Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umsetzung von Wasserstoff und Luftsauerstoff zu Wasser oder HHO-Gas zu Wasser in einem Verbrennungsofen, wobei der Verbrennungsraum von einem Kühlmantel, in dem eine Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert wird, umgeben ist. Ferner betrifft die Erfindung einen Verbrennungsofen zur Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser oder HHO-Gas zu Wasser mit einem Verbrennungsraum mit wenigstens einer Gaszufuhrleitung mit Austrittsdüse, durch die das zu verbrennende Gas zugeführt wird, und einem den Verbrennungsraum umschließenden Kühlmantel mit einer darin zirkulierenden Wärmeträgerflüssigkeit. Dabei bedeutet HHO-Gas eine Mischung von Wasserstoff und Sauerstoff genau in dem atomaren Verhältnis zweimal H zu einmal O, wie es als Reaktionsprodukt bei der Elektrolyse von Wasser entsteht.
Die Erzeugung und Verwendung von Wasserstoff (H2) hat eine lange Tradition. Wasserstoff (H2) wurde und wird vor allem in der chemischen und Erdöl-Industrie zur Reduktion von chemischen Verbindungen, zur Hydrierung von ungesättigten Kohlenwasserstoffen, Gewinnung von hochwertigem Benzin u.a. verwendet.
In neuerer Zeit gewinnt die Herstellung von Wasserstoff (H2) und dessen Verwendung zusätzlich an Bedeutung im Zusammenhang mit der Nutzung elektrischer Energie aus Windstrom- und Solarstromanlagen. Wasserstoff (H2) kann damit ökologisch aus Wasser (H2O) mittels elektrischer Energie durch Elektrolyse erzeugt werden. Der so gewonnene Wasserstoff (H2) kann
Dabei ist die Verbrennung des Wasserstoffs (H2) mit Luftsauerstoff (O2) sowie die Umsetzung von HHO-Gas aus der Wasser-Elektrolyse insofern mit Problemen behaftet, dass die Reaktionswärme der Wasser-Bildungs-Reaktion aus Wasserstoff (H2) sowie aus HHO-Gas sehr hoch ist, was zu Materialschäden in den Verbrennungsöfen bzw. bei Absenkung der Verbrennungstemperaturen zur Unterbrechung der Verbrennungsreaktion und zur Absenkung des energetischen Wirkungsgrades führen kann.
Während bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen Reaktionstemperaturen, die materialtechnisch sowohl das Ofenmaterial selbst als auch die in der Regel im Inneren der Öfen liegenden Wärmetauscher-Rohrbündel aus Stahl belasten, von ca. 900 bis 1300 °C erreicht und beherrscht werden, ergibt sich bei der Verbrennung von Wasserstoff (H2) mit Sauerstoff (O2) als auch bei der Verbrennung von HHO-Gas ein anderes Bild.
Bekannt sind auch die H2-Verbrennungsöfen der Fa. Xerion Advanced Heating GmbH, die im Reaktorraum Graphitelemente enthalten, die dazu dienen, die Verbrennungsreaktion elektronisch anheizen zu können. Diese Öfen dienen der Herstellung von speziellen Stählen und Keramiken sowie zu Forschungszwecken, wobei die Standzeiten der Graphit-Elektroden durch Abbrandreaktionen sehr begrenzt sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine spezifische Implementierung in Bezug auf die Umsetzung von Wasserstoff (H2) und Luftsauerstoff (O2) bzw. HHO-Gas zu Wasser (H2O) anzugeben.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren zur Umsetzung von Wasserstoff und Luftsauerstoff bzw. HHO-Gas zu Wasser gemäß Anspruch 1 und einem Verbrennungsofen dafür gemäß Anspruch 6.
Wenn Wasserstoff und Luftsauerstoff oder HHO-Gas in den Verbrennungsofen eingedüst und gezündet wird und in Gegenwart von pulverförmigen und/oder grobkörnig strukturierten, metalloxidhaltigen Erden als Katalysator bei Temperaturen bis 2600 °C zu entstehendem Reaktionswasser umgesetzt werden, wobei der Wasserstoff und Luftsauerstoff oder das HHO-Gas mit Luft vermischt wird, die Verbrennungsflamme direkt auf die metalloxidhaltigen Erden gerichtet wird und der Abstand des Eindüsungspunktes der Gaszufuhr zu den metalloxidhaltigen Erden zur Steuerung des Verbrennungsprozesses verändert wird, kann eine effiziente und dauerhafte Verbrennung der Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff (oder HHO-Gas entstanden aus Elektrolyse von Wasser) mit einer hohen Wärmeenergieausbeute erreicht werden. Die Temperaturen bis 2600 °C treten unmittelbar im Reaktionsbereich an den metalloxidhaltigen Erden auf. Ferner wird der intensive Kontakt der Verbrennungsgase mit dem als Katalysator wirkenden metalloxidhaltigen Erden erreicht. Dabei sind die metalloxidhaltigen Erden bevorzugt pulverförmig und/oder grobkörnig strukturiert (grob kristallin). Entsprechend groß ist die wirksame Oberfläche des Katalysators, der mit den Verbrennungsgasen in Kontakt tritt. Weiter kann der Einfluss des Katalysators auf die Verbrennungsreaktion gesteuert werden. Unter anderem kann mit dieser Verstellbarkeit der Austrittsdüse zur Gaszufuhr relativ zu den im Verbrennungsraum abgelegten metalloxidhaltigen Erden die Verbrennungstemperatur in einem Bereich von vorzugsweise 1800 °C bis max. 2600 °C gesteuert werden. Dabei erfolgt die Steuerung der Position der Austrittsdüse (Verbrennungsdüse im Verbrennungsraum) durch eine nach außen reichende Mechanik, mit der der Wirkungsgrad der Reaktionswärme und der Wärmeübertragung an den Kühlmantel optimiert werden kann.
Entsprechend wird die Aufgabe vorrichtungsgemäß gelöst in einem Verbrennungsofen mit einem Verbrennungsraum mit wenigstens einer Gaszufuhrleitung mit Austrittsdüse, durch die das zu verbrennende Gas zugeführt wird, wobei im Verbrennungsraum metalloxidhaltige Erden als Katalysator angeordnet sind. Eine Luftzufuhrleitung mit einer Hilfsdüse ist im Verbrennungsraum vorgesehen, die unmittelbar neben der Austrittsdüse für die zu verbrennenden Gase Wasserstoff und Sauerstoff bzw. HHO-Gas im Verbrennungsraum angeordnet ist, womit den zu verbrennenden Gasen direkt Luft zugemischt werden kann, um die Verbrennungstemperatur im gewünschten Bereich zu halten. Da, wie bereits vorangehend erläutert, die max. Reaktionstemperatur von bis zu 2600 °C nur im Bereich des Katalysators (metalloxidhaltige Erden) auftritt, kann diese Verbrennungsreaktion in einem Verbrennungsofen durchgeführt werden, der beispielsweise aus Edelstahl, geeignet gegen Wasserstoff-Versprödung, beispielsweise der
Werkstoff Nr. 1.4438 317 L oder anderen geeigneten Stählen durchgeführt werden. Der bei solchen Verbrennungsräumen üblicherweise vorgesehene umschließende Kühlmantel wird dabei durch das darin zirkulierende Wärmeträgermedium auf einer Temperatur deutlich unterhalb der Schmelztemperatur des Stahlwerkstoffs von beispielsweise 1400 °C gehalten. Daneben können in dem Verbrennungsofen auch keramische Bestandteile enthalten sein, die eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweisen. Das zu verbrennende Gas, zumindest Wasserstoff und Sauerstoff im Gemisch, werden über eine Gaszufuhrleitung mit Austrittsdüse in den Verbrennungsraum des Verbrennungsofens eingedüst und entzündet. Dabei sind die metalloxidhaltigen Erden auf einer massiven, die Verbrennungstemperatur widerstehenden Grundplatte im Zentrum des Verbrennungsofens angeordnet. Somit können die als Katalysator wirkenden metalloxidhaltigen Erden im Zentrum des Verbrennungsofens bereitgestellt werden, ohne dass eine unmittelbare Beeinflussung der Brennofenaußenwände und damit eine dort evtl. entstehende thermische Überlastung entstehen könnte.
Um eine ausreichende Reaktionsmasse einerseits und andererseits eine nicht zu große, nicht mehr beherrschbare Reaktion hervorzurufen, werden bei der Verbrennung 1000 bis 5000 l/h Wasserstoff und Luftsauerstoff oder HHO-Gas und 200 bis 5000 l/h Luft zugeführt.
Ferner werden die metalloxidhaltigen Erden mit Wasser in einem Massenverhältnis bis zu 33 % der metalloxidhaltigen Erden-Masse gemischt, um die katalytische Wirkung der metalloxidhaltigen Erden weiter zu verbessern.
Als weiteres Mittel zur Steuerung der Verbrennungstemperatur auf 1800 °C bis max. 2600 °C zur Erzielung einer optimalen Wärmegewinnung im Kühlmantel des Verbrennungsofens wird Wasser während der Verbrennung in den Verbrennungsofen eingespritzt. Bevorzugt wird destilliertes, entionisiertes Wasser oder auch Meerwasser verwendet. Alternativ wird ein Teil des entstandenen Reaktionswassers während der Verbrennung in den Verbrennungsofen zurückgeführt. Dabei hat sich gezeigt, dass bei einem Durchsatz von Verbrennungsgas von 1000 bis 5000 l/h eine Wassereinspritzung bis zu 1,5 l/h besonders bevorzugt ist.
Weiter kann zur Steuerung der Verbrennung und damit auch der Verbrennungstemperatur das Verbrennungsgas Wasserstoff und Luftsauerstoff oder das HHO-Gas neben Luft mit gasförmigem Stickstoff oder gasförmigen Kohlendioxid vermischt werden. Diese zusätzlichen gasförmigen Stoffe werden bevorzugt über eine gesonderte Hilfsdüse unmittelbar neben der Austrittsdüse für die zu verbrennenden Gase Wasserstoff und Sauerstoff bzw. HHO-Gas im Verbrennungsraum angeordnet.
Dass der Verbrennungsraum bei einem Gasdurchsatz von 1000 bis 5000 l/h ein Volumen von 4 bis 25 I, bevorzugt 6 bis 12 I und besonders bevorzugt 8 I aufweist, wird für den bevorzugten Gasdurchsatz ein vom Volumen her idealer Verbrennungsraum bereitgestellt. Beispielsweise kann der Verbrennungsraum kubisch oder kugelförmig ausgebildet sein. Ein besonders bevorzugter Verbrennungsraum weist Innenmaße von 200 × 200 × 200 mm3, also 8 l in kubischer Ausprägung auf.
Dadurch, dass das Verfahren so gesteuert wird, dass der im Reaktionswasser natürlich vorkommende Deuterium-Gehalt im Verlaufe des Verfahrens bei Reaktionstemperaturen über 2000 °C abnimmt, wird vermutlich erreicht, dass bei der Verbrennung neben der chemischen Reaktion eine partielle Kernreaktion abläuft, da möglicherweise eine Kernfusion von Deuterium unter erheblicher Energieabgabe innerhalb der Verbrennungsreaktion auftritt.
Entsprechend wird der Wärmeenergieertrag so gesteuert, dass er die Energie der Wasserbildungsreaktion aus HHO-Gas deutlich übersteigt, da somit das Verbrennungsverfahren so abläuft, dass die Wahrscheinlichkeit von Kernfusionen innerhalb der Verbrennungsreaktion zunimmt.
Um ein zu starkes Absinken des Deuterium-Gehalts zu vermeiden, ist es bevorzugt frisches Wasser statt Reaktionswasser in den Verbrennungsprozess einzuspritzen. Damit wird erreicht, dass der Deuterium-Gehalt für eine gleichbleibend hohe Energieausbeute im Wesentlichen stabil gehalten wird. Beim Einspritzen von Meerwasser kann der Deuterium-Gehalt sogar leicht gesteigert werden. Somit kann über das zur Einspritzung verwendete Wasser auch die Verbrennungstemperatur beeinflusst werden.
Wenn bei der Verbrennungsreaktion die metalloxidhaltigen Erden, insbesondere bei Verwendung von Al2O3, Edelsteine mit einer Mohshärte von 8 bis 10 entstehen, können als Nebenprodukt der Verbrennungsreaktion Edelsteine hergestellt werden, die beispielsweise für industrielle Zwecke verwertet werden können. Insgesamt ist die Verwendung von Aluminiumoxid Al2O3 als Katalysator für eine möglichst optimale Umsetzung der Verbrennungsgase Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser bei den Verbrennungstemperaturen von 1800 °C bis max. 2600 °C bevorzugt. Der Katalysator wird dabei in den Verbrennungsraum des Verbrennungsofens auf der massiven Grundplatte aufgelegt, wobei sich der Katalysator im kontinuierlichen Betrieb des Verbrennungsofens kaum verbraucht. Bei entsprechenden Wartungsinterwallen von mehreren Wochen oder Monaten kann dann der Katalysator ergänzt oder ausgetauscht sowie die entstandenen Edelsteine entnommen werden.
Mit dem Anmeldungsgegenstand ist es somit möglich, einen sehr hohen Wirkungsgrad der Wärmegewinnung im Wärmeträgerflüssigkeitskreislauf von > 95 % bezogen auf die Energie zur Erzeugung von Wasserstoff bei der Wasser-Elektrolyse zu erreichen. Dies scheint insbesondere durch die Kombination von Wärmeleitung und Wärmestrahlung möglich zu sein. Dabei wird der hohe Wirkungsgrad der Wärmegewinnung durch ein Verbrennungsverfahren ohne Wirbelschicht erreicht.
Die anfallende thermische Energie kann entsprechend dem Stand der Technik in verschieden hohen Niveaus erzeugt werden und direkt als solche spezifisch für Heiz- und Kühlprozesse genutzt oder nach klassischem Verfahren über Turbine und Generator in Strom umgewandelt werden. Somit läge der Wirkungsgrad bei Kraftwärmekopplung bei ca. 90 % ohne Berücksichtigung von Elektrolyseverlusten, die bei der Zerlegung von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff auftreten.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben.
Darin zeigt:
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Zum Zuführen der zu verbrennenden Gase, hier Wasserstoff und Sauerstoff, ist eine Gaszufuhrleitung 3 mit einer Austrittsdüse 31 innerhalb des Verbrennungsraumes 11 angeordnet. Optional sind noch weitere Gaszufuhrleitungen, beispielsweise eine Luftzufuhrleitung 32 mit einer entsprechenden Hilfsdüse 33 im Verbrennungsraum 11 angeordnet.
Über die Gaszufuhrleitung 3 wird von außen Wasserstoff und Sauerstoff in vermischter Form zugeführt und unter Druck durch die Austrittsdüse 31 in den Verbrennungsraum 11 eingedüst. Optional wird, so wie schematisch in
Innerhalb des Verbrennungsraumes 11 ist im Zentrum eine massive, die Verbrennungstemperatur widerstehende Grundplatte 5 vorgesehen. Die Grundplatte 5 besteht beispielsweise aus Keramik. Auf der Oberseite der Grundplatte 5 sind als Katalysator metalloxidhaltige Erden 4 aufgelegt. Ferner ist an geeigneter Stelle im Verbrennungsraum 11 ein Abgasausgang 6 vorgesehen, durch den die "Abgase", im Wesentlichen bestehend aus Wasserdampf, entweichen können.
In einem Versuchsaufbau wurde in einem derartigen Verbrennungsofen 1 ein Wasser-Aluminiumoxid-Gemisch bis zur Sättigung, sodass kein freies Wasser vorhanden ist, als Katalysator 4 auf die im Verbrennungsraum 11 im Zentrum angeordnete Grundplatte 5 gefüllt. Anschließend wurde HHO-Gas aus einer Wasser-Elektrolysevorrichtung bei geöffneter Gaszufuhrleitung 3 und geöffnetem Abgasausgang 6 im Verbrennungsraum 11 elektrisch gezündet. Die Zündanlage ist in
Durch die Wasserbildungsreaktion steigt die Temperatur im flammennahen Bereich auf ca. 1000 bis 1300 °C. Nun werden Luftzufuhrleitung 32 mittels Hilfsdüse/-ventil 33 und Abgasabgang 6 mit zugeordnetem Regelventil 6 auf ca. 50 % gedrosselt, sodass die Temperatur im Verbrennungsraum auf ca. 1500 °C steigt. Über den Abgasausgang 6 abgehender Wasserdampf wird auf das als Katalysator 4 wirkende Aluminiumoxid Al2O3 gerichtet, indem es über eine entsprechende Zufuhrleitung und Hilfsdüse in den Verbrennungsraum rückgeführt wird. Entsprechend wird nun durch Zirkulation der Wärmeträgerflüssigkeit im Kühlmantel 2 die Temperatur des Verbrennungsofens 1 so gesteuert, dass eine Überhitzung der Wandung 10 des Verbrennungsofens 1 vermieden wird.
Durch Erhöhung der Luftzufuhr über Luftzufuhrleitung 32 und Hilfsdüse/-ventil 33 wird die Temperatur im Zentrum des Verbrennungsraums 11 nunmehr auf 1800 °C bis max. 2600 °C erhöht. Bei dieser Temperatur erfolgt der Dauerbetrieb. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Temperatur von 1800 °C bis max. 2600 °C nur im zentralen Bereich des Verbrennungsraumes 11 auftritt, nämlich unmittelbar im Bereich der als Katalysator wirkenden metalloxidhaltigen Erden 4, hier Aluminiumoxid Al2O3, wobei dieser Katalysator auf einer temperaturbeständigen Grundplatte 5, beispielsweise aus Keramik, bereitgehalten wird.
Nach einem längeren Dauerbetrieb, beispielsweise von 4 Wochen, haben sich am als Katalysator wirkenden Aluminiumoxid-Pulver edelsteinartige Kristallstrukturen mit einer mohsschen Härte von ca. 9,5 gebildet. Diese Edelsteine können beispielsweise für industrielle Anwendungen verwendet werden.
Während des Dauerbetriebes wurde der Wärme-Gewinnungs-Wirkungsgrad bezogen auf die für die Wasser-Elektrolyse eingesetzte Energie zur Erzeugung des HHO-Gases gemessen. Der Wirkungsgrad betrug 98 %. Die Temperatur der Abgase direkt am Abgasausgang 6 betrugen ca. 500 °C. Es ist daher davon auszugehen, dass auch die sonstige Wandung 10 des Verbrennungsraumes 11 Temperaturen von wenig mehr als 1000 °C erreichen. Hier konnten bei dem bisher durchgeführten Versuchen noch keine Messwerte erzielt werden.
Darüber hinaus waren in den Abgasen keine Stickoxide und keine Kohlenwasserstoffverbindungen enthalten. Die CO- und CO2-Werte lagen bei jeweils 0,00 ppm. Das Verfahren zeichnet sich somit durch sehr geringe Schadstoffimmissionen gegenüber herkömmlichen Energiegewinnungs-Verfahren auf Basis fossiler Brennstoffe aus.
Besonderes Augenmerk ist auf die Abnahme des Deuterium-Gehalts im Reaktionswasser der Versuchsanlage zu richten. Die natürliche Häufigkeit des Isotops Deuterium in Wasserstoff beträgt 0,015 %. Am Anfang einer Messserie konnte dieser Anteil verifiziert werden. Im Laufe des Betriebes, bei dem die Verbrennungstemperatur am Katalysator stets über 2000 °C und unterhalb von 2600 °C gehalten wurde, konnte eine Abnahme des Deuterium-Gehalts nachgewiesen werden. Bei diesem Versuch konnte festgestellt werden, dass der Wärmeenergieertrag die Energie der Wasserbildungsreaktion aus HHO-Gas deutlich übersteigt. Unter Zugrundelegung der herkömmlichen Berechnung des Wirkungsgrades nämlich der Wärmegewinnung im Kühlkreislauf bezogen auf die Energie zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff mittels Wasser-Elektrolyse konnte somit ein Wirkungsgrad von deutlich über 100 %, nämlich ca. 120 % ermittelt werden. Dieser eigentlich physikalisch nicht mögliche Wirkungsgrad lässt sich nur durch eine in der Verbrennungsreaktion stattfindende, spontane Kernfusion erklären. Als Indiz für das tatsächliche Auftreten von vereinzelten Kernfusionsreaktionen kann dabei der sinkende Deuterium-Gehalt im Reaktionswasser dienen.
Es ist daher bevorzugt, dass die chemische Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff im Verbrennungsofen so gesteuert wird, dass der Wärmeenergieertrag die Energie der Wasserbildungsreaktion aus dem zu verbrennenden Gas übersteigt. Damit kann eine zusätzliche Energiequelle aus der vermuteten, partiell ablaufenden Kernfusion in einem apparativ relativ einfachen und ökonomisch durchführbaren Verfahren ausgenutzt werden.
Hinsichtlich der Langlebigkeit des Verbrennungsofens 1 sei darauf hingewiesen, dass die gewünschte Verbrennungsreaktion bei Temperaturen von 1800 °C bis max. 2600 °C, insbesondere unter Berücksichtigung einer möglichen (kalten) Kernfusion über 2000 °C zu halten ist. Dabei ist die Flammengeometrie eng begrenzt auf das Zentrum des Verbrennungsraumes 11, in dem das als Katalysator 4 dienende Aluminiumoxid auf der beispielsweise keramischen Grundplatte 5 aufliegt. Die Verbrennungsflamme wird dabei direkt auf diesen Katalysator und somit allenfalls auf die Grundplatte 5 gerichtet. Die Wandungen 10 des Verbrennungsraumes 11 werden jedoch nicht direkt von der Flamme berührt. Entsprechend ist es möglich, die Wandung 10 des Verbrennungsraumes 11 auf Temperaturen < 1250 °C auch im Dauerbetrieb halten zu können. Für solche Temperaturen sind geeignete Stähle im Stand der Technik bekannt. Beispielsweise kann Edelstahl mit dem Werkstoff Nr. 1.4438 317 L verwendet werden, das einen Schmelzpunkt von über 1400 °C hat und zudem resistent gegen Wasserstoff-Versprödung ist.
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