DE102009048121A1

DE102009048121A1 - Abgasvorrichtung für Verbrennungsgase

Info

Publication number: DE102009048121A1
Application number: DE102009048121A
Authority: DE
Inventors: Martin Prof. Bertau; Dirk Prof. Meyer
Original assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Current assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Priority date: 2009-10-02
Filing date: 2009-10-02
Publication date: 2011-04-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasvorrichtung für Verbrennungsgase, die insbesondere für einen Einsatz in Kraftfahrzeugen, Heizungen, Kraft- und Wärmekopplungsanlagen oder CO-produzierenden Chemieanlagen anwendbar ist. Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, aus dem Abgasstrom von Verbrennungsgasgemischen die Fracht an COsowie klimarelevanten, ozonbildenden und giftigen Gasen kostengünstig und technisch einfach zu reduzieren. Das erfindungsgemäße Reduktionskonvertersystem ist in den Abgasstrom einer Verbrennungsanlage eingebunden und der aus einer oder mehreren Stufen bestehende Konverter mit durchströmungsfähigen elektrisch polaren Kristallen bestückt. Durch die mit Wasserstoff mögliche Reduktion von Kohlendioxid und anderen klimarelevanten, ozonbildenden und giftigen Gasen kann ein Beitrag zur Verbesserung klimarelevanter Abgaswerte und zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades von CO-produzierenden Anlagen geleistet werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasvorrichtung für Verbrennungsgase, die insbesondere für einen Einsatz in Kraftfahrzeugen, Heizungen, Kraft- und Wärmekopplungsanlagen oder CO₂-produzierenden Chemieanlagen anwendbar ist.
Das ständig zunehmende Verkehrsaufkommen und die damit gestiegenen Umweltbelastungen, die insbesondere im innerstädtischen Verkehr problematisch sind, führten dazu, dass der Gesetzgeber maximale Abgasgrenzwerte festlegte. Deshalb wird heute bei Ottomotoren die Abgasnachbehandlung von Katalysatoren übernommen. Bei dieser katalytischen Abgasreinigung werden die ablaufenden chemischen Reaktionen beschleunigt und Abgasbestandteile, wie z. B. Kohlenmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe oder Stickoxide, in die ungiftigen Stoffe Kohlendioxid, Wasser und Stickstoff durch Oxidation bzw. Reduktion umgewandelt.
Auch bei der Stromerzeugung in modernen Kohlekraftwerken nehmen die Einrichtungen der Abgasreinigung inzwischen hohe Flächenanteile und Investitionskosten in Anspruch. So werden in den Entstickungsanlagen solcher Kraftwerke die Stickoxide unter Zugebe von Ammoniak zu Wasser und Stickstoff umgewandelt. Neben einer aufwendigen Staubfilterung erfolgt in diesen Anlagen auch die Reinigung des Abgases vom Schwefeldioxid.
In der EP 1008732 B1 wird eine Abgasreinigungsanlage für die katalytische Beseitigung des Schadstoffes NO_x aus dem Abgas einer Verbrennungsanlage beschrieben. Dazu ist in Kompaktbauweise eine Eindüseinrichtung zum Einbringen des Reaktionsmittels vorgesehen. Nach der DE 10 2007 022 168 A1 ist die Erzeugung von Energie aus fossilen Brennstoffen mit Abführung von reinem Kohlendioxid bekannt. Nach einer Vergasung des Brennstoffes unter hohem Druck wird das Vergasungsgas gereinigt und anschließend unter Zuführung eines Gemisches aus Sauerstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf verbrannt. Im Abgas bleibt technisch reines Kohlendioxid zurück, das durch Lagerung in Untergrundspeichern der Atmosphäre entzogen werden kann. Die Endlagerung von Kohlendioxid ist aber mit hohem Aufwand verbunden und erfordert sichere und in der Bevölkerung akzeptierte Deponielösungen.
Aus der chemischen Technik ist die Methanolsynthese bekannt. Dabei wird aus Synthesegas bei einer stark exothermen Reaktion aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff und einer schwach exothermen Reaktion aus Kohlendioxid und Wasserstoff Methanol hergestellt (s. Lehrbuch Technische Chemie, WILEY-VCH Verlag GmbH&Co KGaA, Weinheim, 2006, S. 559).
Das Kohlendioxid ist ein Treibhausgas und wird hinsichtlich seiner Klimarelevanz intensiv diskutiert. Eine Reduktion von klimarelevanten sowie ozonbildenden Gasen im Abgas von Verbrennungsprozessen bedeutet eine substanzielle Weiterentwicklung der Luftreinhaltungstechnologie.
Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, aus dem Abgasstrom von Verbrennungsgasgemischen die Fracht an CO₂ sowie klimarelevanten, ozonbildenden und giftigen Gasen kostengünstig und technisch einfach zu reduzieren.
Zu den Verbrennungsgasgemischen im Sinne der Erfindung zählen auch Faulgase (Biogas) oder Deponiegase, die durch „kalte” metabolische Verbrennung erzeugt wurden.
Das erfindungsgemäße Reduktionskonvertersystem ist in den Abgasstrom einer Verbrennungsanlage eingebunden. Der aus einer oder mehreren Stufen bestehende Konverter ist mit durchströmungsfähigen elektrisch polaren Kristallen bestückt. Solche pyro-, ferro- oder piezoelektrische Kristalle können beispielsweise LiNbO, CaCO₃, SiO₂ oder Turmalin sein.
Die elektrisch polaren Kristalle sind Festkörper mit kovalenter oder ionischer Bindung und einer polaren Achse bei denen unter Zufuhr von Wärme, Druck oder nach Wirkung von elektrischen Feldern Gitterbausteine von ihrer angestammten Position fortbewegt werden und somit eine Änderung der intrinsischen elektrischen Dipole hervorrufen.
Erfindungsgemäß werden Elektronen vom aktivierten Kristall nach Wärmezufuhr, die aus einem heißen Abgas möglich ist, auf das Kohlendioxid übertragen, wodurch eine Reduktion zu Methanol erfolgt. Der hierfür erforderliche Wasserstoff wird in bekannter Weise durch Spaltung von Wasser, ebenfalls mit Hilfe polarer Kristalle, generiert oder durch separate Zufuhr von Wasserstoff aus einem Vorratsbehälter bereitgestellt. Über eine eingebrachte Kühlung wird das Kristallsystem regeneriert und durch erneutes Erwärmen quasi wieder aufgeladen. Alternativ zur Reduktion des CO₂ am elektrisch polaren Kristall kann sie auch in etablierter Weise katalytisch wie z. B. am S-3-85-Katalysatorkontakt erfolgen (s. Lehrbuch Technische Chemie, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co KGaA, Weinheim, 2006, S. 559).
Durch den Reduktionskonverter kann ein Teil des gebildeten CO₂ in Methanol überführt werden, während nur der Rest über das Abgassystem in die Umwelt gelangt. Somit wird die im Abgas enthaltene Energie auch zur Erzeugung von Methanol genutzt, das beispielsweise als Brenn- oder chemischer Grundstoff eingesetzt werden kann. Damit findet eine Nutzung der im Abgas vorhandenen Restwärme statt, die andernfalls ungenutzt bliebe. Da nur Restwärmen genutzt werden, kann nur ein Teil des im Abgasstrom vorhandenen CO₂ konvertiert werden.
Neben CO₂ kann so auch NO_x reduziert werden. Durch die mögliche Reduktion von Kohlendioxid und anderen klimarelevanten, ozonbildenden und giftigen Gasen kann ein Beitrag zur Verbesserung klimarelevanter Abgaswerte und zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades von Verbrennungskraftmaschinen, Heizungsanlagen oder auch anderen CO₂-produzierenden Anlagen geleistet werden.
Die Erfindung soll an nachfolgendem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
Das erfindungsgemäße Konvertersystem ist in der Abgasanlage eines Kraftfahrzeugmotors integriert. In der Abbildung ist dieses Konvertersystem als Konverter dem Katalysator im Abgassystem nachgeschaltet. Der Konverter, welcher mit durchströmungsfähigen LiNbO₃-Kristallen bestückt ist, besitzt jeweils eine Verbindung mit einem Vorratsbehälter für destilliertes Wasser, dem Motor zur Wärmezufuhr und dem Kühler des Kraftfahrzeuges zur Kältezufuhr.
Der heiße Abgasstrom des Motors gelangt, nachdem im Katalysator eine chemische Konvertierung der Verbrennungsschadstoffe erfolgt ist, in den Konverter. Durch die Wärmezufuhr werden die LiNbO₃-Kristalle im Konverter aktiviert und dadurch kann eine Zerlegung des eingespeisten Wassers erfolgen. Der entstehende Sauerstoff geht in den Verbrennungsraum des Motors, während der entstehende Wasserstoff am durch die Erwärmung aktivierten elektrisch polaren Kristall das Kohlendioxid zu Methanol reduziert. Das erzeugte Methanol kann in den Treibstofftank zurückgeführt werden, was zur Erhöhung der Gesamtenergieausbeute des Motors beiträgt. Durch Kühlung, aus dem Kühlsystem des Motors gespeist, können die eingesetzten Kristalle regeneriert und durch erneutes Erwärmen quasi wieder aufgeladen werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Konverter kann die CO₂-Menge im Abgas des Kraftfahrzeuges entscheidend reduziert werden, wodurch strengere Abgasnormen eingehalten werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1008732 B1 [0004]
DE 102007022168 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Lehrbuch Technische Chemie, WILEY-VCH Verlag GmbH&Co KGaA, Weinheim, 2006, S. 559 [0005]
Lehrbuch Technische Chemie, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co KGaA, Weinheim, 2006, S. 559 [0011]

Claims

Abgasvorrichtung für Verbrennungsgase, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrom von Verbrennungsanlagen ein Reduktionskonvertersystem, das mit elektrisch polaren Kristallen gasdurchströmbar bestückt ist, angeordnet ist.
Abgasvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass pyro-, ferro- oder piezoelektrische Kristalle eingesetzt werden.
Abgasvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Austragsmöglichkeit aus dem Reduktionskonvertersystem für entstehendes Methanol angeordnet wird.
Abgasvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionskonvertersystem mit einem Behälter und einer Zuführung für Wasser oder für gasförmigen Wasserstoff versehen ist.
Abgasvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionskonvertersystem mit einer Zuführung für eine Kühlung zum Zwecke der Regenerierung der Kristalle ausgestattet ist.
Abgasvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionskonvertersystem mit einem Katalysator zur Durchführung der Reaktion CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂O ausgestattet ist.
Abgasvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionskonvertersystem die Abgasreinigung des klassischen Abgaskatalysators mit übernehmen und diesen ersetzen kann.