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INSTALLATION D'EPURATION DES GAZ D'ECHAPPEMENT POUR
MOTEURS A COMBUSTION ET PROCEDE D'EPURATION DES GAZ
D'ECHAPPEMENT
La présente invention concerne une installation d'épuration des gaz d'échappement destinée à l'épuration de gaz d'échappement de moteurs à combustion interne, sachant que l'installation d'épuration des gaz d'échappement comprend un orifice d'admission des gaz d'échappement pour l'introduction des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne et un catalyseur de NOx destiné à la transformation catalytique de gaz NOx ainsi qu'un filtre à suie. L'invention concerne en outre une installation d'épuration des gaz d'échappement avec un filtre à suie en combinaison avec un moteur à combustion interne ainsi qu'un procédé d'épuration des gaz d'échappement.
On connaît une multitude d'installations d'épuration des gaz d'échappement de ce genre pour moteurs à combustion interne. A ce sujet, les moteurs à combustion interne expulsent le plus souvent des gaz d'échappement à une température, au niveau de l'orifice de sortie du moteur à combustion interne, inférieure ou égale à 400 C, donc à des températures comparativement faibles. De tels moteurs à combustion interne fonctionnent le plus souvent avec des combustibles organiques tels que des huiles végétales, desquelles font également partie les huiles alimentaires usagées.
De telles huiles alimentaires usagées sont produites lors de la fabrication de denrées alimentaires telle que lors de la friture, par exemple.
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On exige de plus en plus de la part de telles installations d'épuration des gaz d'échappement en ce qui concerne les teneurs en substances nocives, en particulier en ce qui concerne la teneur en poussière ou en particules des gaz d'échappement. Comme filtres à particules ou à suie, on utilise jusqu'à maintenant la plupart du temps des filtres à particules conventionnels avec des éléments de filtrage qui comportent une taille de pore suffisante pour la séparation de la suie, sachant qu'il se produit une régénération du filtre par un brûlage libre lors duquel la suie est chauffée à des températures si élevées qu'elle est transformée en monoxyde de carbone et/ou en dioxyde de carbone. L'action de tels filtres est toutefois limitée.
Notamment, on ne peut pas faire fonctionner de tels filtres sans tenir compte de la température des gaz d'échappement du moteur à combustion interne, étant donné que, lors d'une température de gaz d'échappement trop basse, une régénération du filtre n'est plus possible ou ne l'est qu'au moyen d'un chauffage supplémentaire consommateur d'énergie.
La présente invention a par conséquent pour objectif de mettre à disposition une installation d'épuration des gaz d'échappement, destinée à l'épuration de gaz d'échappement de moteurs à combustion interne, qui permette de réduire considérablement les teneurs en particules ou en suie des gaz d'échappement, même pour des faibles températures de gaz d'échappement du moteur à combustion interne. La présente invention a en outre
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pour objectif de mettre à disposition un procédé correspondant d'épuration des gaz d'échappement de moteurs à combustion interne.
L'objectif est atteint selon l'invention par une installation d'épuration des gaz d'échappement dans laquelle un filtre à particules ou à suie, sous la forme d'un électrofiltre au moyen duquel il est possible d'éliminer les composants particulaires de manière partielle au moins ou le plus complètement possible, est placé en amont ou en aval d'un catalyseur de NOx. Un tel filtre électrique permet une réduction de la teneur en suie des gaz de combustion émis par rapport aux filtres à particules traditionnels avec des éléments de filtrage poreux, de plus le mode d'action de l'électrofiltre est essentiellement indépendant de la température des gaz d'échappement du moteur à combustion interne et ainsi de la température des gaz d'échappement au niveau de l'orifice d'admission du filtre à suie.
De cette façon, indépendamment du mode de fonctionnement du moteur à combustion interne, une épuration très efficace des gaz d'échappement est possible du point de vue des particules entraînées, en particulier de la suie. Les conditions de fonctionnement du moteur peuvent ainsi être modulées sur de vastes plages par rapport aux installations d'épuration des gaz d'échappement traditionnelles comportant des filtres à pores, par exemple en ce qui concerne le rendement maximal du moteur, étant donné que, pour les filtres à pores, une température des gaz d'échappement la plus élevée possible est souhaitée, au moins pour le brûlage libre du filtre.
En outre, sur la
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base de l'électrofiltre utilisé selon l'invention, il est possible d'employer avec flexibilité les autres dispositifs de l'installation d'épuration des gaz d'échappement, tels que d'autres catalyseurs ou échangeurs thermiques, indépendamment du filtre à suie et ainsi d'optimiser l'installation d'épuration des gaz d'échappement en ce qui concerne son rendement ou les conditions d'exploitation, comme par exemple la consommation d'énergie ou le besoin en maintenance de l'installation. En outre, seule une très faible contrepression de gaz d'échappement est produite grâce au filtre électrique, par rapport aux filtres à suie traditionnellement utilisés dans des systèmes correspondants, en particulier en relation avec les moteurs diesel.
L'installation conforme à l'invention ou la combinaison du moteur à combustion interne avec filtre électrique présente ainsi également des avantages à des températures plus élevées, par exemple > 400 C.
Si l'électrofiltre est placé en aval du catalyseur de NOx, un dimensionnement plus faible de l'installation d'épuration des gaz d'échappement est possible. Si l'électrofiltre est placé en amont du catalyseur de NOx, par exemple s'il est disposé directement derrière le moteur à combustion interne, c'est-à-dire placé en amont de toutes les autres composantes de l'installation d'épuration, les composantes suivantes, en particulier les catalyseurs, sont moins touchées par la poussière et la suie des gaz d'échappement. Les composantes, en particulier les catalyseurs, peuvent ainsi présenter une durée de vie
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ou d'utilisation beaucoup plus élevée. En outre, l'électrofiltre permet d'éliminer en même temps les inhibiteurs de catalyseur hors des gaz d'échappement.
Le carburant du moteur peut être n'importe quel combustible liquide ou gazeux.
Le catalyseur de NOx peut être directement placé en aval du moteur à combustion interne, il se produit notamment de préférence une injection d'un produit réactif pour la transformation des oxydes d'azote directement derrière le moteur à combustion interne, sachant qu'entre la buse du produit réactif et le catalyseur de NOx, de préférence au moins un mélangeur est prévu pour mélanger le produit réactif au gaz d'échappement à épurer. Le mélangeur peut être configuré en tant que mélangeur statique. En variante, le catalyseur de NOx peut être directement placé en aval de l'électrofiltre.
De préférence, on place un catalyseur d'oxydation entre le catalyseur de NOx et l'électrofiltre de telle sorte que les gaz d'échappement à épurer soient amenés vers l'électrofiltre à partir du moteur à combustion interne en passant par le catalyseur de NOx et le catalyseur d'oxydation. Il est entendu que, le cas échéant, d'autres dispositifs peuvent être disposés entre les différents dispositifs cités. De préférence, le catalyseur de NOx et le catalyseur d'oxydation sont montés directement l'un derrière l'autre, le cas échéant, ils peuvent également être disposés dans un boîtier commun.
En variante, il est possible de placer l'électrofiltre en aval du moteur à combustion interne,
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de le monter directement en aval de préférence, et de le placer en amont du catalyseur de NOx, sachant que le catalyseur d'oxydation est placé en aval du catalyseur de NOx, monté directement en aval de préférence.
Grâce au catalyseur d'oxydation, il est possible d'oxyder des composants oxydables du gaz d'échappement quittant le catalyseur de NOx. Il peut s'agir en particulier d'un produit réactif excédentaire ou d'une composante de celui-ci ou d'un produit intermédiaire de la réaction du produit réactif avec les dioxydes d'azote. Lors de l'utilisation d'ammoniaque ou d'urée en tant que produit réactif, il est ainsi possible d'éviter des émissions d'ammoniaque non transformé.
D'autres composantes des gaz d'échappement, telles que des hydrocarbures non entièrement brûlés, du monoxyde de carbone ou des matières similaires, peuvent en outre être oxydées.
De préférence, un échangeur thermique est placé entre le catalyseur de NOx et l'électrofiltre pour la réduction de la température des gaz d'échappement. De préférence, l'échangeur thermique est disposé entre le catalyseur d'oxydation et l'électrofiltre et relié à ces derniers par la technique des fluides. De manière particulièrement préférée, l'échangeur thermique est placé directement en amont de l'électrofiltre de telle sorte que les gaz d'échappement quittant l'échangeur thermique soient directement conduits à l'orifice d'admission de gaz de l'électrofiltre. Une exploitation de l'installation d'épuration des gaz d'échappement avec un apport d'énergie particulièrement faible et une
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épuration des gaz d'échappement particulièrement efficace est ainsi possible.
En variante, l'électrofiltre est placé en amont du catalyseur de NOx dans le sens d'écoulement et l'échangeur thermique, en aval du catalyseur de NOx.
De manière particulièrement préférée, l'électrofiltre, le catalyseur de NOx, le catalyseur d'oxydation et l'échangeur thermique sont montés les uns derrière les autres dans l'ordre cité, dans le sens d'écoulement du gaz d'échappement, disposés de préférence toujours directement les uns derrière les autres de telle sorte que le gaz d'échappement à épurer soit amené vers les dispositifs cités les uns après les autres directement.
Selon un mode de réalisation alternatif préféré, le catalyseur de NOx, le catalyseur d'oxydation, l'échangeur thermique et l'électrofiltre sont montés les uns derrière les autres dans l'ordre cité, dans le sens d'écoulement du gaz d'échappement, disposés de préférence toujours directement les uns derrière les autres de telle sorte que le gaz d'échappement à épurer soit amené vers les dispositifs cités les uns après les autres directement.
Une installation d'épuration des gaz d'échappement avec filtre électrique, également, apporte déjà des avantages particuliers, installation qui, en partant des modes de réalisation décrits, ne comprend aucun catalyseur de NOx et/ou catalyseur d'oxydation.
L'électrofiltre peut à ce sujet être placé en amont ou en aval d'un échangeur thermique dans le sens d'écoulement des gaz d'échappement. Le cas échéant,
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pour chacune des variantes citées, il est possible de disposer un catalyseur d'oxydation en amont de l'échangeur thermique dans le sens d'écoulement.
L'électrofiltre peut être disposé ici aussi directement derrière le moteur à combustion interne.
Comme catalyseurs de NOx, on peut utiliser différents catalyseurs connus, par exemple des catalyseurs de NOx à accumulation dans lesquels, à partir des oxydes d'azote, par transformation catalytique avec un matériau d'accumulation, tel que par exemple de l'hydrogénocarbonate de baryum, les oxydes d'azote sont combinés par la transformation dans d'autres combinaisons telles que des nitrates, par exemple. D'autres substances absorbantes peuvent être par exemple des oxydes de calcium, magnésium, baryum ou zirconium. Le fluide accumulateur doit être régulièrement régénéré à des températures plus élevées, par exemple à plus de 650 C. On peut utiliser, comme composante catalytique, des métaux précieux tels que le platine ou le rhodium.
De préférence, le catalyseur de NOx est un catalyseur SCR dans lequel la transformation des oxydes d'azote en d'autres matières moins inquiétantes du point de vue écologique a lieu dans une réduction catalytique sélective. Les oxydes d'azote contenus dans le gaz d'échappement peuvent, par exemple, être transformés sur des catalyseurs adaptés par l'ajout d'ammoniaque en présence d'oxygène avec formation d'oxyde d'azote et d'eau. En tant que moyen de réduction, on peut notamment utiliser aussi de l'urée, en particulier sous la forme d'une solution urique
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aqueuse (par exemple avec une teneur en urée allant de 20 à 60% en poids ou de 30 à 50% en poids, en particulier environ 40% en poids) ou sous une forme solide également ou le cas échéant d'hydrocarbure également à la place ou en plus de l'ammoniaque.
De tels hydrocarbures peuvent le cas échéant également être fournis par le combustible du moteur à combustion interne, par exemple le diesel ou une huile végétale.
Divers types de catalyseur peuvent être utilisés, par exemple des catalyseurs avec un substrat revêtu d'un matériau à effet catalytique. De préférence, on utilise des catalyseurs à contact complet SCR dans lesquels le catalyseur est entièrement constitué d'un matériau actif. Les composantes actives peuvent être, par exemple, du Ti02, W03, V2O5 ou d'autres matériaux qui contiennent par exemple du CuO ou du Mn02. Les matériaux sont alors transformés d'une manière connue en une matière à mouler extrudable à partir de laquelle l'élément de catalyseur est fabriqué. Le produit réactif pour la transformation des oxydes d'azote peut, lors d'une température de gaz d'échappement située entre 230 et 250 C environ ou plus élevée, être injecté dans les gaz d'échappement brûlants.
Lors de l'utilisation d'une solution urique aqueuse en tant que produit réactif, l'urée se décompose en ammoniaque et en dioxyde de carbone, en réagissant partiellement avec de la vapeur d'eau, avec formation de produits intermédiaires. Les produits intermédiaires, tels que l'acide cyanique ou l'ammoniaque produit, peuvent réagir avec le NOx en formant de l'azote et de la vapeur d'eau. La
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température de travail la plus favorable du catalyseur SCR se situe entre environ 375 C et environ 475 C. Le catalyseur SCR peut, par exemple, fonctionner dans une plage de température située entre environ 375 C et environ 425 C.
L'installation d'épuration des gaz d'échappement conforme à l'invention peut, en particulier avec l'utilisation de l'électrofiltre, être conçue de telle sorte que les gaz d'échappement soient épurés jusqu'à une teneur particulaire inférieure ou égale à 25 mg/Nm3 sec pour 5% en volume d'oxygène (Nm3 . mètre cube à l'état normal dans des conditions standard (NTP)), de préférence inférieure ou égale à 15 ou inférieure ou égale à 10 mg/Nm3sec.
L'installation d'épuration des gaz d'échappement conforme à l'invention peut être conçue en particulier pour une quantité de gaz d'échappement en exploitation en charge nominale allant de 500 à 50 000, par exemple allant de 1000 à 30 000 Bm3/hhumide (Bm3 . mètre cube de service) ou fonctionner avec une telle quantité de gaz d'échappement sans y être limitée. Notamment, l'installation d'épuration des gaz d'échappement peut être conçue pour une quantité de gaz d'échappement allant de 3000 à 10 000 Bm3/hhumide, en particulier 10 000 Bm3/hhumide environ, ou fonctionner avec celle-ci, ce qui se rapporte respectivement à l'exploitation en charge nominale moyenne.
L'installation peut toutefois aussi être conçue pour des quantités de gaz d'échappement supérieures ou inférieures, le cas échéant.
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Il est entendu que les moteurs à combustion interne peuvent aussi être des moteurs automobiles ou d'autres moteurs diesel par exemple, en particulier des moteurs de bateau, y compris les moteurs se trouvant sur des bateaux.
Une telle installation d'épuration des gaz d'échappement s'est avérée particulièrement avantageuse en combinaison avec un moteur à combustion interne, par exemple avec un moteur diesel, lequel fonctionne avec une huile végétale, une graisse végétale et/ou une graisse animale, y compris des graisses ou huiles usagées respectivement. En même temps ou indépendamment de cela, le moteur peut également fonctionner au moyen d'un combustible liquide fossile. Il est entendu que le combustible respectif, en particulier de l'huile ou de la graisse, est conduit sous une forme liquide vers le moteur à combustion interne et peut aussi être entièrement ou partiellement solide à température ambiante ou à des températures inférieures.
L'installation d'épuration des gaz d'échappement conforme à l'invention a particulièrement fait ses preuves pour de tels combustibles.
Le moteur à combustion interne cité peut, avec l'utilisation d'une installation d'épuration des gaz d'échappement conforme à l'invention, fonctionner en particulier à une température de gaz d'échappement, au niveau de l'orifice de sortie du moteur à combustion interne, inférieure ou égale à 400 C, en particulier inférieure ou égale à 390 C ou 380 C, de manière spéciale aussi à une température de gaz d'échappement inférieure ou égale à 360 C, de préférence à une
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température supérieure à 360 C mais aussi à une température supérieure à 400 C.
Du fait des températures de gaz d'échappement comparativement faibles, l'utilisation de filtres à suie traditionnels avec des éléments de filtrage poreux s'accompagne de grandes difficultés ou n'est pas possible étant donné que, notamment, une régénération des filtres par un brûlage libre est rendue difficile.
L'invention est décrite ci-après à titre d'exemple et expliquée au moyen de la figure à titre d'exemple.
Sur la figure, une installation d'épuration des gaz d'échappement conforme à l'invention est représentée en combinaison avec un moteur à combustion interne 1. L'installation d'épuration des gaz d'échappement 2 comprend un orifice d'admission des gaz d'échappement 3 relié à l'orifice de sortie des gaz d'échappement du moteur à combustion interne, sachant que les gaz d'échappement sont conduits via une conduite d'écoulement 4 vers un catalyseur de NOx 5 et un catalyseur d'oxydation 6 placé en aval de celui-ci dans le sens d'écoulement (flèches). Le catalyseur de NOx 5 et le catalyseur d'oxydation 6 sont directement disposés l'un derrière l'autre et peuvent être disposés dans le même boîtier ou dans des boîtiers différents.
En outre, dans le sens d'écoulement, après le catalyseur d'oxydation 6 est prévu un échangeur thermique 7, sachant que celui-ci est disposé, d'après l'exemple de réalisation, directement derrière le catalyseur d'oxydation. Les gaz d'échappement (flèche) refroidis quittant l'échangeur thermique 7 sont ensuite conduits vers un électrofiltre 8 qui peut notamment
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être disposé directement derrière l'échangeur thermique.
L'électrofiltre est actionné par une composante à haute tension 9. Ensuite, les gaz d'échappement sont évacués dans l'environnement par le biais d'un silencieux 10 et d'une cheminée 11.
Grâce à la disposition de l'électrofiltre, les gaz d'échappement du moteur à combustion interne sont très efficacement débarrassés des particules, en particulier de la suie, sachant que les conditions opératoires du moteur à carburant sont sélectionnées de manière pratiquement indépendante de l'électrofiltre et peuvent, par exemple, être exploitées en ce qui concerne le rendement du moteur. En outre, l'électrofiltre est placé en aval de l'échangeur thermique de telle sorte que des pertes de chaleur puissent être minimisées et que l'installation d'épuration puisse être exploitée avec un faible apport d'énergie. La température du gaz d'échappement conduit vers le filtre ne doit plus être adaptée comme c'est le cas pour les installations traditionnelles en ce qui concerne une régénération du filtre par le brûlage libre.
Conformément à l'exemple de réalisation, le catalyseur de NOx est un catalyseur SCR, sachant que l'on utilise une solution urique aqueuse (40 % en poids) en tant que produit réactif pour la transformation des oxydes d'azote. La solution urique est injectée dans le flux de gaz d'échappement au moyen d'une buse pour produit réactif 12 et d'un système de dosage 13.
L'injection du produit réactif peut être régulée par définition des réseaux de caractéristiques en fonction de la puissance existante du moteur à combustion
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interne et/ou de l'émission de NOx ou généralement en fonction de la composition des gaz d'échappement ou en fonction d'autres paramètres. Le système de dosage prélève le produit réactif à partir d'un réservoir de stockage du produit réactif 14 par le biais d'une pompe 15, sachant que le réservoir de stockage peut être alimenté en produit réactif par le biais d'un plus grand bac de stockage (non représenté).
Le produit réactif injecté est ensuite mélangé de manière homogène au gaz d'échappement par le biais d'un ou de plusieurs mélangeurs 16 qui peuvent être réalisés sous la forme de mélangeurs statiques. Les conduites transportant les gaz d'échappement du système d'épuration des gaz d'échappement, qui sont placées après la buse du produit réactif dans le sens d'écoulement, peuvent à ce sujet également servir de section de thermolyse dans laquelle le produit réactif, par exemple de l'urée, est partiellement ou entièrement thermolysé et, à cette occasion, la composante réactive est libérée pour la transformation des oxydes d'azote dans le catalyseur de NOx. Dans le cas de l'urée, cette composante réactive est de l'ammoniaque.
Le mélange gazeux des gaz d'échappement avec le produit réactif pénètre ensuite dans le catalyseur de NOx dont la température de travail la plus favorable peut se situer entre 375 C et 475 C, également en dessous de 375 C, le cas échéant. La température maximale de fonctionnement continu du catalyseur peut s'élever à 500 C, des brèves températures de pointe supérieures à 500 C sont possibles.
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L'injection du produit réactif, tel que par exemple une solution urique, a lieu sous air comprimé, moyen par lequel le produit réactif est réparti en un aérosol, ce qui se produit de préférence au centre du flux brûlant de gaz d'échappement. L'air comprimé permet en outre de refroidir la conduite d'amenée du produit réactif, ce qui empêche une évaporation de la solution et ainsi une obstruction de la conduite. Un dosage plus précis, en particulier pour l'obtention de teneurs plus faibles en NOx ou également en SO2, est possible par une mesure en ligne des émissions de NOx après le catalyseur, par exemple dans la cheminée, et l'utilisation de la valeur mesurée en tant grandeur réglée dans un dispositif de commande associé.
Les composantes du gaz d'échappement oxydables, quittant le catalyseur de NOx, sont entièrement oxydées par le catalyseur d'oxydation 6. Cela concerne en particulier l'ammoniaque quittant le catalyseur de NOx en raison d'un surdosage du produit réactif, lequel peut être du gaz ammoniaque ou de l'urée. Il est ainsi possible d'exploiter l'installation avec un rapport feed élevé (rapport molaire du produit réactif affluant dans le catalyseur de NOx relativement au NOx) s'élevant à peu près à 1. Il est ainsi possible, par exemple, d'utiliser de l'ammoniaque en tant que produit réactif. Dans le cas de l'urée, le rapport feed s'élève généralement à 0,5.
L'injection du produit réactif (par exemple, d'une solution urique aqueuse) peut avoir lieu avec définition des réseaux de caractéristiques. L'injection peut se faire notamment lorsque la température des gaz
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d'échappement, derrière le catalyseur, est de 250 C ou supérieure.
Le gaz d'échappement est refroidi dans l'échangeur thermique placé en aval du catalyseur d'oxydation, par exemple, à une température de gaz d'échappement allant jusqu'à 200 C ou jusqu'à 150 C, de préférence jusqu'à 100 C ou toujours inférieure, par exemple jusqu'à 75 C sans y être limité. La chaleur produite dans l'échangeur thermique peut être utilisée d'une autre façon.
Les numéros de référence 8a, 9a indiquent un mode de réalisation alternatif, particulièrement préféré, dans lequel l'électrofiltre 8a avec la composante à haute tension 9a est disposé entre le moteur à combustion interne 1 et le catalyseur de NOx 5, au lieu de l'être derrière le catalyseur d'oxydation, comme c'est montré sur la figure. Ainsi, les catalyseurs seront beaucoup moins chargés en particules, suie et inhibiteurs de catalyseur. La disposition des composantes de l'installation d'épuration peut rester du reste inchangée ou être modifiée selon les diverses modifications décrites ici. L'électrofiltre peut en particulier être disposé directement derrière le moteur.
Du gaz d'échappement refroidi est ainsi conduit vers l'électrofiltre 8, sachant que les particules contenues dans le gaz d'échappement, telles que la suite, en particulier, sont éliminées. Comme électrofiltre, on peut utiliser n'importe quel électrofiltre conventionnel adapté. Le chargement électrostatique des particules contenues dans le gaz d'échappement peut se faire au moyen d'électrodes
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d'émission spéciales, lesquelles produisent une décharge en effet de couronne pour l'ionisation du gaz et pour le chargement électrostatique des particules de poussière.
La séparation des particules à charge négative peut avoir lieu sur les électrodes de dépôt à polarisation positive et mises à la terre, sachant que les particules sont éliminées des électrodes à partir de la chambre de séparation traversée, au moyen de dispositifs adaptés tels que, par exemple, au moyen de petits marteaux et peuvent être éliminées du filtre par des dispositifs adaptés tels que des vis d'évacuation.
La teneur en particules ou en poussière dans le flux de gaz d'échappement, quittant l'électrofiltre, peut s'élever à environ 10 mg/Nm3 sec pour 5% en volume d'oxygène.
L'installation d'épuration des gaz d'échappement peut être conçue pour une quantité de gaz de combustion de 10 000 Bm3/hhumide par exemple.
En particulier lors de la combustion d'huiles végétales, telles que des huiles usagées par exemple, pour leur utilisation, les gaz d'échappement peuvent être très efficacement débarrassés de particules telles que la suie au moyen de l'installation d'épuration des gaz conforme à l'invention mais aussi pour des graisses végétales ou animales ou des combustibles liquides fossiles ou des matières similaires.
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LISTE DES NUMEROS DE REFERENCE 1 Moteur à combustion interne 2 Installation d'épuration des gaz d'échappement 3 Orifice d'admission des gaz d'échappement 4 Conduite d'écoulement 5 Catalyseur de NOx 6 Catalyseur d'oxydation 7 Échangeur thermique 8 Filtre électrique 8a Filtre électrique (variante) 9 Composante à haute tension 9a Composante à haute tension (variante) 10 Silencieux 11 Cheminée 12 Buse du produit réactif 13 Système de dosage 14 Réservoir de stockage du produit réactif 15 Pompe 16 Mélangeur
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EXHAUST GAS PURIFYING INSTALLATION FOR
COMBUSTION ENGINES AND PROCESS FOR PURIFYING GASES
EXHAUST
The present invention relates to an exhaust gas purification plant for the purification of exhaust gas from internal combustion engines, the exhaust gas purification system comprising an intake port of exhaust gas for introducing the exhaust gases of an internal combustion engine and a NOx catalyst for the catalytic conversion of NOx gas and a soot filter. The invention further relates to an exhaust gas purification plant with a soot filter in combination with an internal combustion engine and an exhaust gas cleaning method.
A multitude of exhaust gas purification plants of this type are known for internal combustion engines. In this regard, the internal combustion engines most often exhaust exhaust at a temperature at the outlet of the internal combustion engine, less than or equal to 400 C, so at comparatively low temperatures. Such internal combustion engines operate most often with organic fuels such as vegetable oils, which also include used food oils.
Such used food oils are produced during the manufacture of foodstuffs such as during frying, for example.
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Increasing demands are being made from such exhaust cleaning plants for the levels of harmful substances, particularly with regard to the dust or particulate content of the exhaust gas. As particulate or soot filters, conventional particle filters with filter elements which have a sufficient pore size for the separation of the soot have been used until now, since regeneration occurs. filter by free burning where the soot is heated to such high temperatures that it is converted into carbon monoxide and / or carbon dioxide. The action of such filters is however limited.
In particular, it is not possible to operate such filters without taking into account the temperature of the exhaust gases of the internal combustion engine, since, at a temperature of exhaust gas that is too low, a regeneration of the filter n is no longer possible or is only possible by means of additional energy-consuming heating.
It is therefore an object of the present invention to provide an exhaust gas purification plant for the purification of exhaust gases of internal combustion engines, which can considerably reduce the content of particles or particles. exhaust gas, even for low exhaust gas temperatures of the internal combustion engine. The present invention furthermore
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for the purpose of providing a corresponding process for cleaning the exhaust gases of internal combustion engines.
The object is achieved according to the invention by an exhaust purification plant in which a particulate filter or in soot, in the form of an electrostatic filter by means of which it is possible to eliminate the particulate components of at least partially or as completely as possible, is placed upstream or downstream of a NOx catalyst. Such an electric filter makes it possible to reduce the soot content of the combustion gases emitted with respect to conventional particulate filters with porous filter elements, and the mode of action of the electrostatic precipitator is essentially independent of the temperature of the gases. exhaust of the internal combustion engine and thus the temperature of the exhaust gas at the inlet of the soot filter.
In this way, regardless of the operating mode of the internal combustion engine, a very efficient purification of the exhaust gas is possible from the point of view of the entrained particles, in particular soot. The operating conditions of the engine can thus be modulated over wide ranges compared to conventional exhaust purification plants comprising pore filters, for example with regard to the maximum efficiency of the engine, since, for the pore filters, the highest possible exhaust gas temperature is desired, at least for the free burning of the filter.
In addition, on the
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base of the electrofilter used according to the invention, it is possible to use with flexibility the other devices of the exhaust gas cleaning plant, such as other catalysts or heat exchangers, independently of the soot filter and thus optimize the exhaust gas purification plant with regard to its performance or operating conditions, such as energy consumption or the need for maintenance of the installation. In addition, only a very low exhaust gas pressure is produced by the electric filter, compared to soot filters traditionally used in corresponding systems, particularly in connection with diesel engines.
The installation according to the invention or the combination of the internal combustion engine with electric filter thus also has advantages at higher temperatures, for example> 400 C.
If the electrostatic precipitator is placed downstream of the NOx catalyst, a smaller dimensioning of the exhaust gas purification plant is possible. If the electrofilter is placed upstream of the NOx catalyst, for example if it is arranged directly behind the internal combustion engine, that is to say placed upstream of all the other components of the purification plant the following components, in particular the catalysts, are less affected by the dust and soot of the exhaust gases. The components, in particular the catalysts, can thus have a shelf life
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or much higher use. In addition, the electrostatic precipitator simultaneously eliminates catalyst inhibitors out of the exhaust gas.
The engine fuel can be any liquid or gaseous fuel.
The NOx catalyst can be directly placed downstream of the internal combustion engine, it is particularly preferably an injection of a reactive product for the transformation of nitrogen oxides directly behind the internal combustion engine, knowing that between the nozzle of the reactive product and the NOx catalyst, preferably at least one mixer is provided for mixing the reactive product with the exhaust gas to be purified. The mixer can be configured as a static mixer. Alternatively, the NOx catalyst can be directly placed downstream of the electrofilter.
Preferably, an oxidation catalyst is placed between the NOx catalyst and the electrofilter so that the exhaust gases to be purified are fed to the electrofilter from the internal combustion engine via the NOx catalyst. and the oxidation catalyst. It is understood that, if necessary, other devices can be arranged between the various devices mentioned. Preferably, the NOx catalyst and the oxidation catalyst are mounted directly one behind the other, where appropriate, they can also be arranged in a common housing.
Alternatively, it is possible to place the electrofilter downstream of the internal combustion engine,
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to mount it directly downstream preferably, and to place it upstream of the NOx catalyst, knowing that the oxidation catalyst is placed downstream of the NOx catalyst, mounted directly downstream preferably.
With the oxidation catalyst it is possible to oxidize oxidizable components of the exhaust gas leaving the NOx catalyst. It may be in particular an excess reactive product or a component thereof or an intermediate product of the reaction of the product reactive with nitrogen dioxides. When using ammonia or urea as a reactive product, it is possible to avoid emissions of unprocessed ammonia.
Other components of the exhaust gas, such as non-fully burned hydrocarbons, carbon monoxide or similar materials, can be further oxidized.
Preferably, a heat exchanger is placed between the NOx catalyst and the electrostatic precipitator to reduce the temperature of the exhaust gas. Preferably, the heat exchanger is disposed between the oxidation catalyst and the electrofilter and connected thereto by the fluid technique. In a particularly preferred manner, the heat exchanger is placed directly upstream of the electrofilter such that the exhaust gases leaving the heat exchanger are directly led to the gas inlet of the electrofilter. An operation of the exhaust gas cleaning plant with a particularly low energy input and a
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Exhaust gas cleaning is particularly effective.
Alternatively, the electrofilter is placed upstream of the NOx catalyst in the flow direction and the heat exchanger downstream of the NOx catalyst.
In a particularly preferred manner, the electrofilter, the NOx catalyst, the oxidation catalyst and the heat exchanger are mounted one behind the other in the order mentioned, in the direction of flow of the exhaust gas, arranged preferably always directly behind each other so that the exhaust gas to be purified is fed to the devices listed one after the other directly.
According to a preferred alternative embodiment, the NOx catalyst, the oxidation catalyst, the heat exchanger and the electrostatic precipitator are mounted one behind the other in the order cited, in the direction of flow of the gas. exhaust, preferably always arranged directly behind each other so that the exhaust gas to be purified is brought to the devices mentioned one after the other directly.
An exhaust gas purification plant with electric filter, also, already brings specific advantages, installation which, starting from the embodiments described, does not include any NOx catalyst and / or oxidation catalyst.
In this regard, the electrofilter can be placed upstream or downstream of a heat exchanger in the direction of flow of the exhaust gas. Where appropriate,
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for each of the variants mentioned, it is possible to have an oxidation catalyst upstream of the heat exchanger in the direction of flow.
The electrostatic filter can be arranged here also directly behind the internal combustion engine.
As NOx catalysts, various known catalysts can be used, for example storage NOx catalysts in which, starting from the nitrogen oxides, by catalytic conversion with an accumulation material, such as, for example, hydrogen carbonate. barium, nitrogen oxides are combined by transformation into other combinations such as nitrates, for example. Other absorbing substances may be, for example, oxides of calcium, magnesium, barium or zirconium. The accumulating fluid must be regularly regenerated at higher temperatures, for example at more than 650 ° C. Precious metals such as platinum or rhodium can be used as the catalytic component.
Preferably, the NOx catalyst is an SCR catalyst in which the conversion of nitrogen oxides to other less ecologically disturbing materials takes place in a selective catalytic reduction. The nitrogen oxides contained in the exhaust gas may, for example, be converted to suitable catalysts by the addition of ammonia in the presence of oxygen with formation of nitrogen oxide and water. As a means of reduction, it is also possible to use urea, in particular in the form of a uric solution.
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aqueous (for example with a urea content ranging from 20 to 60% by weight or from 30 to 50% by weight, in particular about 40% by weight) or in solid form also or, where appropriate, also from hydrocarbon place or in addition to ammonia.
Such hydrocarbons may optionally also be provided by the fuel of the internal combustion engine, for example diesel or a vegetable oil.
Various types of catalyst can be used, for example catalysts with a substrate coated with a catalytic material. SCR full contact catalysts are preferably used in which the catalyst consists entirely of an active material. The active components may be, for example, TiO 2, WO 3, V 2 O 5 or other materials which contain, for example, CuO or MnO 2. The materials are then processed in a known manner into an extrudable molding material from which the catalyst element is made. The reactive product for the conversion of nitrogen oxides can, at an exhaust gas temperature of between 230 and 250 C or higher, be injected into the hot exhaust gas.
When using an aqueous uric solution as a reactive product, the urea decomposes into ammonia and carbon dioxide, partially reacting with water vapor, forming intermediates. Intermediates, such as cyanic acid or produced ammonia, can react with NOx to form nitrogen and water vapor. The
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The most favorable working temperature of the SCR catalyst is between about 375 ° C. and about 475 ° C. The SCR catalyst can, for example, operate in a temperature range between about 375 ° C. and about 425 ° C.
The exhaust gas purification plant according to the invention can, in particular with the use of the electrostatic precipitator, be designed in such a way that the exhaust gases are purified to a lower particulate content or equal to 25 mg / Nm3 sec for 5% by volume of oxygen (Nm3 standard cubic meter under standard conditions (NTP)), preferably less than or equal to 15 or less than or equal to 10 mg / Nm3sec .
The exhaust gas purification system according to the invention can be designed in particular for a quantity of exhaust gas operating at nominal load ranging from 500 to 50,000, for example ranging from 1000 to 30,000 Bm3. or wet (Bm3 cubic meter of service) or operate with such an amount of exhaust gas without being limited thereto. In particular, the exhaust gas purification system may be designed for an amount of exhaust gas ranging from 3000 to 10,000 Bm3 / wet, in particular approximately 10,000 Bm3 / wet, or operate therewith, which relates respectively to the exploitation in average nominal load.
However, the system may also be designed for higher or lower amounts of exhaust gas, if applicable.
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It is understood that internal combustion engines may also be automobile engines or other diesel engines for example, in particular boat engines, including engines on boats.
Such an exhaust purification plant has proved particularly advantageous in combination with an internal combustion engine, for example with a diesel engine, which operates with a vegetable oil, a vegetable fat and / or an animal fat, including used greases or oils respectively. At the same time or independently of this, the engine can also operate using a fossil fuel liquid. It is understood that the respective fuel, in particular oil or grease, is conducted in a liquid form to the internal combustion engine and may also be wholly or partially solid at ambient temperature or at lower temperatures.
The exhaust gas purification plant according to the invention has been particularly proven for such fuels.
The cited internal combustion engine can, with the use of an exhaust gas purification plant according to the invention, operate in particular at an exhaust gas temperature, at the outlet orifice of the internal combustion engine, less than or equal to 400 ° C., in particular less than or equal to 390 ° C. or 380 ° C., and also to an exhaust gas temperature of less than or equal to 360 ° C., preferably at least
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temperature above 360 C but also at a temperature above 400 C.
Due to the comparatively low exhaust gas temperatures, the use of conventional soot filters with porous filter elements is difficult or not possible since, in particular, regeneration of the filters by a filter is difficult. free burning is made difficult.
The invention is described below by way of example and explained by means of the figure by way of example.
In the figure, an exhaust gas purification plant according to the invention is shown in combination with an internal combustion engine 1. The exhaust gas purification system 2 comprises an intake port of the exhaust gas 3 connected to the exhaust port of the exhaust of the internal combustion engine, knowing that the exhaust gas is conducted via a flow line 4 to a NOx catalyst 5 and a catalyst of oxidation 6 placed downstream thereof in the direction of flow (arrows). The NOx catalyst 5 and the oxidation catalyst 6 are directly arranged one behind the other and can be arranged in the same housing or in different housings.
Furthermore, in the direction of flow, after the oxidation catalyst 6 is provided a heat exchanger 7, knowing that it is arranged, according to the embodiment, directly behind the oxidation catalyst. The exhaust gases (arrow) cooled leaving the heat exchanger 7 are then led to an electrostatic precipitator 8 which can in particular
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be placed directly behind the heat exchanger.
The electrostatic precipitator is actuated by a high voltage component 9. Then, the exhaust gases are discharged into the environment via a silencer 10 and a chimney 11.
Thanks to the arrangement of the electrostatic precipitator, the exhaust gases of the internal combustion engine are very efficiently freed of particles, in particular soot, knowing that the operating conditions of the fuel engine are selected substantially independently of the electrofilter and can, for example, be exploited with regard to the efficiency of the engine. In addition, the electrofilter is placed downstream of the heat exchanger so that heat losses can be minimized and the purification plant can be operated with a low energy input. The temperature of the exhaust gas to the filter should no longer be adapted as is the case for traditional installations with regard to regeneration of the filter by free burning.
According to the exemplary embodiment, the NOx catalyst is an SCR catalyst, with the use of an aqueous uric solution (40% by weight) as a reactive product for the conversion of nitrogen oxides. The uric solution is injected into the exhaust stream by means of a reagent nozzle 12 and a metering system 13.
The injection of the reactive product can be regulated by definition of the characteristic networks according to the existing power of the combustion engine
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internal and / or NOx emission or generally depending on the composition of the exhaust gas or depending on other parameters. The metering system removes the reagent product from a storage tank of the reagent product 14 via a pump 15, knowing that the storage tank can be fed with reagent product through a larger container. storage (not shown).
The injected reactive product is then homogeneously mixed with the exhaust gas via one or more mixers 16 which may be in the form of static mixers. The pipes carrying the exhaust gases of the exhaust gas purification system, which are placed after the nozzle of the reactive product in the direction of flow, can also be used as a thermolysis section in which the reactive product , for example urea, is partially or completely thermolysed and, on this occasion, the reactive component is released for the transformation of nitrogen oxides in the NOx catalyst. In the case of urea, this reactive component is ammonia.
The gaseous mixture of the exhaust gas with the reactive product then enters the NOx catalyst whose most favorable working temperature can be between 375 C and 475 C, also below 375 C, as appropriate. The maximum continuous operating temperature of the catalyst can be up to 500 ° C., short peak temperatures above 500 ° C. are possible.
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The injection of the reactive product, such as for example a uric solution, takes place under compressed air, whereby the reaction product is distributed in an aerosol, which preferably occurs in the center of the exhaust gas flue. The compressed air furthermore makes it possible to cool the supply duct of the reactive product, which prevents evaporation of the solution and thus obstruction of the pipe. More accurate dosing, especially for lower NOx or SO2 levels, is possible by measuring NOx emissions after the catalyst, for example in the stack, and using the value measured as a regulated quantity in an associated control device.
The components of the oxidizable exhaust gas leaving the NOx catalyst are completely oxidized by the oxidation catalyst 6. This concerns in particular the ammonia leaving the NOx catalyst due to an overdose of the reactive product, which can be ammonia gas or urea. It is thus possible to operate the plant with a high feed ratio (molar ratio of the reactive product flowing into the NOx catalyst relative to NOx) amounting to approximately 1. It is thus possible, for example, to use ammonia as a reactive product. In the case of urea, the feed ratio is usually 0.5.
The injection of the reactive product (for example, an aqueous uric solution) can take place with definition of the characteristic networks. The injection can be done especially when the temperature of the gases
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Exhaust, behind the catalyst, is 250 C or higher.
The exhaust gas is cooled in the heat exchanger placed downstream of the oxidation catalyst, for example at an exhaust gas temperature of up to 200 ° C. or up to 150 ° C., preferably up to 200 ° C. 100 C or always lower, for example up to 75 C without being limited. The heat produced in the heat exchanger can be used in another way.
Reference numerals 8a, 9a indicate an alternative embodiment, particularly preferred, wherein the electrostatic filter 8a with the high voltage component 9a is disposed between the internal combustion engine 1 and the NOx catalyst 5, instead of Be behind the oxidation catalyst, as shown in the figure. Thus, the catalysts will be much less loaded with particles, soot and catalyst inhibitors. The arrangement of the components of the purification plant may remain unchanged or be modified according to the various modifications described here. The electrostatic filter can in particular be arranged directly behind the engine.
Cooled exhaust gas is thus led to the electrofilter 8, knowing that the particles contained in the exhaust gas, such as following, in particular, are removed. As electrostatic precipitator, any suitable conventional electrofilter can be used. The electrostatic charge of the particles contained in the exhaust gas can be done by means of electrodes
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special emissions, which produce a corona discharge for the ionization of the gas and for the electrostatic charging of the dust particles.
The negatively charged particles can be separated on the positively polarized deposition electrodes and grounded, knowing that the particles are removed from the electrodes from the traversing separation chamber by means of suitable devices such as, for example, for example, by means of small hammers and can be removed from the filter by suitable devices such as evacuation screws.
The particulate or dust content in the exhaust gas stream leaving the electrostatic precipitator can be as high as about 10 mg / Nm3 sec for 5 vol.% Oxygen.
The exhaust gas purification plant can be designed for a quantity of combustion gas of 10 000 Bm3 / wet for example.
In particular, when burning vegetable oils, such as waste oils for example, for their use, the exhaust gases can be very efficiently freed of particles such as soot by means of the gas cleaning plant. according to the invention but also for vegetable or animal fats or fossil liquid fuels or similar materials.
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LIST OF REFERENCE NUMBERS 1 Internal combustion engine 2 Exhaust gas cleaning system 3 Exhaust gas inlet 4 Flow pipe 5 NOx catalyst 6 Oxidation catalyst 7 Heat exchanger 8 Electric filter 8a Electrical filter (variant) 9 High-voltage component 9a High-voltage component (variant) 10 Silencer 11 Chimney 12 Reagent nozzle 13 Dosing system 14 Reagent tank 15 Pump 16 Mixer