DE102007029674A1 - Baugruppe sowie Verfahren zur Stickoxidminderung in einer sauerstoffhaltigen Gasströmung - Google Patents

Baugruppe sowie Verfahren zur Stickoxidminderung in einer sauerstoffhaltigen Gasströmung Download PDF

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Abstract

Eine Baugruppe (10) zur Stickoxidminderung in einer sauerstoffhaltigen Gasströmung, insbesondere der Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, hat einen in einer Stickoxide und Sauerstoff führenden Gasleitung (14) angeordneten SCR-Katalysator (12), einen Umsetzungsreaktor (16), der eine eine Ammoniakvorstufe enthaltende Lösung in eine Ammoniaklösung umsetzt, und eine dem Umsetzungsreaktor (16) nachgeschaltete, als separates Bauteil ausgebildete thermische Verdampfungseinheit (26), in der die Ammoniaklösung vor Einbringung in die Gasleitung (14) stromaufwärts des SCR-Katalysators (12) verdampft wird. Außerdem wird ein Verfahren zur Stickoxidminderung in einer sauerstoffhaltigen Gasströmung, z. B. einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, beschrieben.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Baugruppe zur Stickoxidminderung in einer sauerstoffhaltigen Gasströmung, insbesondere der Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, z. B. eines Kraftfahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Stickoxidminderung in einer sauerstoffhaltigen Gasströmung, insbesondere einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine mit einem in einer Gasleitung angeordneten SCR-Katalysator.
  • Zur Einhaltung umweltgesetzlicher Vorgaben müssen die Abgase z. B. von verbrennungsmotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugen einer Reinigung unterzogen werden. Insbesondere kommen zur Stickoxidminderung zunehmend sogenannte SCR-Katalysatoren (auch als Denitrierungskatalysatoren bezeichnet) zum Einsatz, die bei der Verbrennung im Motor erzeugte Stickoxide (NOx) unter Zuhilfenahme von im SCR-Katalysator zwischengespeichertem Ammoniak (NH3) selektiv zu Wasser und Stickstoff reduzieren. Das gleiche gilt auch für Prozeßgase, die z. B. in Chemieanlagen entstehen. Auch hier werden SCR-Katalysatoren zur Stickoxidreinigung eingesetzt. Die Bereitstellung des für die selektive katalytische Reduktion benötigten Ammoniaks erfolgt durch Hydrolyse von Harnstoff, der dem Abgas für gewöhnlich in gelöster Form zugegeben wird. Allerdings ist eine Einspritzung wäßriger Harnstofflösung bei niedrigen Temperaturen problematisch, da der Harnstoff an der Einspritzdüse kristallisieren kann. Aus diesem Grund erfolgt die Einspritzung erst bei Temperaturen ≥ 200°C, die deutlich oberhalb derjenigen Temperatur des Katalysators liegen, ab der dieser wirkt. Somit wird die Effizienz des gesamten Systems durch die vorgegebene Harnstoffmindesteinspritztemperatur beschränkt. Hinzu kommt, daß die gewöhnlich verwendeten Einspritzventile und anderen elektromagnetischen Systeme bei höheren Temperaturen nicht stabil sind. Aus diesem Grund ist eine Kühlung nötig, wenn das System direkt an der Gasleitung befestigt ist. Die Harnstofflösung zuerst zu verdampfen und den Dampf in die Gasleitung einzuführen, ist aufgrund der raschen Bildung von Harnstoffablagerungen im Verdampfungssystem äußerst problematisch.
  • Die Erfindung schafft eine Baugruppe bzw. ein Verfahren zur Stickoxidminderung in einer sauerstoffhaltigen Gasströmung, insbesondere der Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, die bzw. das die genannten Nachteile aus dem Stand der Technik vermeidet.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist hierzu eine Baugruppe zur Stickoxidminderung in einer sauerstoffhaltigen Gasströmung, insbesondere der Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine wie eines Kraftfahrzeugs, vorgesehen, mit einem in einer Stickooxide und Sauerstoff führenden Gasleitung angeordneten SCR-Katalysator, einem Umsetzungsreaktor, der eine eine Ammoniakvorstufe enthaltende Lösung in eine Ammoniaklösung umsetzt, und einer dem Umsetzungsreaktor nachgeschalteten, als separates Bauteil ausgebildeten thermischen Verdampfungseinheit, in der die Ammoniaklösung vor Einbringung in die Gasleitung stromaufwärts des SCR-Katalysators verdampft wird. Bei Verbrennungskraftmaschinen ist die Gasleitung die sogenannte Abgasleitung. Im Sinne der Erfindung ist unter einer eine Ammoniakvorstufe enthaltenden Lösung eine Lösung zu verstehen, aus der durch chemische Umsetzung Ammoniak gewonnen werden kann, die jedoch selbst gesundheitlich vergleichsweise unbedenklich ist. Bei der erfindungsgemäßen Baugruppe wird also die eine Ammoniakvorstufe enthaltende Lösung, beispielsweise eine Harnstofflösung, im flüssigen Zustand in eine Ammoniaklösung umgesetzt und erst dann verdampft, wodurch Ablagerungen in der Verdampfungseinheit weitgehend vermieden werden. Da erfindungsgemäß die bereits umgesetzte Ammoniaklösung in die Anlage, insbesondere Abgasanlage, eingebracht wird, kann die Betriebsmindesttemperatur der erfindungsgemäßen Baugruppe deutlich geringer gewählt werden als bei aus dem Stand der Technik bekannten Systemen mit Harnstoffeinspritzung. Weiterhin ist zu beachten, daß gemäß der Erfindung im Umsetzungsreaktor noch keine Verdampfung der Lösung erfolgt (dies geschieht erst in der separaten thermischen Verdampfungseinheit), wodurch sich die zum Betrieb des Umsetzungsreaktors benötigte Energie verringert.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der eine Ammoniakvorstufe enthaltenden Lösung um eine wäßrige Harnstofflösung. Insbesondere kommt hier das sogenannte AdBlue® zum Einsatz, welches inzwischen an zahlreichen Tankstellen erhältlich ist und somit den Vorteil einer bereits bestehenden Versorgungsinfrastruktur bietet. Alternativ kann auch eine andere eine Ammoniakvorstufe enthaltende Lösung eingesetzt werden, die sich zu Ammoniak umsetzen läßt, beispielsweise Ammoniumformiat oder Mischungen, die Ammoniumformiat enthalten.
  • Vorzugsweise ist ein Generator zum Erzeugen elektromagnetischer Wellen vorgesehen, die auf die Lösung treffen und die Umsetzung der eine Ammoniakvorstufe enthaltenden Lösung im Umsetzungsreaktor zumindest unterstützen. Dabei kann die Umsetzung dadurch erfolgen, daß z. B. bei einer Harnstofflösung die C-N-Bindung direkt gecrackt wird, oder indem die Lösung auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der eine Umsetzung in Ammoniak stattfindet.
  • Insbesondere handelt es sich bei den elektromagnetischen Wellen um Mikrowellen, durch die mittels Hydrolyse im Umsetzungsreaktor Ammoniak erzeugt wird.
  • Alternativ kann es sich bei den elektromagnetischen Wellen auch um Infrarot- oder Ultraviolettstrahlung handeln.
  • Um die Umsetzung in Ammoniak zu verbessern, kann der Umsetzungsreaktor ein hydrolytisch aktives Katalysatormaterial aufweisen, das als Beschichtung oder Füllmaterial einer im Umsetzungsreaktor ausgebildeten Umsetzungskammer gestaltet sein kann.
  • Vorteilhaft umfaßt der Umsetzungsreaktor eine Umsetzungskammer, die ein Material aufweist, welches die Entstehung von Ablagerungen zumindest erschwert. Dabei kann die gesamte Kammer aus einem entsprechenden Material bestehen oder zumindest eine geeignete Beschichtung aufweisen, welche das sogenannte Fouling weitgehend verhindert.
  • Insbesondere handelt es sich bei dem Material um PTFE, welches unerwünschte Ablagerungen großteils verhindert. Bei Verwendung von Mikrowellen zur Umsetzung der verwendeten Lösung ist es außerdem nötig, ein nicht metallisches Material für die Kammer bzw. deren Beschichtung zu verwenden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ragt das der Verdampfungseinheit nachgeschaltete Auslaßrohr zumindest teilweise in die Gasleitung, was den Vorteil bietet, daß die Wärme des Abgases die Verdampfung unterstützen kann. Die weiteren Teile der Baugruppe (natürlich abgesehen vom SCR-Katalysator) können von der Gasleitung entfernt angeordnet sein. Somit ist es, anders als im Stand der Technik bei herkömmlicher Harnstoffeindüsung, nicht nötig, temperaturempfindliche bewegliche Teile oder elektromagnetische Aktuatoren nahe der heißen Gasleitung unterzubringen.
  • Vorzugsweise ist eine Steuerung vorgesehen, die die Temperatur im Umsetzungsreaktor steuert oder regelt. Dadurch wird die Temperatur im Umsetzungsreaktor insbesondere unter dem Siedepunkt der Lösung gehalten, so daß zwar beispielsweise Harnstofflösung in Ammoniaklösung umgesetzt wird, jedoch kein Dampf entsteht. Auf diese Weise läßt sich die benötigte Reaktorenergie, insbesondere die benötigte Mikrowellenstrahlung, so gering wie möglich halten. Die Verdampfung der Ammoniaklösung erfolgt anschließend in der thermischen Verdampfungseinheit, die strömungsmäßig mit dem Umsetzungsreaktor verbunden ist.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Verdampfungseinheit ein Wärmetauscher zur Erwärmung der Ammoniaklösung vorgeschaltet. Auf diese Weise läßt sich die zur Verdampfung benötigte Energie verringern, indem beispielsweise die Wärme einer Abgasrückführleitung genutzt wird.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Stickoxidminderung in einer sauerstoffhaltigen Gasströmung, insbesondere einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine mit einem in einer Gasleitung angeordneten SCR-Katalysator vorgesehen. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Bereitstellen einer eine Ammoniakvorstufe enthaltenden Lösung, Umsetzen der eine Ammoniakvorstufe enthaltenden Lösung mittels eines Umsetzungsreaktors in eine Ammoniaklösung, Verdampfen der Ammoniaklösung in einer dem Umsetzungsreaktor nachgeschalteten, separaten Verdampfungseinheit und Einbringen des erzeugten Dampfes in die Stickoxide und Sauerstoff führende Gasleitung stromaufwärts des SCR-Katalysators. Bezüglich der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die weiter oben genannten Vorzüge der erfindungsgemäßen Baugruppe verwiesen. Natürlich führt die Gasleitung üblicherweise nicht nur Sauerstoff und Stickoxide, sondern ein breites Gasgemisch.
  • Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann die eine Ammoniakvorstufe enthaltende Lösung durch Cracken umgesetzt werden, im Fall von Harnstofflösung insbesondere durch Cracken der C-N-Bindung.
  • Alternativ kann die eine Ammoniakvorstufe enthaltende Lösung thermisch umgesetzt werden, indem sie im Umsetzungsreaktor auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der die Umsetzung in Ammoniak stattfindet. Im Fall von wäßriger Harnstofflösung beträgt diese Temperatur ca. 80 bis 90°C.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier bevorzugter Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
  • 1 eine Baugruppe gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
  • 2 eine Baugruppe gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, ebenfalls zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 1 zeigt eine Baugruppe 10 zur Stickoxidminderung, die insbesondere in der Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs mit Magergemischmotor (nicht gezeigt) eingesetzt wird. Die Baugruppe 10 umfaßt einen SCR-Katalysator 12, der in einer Gasleitung 14 (Abgasleitung) angeordnet ist. Hierbei deutet der Pfeil P die Strömungsrichtung des Abgases an, das u. a. Stickoxide und Sauerstoff enthält.
  • Die Baugruppe 10 umfaßt weiterhin einen Umsetzungsreaktor 16, der eine Umsetzungskammer 18 sowie einen Generator 20 zum Erzeugen elektromagnetischer Wellen aufweist. Die Umsetzungskammer 18 steht über eine Flüssigkeitsleitung 22 mit einem Tank 24 in Verbindung, der eine eine Ammoniakvorstufe enthaltende Lösung, hier wäßrige Harnstofflösung, enthält.
  • Bezogen auf die Strömungsrichtung in der Flüssigkeitsleitung 22 stromabwärts des Umsetzungsreaktors 16 ist eine thermische Verdampfungseinheit 26 vorgesehen, die ein in einer Verdampfungskammer 28 angeordnetes elektrisches Heizelement 30 in Form einer Glühkerze aufweist. Ein Auslaßrohr 32 stromabwärts der Verdampfungseinheit 26 ragt teilweise in die Gasleitung 14 hinein.
  • Ferner steht der Umsetzungsreaktor 16 mit einer Steuerung 34 in Verbindung.
  • Neben den in der 1 schematisch angedeuteten weist die (Abgas)-Anlage natürlich weitere Komponenten auf, etwa einen Krümmer, einen Abgasturbolader, eine Abgasrückführung und/oder weitere Katalysatoren oder Partikelfilter, auf deren Darstellung der Übersichtlichkeit halber verzichtet wurde. Die Anlage kann aber auch in eine Chemieprozeßanlage integriert sein, in der Prozeßgase entstehen.
  • Um dem SCR-Katalysator 12 das zur Entstickung benötigte Ammoniak zuzuführen, wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die eine Ammoniakvorstufe enthaltende Lösung aus dem Tank 24 mit Hilfe eines Dosier-/Pumpensystems 36 in die Umsetzungskammer 18 des Umsetzungsreaktors 16 befördert. Der Generator 20 erzeugt elektromagnetische Wellen, hier insbesondere Mikrowellen, die auf die Lösung treffen und deren Umsetzung in eine Ammoniaklösung, sei es durch Cracken der C-N-Bindung und/oder durch Erhitzen auf eine Umsetzungstemperatur von ca. 80 bis 90°C, zumindest unterstützen.
  • Alternativ kann es sich bei den vom Generator 20 erzeugten elektromagnetischen Wellen auch um Infrarot- oder Ultraviolettstrahlung handeln.
  • Um die Umsetzungsreaktion weiterhin zu begünstigen, weist der Umsetzungsreaktor 16, genauer gesagt die Umsetzungskammer 18, ein hydrolytisch aktives Katalysatormaterial auf, entweder als Beschichtung oder als Füllung. Zudem ist die Umsetzungskammer 18 aus einem Material hergestellt bzw. mit einem Material beschichtet, das die Entstehung von Ablagerungen zumindest erschwert. Insbesondere handelt es sich dabei um PTFE.
  • Während der Umsetzung steuert bzw. regelt die Steuerung 34 die Temperatur im Umsetzungsreaktor 16 so, daß diese unterhalb des Siedepunkts der umzusetzenden bzw. umgesetzten Lösung gehalten wird. Dadurch läßt sich die benötigte Mikrowellenstrahlung möglichst gering halten. Die aus der eine Ammoniakvorstufe enthaltenden Lösung (hier der Harnstofflösung) erzeugte Ammoniaklösung gelangt anschließend in die dem Umsetzungsreaktor 16 nachgeschaltete thermische Verdampfungseinheit 26 und wird hier unter Zuführung elektrischer Energie zum elektrischen Heizelement 30 verdampft. Der Ammoniakdampf wird in die Gasleitung stromaufwärts des SCR-Katalysators 12 eingespeist und von diesem zur selektiven Reduktion der bei der Verbrennung im Motor erzeugten Stickoxide genutzt.
  • 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Baugruppe 10, wobei im folgenden gleiche oder funktionsgleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen tragen und nur auf die Unterschiede zur bisher beschriebenen ersten Ausführungsform eingegangen wird. Die Baugruppe 10 gemäß 2 weist einen Wärmetauscher 38 auf, der der Verdampfungseinheit 26 vorgeschaltet ist und zur Erwärmung der im Umsetzungsreaktor 16 erzeugten Ammoniaklösung dient, wodurch sich die für das elektrische Heizelement 30 aufzuwendende Energie verringert. Der Wärmetauscher 38 steht beispielsweise mit einer Abgasrückführung der Abgasanlage (nicht gezeigt) in Verbindung.
  • 10
    Baugruppe
    12
    SCR-Katalysator
    14
    Gasleitung
    16
    Umsetzungsreaktor
    18
    Umsetzungskammer
    20
    Generator
    22
    Flüssigkeitsleitung
    24
    Tank
    26
    Verdampfungseinheit
    28
    Verdampfungskammer
    30
    Heizelement
    32
    Auslaßrohr
    34
    Steuerung
    36
    Dosier-/Pumpensystem
    38
    Wärmetauscher
    P
    Strömungsrichtung des Abgases

Claims (16)

  1. Baugruppe zur Stickoxidminderung in einer sauerstoffhaltigen Gasströmung, insbesondere einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem in einer Stickoxide und Sauerstoff führenden Gasleitung (14) angeordneten SCR-Katalysator (12), einem Umsetzungsreaktor (16), der eine eine Ammoniakvorstufe enthaltende Lösung in eine Ammoniaklösung umsetzt, und einer dem Umsetzungsreaktor (16) nachgeschalteten, als separates Bauteil ausgebildeten thermischen Verdampfungseinheit (26), in der die Ammoniaklösung vor Einbringung in die Gasleitung (14) stromaufwärts des SCR-Katalysators (12) verdampft wird.
  2. Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der eine Ammoniakvorstufe enthaltenden Lösung um eine wäßrige Harnstofflösung handelt.
  3. Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Generator (20) zum Erzeugen elektromagnetischer Wellen vorgesehen ist, die auf die Lösung treffen und die Umsetzung der eine Ammoniakvorstufe enthaltenden Lösung im Umsetzungsreaktor (16) zumindest unterstützen.
  4. Baugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den elektromagnetischen Wellen um Mikrowellen handelt.
  5. Baugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den elektromagnetischen Wellen um Infrarot- oder Ultraviolettstrahlung handelt.
  6. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Umsetzungsreaktor (16) ein hydrolytisch aktives Katalysatormaterial aufweist.
  7. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Umsetzungsreaktor (16) eine Umsetzungskammer (18) umfaßt, die ein Material aufweist, welches die Entstehung von Ablagerungen der Lösung zumindest erschwert.
  8. Baugruppe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Material um PTFE handelt.
  9. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß stromabwärts der Verdampfungseinheit (26) ein Auslaßrohr (32) vorgesehen ist, das zumindest teilweise in die Gasleitung (14) ragt.
  10. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerung (34) vorgesehen ist, die die Temperatur im Umsetzungsreaktor (16) steuert oder regelt.
  11. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfungseinheit (26) ein Wärmetauscher (38) zur Erwärmung der Ammoniaklösung vorgeschaltet ist.
  12. Verfahren zur Stickoxidminderung in einer sauerstoffhaltigen Gasströmung, insbesondere einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine mit einem in einer Stickoxide und Sauerstoff führenden Gasleitung (14) angeordneten SCR-Katalysator (12), gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Bereitstellen einer eine Ammoniakvorstufe enthaltenden Lösung, – Umsetzen der eine Ammoniakvorstufe enthaltenden Lösung mittels eines Umsetzungsreaktors (16) in eine Ammoniaklösung, – Verdampfen der Ammoniaklösung in einer dem Umsetzungsreaktor (16) nachgeschalteten, separaten Verdampfungseinheit (26) und – Einbringen des erzeugten Dampfes in die Gasleitung (14) stromaufwärts des SCR-Katalysators (12).
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Ammoniakvorstufe enthaltende Lösung durch Cracken umgesetzt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Ammoniakvorstufe enthaltende Lösung thermisch umgesetzt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß elektromagnetische Wellen, insbesondere Mikrowellen, erzeugt werden, die die Umsetzung der eine Ammoniakvorstufe enthaltenden Lösung im Umsetzungsreaktor (16) zumindest unterstützen.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die im Umsetzungsreaktor (16) herrschende Temperatur unter dem Siedepunkt der Lösung gehalten wird.
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