DE102007054967A1

DE102007054967A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Plasma-Reformierung von Brennstoff für Triebwerksanwendungen

Info

Publication number: DE102007054967A1
Application number: DE102007054967A
Authority: DE
Inventors: Erwin Dr. Bayer; Jürgen Dr. Steinwandel
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH; EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH; MTU Aero Engines AG
Priority date: 2007-11-17
Filing date: 2007-11-17
Publication date: 2009-05-20
Also published as: US8974645B2; WO2009062485A1; EP2217365B1; US20100294647A1; EP2217365A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Plasma-Reformierung von Brennstoff, insbesondere Kerosin, welches die Schritte aufweist: Zuleiten von Brennstoff durch eine Leitung zum Eingang einer Expansionsdüse, Zuführen von Energie aus einer Energiequelle über einen Hohlwellenleiter, um in der Expansionsdüse einen Plasma-Zustand zu erzeugen, Eindüsen von weiterem Brennstoff durch Düsen in die entstehende Plasma-Flamme, um den Brennstoff in der Hitze in Bestandteile wie CO, C und H aufzuspalten, und Expandieren der Plasma-Flamme mit hoher Geschwindigkeit in die Brennkammer.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Plasma-Reformierung von Brennstoff, insbesondere Kerosin, für Triebwerksanwendungen.
Bei der Reformierung von Kohlenwasserstoffen vor dem Hintergrund der Erzeugung von Wasserstoff reichen Brenngasen wird heutzutage mit katalytischen Systemen gearbeitet. Dabei kommen unterschiedliche Reaktionsführungen zur Anwendung, zum Beispiel die partielle Oxidation (unterstöchiometrische Verbrennung) oder die Wasserdampf-Reformierung. Katalytische Reformersysteme sind prinzipbedingt vergleichsweise groß aufgebaut, was für Triebwerksanwendungen nachteilig ist. In der Triebwerksindustrie setzt sich partiell die zweistufige Verbrennung mit einer „heißen Pilotverbrennung" und einer nachgeschalteten „kälteren Hauptverbrennung" durch, um den NO_x-Ausstoß deutlich zu reduzieren.
Die NO_x-Produktion wird insbesondere durch hohe Verbrennungstemperaturen begünstigt. Es wird daher ein Verfahren gesucht, mit dem es möglich ist, die Verbrennungstemperatur und insbesondere Temperaturspitzen bei der Verbrennung bei gleichzeitig weitestgehend vollständiger Verbrennung des Treibstoffs (auch in Bezug auf Kohlenstoff-Teilchen) zu verringern.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die objektive Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, das bei vollständiger Verbrennung des eingesetzten Treibstoffs die Verbrennungstemperatur und insbesondere Temperaturspitzen verringert. Zudem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der das vorstehende Verfahren durchgeführt werden kann und die klein genug ist, um für Triebwerksanwendungen eingesetzt zu werden.
Diese objektive Aufgabe wird durch die Aspekte der vorliegenden Erfindung gelöst, die in den unabhängigen Patentansprüchen definiert sind. Vorteilhafte Weiterbildungen werden in den abhängigen Patentansprüchen dargelegt.
Insbesondere wird die objektive Aufgabe in einem ersten Aspekt durch ein Verfahren zur Plasma-Reformierung von Brennstoff, insbesondere Kerosin, gelöst, bei dem Brennstoff zunächst in einer Expansionsdüse (3) in den Plasma-Zustand überführt und anschließend weiterer Brennstoff in das Plasma eingedüst wird, um in der Hitze in Bestandteile wie CO, C und H aufgespaltet zu werden.
Das Verfahren nach dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung hat die Vorteile, dass die im Plasma erzeugten elementaren und/oder niedermolekularen Bestandteile des Brennstoffs auch bei verringerten Temperaturen von etwa 1000°C vollständig verbrennen.
Zudem wird die objektive Aufgabe in einem zweiten Aspekt durch eine Vorrichtung (1) zur Plasma-Reformierung von Brennstoff, insbesondere Kerosin, gelöst, welche eine Expansionsdüse (3) mit anschließender Brennkammer (5) aufweist, wobei die Expansionsdüse (3) mit einer Leitung (7), einem mit einer Energiequelle (9) verbindenden Hohlwellenleiter (11) und Düsen (13) verbunden ist, so dass in der Expansionsdüse (3) eine Plasma-Flamme (15) erzeugt werden kann, und wobei die Brennkammer (5) mit Luftdüsen (17) verbunden ist, so dass eine Verbrennungsflamme (19) erzeugt werden kann.
Die Vorrichtung (1) nach dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist Vorteile auf, indem durch ihre Formgebung ähnlich einer Wasserstrahlpumpe der Brennstoff im Plasma-Zustand mit extrem hoher Geschwindigkeit über die Expansionsdüse (3) expandiert und dadurch die Verbrennungsluft anzieht, so dass es nicht zum Pumpen im Verdichter eines Triebwerks kommt. Zudem ist die Vorrichtung verhältnismäßig klein und kann gut für Triebwerksanwendungen eingesetzt werden.
1 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (1) zur Plasma-Reformierung von Brennstoff, wie Kerosin.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Plasma-Reformierung von Brennstoff, wie Kerosin, wird der Brennstoff durch die Leitung (7) zum Eingang der Expansionsdüse (3) geleitet. Über einen Hohlwellenleiter (11) wird Energie aus einer Energiequelle (9) zur Erzeugung des Plasma-Zustands zugeführt. Dabei wird durch die Zuführung der Energie der Brennstoff, insbesondere Kerosin, (auf atomarer Ebene) hoch ionisiert in seine elementaren und/oder niedermolekularen Bestandteile aufgespaltet.
Die erfindungsgemäße Plasma-Reformierung erfordert bevorzugt ein thermisches Hochdruckplasma, beispielsweise eine Bogenentladung oder vorteilhaft ein Mikrowellen-Plasma.
In die entstehende Plasma-Flamme (15) wird anschließend durch Düsen (13) weiterer Brennstoff, insbesondere Kerosin, eingedüst, um in der Hitze in Bestandteile wie CO, C und H aufgespaltet zu werden. Die elementaren und/oder niedermolekularen Bestandteile im hoch ionisierten Zustand können auch bei niedrigen Temperaturen als in herkömmlichen Treibwerken vollständig verbrennen, bevorzugt bei etwa 1000°C.
Aus der Expansionsdüse (3) wird die Plasma-Flamme (15) mit hoher Geschwindigkeit in die Brennkammer (5) expandiert. Aufgrund dieser hohen Geschwindigkeit der hoch ionisierten Bestandteile in der Plasma-Flamme (15) kann die an die Expansionsdüse (3) anschließende Brennkammer (5) wie eine Wasserstrahlpumpe genutzt werden. Dadurch erfolgt die Ansaugung der zur Verbrennung notwendigen Luft aus den Luftdüsen (17) ohne zusätzliche Einrichtungen zur Zuführung von Luft. Neben dem geringeren apparativen Aufwand wird damit zudem verhindert, dass es zu einem unerwünschten Pumpen im Verdichter kommt.
Die in der Brennkammer (5) stattfindende Verbrennung, insbesondere eine Niedertemperatur-Verbrennung oder „kalte Verbrennung", erfolgt auch bei verringerten Temperaturen von etwa 1000°C vollständig, da der Plasma-Zustand des Brennstoffs (im Wesentlichen bestehend aus Ionen und radikalischen Kohlenwasserstoff-Fragmente) zur Verbrennung eine deutlich niedrigere Aktivierungsenergie benötigt. Bevorzugt erfolgt die Verbrennung bei extremem Luftüberschuss.
Bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Plasma-Reformierung von Brennstoff, wie Kerosin, wird durch die Absenkung der Verbrennungstemperatur auf etwa 1000°C insbesondere die Bildung von NO_x deutlich verringert. Nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird zudem nur ein Teil des Brennstoffs durch die Energie aus der Energiequelle (9) in den Plasma-Zustand überführt. Der restliche Brennstoff wird durch das erzeugte Plasma selbst in seine elementaren und/oder niedermolekularen Bestandteile aufgespaltet. Daher kann die eingesetzte Energie deutlich verringert und die Größe der Energiequelle (9) merklich verkleinert werden.
Was die erfindungsgemäße Vorrichtung (1) zur Plasma-Reformierung von Brennstoff, wie Kerosin, betrifft, kann durch den geringeren apparativen Aufwand (zum Beispiel fehlende Pumpen für die Verbrennungsluft) die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kleiner ausgelegt werden.
Ein weiterer Vorteil ist die Verbindung der merklich verkleinert Energiequelle (9) über einen Wellenleiter (11) mit der Expansionsdüse (3). Durch die Verwendung des Wellenleiters (11) ist eine dezentrale Anordnung der Energiequelle (9). Durch diese apparativen Vorteile kann die erfindungsgemäße Vorrichtung (1) leicht für Triebwerksanwendungen eingesetzt werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Bezug auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Plasma-Reformierung von Kerosin für Triebwerksanwendungen beschrieben wurde, ist es möglich, dem Fachmann bekannte und zu Kerosin äquivalente Treib- und Brennstoffe einzusetzen. Auch muss die das Verfahren und die Vorrichtung nicht auf Triebwerksanwendungen beschränkt bleiben, sondern kann verschiedenen Arten von Turbinen, Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen vorgeschaltet sein.

Claims

Verfahren zur Plasma-Reformierung von Brennstoff, insbesondere Kerosin, welches die Schritte aufweist: Zuleiten von Brennstoff durch eine Leitung (7) zum Eingang einer Expansionsdüse (3), Zuführen von Energie aus einer Energiequelle (9) über einen Hohlwellenleiter (11), um in der Expansionsdüse (3) einen Plasma-Zustand zu erzeugen, Eindüsen von weiterem Brennstoff durch Brennstoff Düsen (13) in die entstehende Plasma-Flamme (15), um den Brennstoff in der Hitze in Bestandteile wie CO, C und H aufzuspalten, und Expandieren der Plasma-Flamme (15) mit hoher Geschwindigkeit in die Brennkammer (5).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur Erzeugung des Plasma-Zustands thermisches Hochdruckplasma wie eine Bogenentladung oder ein Mikrowellen-Plasma verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei durch das Expandieren der Plasma-Flamme (15) mit hoher Geschwindigkeit in die Brennkammer (5) die Ansaugung der zur Verbrennung notwendigen Luft aus Luftdüsen (17) ohne zusätzliche Einrichtungen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Verbrennung in der Brennkammer (5) bei extremem Luftüberschuss erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Verbrennungstemperatur bei etwa 1000°C liegt.
Vorrichtung (1) zur Plasma-Reformierung von Brennstoff, insbesondere Kerosin, welche aufweist eine Expansionsdüse (3), die mit einer Leitung (7), einem mit einer Energiequelle (9) verbindenden Hohlwellenleiter (11) und Düsen (13) verbunden ist, so dass in der Expansionsdüse (3) eine Plasma-Flamme (15) erzeugt werden kann, und eine an die Expansionsdüse (3) anschließende Brennkammer (5), die mit Luftdüsen (17) verbunden ist, so dass eine Verbrennungsflamme (19) erzeugt werden kann.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, wobei die Energiequelle (9) eine Bogenentladungs-Vorrichtung oder ein Mikrowellen-Plasmagenerator ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Luftdüsen (17) der Brennkammer (5) ohne zusätzliche Einrichtungen zum Zuführen der Luft auskommen.