DE102005039630A1 - Vorrichtung, Reaktor und Verfahren zur Reduzierung von Stickoxyden im Abgasstrom von Verbrennungskraftmaschinen - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, einen Reaktor und ein Verfahren zur Reduktion von Stickoxiden im Abgasstrom (14) von Verbrennungskraftmaschinen (1), insbesondere von Dieselmotoren. Dabei umfasst die Erfindung einen SCR-Katalysator (7), der in den Abgasstrom (14) eingeschaltet ist und in dem die Stickoxide mittels Ammoniak unter Bildung von Stickstoff und Wasser katalytisch reduziert werden. Weiter umfasst die Erfindung eine Einheit zur Erzeugung von Ammoniak aus einer Amonniak abspaltenden Substanz, insbesondere aus Harnstoff (26) oder aus einer wässrigen Harnstofflösung. Die Einheit besitzt einen Vorratsbehälter für die Ammoniak abspaltende Substanz, einen Reaktor (9) mit einem Thermolyseraum (23) zur Gewinnung von Ammoniak aus der Substanz und eine Fördereinrichtung zur Beschickung des Reaktors (9) mit der Substanz aus dem Vorratsbehälter. Dabei wird der erzeugte Ammoniak stromaufwärts des SCR-Katalysators (7) in den Abgasstrom (14) eingeleitet. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die für die Thermolyse benötigte Wärmeenergie durch einen Verbrennungsvorgang bereitgestellt wird. Dazu weist die Erfindung einen Brenner (10) auf, dessen beim Verbrennungsvorgang erzeugte Wärmeenergie in den Thermolyseraum (23) des Reaktors (9) einspeisbar ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, einen Reaktor und ein Verfahren zur Reduktion von Stickoxyden im Abgasstrom von Verbrennungskraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, des Patentanspruchs 25 und des Patentanspruchs 41.
- Eine weltweite Bevölkerungszunahme, fortschreitende Industrialisierung und steigendes Verkehrsaufkommen sind Ursache für die Zunahme von Schadstoffkonzentrationen in der Umgebungsluft. Von besonderer Bedeutung sind in diesem Zusammenhang Stickoxydemissionen, die in großem Maße auf die Verbrennung von Benzin- und Dieselkraftstoffen in Verbrennungskraftmaschinen zurückzuführen sind. Solche Verbrennungskraftmaschinen können stationär angeordnet sein, wie zum Beispiel in Blockheizkraftwerken, oder aber auch mobiler Art, beispielsweise in Kraftfahrzeugen. Stickoxydemissionen tragen unter anderem zu erhöhten Ozonkonzentrationen in Bodennähe bei.
- Um diesen bedenklichen Entwicklungen entgegenzuwirken und aufgrund wiederholter Verschärfung der Schadstoffgrenzwerte durch den Gesetzgeber sind seitens der Industrie stets Anstrengungen unternommen worden, die beim Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen entstehenden Stickoxydkonzentrationen zu verringern. Vielversprechend ist dabei die Anwendung des bereits bekannten SCR-Verfahrens, bei dem dem Abgasstrom Ammoniak zugegeben wird. Dabei reduziert Ammoniak die Stickoxyde unter Bildung von Stickstoff, Kohlendioxyd und Wasser.
- Aufgrund des Gefahrenpotentials, das von Ammoniak ausgeht, ist es bereits bekannt, Ammoniak in der für die Durchführung des SCR-Verfahrens notwendigen Menge durch Thermolyse und Hydrolyse aus ungefährlichem Harnstoff herzustellen. Ein dafür geeignetes Verfahren und geeignete Vorrichtung ist aus der
EP 1 338 562 A1 bekannt, die den Ausgangspunkt für die Erfindung bildet und in der die Grundlagen für die Durchführung der Thermolyse und Hydrolyse von Harnstoff näher erläutert sind. Durch Bezugnahme auf dieses Dokument ist deren Offenbarungsgehalt in vorliegender Anmeldung als mit offenbart anzusehen. - Die
EP 1 338 562 A1 offenbart ein Verfahren zur Gewinnung von Ammoniak, bei dem trockener Harnstoff in einem thermischen Reaktor einer Thermolyse unterzogen wird. Unter Einwirkung von Wärme wird dabei Harnstoff in Ammoniak und Isocyansäure aufgespalten. Das dabei entstehende Gasgemisch wird durch anschließende Hydrolyse weiter chemisch aufbereitet, wobei der Bestandteil Isocyansäure in Gegenwart von Wasser katalytisch in Ammoniak und Kohlendioxyd gespalten wird. Das bei der Thermolyse und Hydrolyse gewonnene Ammoniak wird direkt in den Abgasstrom eines Verbrennungsprozesses eingeleitet und dient dort zur Reduktion der Stickoxyde. - Die in der
EP 1 338 562 A1 beschriebene Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst unter anderem einen thermischen Reaktor mit einer Reaktionskammer, die in einen Thermolyseraum und einen Hydrolysraum unterteilt ist. In dem Thermolyseraum ist ein elektrisches Heizelement angeordnet, das die für die Thermolyse notwendige Wärmeenergie durch Umwandlung elektrischer Energie erzeugt. Mit Hilfe einer Dosiervorrichtung wird trockener Harnstoff in der für die Durchführung des SCR-Verfahrens notwendigen Menge aus einem Vorratsbehälter in den Thermolyseraum des Reaktors eingespeist und dem oben beschriebenen Verfahren unterzogen. Erste Erfahrungen bei der Durchführung des beschriebenen Verfahrens mit der beschriebenen Vorrichtung haben gezeigt, dass dieser Weg sehr vielversprechend ist. - Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das aus der
EP 1 338 562 A1 bekannte Verfahren und die zur Durchführung des Verfahrens bekannte Vorrichtung weiterzuentwickeln. - Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch einen Reaktor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 25 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 41 gelöst.
- Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
- Im Gegensatz zu bekannten Systemen, die eine elektrische Beheizung des Reaktors vorsehen, wird gemäß der Erfindung die zur Durchführung der Thermolyse benötigte Wärmeenergie durch einen Verbrennungsvorgang in einem Brenner bereitgestellt. Die elektrische Energie bekannter Systeme wird im Regelfall von einem vom Verbrennungsmotor angetriebenen Stromgenerator erzeugt, bei Kraftfahrzeugen ist das die Lichtmaschine. Da Verbrennungskraftmaschinen lediglich ein Drittel der dem Kraftstoff innewohnenden Energie in Bewegungsenergie umsetzen, gehen bei dieser Art der Erzeugung von elektrischer Energie zwei Drittel verloren. Im Vergleich dazu wird bei der erfindungsgemäßen Art der Energiebereitstellung der Kraftstoff annähernd zu 100% in Wärmeenergie umgewandelt, so dass das erfindungsgemäße System zur Erzeugung der gleichen Wärmeenergie weniger Kraftstoff benötigt.
- Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass in den Abgasen des Verbrennungsvorgangs Wasser enthalten ist. Durch Einleitung der Abgase durch den Hydrolyseraum des thermischen Reaktors kann dieses Wasser zur Aufspaltung der Isocyansäure verwendet werden. Eine eigene Bereitstellung von Wasser beispielsweise durch Abzweigung eines Abgasteilstroms aus der Verbrennungskraftmaschine kann daher entfallen. Die Verwendung eines Abgasteilstromes aus der Verbrennungskraftmaschine hat zudem den Nachteil, dass dieser unter Umständen niederere Temperaturen aufweist als für die Hydrolyse erforderlich, so dass unter Aufwendung zusätzlicher Energie dieser Abgasteilstrom aufgeheizt werden muss, was bei der Erfindung nicht notwendig ist.
- Von besonderem Nutzen ist, dass sich der Verbrennungsvorgang im Brenner zur Erzielung einer gewünschten Temperatur steuern lässt. So ist es möglich, den Brenner bei lediglich geringem Kraftstoffmehraufwand heißer zu betreiben als es für die Thermolyse notwendig wäre, um dadurch die Temperatur des aus der Verbrennungskraftmaschine stammenden Abgasstromes anzuheben. Das bringt vor allem in der Kaltstartphase einer Verbrennungskraftmaschine Vorteile, um den SCR-Katalysator möglichst schnell auf Betriebstemperatur zu bringen, ohne dass hierfür motorinterne Maßnahmen notwendig sind.
- In Verbindung mit einem dem SCR-Katalysator nachgeschalteten Partikelfilter kann die Temperatur im Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine durch den Brenner so gesteuert werden, dass dadurch eine Regeneration des Partikelfilters erfolgt. Eine katalytische Beschichtung des Partekelfilters unterstützt dabei die Filterregeneration und dient gleichzeitig als Ammoniaksperrkatalysator zur Vermeidung von Ammoniakschlupf durch den SCR-Katalysator.
- Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, eine katalytische Verbrennung im Brenner zu erzeugen. Dadurch ist es möglich, den Verbrennungsvorgang bei Temperaturen ablaufen zu lassen, die für die Thermolyse notwendig sind; es wird daher keine überschüssige Wärmeenergie produziert.
- Ferner ist der Brenner bevorzugt in den thermischen Reaktor integriert. Daraus ergibt sich eine äußerst kompakte Bauweise, die insbesondere bei Verwendung in Kraftfahrzeugen angesichts des nur begrenzt zur Verfügung stehenden Raumangebots von großer Bedeutung ist. Die Integration des Brenners in den Reaktor ermöglicht ferner eine Minimierung der Wärmeverluste, da die erzeugte Wärmeenergie direkt in den Thermolyseraum abgegeben werden kann.
- Vorzugsweise wird der Brenner aus demselben Kraftstoffsystem gespeist wie die Verbrennungskraftmaschine. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass lediglich ein Kraftstoffzufuhrsystem benötigt wird, das nur um einzelne Komponenten ergänzt werden braucht.
- Vorteilhafterweise kommt der für den Verbrennungsvorgang im Brenner notwendige Sauerstoff aus dem Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine, da dieser bereits den zur Einleitung in den Brenner erforderlichen Druck aufweist. Besonders geeignet ist eine Abzweigung von einem Turbolader oder von der Staudruckzone vor einem Katalysator.
- Im Regelfall sieht die Erfindung einen thermischen Reaktor mit Thermolyseraum und Hydrolyseraum vor, um eine vollständige Umwandlung des Harnstoffs auch bei wechselnden Rahmenbedingungen zu erzielen. Im Rahmen der Erfindung liegt aber ebenfalls ein thermischer Reaktor, in dem lediglich eine Thermolyse des Harnstoffs stattfindet und auf die nachgeschaltete Hydrolyse im Reaktor verzichtet wird. Dadurch kann unter bestimmten Rahmenbedingungen, wie sie beispielsweise später noch beschrieben werden, mit einem einfacheren und daher kostengünstigeren erfindungsgemäßen System die vollständige Umwandlung von Harnstoff in Ammoniak erreicht werden.
- Obwohl von der Erfindung trockener Harnstoff als Ausgangsstoff bevorzugt wird, ist dennoch die Verwendung einer wässrigen Harnstofflösung möglich. Diese wird in den Thermolyseraum eingespritzt, wo sie verdampft und in Ammoniak und Isocyansäure aufgespalten wird. Das verdampfte Wasser kann dann in einer nachgeschalteten Hydrolyse zur Spaltung der Isocyansäure unter Bildung von zusätzlichem Ammoniak dienen.
- Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
-
1 eine stark vereinfachte Darstellung der Erfindung im Überblick, -
2 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen thermischen Reaktor, -
3 einen Längsschnitt durch eine erste Anordnungsvariante eines erfindungsgemäßen thermischen Reaktors im Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine und -
4 einen Längsschnitt durch eine zweite Anordnungsvariante eines erfindungsgemäßen thermischen Reaktors im Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine. - In
1 sind die wichtigsten Komponenten der Erfindung dargestellt, wobei auf Mess-, Steuer- und Regelorgane sowie auf periphere Komponenten dazu, einschließlich der Steuerung über eine prozessorgesteuerte Anlage verzichtet worden ist. Diese Teile der Erfindung sind in derEP 1 338 562 A1 ausführlich beschrieben, wobei für vorliegende Erfindung Entsprechendes gilt. - Man sieht zunächst eine Verbrennungskraftmaschine
1 in Form eines Dieselmotors eines Kraftfahrzeugs. Ebenso könnte die Verbrennungskraftmaschine1 von einer Gasturbine oder einem Verbrennungsmotor in einem Blockheizkraftwerk gebildet sein. Die Verbrennungskraftmaschine1 besitzt vier Zylinder2 , in denen jeweils eine Verbrennung eines kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoffes stattfindet. Die Reaktionsprodukte aus dieser Verbrennung werden im weiteren als Abgasstrom14 bezeichnet, der im Krümmer3 gesammelt und in eine einzige Abgasleitung4 eingeleitet wird. - Am Ende des Krümmers
3 ist ein Turbolader5 in den Abgasstrom14 zwischengeschaltet zur Erhöhung des Ladedrucks für den Verbrennungsprozess. Stromabwärts des Turboladers5 sieht man einen Oxydationskatalysator6 , dem ein SCR-Katalysator7 und schließlich ein Partikelfilter8 nachgeschaltet ist. - Der aus der Verbrennungskraftmaschine
1 entweichende Abgasstrom14 erfährt zunächst im Oxydationskatalysator6 eine Reduzierung der Kohlenwasserstoffanteile mit Hilfe des im Abgasstrom14 enthaltenen Sauerstoffs. Im SCR-Katalysator7 findet dann eine Reduktion der Stickoxyde mit Hilfe von Ammoniak als Reduktionsmittel statt. Im Partikelfilter8 werden dem Abgasstrom14 schließlich Rußpartikel in Feinststaubgröße entzogen. - Der für den SCR-Katalysator
7 notwendige Ammoniak wird im Reaktionsraum eines thermischen Reaktors9 erzeugt, dem ein Brenner10 vorgeschaltet ist. Aufbau und Funktionsweise des thermischen Reaktors9 und Brenners10 wird unter2 näher beschrieben. - Der Brenner
9 wird über eine Leitung11 mit Kraftstoff20 versorgt, der vorzugsweise vom Tank der Verbrennungskraftmaschine1 stammt. Weiter sieht man eine Harnstoffleitung12 , die in den Reaktionsraum des thermischen Reaktors9 mündet. Durch die Harnstoffleitung12 kann der thermische Reaktor9 mit trockenem Harnstoff beschickt werden. Dies geschieht vorzugsweise über einen Trägerluftstrom, mittels dessen der pulverförmige oder pelletförmige Harnstoff26 eingeblasen wird. Eine derartige Fördervorrichtung einschließlich der Bevorratung wurde vom Erfinder bereits entwickelt und ist in derDE 102 51 498 A1 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt durch Bezugnahme als mit offenbart anzusehen ist. Alternativ besteht die Möglichkeit, über die Harnstoffleitung12 eine wässrige Harnstofflösung oder eine andere Ammoniak abspaltende Substanz in den thermischen Reaktor9 einzuspritzen. Dazu geeignete Einspritzanlagen sind bekannt. - Der vom Brenner
10 benötigte Sauerstoff21 kann direkt aus der Umgebungsluft stammen, wofür diese mit Hilfe eines Kompressors unter Druck in den Brenner10 eingespeist wird. Eine Alternative hierzu besteht durch Umlenkung eines Abgasteilstroms aus der Abgasleitung4 in den Brenner10 , so dass der im Abgas enthaltene Sauerstoff vom Brenner10 verbrannt wird. Die Entnahme des Abgasteilstromes geschieht vorzugsweise im Bereich des Turboladers5 oder der Staudruckzone vor dem Oxydationskatalysator6 (4 ), das bereits den notwendigen Einspeisedruck aufweist. - Der im thermischen Reaktor erzeugte Ammoniak wird mit dem übrigen Abgas des Brenners
10 über die Speiseleitung13 stromaufwärts des SCR-Katalysators7 in den Abgasstrom14 eingeleitet. - In
2 ist der nähere Aufbau des thermischen Reaktors9 gezeigt, wobei im vorliegenden Beispiel der Brenner10 in den thermischen Reaktor9 integriert ist. Ebenso wäre es möglich, dass der Brenner10 eine vom Reaktor9 getrennte Komponente darstellt und die im Brenner10 erzeugte Wärmeenergie in den Reaktor9 übergeleitet wird. - Der thermische Reaktor
9 besitzt ein Gehäuse mit einem oberen zylindrischen Abschnitt15 , einen sich nach unten anschließenden konisch aufgeweiteten Abschnitt16 und einen an die Aufweitung anschließenden unteren zylindrischen Abschnitt17 . - Der katalytische Brenner
10 wird von den Abschnitten15 und16 gebildet, wobei der konische Gehäuseabschnitt16 den Verbrennungsraum umschließt, der mit einem katalytischen Material18 gefüllt ist. In dem darüber liegenden Gehäuseabschnitt15 ist zentral die Einspritzdüse19 einer nicht weiter dargestellten Einspritzvorrichtung angeordnet, an die die Kraftstoffleitung11 anschließt. Von der Einspritzdüse19 wird der Kraftstoff20 fein auf die Querschnittsfläche des katalytischen Materials18 verteilt, um eine gleichmäßige und vollständige Verbrennung in der Brennkammer zu erreichen. Die Kraftstoffmengenregulierung zur Steuerung der Brennertemperatur kann dabei durch geeignete Mengenansteuerung der Einspritzdüse19 bei kontinuierlicher Einspritzung erfolgen oder durch Veränderung der Taktzeiten bei diskontinuierlicher Einspritzung. - Der für den Verbrennungsprozess notwendige Sauerstoff
21 wird von der Umgebungsluft oder dem Abgasstrom14 zur Verfügung gestellt, wozu unter Druck Luft oder ein Abgasteilstrom stirnseitig in den oberen Abschnitt15 des Gehäuses14 eingeleitet wird. Auf diese Weise findet unter Anwesenheit von Sauerstoff21 und Kraftstoff20 eine katalytische Verbrennung in der Brennkammer statt. Die dabei erzeugte Wärmeenergie wird hauptsächlich über den Abgasstrom des Brenners10 und Wärmeleitung in den Reaktionsraum des thermischen Reaktors9 eingeleitet, was durch die Pfeile22 versinnbildlicht sein soll. - Eine alternative – nicht dargestellte – Art der Kraftstoffeinbringung in den Verbrennungsraum und dortige Verteilung sieht die Anordnung einer porösen Struktur im Verbrennungsraum vor, die vorzugsweise katalytisch beschichtet ist. Indem Kraftstoff kontinuierlich in die poröse Struktur geleitet wird, findet eine Verteilung und Verdampfung des Kraftstoffs durch Benetzung statt und es erfolgt eine Durchmischung mit Sauerstoff aus der Umgebungsluft oder dem Abgasstrom. Die Verbrennungsreaktion läuft dann in der porösen Struktur ab. Diese Alternative zeichnet sich durch eine besonders kompakte Bauweise aus.
- Der vom Abschnitt
17 umschlossene Reaktionsraum des Reaktors9 ist in Längsrichtung unterteilt in einen dem Brenner10 unmittelbar benachbarten Thermolyseraum23 und einen sich an den Thermolyseraum23 nach unten anschließenden Hydrolyseraum24 . Verbrennungsraum, Thermolyseraum23 und Hydrolyseraum24 sind dabei offene, ineinander übergehende Bereiche mit unterschiedlichen Funktionen, die kontinuierlich durchströmt werden. - Im unteren, dem Hydrolyseraum
24 zugewandten Teilbereich des Thermolyseraumes23 ist ein thermisches Massenelement25 angeordnet, das zur Aufnahme und Speicherung der vom Brenner10 erzeugten Wärmeenergie dient. Das thermische Massenelement25 kann spiral- oder rostförmige Gestalt besitzen und aus einem hitzebeständigen Material, wie zum Beispiel Metall oder Keramik bestehen. In Längsrichtung ist das thermische Massenelement25 gasdurchlässig. - Oberhalb des thermischen Massenelements
25 ergibt sich dadurch ein scheibenförmiger Hohlraum, in den die Harnstoffleitung12 mündet, über die trockene Harnstoffpellets26 mittels eines Trägerluftstroms eingeblasen werden. Die Pellets26 kommen dabei auf dem thermischen Massenelement25 zu liegen, wo unverzüglich eine spontane Thermolyse stattfindet. Dabei werden die Harnstoffpellets26 in gasförmigen Ammoniak und Isocyansäure gespalten, die zusammen mit den Abgasen aus dem Brenner10 durch das thermische Massenelement25 hindurch in den Hydrolyseraum24 strömen, was durch die Pfeile27 versinnbildlicht sein soll. - Der Hydrolyseraum
24 ist wiederum mit einem katalytischen Material28 angefüllt. Beim Durchströmen der Reaktionsprodukte aus dem Thermolyseraum23 durch den Hydrolyseraum24 wird die Isocyansäure mittels des im Abgasstrom des Brenners10 enthaltenen Wassers zu Ammoniak und Kohlendioxyd hydrolisiert. - Der thermische Reaktor
9 wandelt somit den Harnstoff vollständig in Ammoniak und Kohlendioxyd um, das zusammen mit den Abgasen aus dem Brenner10 über die Speiseleitung13 dem Abgasstrom14 stromaufwärts des SCR-Reaktors7 aufgegeben wird. In2 sind diese Produkte durch die Pfeile29 symbolhaft dargestellt. - Der vorbeschriebene thermische Reaktor
9 stellt eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar, ohne diese darauf zu beschränken. Ebenso ist es möglich, den Brenner10 und thermischen Reaktor9 räumlich getrennt voneinander anzuordnen, wobei in einem solchen Falle die für die Thermolyse erforderliche Wärmeenergie über Leitungen in den Thermolyseraum23 des Reaktionsraumes eingespeist wird. - Auch die katalytische Verbrennung stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar, weil damit der Verbrennungsvorgang bei niedrigeren Temperaturen abläuft, die für die Thermolyse ausreichend sind. Ebenso ist es möglich, den Brenner
10 ohne Katalysator18 zu betreiben mit entsprechend höheren Temperaturen. - Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, die Temperatur im Brenner
10 durch eine geeignete Mess- und Regeleinrichtung gezielt zu steuern, um beispielsweise in der Kaltstartphase der Verbrennungskraftmaschine1 den Abgasstrom aufzuheizen, um den SCR-Katalysator7 möglichst schnell auf Betriebstemperatur zu bringen oder die Regeneration eines nachgeordneten Partikelfilters8 zu ermöglichen. Dies geschieht durch Steuerung der stöchiometrischen Verhältnisse bei der Verbrennung. Vorzugsweise wird dabei die Kraftstoffmenge variiert bei konstanter Luft- bzw. Sauerstoffzufuhr. - Von der Erfindung sind auch Ausführungsformen der Erfindung umfasst, bei denen der thermische Reaktor
9 nur einen Thermolyseraum23 besitzt, auf die Hydrolyse also verzichtet wird. Ein solcher Reaktor9 produziert Ammoniak und Isocyansäure, wobei letztere bei niederen Temperaturen zur Bildung von Ablagerungen neigt. Eine solche Ausführungsform des thermischen Reaktors ist daher vor allem in Verbindung mit Konzepten sinnvoll, die den Anfall von Isocyansäure berücksichtigen. Eine Lösung hierfür wird nachfolgend unter den3 und4 als Alternative beschrieben, bei der im SCR-Katalysator7 die Hydrolyse stattfindet. - Zunächst sollen jedoch die
3 und4 in Verbindung mit dem unter2 beschriebenen thermischen Reaktor9 mit integriertem Brenner10 erläutert werden. Die3 und4 zeigen mögliche Varianten der Anordnung eines thermischen Reaktors9 mit integriertem Brenner10 innerhalb eines Abgassystems. Während in1 eine Lösung beschrieben ist, bei der der zur Durchführung des SCR-Verfahrens notwendige Ammoniak über die Speiseleitung13 in den Abgasstrom14 eingeleitet wird, ist in3 eine unmittelbare Anordnung des thermischen Reaktors9 mit integriertem Brenner10 an der Abgasleitung4 dargestellt. Damit mündet der Hydrolyseraum24 des thermischen Reaktors9 direkt in die Abgasleitung4 , so dass Ammoniak mit den übrigen Reaktionsprodukten und dem Abgas aus dem Brenner10 unmittelbar in den Abgasstrom14 gelangt. Dadurch ergeben sich sehr kurze Reaktionszeiten des Gesamtsystems bei Lastwechselsituationen. -
4 sieht die Anordnung des thermischen Reaktors9 mit integriertem Brenner10 innerhalb der Abgasleitung4 vor. Dabei wird der thermische Reaktor9 mit integriertem Brenner10 koaxial von radialen Halteelementen30 im Abgasstrom14 gehalten. Um den Strömungswiderstand für den Abgasstrom14 nicht zu erhöhen, kann die Abgasleitung4 in diesem Bereich radial erweitert sein, so dass ein ausreichend großer Strömungsquerschnitt zur Verfügung gestellt wird. Um die Strömungswiderstände weiter zu minimieren können die Halteelemente30 gleichzeitig als Zufuhrleitungen für den Kraftstoff20 und Harnstoff26 dienen. - Der Abgasstrom
14 durchströmt den thermischen Reaktor9 und Brenner10 infolge der offenen Stirnseiten, so dass für den Verbrennungsprozess im Brenner10 der Sauerstoff21 aus dem Abgasstrom14 zur Verfügung steht und das im Abgasstrom14 enthaltene Wasser zur Hydrolyse der Isocyansäure dient. Zur Druckerhöhung des den Reaktor9 durchströmenden Abgasteilstroms können Leitflächen am freien Rand des Gehäuseabschnitts15 angebracht sein oder es kann der Abgasteilstrom über eine Bypassleitung31 aus der Staudruckzone vor dem Oxydationskatalysator6 zugeführt werden. - Eine solche erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich ebenfalls durch eine kurze Reaktionszeit bei Lastwechsel aus, wobei durch die zentrische Einleitung des Ammoniaks in den Abgasstrom
14 eine homogene Verteilung des Ammoniaks im Abgasstrom14 schneller erreicht wird. Dadurch ist es möglich, den Abstand zwischen dem thermischen Reaktor9 und dem SCR-Katalysator7 kürzer auszubilden, was insgesamt zu einer kompakteren Bauweise führt. - Eine weitere Alternative stellt die Verwendung des unter
2 beschriebenen thermischen Reaktors9 ohne Hydrolyseraum24 in einer Anordnung gemäß der3 oder4 dar. Diese Alternative ist immer dann von Interesse, wenn der Abgasstrom14 eine gleichbleibend hohe Mindesttemperatur aufweist, wie es beispielsweise bei Blockheizkraftwerken der Fall ist. In diesem Fall gelangt gleichzeitig mit dem Ammoniak auch die bei der Thermolyse entstehende Isocyansäure in den Abgasstrom14 . Beim Eintritt der Isocyansäure in den SCR-Katalysator7 findet eine Hydrolyse mittels des im Abgasstrom14 vorhandenen Wassers statt, so dass im SCR-Katalysator7 direkt zusätzliches Ammoniak entsteht. - Der dem SCR-Katalysator
7 nachgeschaltete katalytisch beschichtete Partikelfilter8 kann neben der Filterfunktion für Rußpartikel auch als Ammoniak-Sperrkatalysator wirken, der den Ammoniakschlupf durch den SCR-Katalysator oxidiert.
Claims (55)
- Vorrichtung zur Reduktion von Stickoxyden im Abgasstrom (
14 ) von Verbrennungskraftmaschinen (1 ), insbesondere von Dieselmotoren, – mit einem SCR-Katalysator (7 ), der in den Abgasstrom (14 ) eingeschaltet ist und in dem die Stickoxyde mittels Ammoniak unter Bildung von Stickstoff und Wasser katalytisch reduziert werden, – mit einer Einheit zur Erzeugung von Ammoniak aus einer Ammoniak abspaltenden Substanz, insbesondere aus Harnstoff (26 ) oder aus einer wässrigen Harnstofflösung, umfassend einen Vorratsbehälter für die Ammoniak abspaltende Substanz, einen Reaktor (9 ) mit einem Thermolyseraum (23 ) zur Gewinnung von Ammoniak aus der Substanz und eine Fördereinrichtung zur Beschickung des Reaktors (9 ) mit der Substanz aus dem Vorratsbehälter, – wobei der erzeugte Ammoniak stromaufwärts des SCR-Katalysators (7 ) in den Abgasstrom (14 ) eingeleitet wird, gekennzeichnet durch einen Brenner (10 ), dessen beim Verbrennungsvorgang erzeugte Wärmeenergie in den Thermolyseraum (23 ) des Reaktors (9 ) einspeisbar ist um die für die Thermolyse benötigte Wärmeenergie bereitzustellen. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (
10 ) ein katalytischer Brenner ist. - Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Brenner (
10 ) eine Einspritzvorrichtung zur Einbringung des Kraftstoff (20 ) zugeordnet ist. - Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzvorrichtung zur Mengenregulierung des Kraftstoffs (
20 ) eine ansteuerbare Einspritzdüse (19 ) besitzt. - Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzvorrichtung zur Mengenregulierung des Kraftstoffs (
20 ) eine diskontinuierlich beaufschlagte Einspritzdüse (19 ) besitzt. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (
10 ) eine poröse Struktur zur Verteilung und Verdampfung des Kraftstoffs (20 ) durch Benetzung beinhaltet. - Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Struktur katalytisch beschichtet ist.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffzufuhr (
11 ) für den Brenner (10 ) an den Kraftstofftank der Verbrennungskraftmaschine (1 ) angeschlossen ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Versorgung des Brenners (
10 ) mit Sauerstoff der Brenner (10 ) einen Kompressor aufweist, der an die Umgebungsluft oder den Abgasstrom (14 ) der Verbrennungskraftmaschine (1 ) angeschlossen ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Versorgung des Brenners (
10 ) mit Sauerstoff (21 ) der Brenner (10 ) an einen Turbolader (5 ) oder eine Staudruckzone vor einem Katalysator (6 ) im Abgasstrom (14 ) der Verbrennungskraftmaschine (1 ) angeschlossen ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (
10 ) vom Reaktor (9 ) getrennt ist und zur Einspeisung von Wärmeenergie in den Thermolyseraum (23 ) über Leitungen und/oder Durchlässe mir dem Thermolyseraum (23 ) verbunden ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (
10 ) in den Reaktor (9 ) integriert ist und Brenner (10 ) und Thermolyseraum (23 ) offen ineinander übergehen. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Thermolyseraum (
23 ) ein thermisches Massenelement (25 ) zur Aufnahme, Speicherung und Abgabe der Wärmeenergie an die Substanz angeordnet ist. - Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Massenelement (
25 ) eine gitter- oder spiralförmige Struktur besitzt, die in Längsrichtung des Reaktors (9 ) durchströmbar ist. - Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Massenelement (
25 ) aus Metall oder Keramik besteht. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Thermolyseraum (
23 ) ein Katalysator angeordnet ist, vorzugsweise das thermische Massenelement (25 ) katalytisch beschichtet ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (
9 ) eine dem Thermolyseraum (23 ) nachgeschalteten Hydrolyseraum (24 ) besitzt, in der Isocyansäure zu Ammoniak hydrolysiert wird. - Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass Thermolyseraum (
23 ) und Hydrolyseraum (24 ) offen ineinander übergehen. - Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrom des Brenners (
10 ) mittelbar oder unmittelbar in den Hydrolyseraum (24 ) mündet. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (
9 ) stromaufwärts des SCR-Katalysators (7 ) unmittelbar an der Abgasleitung (4 ) der Verbrennungskraftmaschine (1 ) angeordnet ist und der Thermolyseraum (23 ) oder der Hydrolyseraum (24 ) unmittelbar in den Abgasstrom (14 ) der Verbrennungskraftmaschine (1 ) mündet. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (
9 ) und Brenner (10 ) stromaufwärts des SCR-Katalysators (7 ) innerhalb der Abgasleitung (4 ) der Verbrennungskraftmaschine (1 ) im Abgasstrom (14 ) angeordnet sind. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des SCR-Katalysators (
7 ) ein Partikelfilter (8 ) angeordnet ist. - Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (
8 ) zur Unterstützung seiner Regeneration katalytisch beschichtet ist. - Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (
8 ) zur Oxidation des Ammoniakschlupfes durch den SCR-Katalysator (7 ) katalytisch beschichtet ist. - Reaktor zur Erzeugung von Ammoniak aus einer Ammoniak abspaltenden Substanz, insbesondere aus Harnstoff (
26 ) oder aus einer wässrigen Harnstofflösung, mit einem Reaktionsraum, der mindestens einen Thermolyseraum (23 ) aufweist, in dem Ammoniak unter Einwirkung von Wärmeenergie aus der Substanz abspaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (9 ) einen Brenner (10 ) besitzt, dessen beim Verbrennungsvorgang erzeugte Wärmeenergie in den Thermolyseraum (23 ) des Reaktors (9 ) einspeisbar ist um die für die Thermolyse benötigte Wärmeenergie bereitzustellen. - Reaktor nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (
10 ) ein katalytischer Brenner ist. - Reaktor nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (
10 ) eine Einspritzvorrichtung zur Einbringung des Kraftstoff (20 ) besitzt. - Reaktor nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (
10 ) zur Mengenregulierung des Kraftstoffs (20 ) eine ansteuerbare Einspritzdüse (19 ) besitzt. - Reaktor nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (
10 ) zur Mengenregulierung des Kraftstoffs (20 ) eine Einspritzdüse (19 ) besitzt, die diskontinuierlich mit Kraftstoff (20 ) beschickt wird. - Reaktor nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (
10 ) eine poröse Struktur zur Verteilung und Verdampfung des Kraftstoffs (20 ) durch Benetzung beinhaltet. - Brenner nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Struktur katalytisch beschichtet ist.
- Reaktor nach einem der Ansprüche 25 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass zur Versorgung des Brenners (
10 ) mit Sauerstoff der Brenner (10 ) einen Kompressor aufweist, der an die Umgebungsluft oder den Abgasstrom (14 ) der Verbrennungskraftmaschine (1 ) angeschlossen ist. - Reaktor nach einem der Ansprüche 25 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (
10 ) vom Reaktor (9 ) getrennt ist und zur Einspeisung von Wärmeenergie in den Thermolyseraum (23 ) über Leitungen und/oder Durchlässe mir dem Thermolyseraum (23 ) verbunden ist. - Reaktor nach einem der Ansprüche 25 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (
10 ) in den Reaktor (9 ) integriert ist und Brenner (10 ) und Thermolyseraum (23 ) offen ineinander übergehen. - Reaktor nach einem der Ansprüche 25 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass im Thermolyseraum (
23 ) ein thermisches Massenelement (25 ) zur Aufnahme, Speicherung und Abgabe der Wärmeenergie an die Substanz angeordnet ist. - Reaktor nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Massenelement (
25 ) eine gitter- oder spiralförmige Struktur besitzt, die in Längsrichtung des Reaktors (9 ) durchströmbar ist. - Reaktor nach Anspruch 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Massenelement (
25 ) aus Metall oder Keramik besteht. - Reaktor nach einem der Ansprüche 25 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass im Thermolyseraum (
23 ) ein Katalysator angeordnet ist, vorzugsweise das thermische Massenelement (25 ) katalytisch beschichtet ist. - Reaktor nach einem der Ansprüche 25 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (
9 ) eine dem Thermolyseraum (23 ) nachgeschalteten Hydrolyseraum (24 ) besitzt, in der Isocyansäure zu Ammoniak hydrolysiert wird. - Reaktor nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass Thermolyseraum (
23 ) und Hydrolyseraum (24 ) offen ineinander übergehen. - Verfahren zur Reduktion von Stickoxyden im Abgasstrom (
14 ) von Verbrennungskraftmaschinen (1 ), insbesondere von Dieselmotoren, bei dem Ammoniak in den Abgasstrom (14 ) eingeleitet wird und als selektives Reduktionsmittel die Stickoxyde unter Bildung von Stickstoff und Wasser katalytisch spaltet, wobei der Ammoniak durch Thermolyse einer Ammoniak abspaltenden Substanz, insbesondere von trockenem Harnstoff oder einer wässrigen Harnstofflösung erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Thermolyse benötigte Wärmeenergie durch einen Verbrennungvorgang erzeugt wird. - Verfahren nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsvorgang katalytisch erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 41 oder 42, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergie zum größten Teil durch Wärmeleitung und/oder Konvektion, insbesondere durch die Abgase aus dem Verbrennungsprozess zum Ort der Thermolyse transportiert wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergie am Ort der Thermolyse zum Teil gespeichert wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass durch Steuerung der Temperatur des Verbrennungsvorgang die Temperatur des Abgasstromes (
14 ) manipuliert wird. - Verfahren nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung der Temperatur des Verbrennungsprozesses kontinuierlich eine variable Kraftstoffmenge (
20 ) zugeführt wird. - Verfahren nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung der Temperatur des Verbrennungsprozesses diskontinuierlich eine konstante Menge Kraftstoff (
20 ) zugeführt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 47, dadurch gekennzeichnet, dass durch Benetzung einer porösen Struktur eine Verteilung des Kraftstoffes für den Verbrennungsvorgang erfolgt.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 48, dadurch gekennzeichnet, dass für den Verbrennungsvorgang Sauerstoff unter Druck aus dem Abgasstrom (
14 ) oder der Umgebungsluft zugeführt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 49, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermolyse katalytisch unterstützt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 50, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermolyse eine Hydrolyse zur Aufbereitung der Reaktionsprodukte aus der Thermolyse nachgeschaltet ist.
- Verfahren nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgase aus dem Verbrennungsvorgang der Hydrolyse zugeführt werden.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 52, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermolyse, vorzugsweise mit nachfolgender Hydrolyse, in unmittelbarer Angrenzung zum Abgasstrom (
14 ) der Verbrennungskraftmaschine (1 ) erfolgt. - Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 52, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsprozess und die Thermolyse, vorzugsweise mit nachfolgender Hydrolyse, im Abgasstrom (
14 ) der Verbrennungskraftmaschine (1 ) erfolgt. - Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 54, dadurch gekennzeichnet, dass der Ammoniakschlupf nach Reduktion der Stickoxyde oxidiert wird.
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