CN111094710B - 对来自内燃机的有害物质的利用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及对内燃机中形成的氮氧化物的利用。提出一种系统和一种方法，通过该方法和该系统使氮氧化物被用于制造液态或固态的化学品。

Description

对来自内燃机的有害物质的利用
技术领域
本发明涉及对在内燃机中形成的氮氧化物的利用。提出一种系统和一种方法，利用该系统和方法可以利用氮氧化物来制造液态或固态的化学品。
背景技术
内燃机利用空气燃烧燃料并产生排气。排放标准设定了有害物质(例如NOx)的排放上限。限值会越来越严格。为了减少有害物质的排放，目前使用各种效率措施和轻型结构，以最小化有害物质的产生。还通过高效的排气后处理来减少有害物质排放。
减少有害物质排放的一种措施为吸附性排气后处理，其可以从排气流中去除有害物质，例如NOx。引导排气通过带有吸附材料的单元。最好的情况是，排放物可以100％保留并累积在材料上。如果过滤材料的吸附能力耗尽，则将其更换或再生。
例如，由文献DE 10 2012 208 072 A1已知一种具有颗粒过滤器元件的、用于净化车辆排气的设备。过滤器元件可更换，并在充载足够时更换。
由文献DE 11 2006 001 296 T5已知一种用于内燃机的排气管路。排气管路包括将氮氧化物收集在氮氧化物捕集器中的过滤装置。当达到氮氧化物收集器的容量限值时，使该氮氧化物收集器再生。为此，发动机以富油混合气运行，并且所产生的排气与来自氮氧化物捕集器的氮氧化物一起被转化为氮气和二氧化碳。
文献EP 2 476 473 A1涉及一种用于吸附环境空气中的颗粒和/或用于转化气态有害物质的过滤模块，所述气态有害物质例如在机动车在道路、轨道上运行时产生或在其他燃烧过程中运行时产生。过滤模块从环境空气中过滤掉有害物质，例如小颗粒物、氮氧化物或挥发性碳氢化合物，并将有害物质催化转化为危害较小的化合物。所使用的过滤材料可以更换。
在所述的方法中，或者产生用过的过滤材料的形式的废物，或者在过滤材料的再生时再次释放所吸附的有害物质，或者在转化时形成其他气态有害物质。
发明内容
在这种背景下，本发明的目的是提供一种用于降低内燃机中形成的氮氧化物排放的方法和系统，该方法和系统避免了上述的缺点。
本发明的突出之处在于，在内燃机中形成的氮氧化物(NOx)通过吸附在NOx存储器的吸附材料上而从排气中去除，并且积累在NOx存储器中，在去除充载的NOx存储器之后从该NOx存储器中解吸所述氮氧化物，并将其输送给转化过程。该转化过程使用从吸附材料中解吸的氮氧化物来制造液态或固态的含氮化合物，例如肥料。在氮氧化物解吸后(吸附材料的再生)，该吸附材料可以再次用于氮氧化物的吸附。
本发明涉及一种对内燃机中形成的氮氧化物进行利用的方法。
作为第一步，根据本发明的方法包括：在吸附单元中从内燃机的排气流吸附氮氧化物(NOx)。为此目的，在内燃机运行期间，引导内燃机的排气流通过吸附单元。排气流中包含的氮氧化物(NOx)在吸附单元中被吸附。因此，吸附单元被NOx充载。在该方法的一个实施方式中，该步骤一直被执行，直至达到吸附单元的氮氧化物吸收容量限值。
在一个实施方式中，吸附单元包含能够结合氮氧化物的吸附材料，并且氮氧化物(NOx)被布置在吸附单元中的吸附材料吸附。
在一个实施方式中，吸附材料包括至少一种沸石。原则上，本领域技术人员已知能够吸附氮氧化物的沸石。例子包括ZSM-5、Y沸石和丝光沸石。
在另一个实施方式中，吸附材料包括碱金属氧化物或碱土金属氧化物或碱金属碳酸盐或碱土金属碳酸盐。在一个特殊的实施方式中，吸附材料包括氧化钡，可能情况下与铂和铑结合。
在完成根据本发明的方法的第一步骤之后，特别是在达到吸附单元的容量限值之后，将充载有氮氧化物(NOx)的吸附单元从排气流中移除。然后，使吸附在吸附单元中的已结合的氮氧化物(NOx)解吸，并将氮氧化物(NOx)转化成液态或固态的含氮化合物。
在该方法的一个实施方式中，将充载有氮氧化物(NOx)的吸附单元替换为未充载的吸附单元。在另一个实施方式中，将吸附单元中充载有氮氧化物(NOx)的吸附材料替换为未充载的吸附材料。在另一个实施方式中，充载有NOx的吸附材料在收集点被收集并且在使氮氧化物从吸附材料中解吸之前被暂时存储。
在一个实施方式中，通过加热吸附单元或通过使热的水蒸汽、热气体或液态溶剂——例如水——流过，使氮氧化物从吸附单元解吸。由此，吸附的NOx被转化为气相或液相。
在一个实施方式中，通过用热、热的水蒸汽、热气体或液态溶剂(例如水)处理吸附材料，使氮氧化物从被从吸附单元中取出的充载有NOx的吸附材料解吸。NOx转化为气相或液相，吸附材料保持不变。可能情况下，吸附材料必须先被干燥，然后才能再次用于从排气中去除氮氧化物。解吸和干燥的温度优选为最高200℃。
从吸附单元分离出的NOx被输送以进行进一步的转化。氮氧化物(NOx)反应形成液态或固态的含氮化合物。例如，可以将NOx引入基于NO2的硝酸、硝酸盐或非水溶剂的生产链中。在一个实施方式中，液态或固态的含氮化合物包括硝酸盐、特别是硝酸铵。
根据本发明的方法具有许多优点，特别是它可以有助于减少环境污染和能耗。如果从整个过程来看，空气中的氮会通过内燃机中的转化被氧化成NOx，然后暂时存储在吸附单元中，并在解吸后转化为液态或固态的含氮化合物。
氮氧化物不会进入大气。通过使用根据本发明的方法，可以显着减少带有内燃机的车辆的氮氧化物排放。
形成的反应产物可以被进一步地利用，例如用作肥料。同时，对于必须通过制造NO2来制造产品的情况，可以(利用氮氧化物来)取代NO2。通过在转化反应中取代NO2也节省了能量。
通过根据本发明的方法，内燃机排气中所含的氮氧化物可在工业上被使用，这是因为氮氧化物在解吸后可以以浓缩形式获得，并且不再被其他排气组分稀释。由于在多种工业过程中消耗大量的氮氧化物，因此可以进一步处理从排气中获得的大量的氮氧化物，就是说，几乎可以在任意规模上进行氮循环。
本发明还涉及一种对内燃机中形成的氮氧化物进行利用的系统。该系统包括：吸附单元，其设置用于从内燃机的排气流中吸附氮氧化物；解吸模块，其设置用于使吸附在吸附单元中的氮氧化物从该吸附单元解吸；反应单元，其设置用于将解吸的氮氧化物转化为液态的或固态的含氮化合物。该系统特别适用于实施根据本发明的方法。
该系统包括吸附单元，该吸附单元被设置用于从内燃机的排气流中吸附氮氧化物(NOx)。在一个实施方式中，吸附单元布置在内燃机的排气管路中，使得当内燃机运行时，排气流流过吸附单元。
在一个实施方式中，吸附单元包含被设置为以吸附方式结合氮氧化物(NOx)的吸附材料。在一个特别的实施方式中，吸附材料包括至少一种沸石，例如ZSM-5、Y沸石或丝光沸石。在另一个实施方式中，吸附材料包括碱金属氧化物、碱土金属氧化物、碱金属碳酸盐或碱土金属碳酸盐。在一个特殊的实施方式中，吸附材料包括氧化钡，可能情况下与铂和铑结合。
在一个实施方式中，吸附单元被设计为可更换芯。因此，无需高的成本和破坏就可以很容易地将吸附单元从其在内燃机的排气管路中的位置上移除，并且可以将其更换为另一个类似的芯。
在另一实施方式中，在吸附单元中布置有吸附材料，该吸附单元被设计成，使得吸附单元的充载有氮氧化物(NOx)的吸附材料可以被无破坏地移除，并且可以被未充载的吸附材料替换。例如，吸附单元可以设计成可重复封闭的容器，在打开容器后，例如通过翻开、拧开或通过打开盖或盖板，可以从容器中取出或移除吸附材料。在填装了未充载的吸附材料之后，可以再次关闭吸附单元，然后将其重新安装到内燃机的排气流中。
根据本发明的系统包括解吸模块，该解吸模块被设置用于，使吸附在吸附单元中的氮氧化物从吸附单元解吸。
在一个实施方式中，解吸模块被设置为加热吸附单元或向其输送热的水蒸汽、热气体或液态溶剂，从而使氮氧化物从吸附单元解吸。
在另一个实施方式中，解吸模块被设置用于加热充载有氮氧化物的吸附材料或用热的水蒸气、热气或液态溶剂对其进行处理，从而使氮氧化物从吸附材料解吸。
根据本发明的系统还包括反应单元，该反应单元被设置成，将由解吸模块解吸的氮氧化物转化成液态或固态的含氮化合物。反应单元被设置用于吸收来自解吸模块的含氮氧化物的反应物流，并利用其他反应物对氮氧化物进行转化。在一个实施方式中，反应单元包括用于将氮氧化物转化为硝酸的反应器。在另一个实施方式中，反应单元包括利用氨将硝酸转化为硝酸铵的反应器。
不言而喻，在不脱离本发明的范围的情况下，上述特征以及在下文中将要说明的特征不仅可以在分别指定的组合中应用，还可以以其他组合应用或单独地应用。
附图说明
下面根据实施例示出本发明，并且参考示例和相关附图进一步描述本发明。在此：
图1示出根据本发明的、对内燃机中形成的氮氧化物进行利用的系统的实施方式的示意图。
具体实施方式
图1示意性地示出了根据本发明的系统10的一种实施方式，该系统用于对内燃机11中形成的氮氧化物进行利用。
在所示的实施方式中，内燃机11布置在车辆中。内燃机11的排气流12流过车辆的排气管路。吸附单元13布置在排气管路中，该吸附单元例如是含吸附材料的可更换芯，该吸附单元被设置用于从排气流12中吸附氮氧化物(NOx)。在内燃机11运行期间，在车辆的吸附单元13中对NOx进行吸附。在行驶期间，排气流12流过吸附单元13，该吸附单元包括例如可以通过吸附结合NOx的吸附材料。因此，吸附单元13被NOx充载，并且能够一直吸收NOx，直至达到吸附单元的吸收限值。
吸附单元13最迟在达到吸收限值之后被更换，即，当吸附材料完全NOx饱和时被更换。或者吸附单元13作为整体被更换，或者车辆的吸附单元13中的吸附材料被更换为新的未充载材料。因此，吸附单元13优选地被设计为可更换芯，或者在无需大量组装工作并特别是在不破坏吸附单元13的情况下由未充载的吸附材料替换已充载的材料。
可以在收集点中收集充载有NOx的材料并将其临时存储，以使更多的充载的材料量可用于下一步骤，从而使利用过程更有效。
然后将吸附单元13或其中包含的充载的吸附材料转移至解吸模块14。在解吸模块14中，吸附在吸附单元13中的氮氧化物被解吸。在一个变型中，以热、热的水蒸汽、热气体或液态溶剂(例如水)处理充载有NOx的吸附材料。NOx转化为气相或液相，而吸附材料保持不变。可能情况下，吸附材料在重新使用之前需要被干燥。解吸和干燥应在最高200℃的适当温度下进行处理。分离出的NOx被送入反应单元15，进行进一步转化。
解吸的氮氧化物在反应单元15中被转化为液态或固态的含氮化合物20。例如，可以将NOx引入基于NO2的硝酸、硝酸盐或非水溶剂的生产链中。
在一个变型中，首先在反应单元15中将氮氧化物NOx转化为硝酸HNO3。然后使硝酸与氨NH 3转化形成硝酸铵NH4 NO3，其例如用作氮肥。
附图标记列表：
10 系统
11 内燃机
12 排气流
13 吸附单元
14 解吸模块
15 反应单元
20 反应产物(液态或固态的含氮化合物)

Claims (10)

1.一种对内燃机(11)中形成的氮氧化物进行利用的方法，该方法包括：
在吸附单元(13)中从内燃机的排气流(12)吸附氮氧化物(NOx)，所述吸附单元包含吸附材料，吸附材料包括至少一种沸石；
移除充载有氮氧化物(NOx)的吸附单元或从吸附单元(13)移除吸附材料；
使所吸附的氮氧化物(NOx)从吸附材料解吸；
将氮氧化物(NOx)转化成液态的或固态的含氮化合物(20)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，液态的或固态的含氮化合物(20)包括硝酸盐。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，硝酸盐是硝酸铵。
4.一种对内燃机(11)中形成的氮氧化物进行利用的系统(10)，所述系统包括：
吸附单元(13)，所述吸附单元包含吸附材料，吸附材料包括至少一种沸石，该吸附单元被设置用于从内燃机(11)的排气流(12)吸附氮氧化物(NOx)；
解吸模块(14)，该解吸模块被设置用于使被吸附在吸附单元(13)中的氮氧化物(NOx)从该吸附单元解吸；
反应单元(15)，该反应单元被设置用于将解吸的氮氧化物(NOx)转化为液态的或固态的含氮化合物(20)，
解吸模块(14)和反应单元(15)不与内燃机(11)连接并且不与排气流(12)接触。
5.根据权利要求4所述的系统(10)，其特征在于，吸附单元(13)被设计为可更换芯。
6.根据权利要求4或5所述的系统(10)，其特征在于，吸附单元(13)被设计成，能无损坏地从该吸附单元移除充载有氮氧化物(NOx)的吸附材料并能够被未充载的吸附材料替换。
7.根据权利要求6所述的系统(10)，其特征在于，吸附单元设计成可重复封闭的容器，在打开容器后能够从容器中取出吸附材料。
8.根据权利要求4或5所述的系统(10)，其特征在于，解吸模块(14)被设置用于加热吸附单元(13)或向该吸附单元输送热的水蒸气、热气体或液态溶剂，从而使氮氧化物(NOx)从吸附单元(13)解吸；或者，解吸模块被设置用于加热充载有氮氧化物(NOx)的吸附材料或以热的水蒸气、热气体或液态溶剂处理该吸附材料，从而使氮氧化物(NOx)从吸附材料解吸。
9.根据权利要求4或5所述的系统(10)，其特征在于，反应单元(15)包括用于将氮氧化物转化为硝酸的反应器。
10.根据权利要求9所述的系统(10)，其特征在于，反应单元(15)包括用于利用氨将硝酸转化为硝酸铵的反应器。
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