Moderne und schadstoffarme Verfahren zur Verbrennung gasförmiger, flüssiger und fester Brennstoffe haben ein gemeinsames Konstruktionsmerkmal : Eine technisch ausgeklügelte Gemischaufbereitung. Die Gemischbildung stellt ein entscheidendes Kriterium für die Qualität der Verbrennung dar. Inhomogenitäten - gleich welcher Art z. B. Verteilung des Brennstoffs/Oxidators in einer Verbrennungskammer - führen im Allgemeinen zur Bildung von Schadstoffen. Bei lokal sauerstoffarmer Mischung können unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Ruß in Folge einer unvoll- ständigen Verbrennung auftreten.

Diese Erkenntnisse führten bereits in der Vergangenheit zur Entwicklung von vormi- schenden Verbrennungssystemen. Bei gasförmigen Brennstoffen ist die Gemischbil- dung mit Sauerstoff oder Luft weniger aufwendig. Deshalb konnten hier bereits früh Verbesserungen erreicht werden.

Die Gemischbildung von Luft und flüssigen Brennstoffen ist in der technischen Umsetzung aufwendiger als bei gasförmigen Brennstoffen. Es gibt verschiedene Ansätze, ein homogenes Gemisch zu erzeugen. Die Systeme arbeiten mit einer Zerstäubung der Flüssigkeit undloder einer thermischen Aufbereitung, die zur teil- weisen oder vollständigen Verdampfung in Luft oder Abgas führt.

Bei Mitteldestillaten führen Konzepte zur Verdampfung von Flüssigkeitsfilmen, die zum Beispiel an heißen Oberflächen herablaufen, über längere Zeit zu dem Problem der Bildung von Ablagerungen an den Oberflächen des Verdampfers. Dies wurde in verschiedenen Arbeiten unter anderem von Brand et al. (1981), Kostka et al. (1982) und Mallog et al. (1983) beschrieben. Die Ablagerungen sind Reaktionsprodukte aus Crackreaktionen, die bei Temperaturen oberhalb von 400 °C auftreten. Solch hohe Temperaturen bis oberhalb des Siedeendes des Mitteldestillats (380 °C bis 400 °C) sind aber für einen ausreichenden Wärmeübergang von der Verdampfer- wand an das flüssige Medium erforderlich. Die Ablagerungen führen zu einer Ver- schlechterung des Wärmeübergangs und damit zur Störanfälligkeit des Systems. Zur Vermeidung der Bildung von Ablagerungen muß der Kontakt des flüssigen Brenn- stoffs mit heißen Wänden vermieden werden.

Neuartige Brennerkonzepte für flüssige Brennstoffe, wie Oberflächenbrenner, stel- len sehr hohe Anforderungen an die Gemischbildung von Brennstoff und Luft. Ne- ben den Konzepten zur homogenen Gemischbildung gibt es auch Vormischkonzepte, die eine quasi-homogene Brennstoff-Luft-Gemischaufbereitung realisieren. Bei dem Oberflächenbrenner aus der Offenlegungsschrift DE 196 06 560 wird der Brennstoff unter Druck auf 100 °C bis 800°C erhitzt und in einen Mischraum eingespritzt. Durch die große Druckabsenkung am Ventilaustritt werden im Vergleich zur herkömmlichen Druckzerstäubung sehr kleine kolloiddis- perse Tropfen erzeugt, die aufgrund der aggregationshemmenden Mechanismen eine gewisse Stabilität besitzen. Bei dem Aerosolbrenner von Schilling (1997) wird ein Ölnebel erzeugt, in dem eine mit Ö1 benetzte Sintermetallschicht mit erwärmter Luft durchströmt wird. In der Offenlegungsschrift DE 196 25 217 wird der flüssige Brennstoff mit einer herkömmlichen Druckzerstäubung in den erwärmten Luftstrom eingedüst und verdampft. Je nach Wahl der Prozeßparameter (Temperatur, Luft- menge, Rauchgasmenge) kann eine partielle chemische Umsetzung des Öls erreicht werden.

Für die direkte Verdampfung kann der Brennstoff auch in einen vorgewärmten Luftstrom eingebracht und dort bei weiterer Wärmezufuhr vollständig verdampft werden. Die dazu notwendigen Temperaturen führen theoretisch jedoch zur Selbst- entzündung des Gemisches. Bei der Gemischbildung von Gasen, wie zum Beispiel Methan (Erdgas), besteht diese Gefahr weit weniger (Figur 1).

Femer besteht die Möglichkeit, den Brennstoff zunächst mit Wasserdampf zu ver- dampfen und anschließend mit der Verbrennungsluft zu vermischen (Stoffel et al, 1995).

Die Zündung von Kohlenwasserstoffen verläuft - anders als bei rein thermischen Zündungen - über die Bildung reaktiver Radikale, die das System zur Zündung veranlassen (Warnatz et al., 1993). Die Bildung dieser Radikale verläuft über che- mische Kettenverzweigungsreaktionen und dauert eine gewisse Zeit. Während die- ser sogenannten Induktionszeit, findet zwar ein chemischer Umsatz statt, die Temperatur der Mischung bleibt jedoch weitgehend konstant (Figur 2).

Für die thermische Betrachtung eines Systems stellt die beschriebene Induktionszeit also eine Zündverzugszeit dar. Diese ist von der Temperatur und vom Druck des Gemisches abhängig. Untersuchungsergebnisse liegen bisher vor allem bei Randbe- dingungen aus dem Bereich der Gasturbinen und der motorischen Verbrennung, also bei erhöhten Drücken und hohen Temperaturen, vor. Die Bestimmung der Zündverzugszeit ist stark von den Versuchsbedingungen, insbesondere der Ver- suchsapparatur, abhängig. Die in der Literatur (Lefebvre, 1982 ; Pitsch, 1995 ; Spa- daccini, 1982) genannten Werte differieren entsprechend. Lefebvre hat für die Bestimmung der Zündverzugszeiten einen Rohrreaktor verwendet, bei dem die Brennstoffeindüsung in einem beheizten Luftstrom erfolgt und die Zündverzugszeit gleich der Induktionszeit bis zum Reaktionsbeginn (Fig. 2) ist. Bei der motorischen Verbrennung kann durch Selbstzündungen - zeitversetzt durch den Zündverzug - das Motorklopfen ausgelöst werden. Bei Gasturbinen wird der Einsatz der Vor- mischverbrennung zur Stickoxidreduzierung durch die Selbstzündung der Gemische bei hohen Drücken erschwert. Hier steht four dite Gemischbildung nur die Zeit des Zündverzugs zur Verfügung, die bei hohen Drücken im Bereich einiger Millisekun- den liegt.

Der Anstieg der Temperatur eines Gemisches bei der direkten Brennstoffzugabe in einen vorgeheizten Luftstrom kann mit exothermen Reaktionen der Kohlenwasser- stoffe mit dem Luftsauerstoff erklärt werden. Diese führen zu einer Zündung des Gemisches. In der Literatur werden gleiche Effekte mit Kalten Flammen"be- schrieben (Coffee et al., 1979 ; Affens et al., 1979). Coffee hat das Phänomen der Kalten Flammen bei Untersuchungen zum zu vermeidenden Motorenklopfen ent- deckt. Kalte Flammen führen unter motorischen Reaktionsbedingungen (Verweilzeit, Druck und Temperatur) aber immer zur Selbstzündung des Gemischs.

Affens beschreibt die Kalten Flammen unter atmosphärischen Bedingungen, als einen unter sicherheitstechnisch relevanten Gesichtspunkten negativen Effekt.

Für ein n-Heptan-Gemisch führen die Reaktionen der Kalten Flamme im Reaktions- rohr zu einem Anstieg der Temperatur und zu einer Stabilisierung auf dem erhöhten Niveau (Freytag, 1965). Hierbei wird die Reaktion durch ein fahles bläuliches Leuchten charakterisiert. Die Limitierung der stattfindenden chemischen Reaktionen beruht auf komplexen brennstoffspezifischen Mechanismen. Wamatz beschreibt ein Modell zur Erklärung der Limitierung bei einem bestimmten Temperatumiveau, ähnlich dem Phänomen der Kalten Flammen. Bei der Niedertemperatur-Oxidation (800 K - 900 K) ist die Gleichgewichtsreaktion von Kohlenwasserstoffradikalen mit Sauerstoff zu Peroxiradikalen entscheidend.

R + °2 > RO2 (erste 02-Addition) An diese Reaktion schließen sich weitere Reaktionen zur Kettenfortpflanzung und Kettenverzweigung an. Der Schlüssel für die Entstehung der Kalten Flammen liegt in der mangelnden thermischen Stabilität der durch die Sauerstoffaddition gebilde- ten Vorläufer der Kettenreaktionen. Bei höheren Temperaturen verschiebt sich das chemische Gleichgewicht wieder auf die Seite der Kohlenwasserstoffradikale. Da- mit zerfallen die Peroxiradikale und eine Zündung wird verhindert.

Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, die angespro- chenen Nachteile im Stand der Technik zu überwinden. Im Wesentlichen wird hier- unter die Gemischbildung von flüssigem Brennstoff und Oxidator verstanden.

Üblicherweise ist die Gemischbildung durch die Überlagerung der Effekte der Vermi- schung, der Verdampfung und der Hochtemperaturoxidation geprägt, die sich nur begrenzt durch die Zündverzugszeit zeitlich und räumlich trennen lassen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Kalte Flamme außerdem gezielt zur positi- ven Beeinflussung von Stoffeigenschaften genutzt.

Gelöst wird das technische Problem durch ein Verfahren zur Verwertung eines Brenn- stoffes, der eine Ausgangssiedetemperatur oder überwiegend einen Ausgangssiede- temperaturbereich bei 1 bar zwischen 231 K und 830 K aufweist, welches durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist : (a) der Brennstoff wird bei einem Druck p 2 1 bar mit mindestens einem auf 520 K bis 880 K oder bei niedrigerem Druck mit einer Absenkung des Temperaturbereichs vorgewärmten Oxidator und einem molaren C/O- Verhältnis zwischen 1: 0,14 bis 1 : 25 in einem Reaktionsraum so in Kon- takt gebracht, dal3 exotherme Vorreaktionen in Form einer Kalten Flamme initiiert werden, die auch bei homogener Mischung von Brennstoff und Oxidator nur einen Teilumsatz des Brennstoffs und des Oxidators bewirken, und (b) durch Einstellen einer technisch relevanten Verweilzeit , des in Schritt a) hergestellten Gemisches in den Reaktionsraum, von t, > 25 ms bei p l bar und Verweilzeiten, die bei Erhöhung des Druckes unter sonst glei- chen Bedingungen kleiner werden, und einer begrenzten Wärmeabfuhr aus der Reaktionszone über einen Inertgasstrom mit einem Verhältnis des Wärmekapazitätstroms des Oxidators M cp zum Produkt aus Brennstoff- massenstrom Mb und Heizwert Hu, das im adiabaten Reaktionsraum M cp / kb - H,, > 2 x 10-4 K-> ist, und/oder über die Reaktorwand mit einer Wär- mestromdichte q von q < 85 kW/m2 eine kinetische Reaktionshemmung der Weiterreaktion des bei der Kalten Flamme entstandenen, oxidierbaren Gemisches eintritt, wodurch eine Selbstzündung desselben insbesondere für eine voraussagbare Zeit verhindert wird.

Unter den Zustandsparametem werden insbesondere der Gesamtdruck, die Par- tialdrücke der Edukte, insbesondere von Oxidator und Brennstoff, sowie die An- fangstemperaturen der Edukte verstanden. Die Prozeßparameter umfassen die geometrischen Daten der Apparatur, die Aufenthaltszeit, die über die Apparatur ein- oder ausgekoppelten Wandwärmeströme, sowie das Rezirkulationsverhältnis vom rezirkulierten Produktstrom in die Reaktionszone zum eingesetzten Eduktstrom.

Vorzugsweise ist die Verweilzeit tv bei p < 1 bar größer als 500 ms.

Die Verweilzeit beschreibt diejenige Zeit, die das bei der Kalten Flamme enstande- ne Gemisch im jeweiligen Reaktionsraum verharrt. Die Verweilzeit wird durch Division von Reaktorvolumen V durch Volumenstrom des Gemisches V zu t,, = VIP bestimmt. Durch das erfindungsgemäße Verfähren kann die Verweilzeit des Gemisches im Reaktionsraum länger sein als die nach der Methode von Lefebvre ermittelte Ziindverzugszeit.

Das erfindungsgemäße Verfähren nutzt das Phänomen der Kalten Flamme. Wäh- rend bisher die Kalte Flamme im Stand der Technik als ein Nachteil beschrieben wird, der zu vermeiden ist, wird nunmehr im erfindungsgemäßen Verfahren das Phänomen gezielt genutzt.

Durch das erfindungsgemäße Verfähren können wichtige, derzeit ausschließlich auf der Basis von Gasen (v. a. Erdgas) betreibbare Prozeße auf den Einsatz von flüssigen Brennstoffen erweitert werden. Durch das crfindungsgemäße Verfahren wird also beispielsweise bei Verwendung von Heizöl EL die flüssige Brennstoffphase in eine gasformige Phase konvertiert. Der Einsatz eines homogenen Brenngas- Luftgemisches ermöglicht beispielsweise im Gegensatz zu herkömmlichen Ölbren- nem, daß die Schadstoff- und Geräuschemissionen aus der Verbrennung deutlich gesenkt sowie kompaktere Kesselsysteme eingesetzt werden können.

Es handelt sich bei den Kalten Flammen um exotherme Reaktionen des insbesonde- re flüssigen Brennstoffes bei Anwesenheit eines Oxidators, die zu einer spontanen Temperaturerhöhung von bis zu 180 K fiihren. Prinzipiell finden neben den exo- thermen Reaktionen auch endotherme Reaktionen statt. In jedem Fall ist die Brutto- reaktion exotherm. Ähnliche Temperaturerhöhungen können auch durch partielle Oxidation des Brennstoffes erreicht werden, in dem die Luftmenge entsprechend reduziert wird. Der Unterschied zur Kalten Flammen Reaktion besteht unter ande- rem darin, daß bei der Kalten Flamme nur ein Teilumsatz des Oxidators und Brenn- stoffs erfolgt. Bei der partiellen Oxidation wird der zugeführte Brennstoff nur parti- ell umgesetzt, da nur eine begrenzte Menge des Oxidator vorhanden ist. Im Gegensatz zur Kalten Flamme wird der zugeführte Oxidator in der Reaktion voll- ständig verbraucht.

Wird beispielsweise Heizöl EL als Brennstoff eingesetzt, bildet die Kalte Flamme ein Gemisch aus Ketonen, Aldehyden und anderen Verbindungen. Zum erstmaligen Einleiten der chemischen Reaktionen der Kalten Flamme ist eine definierte Tempe- ratur oder -bereich des Oxidators erforderlich. Diese Temperatur wird als Initiie- rungstemperatur festgelegt. Einstelldaten der Initiierungstemperatur für Heizöl EL gehen aus Fig. 3 hervor. Nach Initiierung der Kalten Flamme definiert man hinge- gen die Betriebstemperatur. Unter der Betriebstemperatur wird diejenige Tempera- tur verstanden, die einen stabilen Betrieb der Kalten Flamme gewährleistet. In der Praxis ist der Bereich zwischen minimaler und maximaler Temperatur zum Betrieb der Kalten Flamme größer als für deren Initiierung.

Die Temperaturerhöhung setzt zum Beispiel bei Heizöl EL für ein Luftverhältnis von X = 0,7 bis 2, 0 und atmosphärischem Druck bei einer Initiierungstemperatur von etwa 310 °C ein. Als Brennstoffe kommen im wesentlichen Kohlenwasserstof- fe, Gemische von Kohlenwasserstoffen mit nicht Kohlenwasserstoffen, in Form von Emulsionen und/oder Suspensionen mit in Kohlenwasserstoff im wesentlichen un- löslichen Flüssigkeiten, insbesondere Wasser im Gemisch mit Ammoniak, Schwe- felwasserstoff und/oder Alkanolen, insbesondere C1 - C4-Alkanolen in Frage.

Der Oxidator ist eine Substanz oder ein Substanzgemisch, das gegenüber dem ins- besondere flüssigen Brennstoff ein höheres chemisches Oxidationspotential besitzt. Vorzugsweise werden Sauerstoff, Ozon, Luft, Abgase aus überstöchiometrischer Verbrennung, eine Sauerstoff enthaltende Verbindung, wie Peroxide enthaltende Verbindung, Schwefeloxide, Stickoxide (NyO oder NOX) oder Gemische davon eingesetzt.

Bei der Brennstoffzugabe in einen unter atmosphärischem Druck zugeführten Luft- strom treten bei Temperaturen über 310°C exotherme Vorreaktionen zwischen Brennstoff, wie Heizöl EL, n-Heptan, RME oder Iso-Oktan, und Oxidator, vor- zugsweise Luft, auf. In Fig. 3 sind die Ergebnisse eigener Versuche, bei denen Heizöl EL als Brennstoff am Anfang des Strömungsweges in einen Heißluftstrom gemischt wird, dargestellt. Unterhalb einer Grenztemperatur von 310 °C ließ sich keine Temperaturerhöhung messen. Dies bedeutet, daß bei diesen Temperaturen keine oder nur in einem geringen Maße Reaktionen ablaufen. Ab einer Lufttempe- ratur von 310 °C trat eine Erhöhung der Temperatur auf etwa 480 °C ein.

Für Heizöl EL-Luft-Mischungen stellt die Temperatur von 480 °C offenbar einen Grenzwert dar, denn der weitere Anstieg der Lufttemperatur vor der Brennstoffzer- stäubung erhöhte die Gemischtemperatur nicht. Diese Temperatur kann damit als Gleichgewichtstemperatur für die beschriebene Oxidationsreaktion der Kalten Flammen gelten. Bei einer Lufttemperatur oberhalb von 480 °C ist der Tempera- turanstieg des Gemisches nur noch sehr gering. Exotherme Reaktionen in Form der Kalten Flammen scheinen unter den gewählten Randbedingungen nicht mehr abzu- laufen. Wird die Lufttemperatur über 540 °C erhöht, so beginnt für das Gemisch der Bereich der Selbstzündung, der dem Zündverzug unterworfen ist (siehe auch Fig. 6).

Der Temperaturverlauf der Kalten Flamme entlang des Strömungswegs in Abhän- gigkeit der Starttemperatur ist in Fig. 4 wiedergegeben. Wie bereits aus Fig. 3 er- sichtlich, ist die Endtemperatur der Kalten Flamme weitgehend unabhängig von der Starttemperatur. Der anfangliche Temperaturabfall vor Beginn der Kalten Flamme resultiert aus der Verdampfungsenthalpie des flüssigen Brennstoffes.

Bei der Gemischbildung flüssiger Brennstoffe überlagern sich Effekte der Verdamp- fung und der Mischung mit dem Oxidator. Zur genauen Bestimmung der einzelnen Effekte ist sowohl die Einspritzung des flüssigen Brennstoffs in den Luftstrom als auch die Zugabe von vorverdampftem Brennstoff untersucht worden. Hierbei zeigte sich, daß die Endtemperaturen der Kalten Flammen unabhängig von der Art der Brennstoffzugabe ähnliche Werte erreichen.

Im Hinblick auf den Betrieb von Verbrennungssystemen ist der Einfluß des Luft- verhältnisses auf das erfindungsgemäße Verfähren von Interesse. Die Erhöhung des Luftverhältnisses führt kaum zu Veränderungen der Endtemperatur des Gemischs nach Brennstoffzufuhr. Ein höheres Luftverhältnis stellt einen vergrößerten Bal- lastmassenstrom dar, der bei der Temperaturerhöhung durch das erfindungsgemäße Verfahren mehr Wärme aufnimmt. In Fig. 5 sind die sich einstellenden Phänomene in Abhängigkeit von den Startbedingungen dargestellt. Die quadratischen Punkte stellen Einstellungen zu Beginn der Brennstoffzufuhr dar, die zur Ausbildung einer Kalten Flamme führen. Es stellt sich eine Endtemperatur zwischen 470 °C und 480 °C ein.

Im Bereich der Unterstöchiometrie gibt es neben dem Bereich der Ausbildung einer Kalten Flamme auch Bereiche der Starteinstellungen, hier mit Kreuzen dargestellt, die zur Zündung des Gemisches führen. Durch gezielte Maßnahmen der Tempera- turregulierung im Bereich der Kalten Flammen, z. B. durch Wärmeabfuhr über die Reaktoraußenwand, lassen sich die Zündungen im Bereich der Unterstöchiometrie vermeiden und ein sicherer Betrieb der Kalten Flammen gewährleisten.

Im Bereich der Temperaturen bis 540 °C konnten keine Zündungen des Gemisches beobachtet werden. Wird dagegen die Temperatur der Luftströmung über 550 °C bis 600 °C erhöht, so entzündet sich das Gemisch. Eine Zündung tritt nicht auf, wenn die Aufenthaltszeit unterhalb der Zündverzugszeit tv liegt. Die Grenze zwischen den ermittelten Zündbedingungen und den Bedingungen für einen Zündverzug stellt die gesuchte Abhängigkeit der Zündverzugszeit von der Temperatur dar (Fig. 6). Die Ergebnisse zeigen, daß die Zündverzugszeiten von Mitteldestillaten unter atmosphä- rischen Bedingungen im Bereich von mehreren Zehntelsekunden liegen.

Unterhalb von 550 °C können Zündverzugszeiten von über einer Sekunde erwartet werden. Der Verlauf der Zündverzugszeit läßt eine Grenztemperatur im technisch interessanten Zeitbereich erwarten. Unterhalb dieser Temperatur kann eine Zündung sicher ausgeschlossen werden. Damit wird es möglich, ein homogenes Gemisch aus Brennstoff, Oxidator und Kalte Flamme-Produkten in einer Mischkammer zu erzeu- gen und sicher zu transportieren.

Weiterhin sind Versuche mit unterschiedlichen Brennstoffen durchgeführt worden (Fig. 7). Es zeigte sich, daß die Start- und Endtemperaturen der eingesetzten Brenn- stoffe nahezu identisch sind. Bis auf die Starttemperatur von RME, die bedingt durch die Siedebereich von 330 °C bis 340 °C erhoht liegt, liegen alle Temperaturen innerhalb eines schmalen Bandes. Es konnte hiermit eine geringe Abhängigkeit der Kalten Flamme vom Siedepunkt oder Siedeverlauf des Kohlenwasserstoffs gezeigt werden. Auch die Bindungsart der Kohlenwasserstoffe hat keinen signifikanten Einfluß.

In Fig. 8 ist eine Vorrichtung gezeigt, welche zur Durchführung des erfindungsge- mäßen Verfahrens besonders geeignet ist. Mit Hilfe einer solchen Vorrichtung wur- den die in Fig. 3 bis 7 gezeigten Daten unter atmosphärischen Druckbedingungen gemessen. Mit 4 ist ein Reaktionsrohr bezeichnet, dem eine Zufuhr- und Mischein- richtung des Oxidators 6 angegliedert ist. Unter dem hier verwendeten Begriff Oxi- dator 2 sind im Allgemeinen die Stoffe gemeint, die gegenüber dem Brennstoff 1 ein höheres Oxidationspotential aufweisen. In den gebräuchlichen Anwendungsfal- len handelt es sich hierbei um Luft oder molekularen Sauerstoff, aber auch um zu- rückgerührte Gase aus einer überstöchiometrischen Verbrennung. Es sind jedoch auch andere Gase mit höherem Oxidationspotential gegenüber dem Brennstoff in Betracht zu ziehen, denen durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Verwertung widerfahren soll, wie beispielsweise Schwefeloxide.

Der Brennstoff 1 wird der Mischeinrichtung 6 über eine Brennstoffdüse 7 zugefiihrt.

Der hier verwendete Begriff Brennstoff 1 umfasst primär alle kohlenwasserstoffhal- tigen Brennstoffe, wie Mitteldestillate oder Ähnliche. Darüber hinaus werden hier- unter aber auch Gemische aus Kohlenwasserstoffen mit nicht Kohlenwasserstoffen verstanden. Diese werden getrennt, als Emulsion und/oder Suspension dem Verfah- ren zugefiihrt. Die mit nicht Kohlenwasserstoffen bezeichneten Stoffe sollen einer- seits zur Verfahrensoptimierung beitragen, hierunter wird insbesondere Wasser verstanden. Andererseits kann eine Beimischung mit nicht Kohlenwasserstoffen sinnvoll sein, um durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Verwertung dieser Zusatzstoffe, wie beispielsweise Kohlenstoff, zu erzielen.

Das enstandene Brennstoff-Oxidator-Gemisch strömt ausgehend von der Mischein- richtung 6 axial durch das Reaktionsrohr 4. Zur Initiierung der exothermen Reaktio- nen der Kalten Flamme ist eine geeignete Wahl der Zustands- und Prozessparameter erforderlich. Beispielhaft soll das Verfahren für Heizöl EL als Brennstoff 1 und Luft als Oxidator 2 ausgeführt werden. Das Reaktionsrohr besteht im vorliegenden Bei- spiel aus einem isolierten dünnwandigen Edelstahlrohr mit einer Länge von 1000 mm und einem Durchmesser von 100 mm (siehe Fig. 8). Das Ö1 wird über ein her- kömmliches Druckzerstäubungssystem 7 zugefuhrt. Die Brennstoffleistung beträgt dabei 10 bis 20 kW. Die Luft wird der Mischeinrichtung 6 unter atmosphärischen Druckbedingungen mit einem Mischdruck von 500 bis 700 Pa zugeführt. Zur Initiie- rung der Kalten Flamme muss der Luftstrom entsprechend erwärmt werden. Hierzu wird die der Mischeinrichtung zugeführte Luft 2 durch einen Luftvorwärmer auf die Initiierungstemperatur geheizt. Versuche mit dem in Fig. 8 dargestellten adiabaten Kalte Flammen-Generator, bei dem die Wandwärmeverluste durch eine Mantelhei- zung vermieden werden (ideale Isolation), ergeben einen Vorzugsbereich der Initiie- rungstemperatur von 310 °C bis 450 °C. Hierbei zeigt sich der Einfluss des eingestellten Luftverhältnisses X als vemachlässigbar. Beispielsweise muß für eine Leistung von 12 kW und , = 1, 0 ein Olmassenstrom Mb =1, 0 kg/h und ein Luft- massenstrom ML =13,5 kg/h eingestellt werden. Die Kalte Flamme kann dabei durch Variation des Ölmassenstroms bei einem Luftverhältnis im Bereich von = 0, 3 bis 2, 0 sicher initiiert werden. Die Kalte Flamme äußert sich im abgedunkelten Raum als fahles bläuliches Leuchten und kann durch Messung eines limitierten Temperaturanstiegs auf etwa 480 °C nachgewiesen werden. Das Kalte Flammen Produkt ist ein durch Fremdzündung entzündbares Gemisch.

Der hier verwendete Begriff Luftverhältnis X beschreibt das Verhältnis der zuge- führten Sauerstoffmenge zu der für einen vollständigen Umsatz des eingesetzten Brennstoffes erforderlichen Mindestsauerstoffmenge.

Die exothermen Reaktionen der Kalten Flammen rufen in der Reaktionszone 5 einen spontanen Temperaturanstieg hervor, der auf einen Teilumsatz des Brennstof- fes zurück zu führen ist. Der Teilumsatz des Brennstoffes ist ein charakteristisches Merkmal der Kalten Flammen und grenzt diese gegenüber einer herkömmlichen Verbrennung ab. Bei homogener Mischung des Brennstoff-Oxidator-Gemisches läßt sich bei unterstöchiometrischer Reaktionsführung der Kalten Flamme, beispielswei- se X = 0, 5, eine noch relativ hohe Sauerstoffkonzentration in den Kalte Flamme- Produkten 3 feststellen. Demgegenüber wird der vorhandene Sauerstoff bei einer unterstöchiometrischen Verbrennung mit gleichem Luftverhältnis vollständig (nahe der Nachweisgrenze) aufgebraucht. Die Kalte Flamme-Produkte 3 setzen sich dem- nach aus den Reaktionsprodukten der Kalten Flamme, aber auch aus den nur zum Teil umgesetzten Edukten, d. h. dem Brennstoff und Oxidator, zusammen.

Aufgrund der für die Kalte Flamme charakteristischen reaktionskinetischen Hem- mung ist der Temperaturanstieg des Gemisches limitiert, so daß eine Selbstzündung der bei der Kalten Flamme entstandenen Kalte Flamme-Produkte 3 vermieden wird.

Es ergibt sich für den Einsatz von Heizöl EL und Luft unter atmosphärischen Druckbedingungen eine maximale Gemischtemperatur von etwa 480 °C, dabei ist diese weitgehend unabhängig vom eingestellten Luftverhältnis (siehe Fig. 5 und Fig.

7).

Je nach Ausgangssiedetemperatur oder -bereich wird der mit 1 bezeichnete Brenn- stoff dem Verfahren flüssig oder gasförmig zugeführt. Insbesondere stellt die Ge- mischaufbereitung von flüssigen Brennstoffen in vielen technischen Anwendungsfällen ein bedeutendes Problem dar. Schlechte Zerstäubung von flüssi- gen Brennstoffen führt zu Inhomogenitäten bei der Gemischaufbereitung und damit zur Bildung von Schadstoffen. Das erfindungsgemäße Verfahren trägt im Wesentli- chen zur Verbesserung der Gemischbildung bei. Durch den Reaktionsmechanismus der Kalten Flammen erfolgt eine Molekülkettenverkleincrung der Kohlenwasser- stoffe, die maßgeblich zur Absenkung der Siedetemperatur oder des Siedetempera- turbereichs beiträgt. Die in flüssiger Form eingesetzten Kohlenwasserstoffe können in die Gasphase überführt werden, wodurch die Gemischaufbereitung wesentlich verbessert wird. Nach Abkühlung auf Umgebungstemperaturbedingungen liegt das Produkt in bis zu drei Zuständen vor, in gasförmiger, flüssiger und in kolloid disper- ser Phase (Nebel/Aerosol). Dabei kann der Anteil der kolloid dispersen Phase iiber- wiegen. Des Weiteren trägt das erfindungsgemäße Verfahren durch sein Temperatumiveau wesentlich zur Verdampfung des flüssigen Brennstoffes bei.

Die freigewordene Energie der exothermen Reaktion der Kalten Flamme unterstützt die Verdampfung und erzeugt ein Gasgemisch, das je nach Prozeßparametem, z. B.

Wärmeabgabe über die Reaktoraußenwand, sowohl bei überstöchiometrischen als auch unterstöchiometrischen Bedingungen keine Selbstzündung zeigt.

Die Initiierungs- und/oder die Betriebstemperatur der Kalten Flammen läßt sich durch eine Reihe von Maßnahmen absenken. Aus der Verbrennungstechnik bekannt ist die Rezirkulation von Reaktionsprodukten in die Reaktionszone. In den Fig. 9a bis 9c sind, basierend auf dem in Fig. 8 dargestellten Kalte Flammen-Generator, drei etablierte Verfahren zur Rezirkulation von Reaktionsprodukten dargestellt. Bei allen Verfahren werden die Kalte Flammen-Produkte 3 in die Reaktionszone 5 zu- rückgemhrt. In Fig. 9a erfolgt die Rezirkulation innerhalb des Reaktionsrohres 14.

Man spricht von einer interne Rezirkulation. Dahingegen werden die Reaktions- produkte 3 in Fig. 9b und Fig. 9c außerhalb des Reaktionsrohres 4 der Reaktionszo- ne 5 zugeführt (externe Rezirkulation). Hierbei unterscheiden sich Fig. 9b und Fig.

9c durch den Ort der Einkopplung der Reaktionsprodukte 9.

Bei der Rezirkulation von Kalte Flammen-Produkten und/oder von Produkten aus nachfolgenden Prozeßschritten in die Verdampfungszone gelingt es, die Betrieb- stemperatur der Kalten Flamme zu senken. Der insbesondere flüssige Brennstoff wird in einem Gemisch aus Luft und Produkten der Kalten Flamme einem Phasen- wechsel unterworfen. Durch Rezirkulation der Kalte Flammen Produkte erhöht sich der Inertgasstrom, wodurch insbesondere für stark unterstöchiometrische Betriebs- weisen die Selbstzündungsneigung inhibiert wird.

Darüber hinaus kann die Reaktionskinetik der Kalten Flammen durch gezielte Druckerniedrigung beeinflußt und damit die Starttemperatur gesenkt werden. Die Zugabe von geeignet katalytisch wirkenden Stoffen erniedrigt die zur Initiierung der Kalten Flamme erforderliche Aktivierungsenergie und trägt ebenso zum Absenken der Starttemperatur bei.

Für das Erreichen der Initiierungs- oder der Betriebstemperatur (bisher einheitlich in Anspruch 6 Starttemperatur genannt) ist ein Aufheizen des Oxidatorstroms erfor- derlich. Fig. 10 gibt ein Ausführungsbeispiel zur Einkopplung der Wärme in den in Fig. 8 dargestellten Kalte Flammen-Generator 10 wieder. Das den Kalte Flammen- Generator 10 verlassende Kalte Flammen-Produkt 3 wird hierbei einer nachfolgen- den Prozeßstufe 11 zugeführt, dabei liegt die Temperatur des aus der Prozeßstufe 11 austretenden Gemischs 12 oberhalb der Oxidatortemperatur. Die zur Initiierung der Kalten Flamme erforderliche Wärmemenge wird dem Gemisch 12 durch den Oxi- dator-Vorwärmer 8 entzogen und in dem Oxidator 2 zugeführt.

Bei dem Verfahrensablauf in Fig. 11 wird die zum Erreichen der Betriebstemperatur erforderliche Wärme direkt aus dem Kalte Flammen-Produkt 3 entzogen und über den Oxidator-Vorwärmer 8 dem Oxidator 2 zugeführt. Eine weitere Möglichkeit der Wärmeeinkopplung ist in Fig. 12 veranschaulicht. Bei dieser Variante erfolgt die Wärmeeinkopplung an das Brennstoff-Oxidator-Gemisch über das Reaktionsrohr 4 des Kalte Flammen-Generators aus Fig. 8. Die Wärme kann beispielhaft durch eine elektrische Beheizung oder einen beliebigen Wärmekapazitätsstrom eingebracht werden. Eine weitere Form der Wärmeeinkopplung zur Brennstoffvorwärmung ist möglich.

Das im Kalte Flammen-Generator (Fig. 8) gewonnene Kalte Flammen-Produkt 3 liegt nach Abkühlung auf Umgebungstemperatur in gasförmiger, flüssiger und/oder kolloid disperser Phase vor. Durch die durch die Kalte Flamme in der Regel unter- stützte Molekülkettenverkleinerung der Kohlenstofflcetten liegt die Siedetemperatur oder der Siedetemperaturbereich des Kalte Flammen-Produkts 3 in jedem Fall unter der oder dem des eingesetzten Brennstoffes 1.

Je nach Bedarf läßt sich das Kalte Flamme-Produkt 3 durch Wahl der Zustands- und Prozeßparameter beeinflussen. Für Anwendungen der Gemischaufbereitung oder Synthesegasgewinnung ist es erforderlich, den Brennstoff weitgehend in die Gas- phase zu überfuhren. Aus eigenen Versuchen ist bekannt, daß sich die Endtempera- tur der Kalten Flamme nahezu unabhängig von der Starttemperatur auf einen konstanten Wert einstellt (siehe Fig. 3 und 4). Bei energetischer Betrachtung ergibt sich bei niedrigen Betriebstemperaturen im Betriebstemperaturbereich aufgrund der höheren Temperaturdifferenz ein entsprechend höherer Brennstoffumsatz. Gasana- lysen des Kalte Flammen Produkts bestätigen, daß sich bei niedrigen Betriebstem- peraturen ein höherer Brennstoffumsatz in der Gasphase einstellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhafterweise eingesetzt zur Aufberei- tung und/oder Veredelung von flüssigen Kohlenwasserstoffen, insbesondere in Raffinerien oder in der chemischen Verfahrenstechnik, der Synthesegasherstellung, der Schutzgasherstellung, zur Bereitstellung von gasförmigen Brennstoffen für mobil oder stationär eingesetzte Brennstoffzellen, wie in Kraftfahrzeugen, Schie- nenfahrzeugen, Schiffen, Flugzeugen und/oder der Kraftwärmekopplung, zur Ver- brennung in Verbrennungskraftmaschinen und/oder Feuerungsanlagen, zur Trennung von Stoffströmen von Begleitstoffen und Ähnlichem.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden bisher ausschließlich für gasförmige Brennstoffe genutzte Verbrennungstechniken nun auch für flüssige Energieträger anwendbar. Der Einsatz flüssiger Brennstoffe ist in innovativen Systemen zur Ver- sorgung mit Heizwärme undloder elektrischer Energie, der Kraftwärmekopplung durch Blockheizkraftwerke, möglich, da durch die vollständige Vergasung der Vorteil der Gasmotoren mit den niedrigeren Brennstoffkosten flüssiger Brennstoffe verbunden werden kann. Die Abgasnachbehandlung ist durch diese Anwendung stark vereinfacht oder kann sogar komplett entfallen. Als weiteres Beispiel wird hier der Einsatz in Stirlingmaschinen genannt. Die Kalten Flammen können hierbei als Vorstufe im Prozeß der Wärmeerzeugung integriert werden.

Für den Einsatz flüssiger Brennstoffe in Brennstoffzellen kann das erfindungsgemä- ße Verfahren als, Vergaser" verwendet werden. Die Anforderung der Versorgung mit einem homogenen Prozeßgas mit hohem Heizwert wird erfüllt. Insbesondere für mobile Anwendungen besteht ein wesentlicher Vorteil in der einfachen Handhabung des ursprünglichen Brennstoffs in Bezug auf Lagerung und Sicherheit.

Durch das erfindungsgemäße Verfähren wird ein Gemisch mit neuen Eigenschaften erzeugt. Die Zusammensetzung des Brennstoffs ändert sich aufgrund der chemi- schen Reaktionen. Temperaturmessungen bei Umgebungsdruck und stöchiometri- schen Bedingungen zeigen, daß bei Betriebstemperaturen um 300°C und Atmosphärendruck nahezu unabhängig vom Luftverhältnis beispielsweise 10 % der im Brennstoff (HEL) gebundenen chemischen Energie bereits in dem erfindungs- gemäßen Verfahren umgesetzt wird. Durch Oxidations- und Zerfallsreaktionen reagieren dabei hauptsächlich lange Kohlenwasserstoffketten zu kurzen Molekülen.

Die Randbedingungen des Verfahrens können so eingestellt werden, daß das entste- hende Produkt einen wesentlich niedrigeren Siedebereich als der ursprüngliche Brennstoff hat. Damit werden für den Einsatz dieser Technik in neuen Anwen- dungsbereichen zusätzliche Prozeßschritte möglich. Denkbar ist eine begrenzte Rückkühlung des Gases, die eine sichere Handhabung des Gemisches ermöglicht.

Eine Zündung nach dem Radikalkettenmechanismus kann vollständig unterdrückt werden. Damit hat man die Möglichkeit, das Produktgas sicher aus den Aufberei- tungverfahren zum Verbraucher zu transportieren und zu speichern. Der Modulati- onsbereich kann damit von der Leistungsschwankung eines beliebigen Verbrauchers entkoppelt werden.

Es gelingt darüber hinaus, das Verfahren so zu steuern, daß sogar selektiv petro- chemische Synthesebausteine (z. B. Olefine oder Formaldehyd) mit hoher Ausbeute entstehen und eine Abtrennung dieser Kohlenwasserstoffe aus dem Produktgas interessant wird.

Ein großer Anwendungsbereich der Kalten Flamme liegt in der Herstellung von Synthesegasen jeglicher Art. Unter Synthesegas werden sowohl Gasströme verstan- den, die in einem kontinuierlichen Prozeß erzeugt und eingesetzt werden, aber auch solche, die nach Erzeugung gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt zur An- wendung kommen.

In der Materialveredelung (z. B. bei Metallen) ist es beispielsweise erforderlich, eine reduzierende Atmosphäre, ein sogenanntes Endogas, zu erzeugen, das eine Oxidie- rung des zu verarbeitenden Materials unterbindet. Endogas wird üblicherweise durch eine unterstöchiometrische Verbrennung von Erdgas unter Wasserbeimi- schung hergestellt. Die Hauptgaskomponenten sind dabei CO, C02, H2, H20, sowie Inertgaskomponenten. Je nach Einstellung der Prozeßparameter (Wasser- Brennstoff-Verhältnis, Luftverhältnis und Temperatur) kann die Zusammensetzung des Endogases beeinflußt werden. Bei der Verwendung flüssiger Brennstoffe in einer unterstöchiometrischen Verbrennung kommt es zur unerwünschten Rußbil- dung. Das erfindungsgemäße Verfähren ermöglicht die Umsetzung flüssiger Brenn- stoffe in die Gas- und Dampfphase in einer stark unterstöchiometrischen Atmosphäre ohne merkliche Rußablagerungen.

Das erfindungsgemäße Verfähren wird vorteilhafterweise zum Antrieb von mobilen Vorrichtungen jeglicher Art, insbesondere Fahrzeugen, eingesetzt. Beispielsweise liefert das erfindungsgemäße Verfahren aufbereitete Brennstoffe für Otto- /Dieselmotoren und/oder Brennstoffzellen.

In ähnlicher Weise liefert das erfindungsgemäße Verfähren aufbereitete Brennstof- fe, die zur Kraft-, Stromerzeugung und/oder Wärmebereitstellung in immobilen Vorrichtungen eingesetzt werden. Beispielsweise können die aufbereiteten Brenn- stoffe in Blockheizkraftwerken (BHKWs), Stromgeneratoren, Brennstoffzellen sowie Feuerungsanlagen benutzt werden.

Vorzugsweise wird beim erfindungsgemäßen Verfähren als Oxidator Luft und/oder Sauerstoff verwendet und die Edukte aus Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfah- rens werden unterstöchiometrisch, vorzugsweise bei einem Luftverhältnis von = 0, 2 bis 0,7, zugeführt. Durch Zugabe von Wasser oder Wasserdampf lassen sich die für die Endogasherstellung erforderlichen Gaskomponenten synthetisieren.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Stufe (b) des erfindungsgemäßen Verfah- rens wird ein weiterer Stoffstrom der Stufe (b) zugeführt, der im Wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen, Gemischen von Kohlenwasserstoffen und nicht Kohlenwas- serstoffen entspricht. Unter nicht Kohlenwasserstoffen wird bei der Synthesegasher- stellung insbesondere Wasser und/oder Wasserdampf verstanden, wodurch im Wesentlichen zur Verfahrensverbesserung durch Verringerung der Rußbildungsnei- gung beigetragen wird. In einer anderen Anwendungsform des erfindungsgemäßen Verfahren kann als nicht Kohlenwasserstoff Luft zugeführt werden, um damit eine luftgestufte Verbrennung (Luftstufung) zu erzielen. Wie bei der Synthesegasher- stellung wird die Kalte Flamme bei einem niedrigen Luftverhältnis, beispielsweise bei X < 1, eingestellt. Zum Einstellen der erforderlichen Sauerstoffmenge, z.B. zum Einleiten einer vollständigen Verbrennung, wird dem Kalte Flammen-Produkt an- schließend Luft oder Abgas einer überstöchiometrischen Verbrennung beigemischt.

In Fig. 20 ist ein weiteres Ausführungsbcispiel für einen Verbrennungsprozeß mit Brennstoffstufung zur Stickoxidreduzierung dargestellt, bei dem Gemisch der Stufe (b) aus Anspruch 1 ein weiterer Stoffstrom zugeführt wird. Bei der sogenannten dreistufigen Verbrennung wird das unterstöchiometrisch erzeugte Kalte Flammen- Produkt 3 mit Luft 2 in der Primärstufe überstöchiometrisch unter hoher NO- Produktion umgesetzt. Der Anteil des eingeleiteten Kalte Flammen-Produkts in dieser Stufe beträgt, bezogen auf das im Kalte Flammen-Generator 10 erzeugte Produkt, ca. 70 %. In der zweiten Stufe wird das restliche Kalte Flammen-Produkt eingemischt, so daß sich eine insgesamt reduzierende Atmosphäre einstellt, in der dann das in der ersten Stufe gebildete NO zu N2 reduziert wird. Im Stand der Tech- nik stellt die Eindüsung und Mischung des flüssigen Brennstoffes in die zweite Verbrennungsstufe ein wesentliches Problem dar. Die Öleindüsung in einen heißen Gasstrom ruft : häufig Crackreaktionen und Ablagerungen von Ölbestandteilen im Bereich der ölführenden Teile und heißen Oberflächen hervor, die durch das erfin- dungsgemäße Verfahren überwunden werden. Der vollständige Ausbrand erfolgt in der Tertiärstufe, wo durch Zugabe sogenannter Restluft insgesamt überstöchiometri- sche Bedingungen eingestellt werden.

Bei den Energieumwandlungssystemen gewinnen Brennstoffzellen künftig an Be- deutung. Zur Energieerzeugung werden diese nach dem heutigen Stand der Technik vorzugsweise mit gasförmigen Brennstoffen beaufschlagt. Vornehmlich wird mole- kularer Wasserstoff als Energieträger für Brennstoffzellen verstanden. Darüber hinaus ermöglichen einige Brennstoffzellen auch den Einsatz von kurzkettigen Kohlenwasserstoffen und auch Kohlenmonoxid. Um den Einsatz von flüssigen Brennstoffen für Brennstoffzellen zu ermöglichen, sind technisch aufwendige Um- setzungsverfahren, wie die Dampfreformierung, die autotherme Reformierung oder die (katalytische) partielle Oxidation, erforderlich. Verfahren, die im großtechni- schen Maßstab etabliert sind, lassen sich auf die für Brennstoffzellen relevanten Leistungsbereiche nicht problemlos skalieren. Prinzip bedingt kommt es bei diesen Verfahren unter anderem zur Rußbildung und infolge der hohen Prozeßtemperatu- ren zu Wirkungsgradeinbußen.

Hierbei wird das Phänomen der Kalten Flamme genutzt, um die genannten Proble- me zu lösen. Wie bereits bei der Synthesegasherstellung beschrieben, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Umsetzung von flüssigen Brennstoffen in die Gasphase. Versuche mit Heizöl EL und Luft unter atmosphärischen Druckbedin- gungen in einer Vorrichtung gemäß Fig. 8 bestatigen, dal3 das Verfahren bei einem für Brennstoffzellen relevanten Luftverhältnis von S=0,3 ohne Rußablagerung durchführbar ist. Mit einem zusätzlichen Einbau zur Rezirkulation gemäß Fig. 9b und einer Verweilzeit von t, = 0, 85 s läßt sich das Luftverhältnis bei Umgebungs- druck sogar bis =0, 1 absenken.

Vorzugsweise wird beim erfindungsgemäßen Verfahren als Oxidator Luft und/oder Sauerstoff verwendet und die Edukte aus Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfah- rens werden unterstöchiometrisch, vorzugsweise bei einem Luftverhältnis von X = 0, 2 bis 0,7, zugeführt. Je Prozeßführung ist es sinnvoll, zumindest teilweise das sauerstoffhaltige Abgas der Brennstoffzellenreaktion als Oxidator zu verwenden.

Vorzugsweise wird das aus Stufe (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltene Produkt durch bekannte Verfahrensschritte, vorzugsweise der partiellen Oxidation, der Dampfreformierung und/oder der Shiftgasreaktion (Wassergasreaktion) in ein für Brennstoffzellen geeignetes Brenngas, wie beispielsweise Wasserstoff, oder einem Brenngasgemisch aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und/oder kurzkettigen Kohlenwasserstoffen, überfuhrt.

Fig. 13 stellt ein Ausführungsbeispiel für die Umsetzung von flüssigen Brennstoffen in ein für Brennstoffzellen geeignetes Brenngas dar. Unter dem mit 17 gekenn- zeichneten Begriff Brennstoffzellen geeignetes Brenngas, werden diejenigen Gas- gemische verstanden, die als Brennstoff für Brennstoffzellen verwendet werden können. Je nach Brennstoffzellen-Typ, wie beispielsweise der Membranbrennstoff- zelle (PEMFC) oder den Hochtemperaturbrennstoffzellen (SOFC, MCFC), ergeben sich unterschiedliche Anforderungen an die Zusammensetzung des Brenngases. Für den Einsatz in Brennstoffzellen werden als Brennstoff 1 vorzugsweise Mitteldestil- late, wie Heizöl EL, Diesel-, Benzinkraftstoffe, Kerosin oder ähnliche, verstanden.

Für Brennstoffzellen geeignetes Brenngas kann beispielsweise hergestellt werden, wenn Heizöl EL und die vorgewärmte Verbrennungsluft : unterstöchiometrisch mit einem geringen Luftverhältnis, insbesondere 0, 1 bis 0, 5, dosiert werden und in einen Kalte-Flammen-Prozeß eingekoppelt werden. Die Vorwärmung kann dabei nach den oben beschriebenen Methoden erfolgen. Das den Kalte Flammen- Generator 10 verlassende Produktgemisch 3 wird in einer anschließenden Verfah- rensstufe zur H2-Gewinnung 15 verwertet. Hierbei können technisch bekannte Ver- fahren, wie die (katalytische) partielle Oxidation oder die autotherme Reformierung nachgeschaltet werden. Zur optionalen CO-Konvertierung 16 durchläuft das syn- thetisierte Gasgemisch üblicherweise eine Shiftstufe (Wassergasreaktion) und eventuell eine nachfolgende Kohlenmonoxid-Feinreinigung.

Um Rückwirkungen aus dem Bereich der Hochtemperaturoxidation, der partiellen oder vollständigen Oxidation, auf die Reaktion der Kalten Flamme zu verhindern, sind beide Reaktionsräume durch eine strömungstechnische und thermische Ent- kopplung zu trennen. Die strömungstechnische Entkopplung kann beispielsweise durch eine Flammenrückschlagsicherung ausgeführt werden, die durch lokale Erhö- hung der Gemisch-Strömungsgeschwindigkeit ein Zurückwandern der Flammen- wurzel aus der Hochtemperaturoxidation verhindert. Ein Ausfuhrungsbeispiel einer Flammenrückschlagsicherung 21 ist in Fig. 18 dargestellt. Die thermische Ent- kopplung soll vermeiden, daß sich das Kalte Flammen-Produkt vor dem Eintreten in die Hochtemperaturoxidation an heißen Oberflächen entzündet. Die heißen Oberflä- chen können hierbei durch Wärmeleitung aus der Hochtemperaturoxidation hervor- gerufen werden.

Durch Variation der in den Prozeß eingekoppelten Stoffströme, insbesondere Was- ser und Öl, läßt sich der beschriebene Verfahrensablauf modifizieren. In einer be- vorzugten Ausgestaltung der Stufe (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein weiterer Stoffstrom der Stufe (b) zugeführt, der im wesentlichen aus Kohlenwasser- stoffen, Gemischen von Kohlenwasserstoffen und nicht Kohlenwasserstoffen be- steht.

Je nach Randbedingungen ist es vorteilhafter die Kalte Flamme bei einem höheren Lufrverhältnis zu initiieren als für die Synthesegasherstellung erforderlich ist. Um dennoch das erforderliche Brennstoff-Oxidator-Verhältnis einzustellen, kann der Kalte Flammen-Generator 10 mit einer zweistufigen Brennstoffzuführung versehen werden (siehe Fig. 14). Hierbei werden Brennstoff 1 und Oxidator 2 dem Kalte Flammen-Generator 10 zunächst mit einem höheren, als für den Prozeß erforderli- chen Luftverhältnis zugeführt. Die zweite Brennstoffeindüsung reguliert das für den Prozeß erforderliche Lufrverhältnis. Der positive Nebeneffekt der nachträglichen Eindüsung von flüssigen Brennstoffen resultiert daraus, daß dem Gemisch im Re- aktor Verdampfungswärme entzogen wird und damit die Gemischtemperatur redu- ziert wird. Hierdurch kann ein erneutes Initiieren der Kalten Flamme eingeleitet werden, so daß ein weiterer Brennstoffumsatz und damit die weitere Vergasung des Brennstoffes erfolgen kann.

Eine weitere Maßnahme ist die Wasser- oder Wasserdampfeinspeisung 14 in die Reaktionszone der Kalten Flamme (siehe Fig. 15). Wasser oder Wasserdampf wer- den üblicherweise bei unterstöchiometrischen Reaktionen zur Verhinderung der Rußbildung eingesetzt und dienen in dem erfindungsgemäßen Verfahren gleichzeitg zur Verbesserung der Wasserstoffausbeute. Die Eindüsung von flüssigem Wasser ruft durch die Verdampfungsenthalpie zusätzlich eine Abkühlung des Kalte Flam- men-Produkts hervor, daß wegen der Absenkung der Starttemperatur einen erhöhten Brennstoffumsatz in der Kalten Flamme erwarten läßt.

Das Gemisch aus Stufe (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zumindestens teilweise einer Druckerhöhung unterzogen werden. Eine weitere Ausführungsfbrm des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer nachträglichen Druckerhöhung sieht der Einsatz zur Anwendung in Wärmekraftmaschinen vor.

In Fig. 16 ist der in Fig. 8 dargestellte Kalte Flammen-Generator in Kombination mit einer Verbrennungskraftmaschine 18 dargestellt. Das erfindungsgemäße Verfah- ren fungiert hierbei zur Gemischaufbereitung der nachfolgenden Verbrennungs- kraftmaschine 18. Der Brennstoff 1, vornehmlich ein Mitteldestillat, wie Diesel, Benzin oder ähnliche, und der Oxidator 2, vorzugsweise Luft, wird dem Kalte Flammen-Generator 10 mit einem technisch sinnvollen Lufiverhältnis zugeführt.

Das resultierende Produktgasgemisch 3 wird in der nachfolgenden Verbrennungs- kraftmaschine 20 unter ottomotorischen Bedingungen komprimiert und anschlie- ßend verbrannt. Das die Verbrennungskraftmaschine 18 verlassende Abgas 19 dient zur Vorwärmung des Brennstoff-Oxidator-Gemisches im Kalte Flammen-Generator 10.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens in Kombination mit einer Verbrennungskraftmaschine liegt in der wesentlich besseren Gemischaufbe- reitung im Vergleich zu herkömmlichen Otto- und Dieselmotoren, was zugleich eine Reduktion der Schadstoffe zur Folge hat. Bei Dieselmotoren wird insbesondere durch Ruß- und NOX-Reduzierung die Erreichung des ULEV-Standards ermöglicht.

Desweiteren ermöglicht die Vorvergasung durch die Kalte Flamme die Realisierung von Magermotor-Konzepten, die eine wesentliche Wirkungsgradsteigerung gegen- über etablierten Techniken ermöglicht. Magermotoren sind im wesentlichen Otto- motoren, die, gegenüber herkömmlichen Motoren mit einer nahstöchiometrischen Verbrennung, mit wesentlich höheren Luftverhältnissen (bis zu 2, = 4) arbeiten, wodurch eine starke Reduzierung der NOx-Bildung erreicht wird.

Untersuchungen an einem Versuchsaufbau gemäß Fig. 14 zeigen, daß ein ottomoto- rischer Betrieb mit dem Kalte Flammen-Produkt auf Basis von Diesel als Brennstoff 1 möglich ist. Wegen der verbesserten Klopffestigkeit des Kalte Flammen-Produkts (im Vergleich zu Ottokraftstoffen) kann der ottomotorische Betrieb bei wesentlich höheren Prozeßdrücken erfolgen. Hierdurch sind erhebliche Wirkungsgradsteige- rungen insbesondere im Teillastbetrieb gegenüber herkömmlichen Ottomotorproze- ßen zu erwarten.

Aufbauend auf Fig. 16 ist der Verbrennungskraftmaschinen-Prozeß in Fig. 17 hin- sichtlich einer Wirkungsgradsteigerung optimiert. Das den Kalte Flammen- Generator 10 verlassende Produktgemisch 3 wird beispielhaft in einem herkömmli- chen Turbinenabgaslader 20 vorkomprimiert und in dem nachgeschalteten als Ladeluftkühler füngierenden Oxidator-Vorwärmer 8 gekühlt. Der hierbei übertrage- ne Wärmestrom dient zur Vorwärmung der eingesetzten Luft 2. Die Maßnahmen, Turbinenabgaslader in Kombination mit Ladeluftkühler, verbessern im Wesentli- chen den Füllungsgrad der Verbrennungskraftmaschine 18 und damit zugleich den Wirkungsgrad. Der in der Motorentechnik verwendete Begriff Füllungsgrad be- schreibt das Verhältnis des in den Zylinder eingebrachten Gemischvolumens zu dem eigentlichen Zylinderhubvolumen, jeweils bezogen auf atmosphärische Druckbe- dingungen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, einen einheitlichen Vergaser für unterschiedliche flüssige Brennstoffe (z. B. Benzin, Kerosin, Diesel) einzusetzen, wodurch ein Vielstoffmotor in einfacher Weise realisierbar wird.

Weitere Anwendungen im Bereich der Verbrennungstechnik sind denkbar. Hierbei ermöglicht das erfindungsgemäße Verfähren den Einsatz flüssiger Brennstoffe in Anwendungen, die bisher nur auf gasförmige Brennstoffe beschränkt waren. Bei- spielhaft kann der Kalte Flammen-Generator einem Turbinenprozeß vorgeschaltet werden, um ein homogenes Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisch zu erzeugen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich die Zündverzugszeit des erzeugten brennbaren Gemisches mit dem Turbinenprozeß angleichen.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Ge- misch aus Stufe (b) zumindest teilweise einem Trennprozeß, vorzugsweise einem thermischen Trennprozeß unterzogen werden.

Spektralanalysen der Kalte Flammen-Produkte 3, sowohl in gasförmiger als auch in flüssiger Phase, bestätigen, daß durch das erfindungsgemäße Verfähren eine Stoff- verwertung des eingesetzten Brennstoffes vollzogen wird. Je nach Bedarf lassen sich die Produkte durch Einstellen der Zustands- und Prozeßparameter, wie Tempe- raturfiihrung, Druck, Mengenverhältnis der Einsatzstoffe und/oder katalytische Einwirkung, gezielt beeinflussen. Fig. 19 stellt einen Stoffverwertungs- und Stoff- trennungsprozeß dar. Hierbei wird dem Kalte Flammen-Generator 18 ein Trennap- parat 32 (z. B. Phasentrennung, Membrantrennung, Adsorption, Absorption) nachge- schaltet. Einsatzgebiete für den dargestellten Stoffverwertungs- und Trennungsprozeß ergeben sich unter anderem in Raffinerieanwendungen (Synthese von ungesättigten Kohlenwasserstoffen, wie Alkenen ; Teiloxidierung von Kohlen- wasserstoffen zur Bildung von Ketonen, Aldehyden oder Karbonsäuren ; Abtren- nung von unerwünschten Erdölfraktionen, wie Stickstoff-, Chlor-, Fluor- und/oder Schwefelverbindungen und Ähnlichen) oder der Synthesegasherstellung zur Ab- scheidung unerwünschter Bestandteile (Schwefelabscheidung bei der Brenngasher- stellung für Brennstoffzellen). Prinzipiell ist es denkbar, Rohölfraktionen durch das erfindungsgemäße Verfahren einer ersten Stoffbehandlung zu unterwerfen.

Das erfindungsgemäße Verfähren führt zu einem neuen Produkt, welches erhältlich ist durch irgendeinen der weiter oben beschriebenen Verfahrensschritte.

In Fig. 18 ist eine konstruktive Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Ölbrenner für Feuerungsanlagen mit einer thermischen Leistung vorzugswei- se größer l kW dargestellt (Schnittzeichnung). Kembestandteil des dargestellten Brenners ist der aus Fig. 8 bekannte Kalte Flammen-Generator. Die Reaktionszone der Kalten Flamme 5 bildet sich hierbei im gesamten Gebiet des Reaktionsrohres 4 und dem durch das Brennerrohr 22 und das Reaktionsrohr 4 gebildeten Ringspalt aus. Das gesamte System wird von dem Mantelrohr 23 umschlossen. In dem sich zwischen dem Mantelrohr 23 und dem Brennerrohr 22 ergebenden Ringspalt wird das Produktgas 3 verbrannt. Die zum Einleiten der Kalten Flammen benötigte Wär- me wird gemäß dem Vorwärmungsprinzip in Fig. 12 aus dem Bereich der Verbren- nung 24, der als Porenkörper oder als Hohlraum ausgestaltet ist, entzogen und über die Brennrohrwand 22 in die Prozeßzone der Kalten Flammen 5 eingekoppelt. Zur Absenkung der Starttemperatur wird die in Fig. 9b) dargestellte externe Rezikulati- on 9 der Kalte Flammen-Produkte 3 konstruktiv umgesetzt. Als Rückschlagsiche- rung dient der mit 21 dargestellte Flammenhalter.

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