DE102006043101A1 - Apparatus and method for producing ammonia - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ammoniak als Reduktionsmittel für die selektive katalytische Reduktion (SCR) von Stickoxiden im Abgas einer Verbrennungsquelle, insbesondere einer Brennkraftmaschine, wobei das Ammoniak in Strömungsrichtung vor einem SCR-Katalysator dem Abgas beigemischt wird. Dabei ist eine von der Verbrennungsquelle und deren Abgasführung getrennte Stickoxid-Erzeugungseinheit und eine von der Verbrennungsquelle und deren Abgasführung getrennte Wasserstoff-Erzeugungseinheit vorgesehen und Stickoxid der Stickoxid-Erzeugungseinheit und der Wasserstoff der Wasserstoff-Erzeugungseinheit ist zumindest einem Speicherkatalysator oder einem Stickoxidspeicher und einem nachfolgenden Katalysator zur Speicherung des Stickoxids und zur Bildung des Ammoniaks zugeführt. DOLLAR A Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Erzeugung von Ammoniak als Reduktionsmittel für die selektive katalytische Reduktion (SCR) von Stickoxiden im Abgas einer Verbrennungsquelle, insbesondere einer Brennkraftmaschine, wobei das Ammoniak in Strömungsrichtung vor einem SCR-Katalysator dem Abgas beigemischt wird. Dabei wird Stickoxid in einer von der Verbrennungsquelle und deren Abgasführung getrennten Stickoxid-Erzeugungseinheit erzeugt und in zumindest einem Speicherkatalysator oder einem Stickoxidspeicher und einem nachfolgenden Katalysator gespeichert. Weiterhin wird Wasserstoff und/oder ein Wasserstoff-Kohlenmonoxid-Gemisch in einer von der Verbrennungsquelle ...The invention relates to a device for generating ammonia as a reducing agent for the selective catalytic reduction (SCR) of nitrogen oxides in the exhaust gas of a combustion source, in particular an internal combustion engine, wherein the ammonia is admixed in the flow direction upstream of an SCR catalyst to the exhaust gas. In this case, a separate from the combustion source and its exhaust gas management nitrogen oxide generating unit and a separate from the combustion source and its exhaust gas hydrogen generating unit is provided and nitric oxide of the nitrogen oxide generating unit and the hydrogen of the hydrogen generating unit is at least one storage catalyst or a nitrogen oxide storage and a subsequent catalyst for storing the nitrogen oxide and for the formation of the ammonia supplied. DOLLAR A The invention further relates to a process for the production of ammonia as a reducing agent for the selective catalytic reduction (SCR) of nitrogen oxides in the exhaust gas of a combustion source, in particular an internal combustion engine, wherein the ammonia is admixed in the flow direction upstream of an SCR catalyst to the exhaust gas. In this case, nitrogen oxide is generated in a separate from the combustion source and its exhaust gas management nitrogen oxide generating unit and stored in at least one storage catalyst or a nitrogen oxide storage and a subsequent catalyst. Furthermore, hydrogen and / or a hydrogen-carbon monoxide mixture in one of the combustion source ...
Description
Stand der TechnikState of technology
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung z oder einem Stickoxidspeicher und einem nachfolgenden Katalysator ur Erzeugung von Ammoniak als Reduktionsmittel für die selektive katalytische Reduktion (SCR) von Stickoxiden im Abgas einer Verbrennungsquelle, insbesondere einer Brennkraftmaschine, wobei das Ammoniak in Strömungsrichtung vor einem SCR-Katalysator dem Abgas beigemischt wird.The The invention relates to a device z or a nitrogen oxide storage and a subsequent catalyst ur production of ammonia as Reducing agent for the selective catalytic reduction (SCR) of nitrogen oxides in the exhaust gas a combustion source, in particular an internal combustion engine, the ammonia in the flow direction is added to the exhaust gas before an SCR catalyst.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Erzeugung von Ammoniak als Reduktionsmittel für die selektive katalytische Reduktion (SCR) von Stickoxiden im Abgas einer Verbrennungsquelle, insbesondere einer Brennkraftmaschine, wobei das Ammoniak in Strömungsrichtung vor einem SCR-Katalysator dem Abgas beigemischt wird.The The invention further relates to a process for the production of ammonia as a reducing agent for the selective catalytic reduction (SCR) of nitrogen oxides in the exhaust gas a combustion source, in particular an internal combustion engine, the ammonia in the flow direction in front of an SCR catalyst is added to the exhaust gas.
Im Zusammenhang mit künftigen gesetzlichen Vorgaben bezüglich der Stickoxidemission von Kraftfahrzeugen ist eine entsprechende Abgasnachbehandlung erforderlich. Die selektive katalytische Reduktion kann zur Verringerung der NOx-Emission (Entstickung) von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Dieselmotoren, mit zeitlich überwiegend magerem, d.h. sauerstoffreichem Abgas eingesetzt werden. Hierbei wird dem Abgas eine definierte Menge eines selektiv wirkenden Reduktionsmittels zugegeben. Dies kann beispielsweise in Form von Ammoniak sein, welches direkt gasförmig zudosiert wird, oder auch aus einer Vorläufersubstanz in Form von Harnstoff oder aus einer Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) gewonnen werden.In connection with future legal requirements regarding the nitrogen oxide emission of motor vehicles, a corresponding exhaust aftertreatment is required. The selective catalytic reduction can be used to reduce the NO x emission (denitrification) of internal combustion engines, in particular of diesel engines, with temporally predominantly lean, ie oxygen-rich exhaust gas. In this case, a defined amount of a selectively acting reducing agent is added to the exhaust gas. This can be, for example, in the form of ammonia, which is metered in directly in gaseous form, or else obtained from a precursor substance in the form of urea or from a urea-water solution (HWL).
In
der
Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass HWL beim Betrieb der Brennkraftmaschine verbraucht wird. Dabei liegt der Verbrauch bei ca. 4% des Kraftstoffverbrauchs. Die Versorgung mit Harnstoff-Wasser-Lösung müsste entsprechend großflächig, zum Beispiel an Tankstellen, sichergestellt sein. Ein weiterer Nachteil des Verfahrens liegt in dem notwendigen Betriebstemperaturbereich. Die Thermolysereaktion der Harnstoff-Wasser-Lösung findet erst ab Temperaturen um 130°C statt und die Hydrolysereaktion zur Umsetzung von Wasserstoff und Stickoxid am Hydrolysekatalysator zu Ammoniak erst im Bereich von 200°C bis 220°C. Diese Temperaturen im Abgas werden beispielsweise bei Dieselmotoren erst nach längerer Betriebsdauer erreicht. Aufgrund von Abscheidungen kann es bei Temperaturen unterhalb von 200°C zu Verstopfungen an der Dosiereinheit kommen, welche die Zufuhr der Harnstoff-Wasser-Lösung in den Abgastrakt zumindest behindern. Weiterhin kann eine Zudosierung der Harnstoff-Wasser-Lösung bei Temperaturen unter 200°C auf Grund einer Polymerisation zur Hemmung der notwendigen katalytischen Eigenschaften am Hydrolysekatalysator oder am SCR-Katalysator führen.adversely in this method is that HWL in the operation of the internal combustion engine is consumed. The consumption is about 4% of fuel consumption. The supply of urea-water solution should correspondingly large area, for Example at gas stations, be assured. Another disadvantage of the method is in the necessary operating temperature range. The thermolysis reaction of the urea-water solution takes place only from temperatures around 130 ° C instead of and the hydrolysis reaction for the conversion of hydrogen and Nitrogen oxide on the hydrolysis catalyst to ammonia only in the range of 200 ° C to 220 ° C. These Temperatures in the exhaust gas, for example, in diesel engines only after a long time Operating time reached. Because of deposits, it can be at temperatures below 200 ° C come to blockages on the dosing unit, which the supply the urea-water solution at least hinder in the exhaust tract. Furthermore, a metered addition the urea-water solution at temperatures below 200 ° C due to a polymerization to inhibit the necessary catalytic Properties on hydrolysis or SCR catalyst lead.
In
der
Nachteilig bei diesem Verfahren ist der relativ hohe Kraftstoffverbrauch während der notwendigen Fettbetriebsphasen. Weiterhin ist ein hoher Energiebedarf zur motorexternen Bereitstellung des Stickoxids erforderlich, insbesondere, da Stickoxid während der möglichst kurzen Ammoniakerzeugungs-Betriebsphasen in hoher Konzentration hergestellt werden muss und der verbleibende Restsauerstoff zur Erzeugung von Ammoniak energieaufwendig entfernt werden muss. Wird der Wasserstoff über einen POx-Katalysator durch eine partielle Oxidations-Reformierung (POx) erzeugt, liegt ein weiterer Nachteil in der noch unzureichenden Dynamik der Wasserstoff-Erzeugung.A disadvantage of this method is the relatively high fuel consumption during the necessary rich operating phases. Furthermore, a high energy requirement for the external emission of the nitrogen oxide is required, in particular, since nitrogen oxide must be prepared in a high concentration during the shortest possible ammonia production operating phases and the remaining residual oxygen to generate ammonia energieaufwen dig must be removed. If the hydrogen is generated via a POx catalyst by a partial oxidation reforming (POx), another disadvantage lies in the still insufficient dynamics of hydrogen production.
Ein plasmachemisches Verfahren zur Erzeugung einer wasserstoffreichen Gasmischung ist in der WO 01/14702 A1 beschrieben. Dabei wird in einem Lichtbogen eine fette Kraftstoff-Luft-Mischung, vorzugsweise unter POx-Bedingungen, behandelt.One Plasmachemisches process for producing a hydrogen-rich Gas mixture is described in WO 01/14702 A1. It will be in an arc a rich fuel-air mixture, preferably under POx conditions.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art bereitzustellen, welche die Herstellung von Ammoniak mit geringem Energieaufwand aus den Betriebsstoffen der Verbrennungsquelle ermöglicht.It Object of the invention, a device of the type described above To provide type, which the production of ammonia with low energy consumption made possible from the resources of the combustion source.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, hierzu ein geeignetes Verfahren bereitzustellen.It is further object of the invention, this a suitable method provide.
Vorteile der ErfindungAdvantages of invention
Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass eine von der Verbrennungsquelle und deren Abgasführung getrennte Stickoxid-Erzeugungseinheit und eine von der Verbrennungsquelle und deren Abgasführung getrennte Wasserstoff-Erzeugungseinheit vorgesehen ist und dass das Stickoxid der Stickoxid-Erzeugungseinheit und der Wasserstoff der Wasserstoff-Erzeugungseinheit zumindest einem Speicherkatalysator oder einem Stickoxidspeicher und einem nachfolgenden Katalysator zur Speicherung des Stickoxids und zur Bildung des Ammoniaks zugeführt ist. Die Ammoniakerzeugung findet somit außerhalb des Abgasstranges ohne einen Eingriff in den Betriebszustand der Verbrennungsquelle statt. Bei einem Verbrennungsmotor müssen somit keine kraftstoffverbrauchsintensiven Fettbetriebsphasen zur Erzeugung des zur Ammoniaksynthese benötigten Wasserstoffs vorgesehen werden, der Verbrennungsmotor kann in einem verbrauchsoptimierten Zustand betrieben werden. Die Speicherung des erzeugten Stickoxids in einem Stickoxidspeicher verringert gegenüber dem Stand der Technik den Energieaufwand zur Ammoniakerzeugung. Weiterhin entfällt durch die Speicherung das energieintensive Verbrennen des Restsauerstoffs, der bei der Stickoxidbildung zurückbleibt.The The object of the invention relating to the device is achieved in that a separate from the combustion source and the exhaust system nitrogen oxide generating unit and a hydrogen generating unit separate from the combustion source and its exhaust passage is provided and that the nitrogen oxide of the nitrogen oxide generating unit and the hydrogen of the hydrogen generation unit at least one storage catalyst or a nitrogen oxide storage and a subsequent catalyst for storing the nitrogen oxide and is fed to form the ammonia. The ammonia production thus finds outside the exhaust line without an interference with the operating state of the combustion source instead of. In an internal combustion engine, therefore, no fuel-consuming Fat operating phases to generate the required for ammonia synthesis hydrogen be provided, the internal combustion engine can be in a consumption-optimized Condition to be operated. The storage of the generated nitrogen oxide in a nitrogen oxide storage compared to the prior art reduces the Energy expenditure for ammonia production. Furthermore omitted by storing the energy-intensive burning of the residual oxygen, which remains in the formation of nitrogen oxide.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Stickoxidspeicher und der Katalysator als Speicherkatalysator zu einer Baueinheit zusammengefasst. Hierdurch kann die Bauform besonders kompakt gewählt werden.In An advantageous embodiment of the invention is the nitrogen oxide storage and the catalyst as a storage catalyst to a structural unit summarized. As a result, the design can be selected particularly compact.
Dadurch, dass der Wasserstoff-Erzeugungseinheit Kraftstoff und/oder ein Kraftstoff-Luft-Gemisch und/oder ein Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch und der Stickoxid-Erzeugungseinheit Luft und/oder Abgas zugeführt ist, wird das Ammoniak aus ohnehin vorhandenen Betriebsmitteln der Verbrennungsquelle gewonnen. Weitere Betriebsmittel, wie beispielsweise eine Harnstoff-Wasser-Lösung, müssen nicht mitgeführt werden. Als weiteres Oxidationsmittel zum Luftsauerstoff kann zur Wasserstoffherstellung Wasser eingesetzt werden. Dies kann beispielsweise durch ein Kraftstoff-Abgas-Gemisch, welches diesen Wasseranteil aufweist, realisiert werden.Thereby, that the hydrogen generating unit is fuel and / or a fuel-air mixture and / or a fuel-air-off-gas mixture and the nitrogen oxide generation unit Supplied air and / or exhaust gas is the ammonia from already existing resources of the Won combustion source. Other resources, such as a urea-water solution, do not need to be carried. As another oxidant to atmospheric oxygen can be used for hydrogen production Water are used. This can be achieved, for example, by a fuel-exhaust gas mixture, which has this water content can be realized.
In einer kostengünstigen Ausgestaltung der Erfindung mit einer geringen Anzahl benötigter Komponenten und einem besonders raumsparenden Aufbau ist eine kombinierte Wasserstoff-Stickoxid-Erzeugungseinheit zur abwechselnden Erzeugung von Wasserstoff und Stickoxid vorgesehen. Die Herstellung von Ammoniak bei abwechselnder Bereitstellung von Wasserstoff und Stickoxid wird durch den Speicherkatalysator ermöglicht, in welchem während der Stickoxid-Herstellung das Stickoxid gespeichert wird und während der Wasserstoff-Herstellung die Umwandlung zu Ammoniak erfolgt.In a cost-effective Embodiment of the invention with a small number of required components and a particularly space-saving construction is a combined hydrogen-nitrogen oxide generating unit provided for alternately generating hydrogen and nitrogen oxide. The production of ammonia with alternating provision of Hydrogen and nitric oxide are made possible by the storage catalyst, in which during the Nitric Oxide Production The nitric oxide is stored and used during the Hydrogen production is the conversion to ammonia.
Eine kontinuierliche Ammoniakerzeugung wird dadurch erreicht, dass die Wasserstoff-Erzeugungseinheit und die Stickoxid-Erzeugungseinheit als getrennte Einheiten ausgeführt sind und dass zumindest zwei Speicherkatalysatoren zur Speicherung des Stickoxids und zur Bildung des Ammoniaks vorgesehen sind, wobei die Wasserstoff-Erzeugungseinheit und die Stickoxid-Erzeugungseinheit über umschaltbare Gaswege wechselweise mit den Speicherkatalysatoren verbun den sind. Die Stickoxid-Erzeugungseinheit und die Wasserstoff-Erzeugungseinheit können für ihre Aufgabe optimiert aufgebaut werden. Die je Zeiteinheit produzierte Menge Wasserstoff und Stickoxid kann bei kontinuierlichem Betrieb mit getrennten Erzeugungseinheiten geringer gewählt werden als in der jeweiligen Betriebsphase (Wasserstoff- oder Stickoxidherstellung) beim wechselseitigen Betrieb mit einer Erzeugungseinheit, was zu einem insgesamt geringeren Energieaufwand führt.A Continuous ammonia production is achieved by the fact that the Hydrogen generating unit and the nitrogen oxide generating unit as executed separate units are and that at least two storage catalysts for storing the Nitrous oxide and are provided for the formation of ammonia, wherein the hydrogen generating unit and the nitrogen oxide generating unit via switchable Gas paths alternately verbun with the storage catalysts are the. The nitrogen oxide generation unit and the hydrogen generation unit can for your Task to be optimized. The per unit time produced Amount of hydrogen and nitric oxide can be used during continuous operation be selected smaller with separate generating units than in the respective Operating phase (hydrogen or nitric oxide production) in reciprocal Operation with a generating unit, resulting in an overall lower Energy expenditure leads.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der zumindest eine Speicherkatalysator als Stickoxid-Speicher mit einer zusätzlichen Edelmetallbeladung ausgeführt. Dabei können der Stickoxid-Speicher und das Edelmetall ähnlich einem bekannten Nitrogen Storage Catalyser (NSC) auf einem Monolithen aufgebracht sein. Das Edelmetall bewirkt die katalytische Umsetzung des gespeicherten Stickoxids und des zugeführten Wasserstoffs zu Ammoniak.In a preferred embodiment The invention is the at least one storage catalyst as a nitrogen oxide storage with an additional Precious metal loading carried out. It can the nitrogen oxide storage and the precious metal similar to a known nitrogen Storage catalyser (NSC) may be applied to a monolith. The Precious metal causes the catalytic conversion of the stored Nitrous oxide and the supplied Hydrogen to ammonia.
Eine gute Speicherwirkung für Stickoxid und eine effiziente katalytische Umsetzung des eingespeicherten Stickoxids und des Wasserstoffs zu Ammoniak kann dadurch erreicht werden, dass der Stickoxid-Speicher mit Carbonaten als aktiven Speicherkomponenten, insbesondere Bariumcarbonat, Bariumoxid oder Natriumcarbonat ausgeführt ist und/oder die Edelmetallbeladung als Platinbeladung ausgeführt ist. Alternativ dazu sind gasförmige, flüssige oder weitere feste Stickoxidabsorber denkbar. Die Edelmetallbeladung kann auch mit anderen Werkstoffen ausgeführt sein, die eine Reduktion von Stickoxiden mittels Wasserstoff zu Ammoniak bewirken.A good storage effect for nitrogen oxide and an efficient catalytic conversion of the stored nitrogen oxide and hydrogen to ammonia can be achieved that the nitrogen oxide storage with carbonates as active Spei cherkomponenten, in particular barium carbonate, barium oxide or sodium carbonate is carried out and / or the noble metal loading is designed as platinum loading. Alternatively, gaseous, liquid or other solid nitrogen oxide are conceivable. The noble metal loading can also be carried out with other materials that cause a reduction of nitrogen oxides by means of hydrogen to ammonia.
Eine kostengünstige Herstellung von Wasserstoff und Stickoxid bei geringem Energieaufwand lässt sich dadurch erreichen, dass die Wasserstoff-Erzeugungseinheit und/oder die Stickoxid-Erzeugungseinheit als Plasmareaktor ausgeführt sind. Mit einem Plasmareaktor kann, abhängig von der gewählten Betriebsart, sowohl Wasserstoff als auch Stickoxid mit hoher Erzeugungsrate hergestellt werden, so dass ein abwechselnder Betrieb als Wasserstoff-Erzeugungseinheit und als Stickoxid-Erzeugungseinheit mit einem Plasmareaktor durchgeführt werden kann.A inexpensive Production of hydrogen and nitrogen oxide with low energy expenditure can be achieve that the hydrogen generating unit and / or the nitric oxide generating unit executed as a plasma reactor are. With a plasma reactor, depending on the selected operating mode, Both hydrogen and nitrogen oxide produced at high production rates be, so that an alternating operation as a hydrogen generating unit and performed as a nitrogen oxide generating unit with a plasma reactor can.
Wird die Wasserstoff-Erzeugungseinheit unter POx-Bedingungen betrieben, ist also der Wasserstoff-Erzeugungseinheit ein Kraftstoff-Luft-Gemisch mit einem Lambda kleiner 1, insbesondere einem Lambda zwischen 0,33 und 0,66, zugeführt, so wird Wasserstoff und Kohlenmonoxid erzeugt, welche das in dem Speicherkatalysator gespeicherte Stickoxid zu Ammoniak reduzieren.Becomes operated the hydrogen generation unit under POx conditions, is therefore the hydrogen generation unit a fuel-air mixture with a lambda less than 1, in particular a lambda between 0.33 and 0.66, supplied, so is hydrogen and Carbon monoxide generated which stores the stored in the storage catalyst Reduce nitric oxide to ammonia.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Wasserstoff-Erzeugungseinheit als thermischer Verdampfer für den Kraftstoff mit einem nachgeschalteten Refor mierungskatalyator ausgeführt ist. Dabei kann gespeicherte Restwärme, beispielsweise aus der Betriebsphase der Stickoxid-Herstellung, zur Verdampfung des Kraftstoffes genutzt werden. Die Reformierung des Kraftstoffes, also die Umwandlung des Kraftstoffes in ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, erfolgt am Reformierungskatalysator.To A preferred embodiment variant of the invention is intended that the hydrogen generating unit as a thermal evaporator for the fuel with a downstream Refor mierungskatalyator accomplished is. It can stored residual heat, for example from the Operating phase of nitric oxide production, for evaporation of the fuel be used. The reforming of the fuel, so the conversion of the Fuel in a hydrogen-containing gas mixture, takes place at the reforming catalyst.
Die Restwärme aus der Betriebsphase zur Stickoxid-Herstellung lässt sich dadurch ausnutzen, dass zumindest eine Elektrode des Plasmareaktors als thermischer Verdampfer für den Kraftstoff ausgeführt ist. Dazu wird der Kraftstoff teilweise zerstäubt auf die Elektrode gespritzt und dort weiter zerstäubt und verdampft. Die Wärmekapazität der Elektrode ist so zu wählen, dass die gespeicherte Wärmemenge genügend groß für die Verdampfung der benötigten Menge Kraftstoff ist.The residual heat from the operating phase for nitrogen oxide production can be take advantage of the fact that at least one electrode of the plasma reactor as thermal evaporator for run the fuel is. For this purpose, the fuel is partially sprayed sprayed onto the electrode and there further atomized and evaporated. The heat capacity of the electrode is so to choose that the stored amount of heat enough large for the evaporation the required amount Fuel is.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die zumindest eine Elektrode des Plasmareaktors als Hohlelektrode ausgeführt, in welcher der Kraftstoff der Elektrode zugeführt ist. Der Kraftstoff wird so der heißen Elektrode gezielt und mit geringen Verlusten zugeführt.In Another embodiment of the invention is the at least one Electrode of the plasma reactor designed as a hollow electrode, in which the fuel is supplied to the electrode. The fuel will that's all Electrode targeted and fed with low losses.
Genügt die gespeicherte Wärmeenergie des thermischen Verdampfers nicht, um den Kraftstoff zu verdampfen oder ist dazu die Kontaktzeit des Kraftstoffes mit der heißen Oberfläche des thermischen Verdampfers zur ausreichenden Wärmeübertragung zu gering, so kann ein Gegenstromwärmetauscher zur Übertragung von Wärmeenergie aus einem aus dem Reformierungskatalysator austretenden Produktgas oder aus einem aus dem Plasmareaktor austretenden Gasstrom auf ein dem thermischen Verdampfer zugeführtes Eduktgas aus Luft und Kraftstoff vorgesehen sein. Der dem thermischen Verdampfer zugeführte Kraftstoff beziehungsweise das zugeführte Kraftstoff-Luft-Gemisch wird in dem Gegenstromwärmetauscher vorteilhaft so weit aufgeheizt, dass der Kraftstoff zumindest teilweise verdampft. Die zur vollständigen Verdampfung notwendige Wärmeenergie kann dann in dem thermischen Verdampfer auf den Kraftstoff übertragen werden.Suffice the stored Thermal energy of the thermal evaporator not to vaporize the fuel or is the contact time of the fuel with the hot surface of the thermal evaporator for sufficient heat transfer too low, so can a countercurrent heat exchanger for transmission of heat energy from a product gas exiting the reforming catalyst or from a gas stream leaving the plasma reactor supplied to the thermal evaporator Be prepared starting gas from air and fuel. The thermal one Evaporator supplied Fuel or the supplied fuel-air mixture is in the countercurrent heat exchanger advantageously so far heated that the fuel at least partially evaporated. The to the complete Evaporation necessary heat energy can then be transferred to the fuel in the thermal evaporator become.
Ist während der thermischen Verdampfung des Kraftstoffes der Plasmareaktor ausgeschaltet, so wird während dieser Betriebsphase die zur Aufrechterhaltung des Plasmas notwendige elektrische Energie eingespart. Dies führt beispielsweise bei Kraftfahrzeugen mit Magermotoren zu einer Reduzierung des durch die Abgasnachbehandlung mit dem Ammoniak-SCR-Verfahren bedingten Kraftstoffmehrverbrauchs.is while the thermal evaporation of the fuel the plasma reactor off, so will be during This phase of operation necessary for the maintenance of the plasma saved electrical energy. This leads, for example, in motor vehicles with lean-burn engines to a reduction of the exhaust aftertreatment with the ammonia-SCR process related fuel consumption.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass während der thermischen Verdampfung des Kraftstoffes der Plasmareaktor eingeschaltet ist und dass der Kraftstoff und/oder ein Kraftstoff-Luft-Gemisch und/oder ein Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch einem Bereich in Strömungsrichtung nach der Plasmazone zugeführt ist. Durch Einspritzen des Kraftstoffes in ein heißes Gas mit umgebenden heißen Wänden kann so eine ausreichend schnelle Verdampfung und eine Gemischbildung realisiert werden, die idealerweise zu einer nahezu rechteckförmigen Bereitstellung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltendem Produktgas führt. Durch den kontinuierlichen Plasmabetrieb kann ein Absinken der Temperatur bei Kraftstoffeinbringung in der Fettphase unter die notwendige Verdampfungstemperatur des Kraftstoffes vermieden werden. Weiterhin wird durch den kontinuierlichen Plasmabetrieb verhindert, dass die Temperatur des Reformierungskatalysators unter dessen Zündtemperatur sinkt. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass keine Einspritzung von Kraftstoff in die Plasmazone erfolgt, womit die Erzeugung unerwünschter Produkte vermieden wird. Eine ungewollte und unkontrollierte Umsetzung der Kohlenwasserstoffe zu Stoffen außer zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid kann vermieden werden, da lediglich die Temperatur aus der Thermalisierung der eingebrachten Leistung in das Plasma für die Verdampfung und Gemischbildung verwendet wird und die Reformierung vollständig zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid am anschließenden Reformierungskatalysator erreicht wird.In a preferred embodiment of the invention it is provided that during the thermal evaporation of the fuel, the plasma reactor is turned on and that the fuel and / or a fuel-air mixture and / or a fuel-air-exhaust gas mixture a region in the flow direction the plasma zone is supplied. By injecting the fuel into a hot gas with surrounding hot walls, sufficiently rapid vaporization and mixture formation can thus be realized, which ideally results in a nearly rectangular supply of hydrogen and carbon monoxide-containing product gas. Due to the continuous plasma operation, a drop in the temperature during fuel introduction in the fatty phase below the necessary evaporation temperature of the fuel can be avoided. Furthermore, it is prevented by the continuous plasma operation that the temperature of the reforming catalyst drops below its ignition temperature. Another advantage results from the fact that no injection of fuel into the plasma zone takes place, whereby the generation of undesirable products is avoided. An unintentional and uncontrolled conversion of hydrocarbons to substances other than hydrogen and carbon monoxide can be avoided, since only the temperature from the thermalization of the introduced power is used in the plasma for the evaporation and mixture formation and the reforming is completely achieved to hydrogen and carbon monoxide at the subsequent reforming catalyst.
Sind in einer Luftzuführung in Strömungsrichtung vor dem thermischen Verdampfer für den Kraftstoff und/oder vor dem Reformierungskatalysator Luftleitstege angeordnet, so kann dem Gasstrom ein Drall aufgeprägt werden, der zu einer besseren Homogenität der Kraftstoffdampf-Luft-Mischung führt. Die Stelle, an der der Kraftstoff verdampft wird, kann sich dadurch in einem Bereich mit hoher Strömungsgeschwindigkeit und/oder hohen Geschwindigkeitsgadienten befinden, was die Gemischbildung verbessert. Durch den Drall wird weiterhin die Anströmung des Reformierungskatalysators verbessert und eine Beaufschlagung des Reformierungskatalysators mit flüssigem Kraftstoff wird vermieden.are in an air supply in the flow direction before the thermal evaporator for the fuel and / or before the reforming catalyst Luftleitstege arranged, so the gas flow can be imparted a twist, to a better homogeneity the fuel vapor-air mixture leads. The place where the Fuel is vaporized, this can be in an area with high flow velocity and / or high velocity gradient, which improves mixture formation. The swirl continues to cause the flow of the reforming catalyst improved and an admission of the reforming catalyst with liquid Fuel is avoided.
Ist der SCR-Katalysator als Ammoniakspeicher ausgebildet, so können Ammoniakbedarfsspitzen durch das in dem SCR-Katalysator vorrätige Ammoniak abgefangen werden. Die Ammoniak-Produktionsrate kann so auf einen mittleren Ammoniakverbrauch begrenzt werden.is the SCR catalyst designed as ammonia storage, so Ammoniakbedarfsspitzen be intercepted by the stock in the SCR catalyst ammonia. The ammonia production rate can be adjusted to a mean ammonia consumption be limited.
Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass Stickoxid in einer von der Verbrennungsquelle und deren Abgasführung getrennten Stickoxid-Erzeugungseinheit erzeugt und in zumindest einem Speicherkatalysator gespeichert wird und dass Wasserstoff und/oder ein Wasserstoff-Kohlenmonoxid-Gemisch in einer von der Verbrennungsquelle und deren Abgasführung getrennten Wasserstoff-Erzeugungseinheit erzeugt und dem Speicherkatalysator oder einem Stickoxidspeicher und einem nachfolgenden Katalysator zugeführt wird und dass der Wasserstoff und das gespeicherte Stickoxid in dem Speicherkatalysator oder dem Katalysator katalytisch zu Ammoniak umgesetzt werden. Die Ammoniak-Erzeugung findet unabhängig von dem jeweiligen Betriebszustand der Verbrennungsquelle, beispielsweise einer Brennkraftmaschine, statt, es ist zur Ammoniaksynthese kein Eingriff in den Betriebszustand der Verbrennungsquelle notwendig. Dies ermöglicht einen verbrauchsoptimierten Betrieb der Verbrennungsquelle. Die Speicherung des erzeugten Stickoxids und anschließende katalytische Umsetzung mit dem erzeugten Wasserstoff in dem Speicherkatalysator ermöglicht eine Ammoniakerzeugung mit einem verhältnismäßig geringen Energieaufwand, insbesondere, da eine ansonsten notwendige Verbrennung des Restsauerstoffes, der bei der Stickoxidbildung zurückbleibt, nicht notwendig ist.The The object of the invention relating to the method is solved by Nitrogen oxide in a separate from the combustion source and the exhaust system Nitrogen generating unit generated and stored in at least one storage catalyst is and that hydrogen and / or a hydrogen-carbon monoxide mixture in a separate from the combustion source and the exhaust system Generated hydrogen generating unit and the storage catalyst or a nitrogen oxide storage and a subsequent catalyst supplied and that the hydrogen and the stored nitric oxide in the storage catalyst or the catalyst catalytically to ammonia be implemented. The ammonia production takes place independently of the respective operating state of the combustion source, for example an internal combustion engine, instead, it is not for ammonia synthesis Intervention in the operating state of the combustion source necessary. this makes possible a consumption-optimized operation of the combustion source. The Storage of the generated nitrogen oxide and subsequent catalytic Reaction with the generated hydrogen in the storage catalyst allows an ammonia production with a relatively small amount of energy, in particular, since an otherwise necessary combustion of the residual oxygen, which remains in the formation of nitrogen oxide, is not necessary.
Wird Wasserstoff und/oder ein Wasserstoff-Kohlenmonoxid-Gemisch in der Wasserstoff-Erzeugungseinheit aus Kraftstoff und/oder aus einem Kraftstoff-Luft-Gemisch und/oder aus einem Kraftstoff-Luft/Abgas-Gemisch erzeugt und wird Stickoxid in der Stickoxid-Erzeugungseinheit aus Luft und/oder aus Abgas erzeugt, so werden zur Ammoniakherstellung nur Betriebsmittel der Verbrennungsmaschine verwendet. Es müssen keine zusätzlichen Betriebsmittel bereitgestellt beziehungsweise mitgeführt werden.Becomes Hydrogen and / or a hydrogen-carbon monoxide mixture in the Hydrogen generating unit of fuel and / or from a fuel-air mixture and / or from a fuel-air / exhaust gas mixture generates and nitrogen oxide in the nitrogen oxide generation unit Air and / or generated from exhaust gas, so are the production of ammonia only used resources of the internal combustion engine. There is no need additional Resources are provided or carried.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung, welche mit einer geringen Anzahl benötigter Komponenten umgesetzt werden kann, wird in einer kombinierten Wasserstoff-Stickoxid-Erzeugungseinheit abwechselnd Stickoxid und Wasserstoff oder ein Wasserstoff-Kohlenmonoxid-Gemisch erzeugt, wobei das Stickoxid während der Stickoxid-Erzeugungsphase in dem Speicherkatalysator gespeichert wird und in der Wasserstoff-Erzeugungsphase mit dem Wasserstoff zu Ammoniak umgesetzt wird. Diese diskontinuierliche Ammoniakerzeugung wird durch die Speicherung des Stickoxids in dem Speicherkatalysator und der Umsetzung mit dem anschließend erzeugten Wasserstoff erst ermöglicht.In A preferred embodiment of the invention, which with a small number required Components can be implemented in a combined hydrogen-nitrogen oxide production unit generates nitrogen oxide and hydrogen or a hydrogen-carbon monoxide mixture alternately, wherein the nitric oxide during the nitrogen oxide generation phase stored in the storage catalyst is and in the hydrogen production phase with the hydrogen is converted to ammonia. This discontinuous ammonia production is due to the storage of the nitrogen oxide in the storage catalyst and the reaction with the subsequently generated hydrogen only possible.
In einer alternativen Ausführungsform wird Wasserstoff und Stickoxid aus zwei getrennten Wasserstoff- und Stickoxid-Erzeugungseinheiten abwechselnd zwei nachfolgenden Speicherkatalysatoren zur wechselweisen Speicherung des Stickoxids und zur Erzeugung des Ammoniaks zugeführt, wobei die Zuordnung der Gasflüsse zu den Speicherkatalysatoren über umschaltbare Gaswege erfolgt. Das Verfahren ermöglicht eine kontinuierliche Bereitstellung von Ammoniak für die Reduzierung der Stickoxide im Abgas der Verbrennungsquelle.In an alternative embodiment hydrogen and nitric oxide are separated from two separate hydrogen and nitric oxide generating units alternately two subsequent ones Storage catalysts for the alternate storage of nitrogen oxide and fed to the production of ammonia, the assignment of the gas flows to the storage catalysts via switchable gas paths takes place. The process allows a continuous Providing ammonia for the reduction of nitrogen oxides in the exhaust gas of the combustion source.
Eine einfache Möglichkeit zur Bereitstellung der benötigten Edukte Wasserstoff und Stickoxid besteht darin, dass der Wasserstoff oder ein Wasserstoff-Kohlenmonoxid-Gemisch und/oder das Stickoxid plasmachemisch in zumindest einem Plasmareaktor durch ein thermisches Plasma erzeugt werden. Das thermische Plasma kann dabei beispielsweise direkt durch eine Wechsel- oder eine Gleichspannung als auch durch eine Mikrowelleneinstrahlung angeregt werden. Da sich in einem thermischen Plasma sowohl Wasserstoff als auch Stickoxid erzeugen lassen, kann das Verfahren bei getrennten als auch bei kombinierten Stickoxid- und Wasserstoff-Erzeugungseinheiten eingesetzt werden. Gegenüber der ebenfalls möglichen Stickoxid-Herstellung mittels Brennern besitzt die plasmachemische Herstellung den Vorteil eines verbesserten Dynamikverhaltens im Kaltstart. Mögliche Alternativen zu dem thermischen Plasma stellen Entladungsformen mit kürzeren Entladungsdauern wie Funkenentladungen oder nichtthermischen Entladungen, wie sie beispielsweise durch dielektrisch behinderte Entladungsanordnungen erzeugt werden, dar.A easy way to provide the needed Starting materials Hydrogen and nitrogen oxide is that the hydrogen or a hydrogen-carbon monoxide mixture and / or the nitrogen oxide Plasmachemisch in at least one plasma reactor by a thermal Plasma are generated. The thermal plasma can, for example, directly by an AC or DC voltage as well as by a Microwave radiation are excited. As in a thermal Plasma can generate both hydrogen and nitric oxide, can the procedure for both separate and combined nitric oxide and hydrogen generating units. Opposite the same potential Nitrogen oxide production by means of burners possesses the plasmachemische Making the advantage of improved dynamic behavior in cold start. Possible Alternatives to the thermal plasma are discharge forms with shorter ones Discharge periods such as spark discharges or nonthermal discharges, as for example by dielectrically impeded discharge arrangements are generated.
Eine bessere Effizienz in der Herstellung der Ausgangsstoffe zur Ammoniakerzeugung lässt sich dadurch erreichen, dass die Wasserstoffbildung oder die Bildung des Wasserstoff-Kohlenmonoxid-Gemisches durch eine partielle Oxidation (POx) an einem POx-Katalysator unterstützt wird.A better efficiency in the production of starting materials for ammonia production can be characterized achieve that hydrogen formation or the formation of the hydrogen-carbon monoxide mixture is supported by a partial oxidation (POx) on a POx catalyst.
Eine alternative Methode zur Erzeugung von Wasserstoff besteht darin, dass die Erzeugung von Wasserstoff durch thermisches Verdampfen von Kraftstoff und anschließender Reformierung in einem Reformierungskatalysator erfolgt. Bevorzugt kann dazu die in dem System gespeicherte Restwärme genutzt werden, so dass zur Wasserstofferzeugung keine zusätzliche Energie benötigt wird.A alternative method of producing hydrogen is that the production of hydrogen by thermal evaporation of fuel and subsequent Reforming takes place in a reforming catalyst. Prefers For this purpose, the residual heat stored in the system can be used, so that for hydrogen production no additional energy is needed.
Eine Möglichkeit, gespeicherte Restwärme zur Wasserstofferzeugung einzusetzen besteht darin, dass der Kraftstoff durch Rekuperation in einem Gegenstromwärmetauscher und/oder durch Eindosierung von Kraftstoff in eine heiße Zone des Plasmareaktors verdampft wird. Genügt dabei die von dem Kraftstoff nach einer der genannten Methoden aufgenommene Energie nur zu einer Teilverdampfung des Kraftstoffes, ist eine Kombination der beiden Verfahren – zunächst Aufwärmen beziehungsweise Teilverdampfung des Kraftstoffes durch Rekuperation, anschließend Verdampfung des bereits aufgeheizten Kraftstoffes in einer heißen Zone des Plasmareaktors – möglich.A Possibility, stored residual heat for Hydrogen production is the use of fuel by recuperation in a countercurrent heat exchanger and / or by Metering of fuel into a hot zone of the plasma reactor is evaporated. Enough while that taken by the fuel according to one of the methods mentioned Energy only to a partial evaporation of the fuel, is one Combination of the two processes - first warm-up or partial evaporation the fuel by recuperation, then evaporation of the already heated fuel in a hot zone of the plasma reactor - possible.
Als heiße Zone zur Kraftstoffverdampfung kann die durch einen vorhergegangenen Plasmabetrieb aufgeheizte Elektrode des Plasmareaktors genutzt werden. Dazu wird der Kraftstoff auf die heiße Elektrode des Plasmareaktors dosiert. Der Kraftstoff kann bereits zuvor durch Rekuperation aufgeheizt beziehungsweise teilverdampft werden. Die Erwärmung der Elektrode erfolgt beispielsweise in der Phase zur plasmachemischen Erzeugung des Stickoxids.When name is The fuel evaporation zone can be replaced by a previous one Plasma operation heated electrode of the plasma reactor can be used. For this purpose, the fuel on the hot electrode of the plasma reactor dosed. The fuel can be previously heated by recuperation or be partially evaporated. The warming The electrode takes place, for example, in the phase for plasma-chemical Generation of the nitrogen oxide.
Eine weitere Möglichkeit, gespeicherte Restwärme zur Wasserstofferzeugung einzusetzen, besteht darin, dass die Verdampfung von Kraftstoff durch Eindosierung von Kraftstoff und/oder einem Kraftstoff-Luft-Gemisch und/oder einem Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch in einen heißen Bereich in Strömungsrichtung nach der Plasmazone erfolgt. Das Plasma kann dabei weiter betrieben werden, so dass durch einen ununterbrochenen Energieeintrag in das Eduktgas eine ausreichende Erwärmung des Gasstromes erreicht wird. Dies stellt sicher, dass zum einen die Temperatur in der Verdampfungszone ausreichend hoch ist und dass zum anderen die Temperatur des Reformierungskatalysators so hoch gehalten wird, dass eine schnelle Anspringzeit des Katalysators realisiert werden kann. Durch die eingekoppelte Plasmaleistung lässt sich eine schnelle Temperaturregelung erreichen. Da der Kraftstoff den Plamabereich nicht durchläuft, können negative Einflüsse in der Reduktionsmittelausbeute, beispielsweise durch eine Umsetzung von Kraftstoff in Methan und die Erzeugung unerwünschter Produkte vermieden werden. Die Reformierung des Kraftstoffes findet nicht unkontrolliert im Plasma, sonder ausschließlich in dem Reformierungskatalysator statt.A another possibility stored residual heat to use hydrogen production, is that the evaporation of fuel by metering in fuel and / or a fuel-air mixture and / or a fuel-air-exhaust gas mixture in a hot area in the flow direction takes place after the plasma zone. The plasma can continue to operate be, so by an uninterrupted energy input into the Eduktgas sufficient heating the gas flow is achieved. This ensures, for one thing the temperature in the evaporation zone is sufficiently high and on the other hand, the temperature of the reforming catalyst so high, that is a fast light-off time of the catalyst can be realized. The coupled-in plasma power can be achieve a fast temperature control. Since the fuel the Does not go through the paint area, can negative influences in the reducing agent yield, for example by a reaction avoiding fuel in methane and producing unwanted products become. The reforming of the fuel is not uncontrolled in plasma, but exclusively in the reforming catalyst.
Bevorzugt wird dem Gasstrom vor der Verdampfungszone des Kraftstoffes und/oder vor dem Reformierungskatalysator ein Drall aufgeprägt. Dabei bewirkt ein Drall des Gasstromes vor der Verdampfungszone des Kraftstoffes eine bessere Homogenisierung des Kraftstoffdampf-Luft-Gemisches. Die Stelle, an der der Kraftstoff verdampft wird, sollte sich in einem Bereich mit hoher Strömungsgeschwindigkeit beziehungsweise hohen Geschwindigkeitsgradienten befinden. Ein Drall des Gasstromes vor dem Reformierungskatalysator bewirkt ebenfalls eine bessere Homogenität sowie ein ideales Anströmen des Reformierungskatalysators, eine Beaufschlagung des Reformierungskatalysators mit dem verwendeten Kraftstoff kann vermieden werden.Prefers is the gas flow in front of the evaporation zone of the fuel and / or before the reforming catalyst imparted a twist. there causes a swirl of the gas flow in front of the evaporation zone of the fuel a better homogenization of the fuel vapor-air mixture. The Place where the fuel is evaporated should be in one Area with high flow velocity or high velocity gradients. A twist the gas flow before the reforming catalyst also causes a better homogeneity as well as an ideal influx of the Reformierungskatalysators, an admission of the reforming catalyst with the fuel used can be avoided.
Die Reduzierung der im Abgas der Verbrennungsquelle enthaltenen Stickoxide wird dadurch erreicht, dass das in dem Speicherkatalysator gebildete Ammoniak in dem SCR-Katalysator gespeichert wird und dass Stickoxide im Abgas der Verbrennungsquelle durch das gespeicherte Ammoniak zu Stickstoff und Wasser reduziert werden. Durch die Speicherung des Ammoniaks in dem SCR-Katalysator können Ammoniak-Bedarfsspitzen abgefangen werden. Weiterhin ist eine von den Betriebsbedingungen der Verbrennungsquelle unabhängige Ammoniakproduktion und -zwischenspeicherung möglich.The Reduction of the nitrogen oxides contained in the exhaust of the combustion source is achieved in that the formed in the storage catalyst Ammonia is stored in the SCR catalyst and that nitrogen oxides in the exhaust of the combustion source by the stored ammonia reduced to nitrogen and water. By the storage of ammonia in the SCR catalyst may require ammonia demand be intercepted. Furthermore, one of the operating conditions the combustion source independent Ammonia production and caching possible.
Zeichnungendrawings
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:The Invention will be described below with reference to the figures shown in the figures Embodiments explained in more detail. It demonstrate:
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
Die
Stickoxid-Erzeugungseinheit
Das
dem Abgasstrang
In
einer anderen Ausführungsform
kann die Wasserstoff-Erzeugungseinheit
Wie
gemäß der Ausführungsform
nach
In
einer Ausführungsform
kann eine Elektrode der als Plasmareaktor ausgeführten kombinierten Wasserstoff-Stickoxid-Erzeugungseinheit
In
einer weiteren Ausführungsform
der kombinierten Wasserstoff-Stickoxid-Erzeugungseinheit
In
einer anderen Ausführungsform
ist die Gemischbildungszone
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