DE102011101474A1

DE102011101474A1 - Einrichtung und Verfahren zum Behandeln von Abgasen von mit Biogas betriebenen Verbrennungskraftmaschinen und Verwendung eines Katalysators dazu

Info

Publication number: DE102011101474A1
Application number: DE102011101474A
Authority: DE
Inventors: Dirk Goeman; Klaus-Dieter Zanter
Original assignee: EMISSION PARTNER GbR VERTRETUNGSBERECHTIGTER GESELLSCHAFTER DIRK GOEMAN
Current assignee: EMISSION PARTNER GbR VERTRETUNGSBERECHTIGTER GESELLSCHAFTER DIRK GOEMAN
Priority date: 2011-05-11
Filing date: 2011-05-11
Publication date: 2012-11-15
Anticipated expiration: 2031-05-12
Also published as: DE102011101474B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und Verfahren zum Behandeln von Abgasen von mit Biogas betriebenen Verbrennungskraftmaschinen umfassend folgende Schritte: • Zuführen der Abgase zu einer Katalysatoreinrichtung mit einem Vanadiumpentoxid aufweisenden Katalysator, der ein Trägeroxid und weitere, eine Schwefeldioxidoxidation inhibierenden Zusatzstoffe aufweist und auf einem Träger mit Wabenkörpern auf der Basis zumindest einer Metallfolie angeordnet ist • Vorbeileiten der Abgase an dem geträgerten Katalysator • Behandeln der Abgase unter oxidativen Bedingungen zur Oxidation von in dem Abgas enthaltenen Aldehyden, insbesondere Formaldehyd.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln von Abgasen von mit Biogas betriebenen Verbrennungskraftmaschinen, einer Einrichtung zur Verbrennung von Biogas aus einer Biogasanlage mit einer Verbrennungskraftmaschine sowie die Verwendung eines Katalysators zur Behandlung von Abgas von mit Biogas betriebenen Verbrennungskraftmaschinen.
Aus dem Stand der Technik sind Katalysatoren zur oxidativen Reinigung von Abgasen bekannt, beispielsweise aus der DE 42 13 018 C1 , wobei diese Katalysatoren zum Einsatz bei der Reinigung von Abgasen von Dieselmotoren eingesetzt werden. Zur Reinigung der Dieselabgase können jedoch nicht die bei Otto-Motoren eingesetzten 3-Wege-Katalysatoren verwendet werden, da die Dieselabgase einen hohen Sauerstoffanteil aufwesen, was zu Luftzahlen λ > 1 führt, wohingegen 3-Wege-Katalysatoren für die Oxidation der Kohlenwasserstoffe und des Kohlenmonoxids sowie die gleichzeitige Reduktion der Stickoxide stöchiometrisch zusammengesetzte Abgase mit Luftzahlen λ = 1 benötigen. Weiterhin zeichnen sich Oxidationskatalysatoren dadurch aus, dass eine Vielzahl von oxidierbaren Bestandteilen, beispielsweise Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoff oder Schwefeldioxid aufoxidiert werden.
Der Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen mit alternativen Treibstoffen führt ebenfalls dazu, dass Abgase entstehen, die behandelt werden müssen, damit gesetzliche Vorschriften erfüllt werden. Abgase der Verbrennungskraftmaschinen können Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Ruß und Stickoxide enthalten, die in einem Mehrwege-Abgassystem behandelt werden können. Neben einem Oxidationskatalysator und einem Rußfilter ist zur Verringerung von Stickoxiden ein selektives katalytisches Reduktionsverfahren, das sogenannte „SCR-Verfahren” (selective catalytic reduction) vorgesehen. Kohlenwasserstoffe sollen unter Oxidation zu Kohlendioxid und Wasser umgewandelt werden, Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid und beispielsweise Methan zu Kohlendioxid und Wasser. Verbrennungskraftmaschinen beim Einsatz als Biogasmotoren laufen im Gegensatz zu Motoren in PKW bei sehr heißen Abgastemperaturen, die zu einer beschleunigten Alterung der Katalysatoren, beispielsweise durch Zusammenwachsen der Edelmetallpartikel oder das Zusammenbrechen der Trägeroberfläche führen. Weitere Alterungseinflüsse bestehen durch eine Vergiftung durch Schwefel sowie Ascheablagerungen, beispielsweise aus dem Motorenöl oder aus dem Biogas, so dass die Konversationsrate eines Katalysators in Abhängigkeit von der Temperaturalterung, Vergiftung oder der Ascheablagerung stark verringert werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Konvertierungsrate des Katalysators möglichst lange aufrecht zu erhalten.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruches sowie einer Einrichtung mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der Beschreibung aufgeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Behandeln von Abgasen von mit Biogas betriebenen Verbrennungskraftmaschinen sieht vor, dass die Abgase zu einer Katalysatoreinrichtung mit einem Vanadiumpentoxid aufweisenden Katalysator, der ein Trägeroxid und weitere, eine Schwefeldioxidoxidation inhibierende Zusatzstoffe aufweist und auf einem Träger mit Wabenkörpern auf der Basis zumindest einer Metallfolie angeordnet ist zugeführt wird, die Abgase an dem geträgerten Katalysator vorbeigeleitet und unter oxidativen Bedingungen zur Oxidation von in dem Abgas enthaltenen Aldehyden behandelt werden, wobei insbesondere Formaldehyd in den Abgasen vorkommt, die bei der Verbrennung von Biogas entstehen. Durch den Einsatz eines Katalysators mit Vanadiumpentoxid, einem Trägeroxid sowie mit weiteren Zusatzstoffen auf einem damit beschichteten Wabenkörper auf der Basis von Metallfolien oder einer Metallfolie können Abgase aus Blockheizkraftwerken, die mit Biogas aus einer Biogasanlage betrieben werden, wirkungsvoll gereinigt werden, so dass die Vorgaben der TA-Luft eingehalten bzw. unterschritten werden. Für die Reinigung von Aldehyden im Abgas ist insbesondere Vanadiumpentoxid mit dem Trägeroxid, vorzugsweise Titandioxid wirksam. Überraschenderweise wird die Aldehyd-Oxidation durch Stickstoffdioxid beschleunigt.
Die Oxidation der Aldehyde erfolgt vorzugsweise ohne Zugabe von Zusatzstoffen, so dass ein einfacher und dauerhafter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ohne aufwendige Zusatzeinrichtungen möglich ist. Der Katalysator arbeitet als ein spezieller Oxidationskatalysator, in dem die Aldehyde selektiv oxidiert werden, während andere Stoffe wie Kohlenmonoxid oder Schwefeldioxid nicht oxidiert werden.
Weiterhin ist vorgesehen, dass in dem Abgas enthaltene Kohlenmonoxide unter oxidativen Bedingungen, also bei einem Sauerstoffüberschuss im Abgas, nicht oxidiert werden.
Die Abgase werden in der Katalysatoreinrichtung an dem auf einem Metallgrundkörper geträgerten Katalysator vorbeigeleitet, um die katalytische Reaktion zu bewirken. Der Vorteil der Anordnung des Katalysators auf einem Metallgrundkörper besteht darin, dass ein hohes Katalysatorvolumen bereitgestellt werden kann, da es im Gegensatz zu herkömmlichen, auf Keramikgrundkörpern geträgerten Katalysatoren eine größere innere Oberfläche bei geringem Platzbedarf aufweist. Dadurch ist es bei gleichen Außenabmessungen möglich, die Dauerhaltbarkeit der Katalysatoreinrichtung zu erhöhen, da die, zum Beispiel durch Ascheeintrag bedingte, Aktivitätsreduktion durch eine signifikant größere innere Oberfläche kompensiert wird. Darüber hinaus wird durch den Einsatz der Kombination aus Vanadiumpentoxid, dem Trägeroxid und dem Zusatzstoff oder den Zusatzstoffen eine Vergiftung des Katalysators durch Schwefel verringert.
Der Katalysator wird vorteilhafterweise in einem Temperaturbereich zwischen 400 und 500°C und bei einer Raumgeschwindigkeit zwischen 35000 und 45000 1/h betrieben.
Das im Abgas enthaltene Schwefeldioxid wird vorteilhafterweise nicht oxidiert, um zu verhindern, dass der im Biogas enthaltene Schwefelwasserstoff, der durch die Verbrennung in der Verbrennungskraftmaschine zu Schwefeldioxid umgesetzt wird, zu Schwefeltrioxid oxidiert, das in Verbindung mit dem im Abgas befindlichen Wasser zu Schwefelsäure weiter reagieren kann, die bei einer Taupunktunterschreitung den Wärmetauscher angreift. Das Vermeiden der Oxidation von Schwefeldioxid verringert somit die Vergiftung des Katalysators.
Die Einrichtung zur Verbrennung von Biogas aus einer Biogasanlage sieht eine Verbrennungskraftmaschine und eine nachgeschaltete Katalysatoreinrichtung vor, die zur Reinigung der Abgase mit einem Tragkörper aus Metall mit Wabenkörpern aus zumindest einer Metallfolie versehen ist, der für das Abgas durchströmbare Kanäle ausbildet und mit katalytisch wirksamen Komponenten aus Vanadiumpentoxid auf einem Trägeroxid mit Zusatzstoffen geträgert ist. Die Katalysatoreinheit weist vorteilhafterweise eine offene Anströmfläche von mehr als 75% auf.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Trägeroxid Titandioxid, Aluminiumoxid oder Siliciumoxid oder eine Mischung aus zumindest zwei der Oxide enthält. Die Zusatzstoffe sind so gewählt, dass sie die Schwefeldioxidoxidation inhibieren und weisen auf oder bestehen aus Wolframdioxid, Molybdän, Niob oder Verbindungen dieser Elemente. Die Konzentration der Zusatzstoffe kann in einem Bereich zwischen 0,1 und 20 Gew.%, vorzugsweise zwischen 1 und 12 Gew.% liegen, die Konzentration des Vanadiumpentoxids liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,1 und 10 Gew.%, vorzugsweise zwischen 0,5 und 5 Gew.%.
Die Erfindung betrifft ebenfalls die Verwendung eines Katalysators mit Vanadiumpentoxid auf einem Trägeroxid mit Zusatzstoffen auf einem Metallträger auf der Basis von zumindest einer Metallfolie zur Oxidation von Aldehyden im Abgas von mit Biogas betriebenen Verbrennungskraftmaschinen unter Vermeidung einer Schwefeldioxidoxidation. Der Katalysator ist vorzugsweise wie vorstehend aufgebaut und wird wie beschrieben eingesetzt.
Die einzige Figur zeigt eine Einrichtung zur Verbrennung von Biogas aus einer Biogasanlage mit einer Verbrennungskraftmaschine 1, die als herkömmlicher Motor ausgebildet ist. Die Verbrennungskraftmaschine 1 wird mit Biogas betrieben und generiert mechanische Leistung und Wärme, die entsprechend genutzt werden können. Die bei der Verbrennung entstehenden Abgase werden in eine Katalysatoreinrichtung 2, geleitet, in dem sich zumindest ein Wabenkörper auf Basis zumindest einer Metallfolie befindet, der für das Abgas durchströmbare Kanäle ausbildet. Auf dem Wabenkörper befindet sich ein Katalysator, der Vanadiumpentoxid, ein Trägeroxid und Zusatzstoffe aufweist, wobei das Trägeroxid Titandioxid, Siliciumoxid oder Aluminiumoxid oder eine Mischung aus zumindest zwei der Oxide enthält. Der Zusatzstoff oder die Zusatzstoffe inhibieren eine Schwefeldioxidoxidation und weisen Wolframoxid, Molybdän und/oder Niob oder Verbindungen dieser Elemente auf, die die inhibierenden Eigenschaften aufweisen. Die Konzentration der Zusatzstoffe liegt in einem Bereich zwischen 0,1 und 20 Gew.%, vorzugsweise zwischen 1 und 12 Gew.% liegt, die Konzentration des Vanadiumpentoxids dagegen im Bereich zwischen 0,1 und 10 Gew.%, vorzugsweise zwischen 0,5 und 5 Gew.%.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4213018 C1 [0002]

Claims

Verfahren zum Behandeln von Abgasen von mit Biogas betriebenen Verbrennungskraftmaschinen umfassend folgende Schritte: • Zuführen der Abgase zu einer Katalysatoreinrichtung mit einem Vanadiumpentoxid aufweisenden Katalysator, der ein Trägeroxid und weitere, eine Schwefeldioxidoxidation inhibierenden Zusatzstoffe aufweist und auf einem Träger mit Wabenkörpern auf der Basis zumindest einer Metallfolie angeordnet ist • Vorbeileiten der Abgase an dem geträgerten Katalysator • Behandeln der Abgase unter oxidativen Bedingungen zur Oxidation von in dem Abgas enthaltenen Aldehyden, insbesondere Formaldehyd.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidation der Aldehyde ohne Zugabe von Zusatzstoffen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abgas enthaltenes Kohlenmonoxid unter oxidativen Bedingungen nicht oxidiert wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidation von im Abgas enthaltenem Schwefeldioxid inhibiert wird.
Einrichtung zur Verbrennung von Biogas aus einer Biogasanlage mit einer Verbrennungskraftmaschine und einer nachgeschalteten Katalysatoreinrichtung zur Reinigung der Abgase mit einem Tragkörper aus Metall mit Wabenkörpern auf der Basis zumindest einer Metallfolie, der durchströmbare Kanäle ausbildet und mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung aus Vanadiumpentoxid auf einem Trägeroxid mit Zusatzstoffen versehen ist.
Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoreinheit eine offene Anströmfläche von mehr als 75% aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägeroxid Titandioxid, Aluminiumoxid oder Siliciumoxid oder eine Mischung aus zumindest zwei der Oxide enthält.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzstoffe die Schwefeldioxidoxidation inhibieren und Wolframdioxid, Molybdän, Niob oder Verbindungen dieser Elemente aufweisen oder bestehen.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration der Zusatzstoffe in einem Bereich zwischen 0,1 und 20 Gew.%, vorzugsweise zwischen 1 und 12 Gew.% liegt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des Vanadiumpentoxids im Bereich zwischen 0,1 und 10 Gew.%, vorzugsweise zwischen 0,5 und 5 Gew.% liegt.
Verwendung eines Katalysators mit Vanadiumpentoxid auf einem Trägeroxid mit Zusatzstoffen auf einem Wabenkörper auf Basis von Metallfolien als einem Metallträger zur Oxidation von Aldehyden im Abgas von mit Biogas betriebenen Verbrennungskraftmaschinen unter Vermeidung einer Schwefeldioxidoxidation.