaktionsgasen und nachfolgend in einem Wärmetauscher 22 durch Fremdwärme, insbesondere Abwärme mit geeignetem Temperaturniveau, erhitzt werden. Anschließend werden Sauerstoff, Wasserdampf und Brennstoff in den Brennraum eingedüst. Die Reaktionsgase werden nach Verlassen des Brennraums in einer Entspannungsturbine 23 entspannt, in Wärmetauscher 21 bis Umgebungstemperatur abgekühlt und in einer Anlage 24 gereinigt und auf den gewünschten Lieferdruck nachkomprimiert.

Ausführungsbeispiel:

Der in den Figuren 7 bis 9 beschriebene energieerzeugen¬ de Vergasungsreaktor kann beispielsweise, in einem Reduk¬ tionsstahlwerk Anwendung finden. Sauerstoff aus einer Luftzerlegungsanläge wird auf einen Druck von ca. 6 bar gebracht und in einer Mengen von ca. 2000 m ³ /h einem vierzylindrigen Motor mit je ca. 100 1 Huhraur. zugeführt. Gleichzeitig werden ca. 4000 m ³ Erdgas pro Stunde in die Zylinder eingeleitet. Der mit einer Drehzahl von ca. 150 U/min arbeitende Motor leistet ca. 1,5 MW und produ¬ ziert ein aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehen¬ des Reduktionsgas in einer Menge von ca. 12000 m ³ /h und mit einem Druck von ca. 3,5 bar. Dieses Reduktions¬ gas wird zusammen mit im Kreislauf geführtem, von Kohlen- dioxid und Wasser befreitem und auf 3,5 bar Druck ge-

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brachten Gichtgas (ca. 24000 m ³ /h) zusammengeführt und einem Schachtofen (20 to/h Eisen) zugeleitet. Der Wärme¬ bedarf pro Tonne Eisen beträgt ca. 1,7 Gcal. Herkömmliche Verfahren besitzen dagegen einen Wärmebedarf von ca. 3,1 Gcal/to Eisen.

Die in Figur 10 schematisch dargestellte Vorrichtung zeigt eine erfindungsgemäße Anlage, in der bei einer Kohlevergasung gebildetes Kohlenmonoxid und entstandene Wärme genutzt werden.

Kohlenmonoxid wird über eine Leitung 25 zusammen mit Sauer¬ stoff (Leitung 26) und Wasser bzw. Wasserdampf (Leitung 27) in einen Motor 4,5 eingeleitet. Kohlenmonoxid wird mit Sauerstoff verbrannt, zunächst im Motor und nachfolgend in einer Turbine 28 entspannt. In gleicher Weise wäre es möglich, die genannten Reaktionspartner in mehreren Stufen jeweils in einer Brennkammer zu verbrennen und nachfolgend in einer Turbine zu entspannen. Dritter Reak- tionspartner ist in diesem Ausführungsbeispiel Wasser, das hauptsächlich als Wärmeträger fungiert. Das Wasser wird in--einem Wärmetauscher 30 im Wärmetausch mit gebil¬ deten Reaktionsgasen zum großen Teil aber auch durch die bei der Kohlevergasung entstehende Abhitze erwärmt und verdampft. Nach der (letzten) Verbrennung besteht das Reaktionsprodukt zum größten Teil aus Wasserdampf. Die übrigen Bestandteile sind im wesentlichen Kohlenmonoxid und unverbrannter Sauerstoff. Nach Abkühlung des Reak¬ tionsproduktes auf nahezu Umgebungstemperatur in Wärme- tauscher 30 gegen anzuwärmendes Wasser sowie in einem Wärmetauscher 31 gegen Kühlwasser erfolgt in Abscheider 32 eine Abtrennung des kondensierten Wassers. Das ab¬ geschiedene Wasser wird mittels Pumpe 34 und zusammen mit Frischwasser (Leitung 36) in eine Leitung 35 einge- speist und in den Prozeß zurückgeführt. 3eim Prozeß ent-

steht ein "Abgas", das im wesentlichen aus Kohlendioxid und unverbranntem Sauerstoff besteht. Diese Abgasmenge ist um eine Größenordnung kleiner als die bei konventionel¬ len Verfahren anfallende Abgasmenge, so daß erfindungs- gemäß mit wenig Aufwand ein schadstofffreies Abgas in die Atmosphäre entlassen wird. Außerdem ist es möglich, un¬ verbrauchten Sauerstoff zurückzugewinnen und in den Prozeß zurückzuführen. Auch Kohlendioxid kann zurückgewonnen werden. In diesem Fall bietet die erfindungsgemäße Vorrich- tung die Möglichkeit, ein optimales Energieerzeugungsver¬ fahren für die Kohlevergasung durchführen zu können. Da¬ rüber hinaus- kann diese Vorrichtung zudem als Vergasungs¬ reaktor aufgefaßt werden, in dem Kohlendioxid und Sauer¬ stoff gebildet werden.

In Figur 11 ist in einer schematischen Skizze eine Vor¬ richtung dargestellt, in der .(sonst nicht nutzbares) Erd¬ gas mit geringem oder mit keinem Brenngasanteil zur Gewin¬ nung von Energie genutzt werden kann. Erdgas fällt unter hohem Druck an. Erfindungsgemäß wird Erdgas unter dem gegebenen Druck über Leitung 41 in eine Brennkammer 37 eingeleitet. Enthält das Erdgas keinen Brenngasanteil, so muß dem Erdgas ein beliebiger Brennstoff zugesetzt werden, ist ein geringer Brenngasanteil enthalten, muß kein Brennstoff zugegeben werden. In beiden Fällen wird Sauerstoff (Leitung 40) ebenfalls in die Brennkammer 37 geleitet. In der Brennkammer reagieren Sauerstoff und Erdgas bzw. Brennstoff. Die Reaktionsprodukte werden in einer Turbine 38 entspannt und im Wärmetauscher 39 gegen Erdgas und Sauerstoff abgekühlt. Diese Verfahrensweise bietet den Vorteil, daß die Verdichtung des im Brennraum erforderlichen Anteils an inerten Reaktionspartnern entfällt, da das Erdgas von Natur aus unter Druck an¬ fällt. Dabei ist der Energieaufwand für die Sauerstoff- erzeugung und Nachverdichtung auf Prozeßdruck geringer als der für die Verdichtung eines anderen inerten Anteils (z.B. Luft) erforderliche Ξnerσi aufwand.

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