-
Die
Erfindung betrifft eine Thermolysevorrichtung zur thermisch aktivierten
Zersetzung eines Feststoffes, insbesondere von trockenem Harnstoff, zu
Ammoniak und weiteren Thermolyseprodukten.
-
Zur
Reduzierung von Stickoxiden im Abgasstrom, beispielsweise einer
Brennkraftmaschine, werden SCR-Katalysatoren verwendet (SCR = selectivecatalytic-reduction/selektive
katalytische Reduktion). Dabei wird Ammoniak (NH3)
in den Abgasstrom der Brennkraftmaschine eingespeist und wirkt als Reduktionsmittel
für die
im Abgasstrom enthaltenen Stickoxide, so dass im SCR-Katalysator die selektive katalytische
Reduktion der Stickoxide stattfinden kann.
-
Ammoniak
kann aus flüssigem
oder trockenem Harnstoff gewonnen werden. Bei der Gewinnung von
Ammoniak aus trockenem Harnstoff oder anderen Feststoffen wird dieser
einem Thermolysereaktor zugeführt,
in dem der Harnstoff durch Thermolyse in Ammoniak und Isocyansäure (HNCO)
gespalten wird. Zur Durchführung
der Thermolyse weist der Thermolysereaktor eine üblicherweise elektrisch betriebene
Heizvorrichtung auf.
-
Zur
Zuführung
des trockenen Harnstoffs zur Heizvorrichtung des Thermolysereaktors
ist es bekannt, die Heizvorrichtung mit einer Förderleitung zu verbinden, die
mit Förderluft
beaufschlagt ist. Durch die Förderluft
erfolgt ein Fördern
des trockenen Harnstoffs, der beispielsweise in Form von Harnstoffpellets
oder in Kugelform vorliegt, zur Heizvorrichtung des Thermolysereaktors.
-
Nachteilig
an einer derartigen Anordnung ist der erhöhte Energiebedarf. Bedingt
durch die Förderluft
aus der Förderleitung
erfolgt eine Reduzierung der Temperatur innerhalb der Heizvorrichtung,
da das erhitzte Medium innerhalb der Heizvorrichtung durch die kältere Förderluft
aus der Förderleitung
verdrängt
wird. Insbesondere erfolgt eine Vermischung des erhitzten Mediums
in der Heizvorrichtung mit der Förderluft,
so dass die Energie zum Erhitzen der Förderluft zusätzlich von
der Heizvorrichtung zur Verfügung
gestellt werden muss.
-
DE 10 2004 042 225
A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ammoniak
aus festen Harnstoffpellets, wobei die Pellets über einen Schusskanal zu einem
Reaktor gefördert
werden. Das Ende des Pelletschusskanals endet hierbei im Innenraum
des Reaktors.
-
DE 102 06 028 A1 beschreibt
eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ammoniak, wobei trockener Harnstoff über eine
Förderleitung
in eine elektrisch beheizte Reaktionskammer gefördert wird. Der Harnstoff wird
somit von einem Vorratsbehälter über eine Dosiereinrichtung
mit Hilfe der Förderleitung
in den Reaktor gefördert,
wobei die Förderleitung
die Dosiereinrichtung und den Reaktor verbindet.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur thermisch aktivierten
Zersetzung von trockenem Harnstoff zu Ammoniak und weiteren Thermolyseprodukten
zu schaffen, die einen niedrigen Energiebedarf aufweist.
-
Die
Lösung
der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
-
Eine
Vorrichtung zur thermisch aktivierten Zersetzung eines Feststoffes, beispielsweise
von trockenem Harnstoff, zu Ammoniak und weiteren Thermolyseprodukten
weist einen Thermolysereaktor mit einer Heizvorrichtung auf. Weiterhin
weist die Vorrichtung eine mit einem Förderfluid, insbesondere Luft,
beaufschlagbare Zuführvorrichtung
zum Zuführen
des Feststoffes zur Heizvorrichtung auf. Die Zuführvorrichtung weist eine Förderleitung
und eine Fluidabführvorrichtung
zum Entweichen wenigstens eines Teils des Förderfluids aus der Zuführvorrichtung
vor dem Eintreten in die Heizvorrichtung auf.
-
Dadurch,
dass wenigstens ein Teil des Förderfluids
vor dem Eintritt in die Heizvorrichtung aus der Zuführvorrichtung
entweicht, kann der durch die Förderluft
verursachte Wärmeverlust
der Heizvorrichtung reduziert oder komplett vermieden werden. Weiterhin
ist es möglich,
das verwendete Förderfluid nicht
oder nur in geringerem Ausmaß zu
erwärmen, da
kein oder nur ein geringerer Anteil des Förderfluids in die Heizvorrichtung
gelangt. Dadurch kann der Energiebedarf der Vorrichtung gesenkt
werden. Somit ist eine Energieeinsparung auch dann möglich, wenn
das Förderfluid
in der Zuführvorrichtung
eine niedrigere Temperatur als das Medium in der Heizvorrichtung
aufweist.
-
Eine
besonders große
Energieeinsparung kann erzielt werden, wenn die Zuführvorrichtung
und die Fluidabführvorrichtung
derart ausgebildet sind, dass der Feststoff in einem Abschnitt unmittelbar
vor dem Eintreten in die Heizvorrichtung im Wesentlichen und insbesondere
ausschließlich
durch seine kinetische Energie bewegt wird. Dadurch kann der Eintritt
des kälteren
Förderfluids
in die Heizvorrichtung reduziert, oder gänzlich vermieden werden.
-
Ein
weiterer positiver Effekt sämtlicher
Ausführungsformen
der Erfindung ist die thermische Entkopplung der Zuführvorrichtung
von der Heizvorrichtung, so dass die Zuführvorrichtung möglichst
kühl gehalten
werden kann. Dadurch kann eine ungewollte Aufschmelzung des Feststoffes
vor seinem Eintritt in die Heizvorrichtung oder den Thermolysereaktor vermieden
werden. Eine vorzeitige Aufschmelzung des trockenen Harnstoffes
hätte beispielsweise
die Entstehung von Ablagerungen bzw. Isocyansäure, beispielsweise in der
Förderleitung,
zur Folge.
-
Besonders
bevorzugt wird als Feststoff zur Gewinnung von Ammoniak trockener
Harnstoff verwendet. Alternativ ist es möglich, andere Feststoffe wie
beispielsweise Ammoniumkarbonat als Ausgangsmaterial zur Ammoniakgewinnung
zu verwenden. Sämtliche
in Verbindung mit trockenem Harnstoff beschriebene Merkmale können auch
in Verbindung mit anderen Feststoffen als Ausgangsmaterial realisiert
werden.
-
Die
Zuführvorrichtung
zum Zuführen
von trockenem Harnstoff weist eine Förderleitung auf. Die Fluidabführvorrichtung
ist dabei durch mindestens eine Ausnehmung in der Förderleitung
ausgebildet. Bevorzugt ist es, eine Vielzahl von Ausnehmungen vorzusehen.
Durch die Ausnehmungen kann das Fluid, beispielsweise Förderluft,
wenigstens teilweise vor dem Eintreten in die Heizvorrichtung entweichen.
-
Die
Ausnehmungen können
als schlitzförmige
Ausnehmungen in der Förderleitung
ausgebildet sein. Sie können
in einer Längsrichtung
der Förderleitung
insbesondere parallel zu einander verlaufen. Weitere Ausgestaltungen
der Ausnehmungen, wie beispielsweise als insbesondere kreisrunde
Löcher, sind
möglich.
Alternativ dazu oder zusätzlich
können die
Ausnehmungen als luftdurchlässiges
Metallgewebe in der Förderleitung
ausgebildet sein.
-
Alternativ
zu den Ausnehmungen ist es möglich,
dass die Fluidabführvorrichtung
dadurch ausgebildet ist, dass die Förderleitung beabstandet zu
der Heizvorrichtung angeordnet ist. Dies bedeutet, dass die Förderleitung
beispielsweise in einem Abstand von wenigen Millimetern, besonders
bevorzugt in einem Abstand von 1–2 Millimetern, vor dem Thermolysereaktor
und/oder der Heizvorrichtung endet. Dabei kann die Förderluft
unmittelbar vor dem Einlass in die Heizvorrichtung entweichen, während der
trockene Harnstoff durch seine massenbedingt höhere kinetische Energie weiter
in die Heizvorrichtung befördert
wird. Ebenfalls ist es möglich,
dass die Förderleitung
zur Fluidabführung
ausschließlich
eine Auslassöffnung
aufweist, d. h., dass die Förderleitung
keine weiteren Ausnehmungen neben ihrer Auslassöffnung aufweist.
-
Die
Ausnehmungen und/oder die Auslassöffnung der Förderleitung
können
mit einer Bypassleitung zum Vorbeileiten des Förderfluids an der Heizvorrichtung
verbunden sein. In einer bevorzugten Ausführungsform führt die
Bypassleitung zu einem Bereich, der in Auslassrichtung hinter dem
Thermolysereaktor angeordnet ist. Die Auslassrichtung wird hierbei
als diejenige Richtung verstanden, in die die Thermolyseprodukte
aus dem Thermolysereaktor austreten. Die Bypassleitung kann auch
als Kanal in einer Luftspaltisolierung der Thermolysevorrichtung ausgebildet
sein.
-
Um
eine einfachere Förderung
des trockenen Harnstoffs zu ermöglichen,
ist es bevorzugt, diesen in Form von Harnstoffpellets oder in Kugelform bereitzustellen.
-
Das
Entweichen des Förderfluids
aus der Zuführvorrichtung
vor dem Eintritt in die Heizvorrichtung wird besonders dadurch begünstigt,
dass innerhalb der Heizvorrichtung ein relativ hoher Druck vorherrscht.
So kann beispielsweise die Bypassleitung, die mit den Ausnehmungen
und/oder der Auslassöffnung
der Förderleitung
verbunden ist, einen niedrigeren Durchflusswiderstand als die Heizvorrichtung oder
der Thermolysereaktor aufweisen. Dadurch ist es auf einfache Weise
möglich,
ein Entweichen des Förderfluids
aus der Zuführvorrichtung
zu realisieren. Das geförderte
Harnstoffpellet wird auch in diesem Fall durch seine größere kinetische
Energie nicht, oder nur unwesentlich von den Druckunterschieden beeinflusst
und wird somit weiterhin in die Heizvorrichtung gefördert.
-
Zur
weiteren Begünstigung
des Entweichens der Förderluft
aus der Zuführvorrichtung
kann die Förderleitung
in dem Abschnitt unmittelbar vor den Ausnehmungen oder vor der Auslassöffnung eine
gekrümmte
Form zur gerichteten Strömungsführung der
Förderluft
aufweisen. Durch die gekrümmte
Form entsteht ein verstärkter
Druck der Förderluft,
gegen einen Teil der Innenseite der Förderleitung. In diesem Teil
der Förderleitung
kann die Fluidabführvorrichtung
beispielsweise in Form von Ausnehmungen und in Form der Auslassöffnung der
Förderleitung
angeordnet sein.
-
Weiterhin
ist es bevorzugt, die Ausnehmungen der Förderleitungen derart auszubilden,
dass sie ein geringeres Ausmaß als
die geförderten
Harnstoffpellets aufweisen, so dass die Harnstoffpellets aufgrund
ihrer kinetischen Energie und der Zwangsführung in der Förderleitung
zuverlässig
in die Heizvorrichtung gefördert
werden können.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
weist die Vorrichtung zur Zersetzung von trockenem Harnstoff eine
Hydrolysevorrichtung zum Umwandeln eines Teils der Thermolyseprodukte
in Ammoniak auf, die der Thermolysevorrichtung nachgeschaltet ist.
Die Fluidabführvorrichtung
ist dabei mit einer Bypassleitung zum Vorbeileiten des Förderfluids
an der Heizvorrichtung verbunden.
-
Insbesondere
kann die Bypassleitung zu einem Bereich führen, der in Auslassrichtung
hinter dem Hydrolysereaktor angeordnet ist.
-
Zur
weiteren Energieeinsparung ist es möglich, den Thermolysereaktor
zumindest im Bereich der Heizvorrichtung doppelwandig auszubilden,
so dass dieser eine Luftspaltisolierung aufweist. Durch diese Maßnahme kann
die thermische Entkopplung der Heizvorrichtung von der Zuführvorrichtung
weiter optimiert werden. Dadurch erfolgt eine Verbesserung der Energiebilanz.
Ferner wird durch die thermische Entkoppelung die Betriebssicherheit
der Vorrichtung gesteigert.
-
Durch
die reduzierten Wandstärken
bei einer Luftspaltisolierung wird ein schnelleres Aufheizen der Vorrichtung
erreicht. Dadurch wird die Ansprechzeit der Vorrichtung positiv
beeinflusst.
-
Eine
Kombination der eingangs beschriebenen Merkmale der Erfindung mit
den Merkmalen bezüglich
der Luftspaltisolierung ist ebenfalls möglich.
-
Im
folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung anhand von Figuren erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 eine
schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und
-
2 eine
schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
-
Gemäß 1 weist
eine Vorrichtung 10 zur thermisch aktivierten Zersetzung
von trockenem Harnstoff 12 zu Ammoniak und weiteren Thermolyseprodukten
einen Thermolysereaktor 14 mit einer Heizvorrichtung 16 auf.
Die Heizvorrichtung 16 ist elektrisch betrieben und wird über Anschlussleitungen 18 mit
elektrischer Spannung versorgt. Ferner ist die Heizvorrichtung 16 mit
einer Zuführvorrichtung 20 zum
Zuführen
von trockenem Harnstoff 12 zur Heizvorrichtung 16 verbunden.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Zuführvorrichtung 20 als
Förderleitung
ausgebildet und wird mit Förderluft
beaufschlagt. Die Förderluft bewegt
sich in der Förderleitung
in Richtung des Pfeils 22 und fördert somit die Harnstoffpellets 12 von
einem nicht dargestellten Vorratsbehälter zur Heizvorrichtung 16.
In der gezeigten Ausführungsform
weist die Förderleitung 20 einen
geringfügig
größeren Durchmesser
auf als die Harnstoffpellets 12.
-
Der
Thermolysereaktor 14 ist einlassseitig mit einer Zuführleitung 24 verbunden,
durch die dem Thermolysereaktor und den nachfolgenden Komponenten
ein Abgasteilstrom zugeführt
wird. Dem Thermolysereaktor 14 nachgeschaltet ist eine
Hydrolysekatalysator 26.
-
Wird
dem Thermolysereaktor 14 über die Förderleitung 20 ein
Harnstoffpellet 12 zugeführt, wird dieses in einer thermolytischen
Reaktion unter Zufuhr von Wärme
durch die Heizvorrichtung 16 in Ammoniak und Isocyansäure zersetzt.
Die entstandene Isocyansäure
wird dem Hydrolysekatalysator 26 zugeführt, wo sie in einer hydrolytischen
Reaktion, unter Zufuhr von Feuchtigkeit aus dem Abgasteilstrom ebenfalls
in Ammoniak umgewandelt wird. Das entstandene Ammoniak und der Abgasteilstrom
werden über
eine Abführleitung 28 einem
Abgasstrom 32 zugeführt
und in diesem möglichst
homogen verteilt. Anschließend
erfolgt im SCR-Katalysator 30 die selektive katalytische
Reduktion der Stickoxide. Der Großteil der Abgase wird dem SCR-Katalysator
dabei über
die Abgasleitung 32 zugeführt.
-
Erfindungswesentliches
Merkmal der Vorrichtung ist, dass die Förderleitung 20 zum
Entweichen wenigstens eines Teils der Förderluft aus der Förderleitung
vor dem Eintreten in die Heizvorrichtung 16 eine Fluidabführvorrichtung 34 aufweist.
Diese ist in einem Abschnitt 36 unmittelbar vor der Heizvorrichtung 16 angeordnet
und dadurch ausgebildet, dass die Förderleitung 20 in
diesem Abschnitt 36 großflächige Schlitze 34 aufweist.
-
Die
Förderluft,
die eine niedrigere Temperatur als die Luft in der Heizvorrichtung 16 aufweist, kann über die
Schlitze 34 aus der Förderleitung 20 entweichen,
bevor sie in den Thermolysereaktor 14 oder in die Heizvorrichtung 16 eintritt.
Die Förderluft bewegt
sich dabei in Richtung eines Pfeils 38 in die Bypassleitung 40.
Die Bypassleitung 40 führt
in einen Bereich 42, der in Auslassrichtung hinter dem Thermolysereaktor 14 und
dem Hydrolysekatalysator 26 angeordnet ist. Aus diesem
Abschnitt 42 wird die Förderluft
der Abführleitung 28 zugeführt.
-
Ein
Großteil
der Förderluft
entweicht, ohne dass weitere besondere Maßnahmen getroffen werden müssen, aus
der Förderleitung 20 durch
die Schlitze 34, da die Bypassleitung 40 einen
niedrigeren Durchflusswiderstand als der Thermolysereaktor 14 aufweist.
Dieser Effekt wird weiterhin dadurch verstärkt, dass die Bypassleitung 40 über den
Bereich 42 mit der Abführleitung 28 verbunden
ist, die somit eine Sogwirkung auf die Bypassleitung 40 ausüben kann.
Zusätzlich
entspannt sich die Förderluft
durch die Volumenaufweitung der Bypassleitung.
-
Um
das Entweichen der Förderluft
aus der Förderleitung 20 zusätzlich zu
begünstigen,
kann die Förderleitung 20 in
einem Abschnitt 44 unmittelbar vor den Ausnehmungen 34 eine
gekrümmte
Form zur gerichteten Strömungsführung der
Förderluft
aufweisen. Diese Ausführungsform
ist in der 1 durch das Bezugszeichen 20a gekennzeichnet.
In diesem Fall wäre
es beispielsweise möglich,
die Schlitze 34 in einem in Blattrichtung oberen Bereich
der Förderleitung 20a anzuordnen.
Durch die gekrümmte
Form der Förderleitung 20a entsteht
in einem Bereich 36 der Förderleitung 20a, unmittelbar
vor dem Eintritt in die Heizvorrichtung 16 ein vermehrter
Druck der Förderluft
gegen die obere Innenseite 46 der Förderleitung 20a. Werden
in diesem Bereich die Schlitze 34 angeordnet, ist es möglich, das
Entweichen der Förderluft
weiterhin zu begünstigen.
Da die Schlitze 34 kleinere Abmessungen als das Harnstoffpellet 12 aufweisen,
kann dieses nicht durch die Schlitze 34 entweichen, sondern
wird durch die Zwangsführung der
Förderleitung 20/20a zuverlässig in
die Heizvorrichtung 16 gefördert.
-
2 zeigt
eine zweite Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10,
zur thermisch aktivierten Zersetzung von Harnstoff bei der die Fluidabführvorrichtung 34 dadurch
ausgebildet ist, dass die Förderleitung 20 beabstandet
zu der Heizvorrichtung 16 angeordnet ist. Der Abstand der
Förderleitung 20 zur
Einlassöffnung
des Gehäuses 48,
in dem der Thermolysereaktor angeordnet ist, wird kleiner gewählt als
der Durchmesser des Harnstoff-Pellets, um eine zuverlässige Förderung
des Pellets in den Reaktor zu gewährleisten. Der Abstand kann
beispielsweise 2 Millimeter betragen.
-
Die
Auslassöffnung 50 der
Förderleitung 20 kann
dabei ebenfalls entsprechend der ersten Ausführungsform der Erfindung mit
der Bypassleitung 40 verbunden sein. Dadurch, dass die
Bypassleitung 40 einen niedrigeren Durchflusswiderstand
aufweist, als der Thermolysereaktor 14, entweicht die Förderluft aus
der Auslassöffnung 50 der
Förderleitung 20 in Richtung
des Pfeils 38 in die Bypassleitung 40, bevor sie
in die Heizvorrichtung 16 eintritt.
-
Bei
beiden Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist es möglich,
dass die Vorrichtung 10 ein Gehäuse 48 aufweist, wobei
das Gehäuse 48 wenigstens
im Bereich der Heizvorrichtung 16 doppelwandig ausgebildet
ist und eine Luftspaltisolierung 52 aufweist. Dadurch kann
wirkungsvoll ein Entweichen der Wärme der Heizvorrichtung 16 aus
der Vorrichtung 10 vermieden werden. Weiterhin wird eine
zusätzliche
thermische Entkoppelung der Vorrichtung 10 von der Umgebung, insbesondere
von der Förderleitung 20 erreicht.
Dadurch kann ein frühzeitiges
Aufschmelzen der geförderten
Harnstoffpellets 12 vermieden werden, was eine Entstehung
von Ablagerungen beispielsweise durch Isocyansäure in der Förderleitung 20 zur
Folge hätte.
Das Gehäuse 48 kann
zu der Nähe
des Abschnitts 42 einen Ansatz 54 zur besseren
Strömungsführung der
Förderluft
aufweisen.