DE102011106243A1 - Ammonia gas generator useful e.g. for producing ammonia from ammonia precursor solution, and in gas engines, comprises catalyst unit comprising catalyst and mixing chamber, injection device having nozzle, and outlet for formed ammonia gas - Google Patents

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Prof. Dr. Sattelmayer Thomas
Plamen Toshev
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Abstract

Ammonia gas generator (100) comprises: a catalyst unit (70) comprising a catalyst (60) for decomposing and/or hydrolyzing ammonia precursors into ammonia, and a mixing chamber (51) arranged upstream of the catalyst; an injection device (40) for introducing the ammonia precursor solution into the mixing chamber, comprising a nozzle exhibiting a theoretical spray angle (alpha ) of 10-90[deg] ; and (iii) an outlet for formed ammonia gas. The catalyst has a catalyst volume. The mixing chamber has a mixing chamber volume. The distance of the nozzle opening to the end face of the catalyst is 15-2000 mm.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ammoniakgasgenerator zur Erzeugung von Ammoniak aus einer Ammoniakvorläufersubstanz und dessen Verwendung in Abgasnachbehandlungssystemen zur Reduktion von Stickoxiden in Abgasen.The present invention relates to an ammonia gas generator for producing ammonia from an ammonia precursor substance and its use in exhaust aftertreatment systems for the reduction of nitrogen oxides in exhaust gases.

In Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen sind oftmals Stoffe enthalten, deren Emission in die Umwelt unerwünscht ist. Daher werden in vielen Ländern Grenzwerte für die Emission solcher Schadstoffe, wie beispielsweise im Abgas von Industrieanlagen oder Automobilen festgelegt, die einzuhalten sind. Zu diesen Schadstoffen zählen neben einer Reihe anderer Schadstoffe auch Stickoxide (NOx), wie insbesondere Stickstoffmonoxid (NO) oder Stickstoffdioxid (NO2).Exhaust gases from internal combustion engines often contain substances whose emission into the environment is undesirable. Therefore, emission limits for such pollutants are defined in many countries, such as in the exhaust of industrial plants or automobiles, which must be adhered to. In addition to a number of other pollutants, these pollutants also include nitrogen oxides (NO x ), in particular nitrogen monoxide (NO) or nitrogen dioxide (NO 2 ).

Die Reduzierung der Emission dieser Stickoxide aus Abgasen von Verbrennungsmotoren kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen. Hervorzuheben ist an dieser Stelle die Reduktion durch zusätzliche Abgasnachbehandlungsmaßnahmen, die insbesondere auf die selektive katalytische Reduktion (selective catalytic reduction – SCR) zurückgreifen. Diesen Methoden ist gemeinsam, dass ein selektiv auf die Stickoxide wirkendes Reduktionsmittel dem Abgas zugegeben wird, worauf in Gegenwart eines entsprechenden Katalysators (SCR-Katalysator) eine Umwandlung der Stickoxide erfolgt. Hierbei werden die Stickoxide in weniger umweltschädliche Stoffe, wie beispielsweise Stickstoff und Wasser umgewandelt.The reduction of the emission of these nitrogen oxides from exhaust gases of internal combustion engines can be done in various ways. It should be emphasized at this point the reduction by additional exhaust aftertreatment measures, which in particular rely on the selective catalytic reduction (SCR). These methods have in common that a selectively acting on the nitrogen oxides reducing agent is added to the exhaust gas, followed by a conversion of the nitrogen oxides in the presence of a corresponding catalyst (SCR catalyst). Here, the nitrogen oxides are converted into less polluting substances, such as nitrogen and water.

Ein heute bereits eingesetztes Reduktionsmittel für Stickoxide stellt Harnstoff (H2N-CO-NH2) dar, welches in Form einer wässrigen Harnstofflösung dem Abgas zugegeben wird. Dabei kann sich der Harnstoff im Abgasstrom in Ammoniak (NH3) zersetzen, beispielsweise durch Einwirkung von Wärme (Thermolyse) und/oder durch Reaktion mit Wasser (Hydrolyse). Der somit gebildete Ammoniak stellt das eigentliche Reduktionsmittel für Stickoxide dar.A reducing agent for nitrogen oxides already in use today is urea (H 2 N-CO-NH 2 ), which is added to the exhaust gas in the form of an aqueous urea solution. In this case, the urea in the exhaust stream in ammonia (NH 3 ) decompose, for example by the action of heat (thermolysis) and / or by reaction with water (hydrolysis). The ammonia thus formed represents the actual reducing agent for nitrogen oxides.

Die Entwicklung von Abgasnachbehandlungssystemen für Automobile wird seit geraumer Zeit betrieben und ist Gegenstand zahlreicher Publikationen. So wird beispielsweise mit der europäischen Patentschrift EP 487 886 B1 ein Verfahren zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion in sauerstoffhaltigen Abgasen von Dieselmotoren beschrieben, in dem Harnstoff und dessen Thermolyseprodukte als Reduktionsmittel eingesetzt werden. Zudem wird eine Vorrichtung zur Erzeugung vom Ammoniak in Form eines Röhrenverdampfers beschrieben, die eine Sprühvorrichtung, einen Verdampfer mit Verdampferrohre und einen Hydrolysekatalysator umfasst.The development of exhaust aftertreatment systems for automobiles has been going on for quite some time and has been the subject of numerous publications. For example, with the European patent specification EP 487 886 B1 describes a method for selective catalytic NO x reduction in oxygen-containing exhaust gases of diesel engines, are used in the urea and its Thermolyseprodukte as a reducing agent. In addition, a device for the production of ammonia in the form of a tubular evaporator is described, which comprises a spray device, an evaporator with evaporator tubes and a hydrolysis catalyst.

Des Weiteren wird mit der Europäischen Patentschrift EP 1 052 009 B1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur thermischen Hydrolyse und Dosierung von Harnstoff bzw. Harnstofflösungen in einem Reaktor unter Zuhilfenahme eines Abgasteilstroms beschrieben. In dem Verfahren wird einem Abgasstrang stromauf des SCR-Katalysators ein Teilstrom des Abgases entnommen und durch den Reaktor geleitet, wobei der nach der Hydrolyse im Reaktor mit Ammoniak beladene Teilstrom ebenfalls noch stromauf des SCR-Katalysators wieder in den Abgasstrang zurückgeführt wird.Furthermore, with the European patent specification EP 1 052 009 B1 a method and an apparatus for carrying out the method for the thermal hydrolysis and metering of urea or urea solutions in a reactor with the aid of a partial exhaust gas flow described. In the method, a partial stream of the exhaust gas is taken from an exhaust line upstream of the SCR catalyst and passed through the reactor, wherein the after hydrolysis in the reactor loaded with ammonia partial stream is also recycled back into the exhaust line upstream of the SCR catalyst.

Zudem wird mit der europäischen Patentschrift EP 1 338 562 B1 eine Vorrichtung und Verfahren beschrieben, welches die katalytische Reduktion von Stickoxiden durch Ammoniak nutzt. Der Ammoniak wird hierbei unter Bedingungen der Blitzthermolyse aus Harnstoff in fester Form sowie der Hydrolyse aus Isocyansäure gewonnen und dem Abgasstrom eines Fahrzeuges zugeleitet.In addition, with the European patent specification EP 1 338 562 B1 describes an apparatus and method which utilizes the catalytic reduction of nitrogen oxides by ammonia. The ammonia is here obtained under conditions of Blitzthermolyse from urea in solid form and the hydrolysis of isocyanic acid and fed to the exhaust stream of a vehicle.

Des Weiteren wird mit der europäischen Patentanmeldung EP 1 348 840 A1 eine Abgasreinigungsanlage als eine als Ganzes transportable Baueinheit in Form eines 20-Fuß-Containers beschrieben. Die Anlage wird derart betrieben, dass eine Harnstoff- oder Ammoniaklösung direkt mittels einer Eindüseinrichtung in den Abgasstrom eingedüst wird. Die Reduktion der in dem Abgas enthaltenden Stickoxide erfolgt an einem SCR-Katalysator.Furthermore, with the European patent application EP 1 348 840 A1 an emission control system described as a whole transportable unit in the form of a 20-foot container. The plant is operated in such a way that a urea or ammonia solution is injected directly into the exhaust gas stream by means of an injection device. The reduction of the nitrogen oxides contained in the exhaust gas takes place on an SCR catalyst.

Weiterhin wird mit der deutschen Patentanmeldung DE 10 2006 023 147 A1 eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ammoniak beschrieben, die Teil eines Abgasnachbehandlungssystems ist.Furthermore, with the German patent application DE 10 2006 023 147 A1 describes an apparatus for generating ammonia, which is part of an exhaust aftertreatment system.

Zudem wird weiterhin mit den internationale Anmeldung WO 2008/077 587 A1 und WO 2008/077 588 A1 ein Verfahren zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden in Abgasen von Fahrzeugen mittels wässrigen Guanidiniumsalzlösungen beschrieben. In diesen Verfahren wird ein Reaktor eingesetzt, der aus den wässrigen Guanidiniumsalzlösungen Ammoniak erzeugt.In addition, will continue with the international application WO 2008/077 587 A1 and WO 2008/077588 A1 describe a process for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides in exhaust gases of vehicles by means of aqueous guanidinium salt solutions. In these processes, a reactor is used which produces ammonia from the aqueous guanidinium salt solutions.

Auch wenn Ammoniakgasgeneratoren seit geraumer Zeit bekannt sind, so ist dennoch bis heute keine Realisierung der Technik in einem Fahrzeug oder einer anderen Verwendung verwirklicht worden. Bis heute wurde das Konzept der Direkteinspritzung einer Ammoniakvorläufersubstanz in den Abgasstrom einer Brennkraftmaschine verfolgt, wobei diese Ammoniakvorläufersubstanz durch geeignete Maßnahmen im Abgasstrang in das eigentliche Reduktionsmittel zerfällt. Aufgrund von unvollständiger Zersetzung oder Nebenreaktionen von Zersetzungsprodukten im Abgasstrang werden jedoch immer wieder Ablagerungen beobachten, die zur Beeinträchtigung der im Abgasstrang weiterhin vorhandenen Katalysatoren und Filter führen. Although ammonia gas generators have been known for some time, so far no realization of the technology in a vehicle or other use has been realized. To date, the concept of direct injection of an ammonia precursor substance has been pursued in the exhaust gas stream of an internal combustion engine, wherein this ammonia precursor substance is decomposed by suitable measures in the exhaust gas line into the actual reducing agent. However, due to incomplete decomposition or side reactions of decomposition products in the exhaust gas line, deposits will again and again occur which lead to impairment of the catalysts and filters which continue to be present in the exhaust gas system.

Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde einen Ammoniakgasgenerator bereitzustellen, der diese Nachteile des Standes der Technik überwindet. Der vorliegenden Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde einen Ammoniakgasgenerator bereitzustellen, der einen einfachen Aufbau aufweist sowie eine hohe Umsatzrate von Ammoniakvorläufersubstanzen in Ammoniakgas bereitstellt und einen langen Einsatz ohne Wartung erlaubt. Zudem soll der Ammoniakgasgenerator universell einsetzbar sein, wobei insbesondere auch verschiedenartige Ammoniakvorläufersubstanzen zum Einsatz gebracht werden können.It is therefore an object of the present invention to provide an ammonia gas generator which overcomes these disadvantages of the prior art. A further object of the present invention is to provide an ammonia gas generator which has a simple structure and provides a high conversion rate of ammonia precursors into ammonia gas and allows long service life without maintenance. In addition, the ammonia gas generator should be universally applicable, and in particular also different types of ammonia precursor substances can be used.

Diese Aufgaben werden gelöst durch einen Ammoniakgasgenerator gemäß Anspruch 1.These objects are achieved by an ammonia gas generator according to claim 1.

Damit ist gemäß einer ersten Ausführung ein Ammoniakgasgenerator zur Erzeugung von Ammoniak aus einer Lösung einer Ammoniakvorläufersubstanz Gegenstand der vorliegenden Erfindung, der eine Katalysatoreinheit umfasst, wobei die Katalysatoreinheit ihrerseits einen Katalysator zur Zersetzung und/oder Hydrolyse von Ammoniakvorläufersubstanzen in Ammoniak und eine dem Katalysator vorgelagerte Mischkammer umfasst und der Katalysator ein Katalysatorvolumen VKat und die Mischkammer ein Mischkammervolumen VMisch aufweist. Des weiteren umfasst der Ammoniakgasgenerator eine Eindüsungsvorrichtung zur Einbringung der Lösung der Ammoniakvorläufersubstanz in die Mischkammer und einen Auslass für das gebildete Ammoniakgas, wobei die Eindüsungsvorrichtung ihrerseits eine Düse umfasst, die einen theoretischen Sprühwinkel α von 10° bis 90° aufweist und der Abstand der Düsenöffnung zur Stirnfläche des Katalysators von 15 bis 2.000 mm beträgt.Thus, according to a first embodiment, an ammonia gas generator for producing ammonia from a solution of an ammonia precursor substance of the present invention, comprising a catalyst unit, wherein the catalyst unit in turn comprises a catalyst for decomposition and / or hydrolysis of ammonia precursors in ammonia and a mixing chamber upstream of the catalyst and the catalyst has a catalyst volume V Kat and the mixing chamber has a mixing chamber volume V mixed . Furthermore, the ammonia gas generator comprises an injection device for introducing the solution of ammonia precursor substance into the mixing chamber and an outlet for the ammonia gas formed, wherein the injection device in turn comprises a nozzle having a theoretical spray angle α of 10 ° to 90 ° and the distance of the nozzle opening to Face of the catalyst is 15 to 2,000 mm.

Hervorzuheben ist an dieser Stelle, dass ein Ammoniakgasgenerator gemäß der vorliegenden Erfindung eine separate Baueinheit zur Erzeugung von Ammoniak aus Ammoniakvorläufersubstanzen ist. Eine solche Baueinheit kann beispielsweise zur Reduktion von Stickoxiden in Industrieabgasen oder zur Abgasnachbehandlung von Abgasen aus Verbrennungsmotoren, wie beispielsweise Dieselmotoren eingesetzt werden. Dieser Ammoniakgasgenerator kann autark arbeiten oder auch mit Hilfe von Abgasseitenströmen betrieben werden, wobei jedoch in jedem Fall erst in einem nachfolgenden Prozessschritt eine Reduzierung von Stickoxiden mittels Ammoniak stattfindet. Falls ein erfindungsgemäßer Ammoniakgasgenerator als separates Bauteil in einer Abgasnachbehandlungsanlage eines Verbrennungsmotors, beispielsweise eines Dieselmotors verwendet wird, kann somit eine Reduzierung der Stickoxide im Abgasstrom vorgenommen werden, ohne weitere Katalysatoren zur Spaltung von Ammoniakvorläufersubstanzen oder andere Bauteile in den Abgasstrom selbst einzubringen. Der mit dem erfindungsgemäßen Ammoniakgasgenerator erzeugte Ammoniak kann somit bedarfsgerecht in den Abgasstrom eingeleitet werden, Eine eventuelle Verkürzung der Lebensdauer des SCR-Katalysators durch Verunreinigungen in Form von Ablagerungen aus beispielsweise Ammoniakvorläufersubstanzen oder Produkten der Spaltung von Ammoniakvorläufersubstanzen wird ebenfalls vermieden.It should be emphasized at this point that an ammonia gas generator according to the present invention is a separate unit for generating ammonia from ammonia precursor substances. Such a structural unit can be used for example for the reduction of nitrogen oxides in industrial exhaust gases or for the exhaust aftertreatment of exhaust gases from internal combustion engines, such as diesel engines. This ammonia gas generator can operate autonomously or can also be operated with the aid of exhaust gas side streams, although in each case a reduction of nitrogen oxides by means of ammonia takes place only in a subsequent process step. If an inventive ammonia gas generator is used as a separate component in an exhaust aftertreatment system of an internal combustion engine, such as a diesel engine, thus reducing the nitrogen oxides in the exhaust stream can be made without introducing additional catalysts for the separation of ammonia precursors or other components in the exhaust stream itself. The ammonia produced with the ammonia gas generator according to the invention can thus be introduced into the exhaust gas flow as required. Any shortening of the service life of the SCR catalyst by impurities in the form of deposits of, for example, ammonia precursors or products of cleavage of ammonia precursors is also avoided.

Erfindungswesentlich hierbei ist die Anordnung und Geometrie der Eindüsungsvorrichtung und des Hydrolysekatalysators innerhalb des Ammoniakgasgenerators, wobei die Eindüsungsvorrichtung ihrerseits eine Düse umfasst, die einen theoretischen Sprühwinkel α von 10° bis 90° aufweist, und der Abstand der Düsenöffnung zur Stirnfläche des Katalysators von 15 bis 2.000 mm beträgt.Essential to the invention here is the arrangement and geometry of the injection device and the hydrolysis within the ammonia gas generator, wherein the injection device in turn comprises a nozzle having a theoretical spray angle α of 10 ° to 90 °, and the distance of the nozzle opening to the end face of the catalyst of 15 to 2,000 mm.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass nur solche Ammoniakgasgeneratoren mit Düsen, die einen theoretischen Sprühwinkel α von 10° bis 90° aufweisen eine akzeptable Umsetzung der Ammoniakvorläufersubstanzen mit einem Ammoniakbildungsgrad AG von größer 95% ermöglichen, wobei gleichzeitig der Abstand von der Düsenöffnung zur Stirnfläche des Katalysators 15 bis 2.000 mm betragen muss. Eine Unter- oder Überschreitung der einzustellenden Abstände und/oder die Verwendung von Düsen mit anderen theoretischen Sprühwinkeln erzeugen nur eine unzureichende Gesamtmenge an Ammoniak pro Zeiteinheit und/oder zeigen einen nicht vollständigen Umsetzung der Ammoniakvorläufersubstanz in Ammoniak und/oder fördern Ablagerungen an der Innenwand des Generators oder der Katalysatorstirnfläche, die aus der Vorläufersubstanz und/oder Abbau- oder Reaktionsprodukten hiervon gebildet werden. Der Ammoniakbildungsgrad AG ist hierbei und im Folgenden definiert als die im Verfahren erzeugte Molmenge NH3 bezogen auf die theoretisch bei vollständiger Hydrolyse der Ammoniakvorläufersubstanz zu erzeugende Molmenge an Ammoniak. Ein Ammoniakbildungsgrad von > 95% wird gemäß der vorliegenden Erfindung als vollständige Umsetzung betrachtet. Diese Beobachtungen wurden überraschender Weise unabhängig von der verwendeten Lösung gemacht.Surprisingly, it has been found that only those ammonia gas generators with nozzles having a theoretical spray angle α of 10 ° to 90 ° allow an acceptable conversion of the ammonia precursor substances with a degree of ammonia AG greater than 95%, while the distance from the nozzle opening to the end face of the catalyst 15 to 2,000 mm. Exceeding or exceeding the distances to be set and / or the use of nozzles with other theoretical spray angles produce only an insufficient total amount of ammonia per unit time and / or show incomplete reaction of the ammonia precursor substance into ammonia and / or promote deposits on the inner wall of the generator or the catalyst endface formed from the precursor substance and / or degradation or reaction products thereof. The degree of ammonia AG is here and hereinafter defined as the molar amount NH 3 produced in the process, based on the molar amount of ammonia theoretically to be produced upon complete hydrolysis of the ammonia precursor substance. An ammonia degree of> 95% is in accordance with the present invention as a complete reaction considered. These observations were surprisingly made independent of the solution used.

Wird beispielsweise eine Düse mit einem Sprühwinkel α von größer 90° verwendet, und der Abstand von 15 mm bei einem Katalysatorstirnflächendurchmesser von 30 mm unterschritten, so wird die Innenwandung der Katalysatoreinheit übermäßig mit der eingedüsten Lösung benetzt, so dass Ablagerungen von nicht umgesetzten Ammoniakvorläufersubstanz und/oder Abbau- oder Reaktionsprodukten hiervon gebildet werden und innerhalb der Mischkammer ein regelrechtes Zuwachsen zu beobachten ist. Wird dagegen eine Düse verwendet, die einen Sprühwinkel α von weniger als 10° aufweist und der Abstand von 2000 mm bei einem Katalysatorstirnflächendurchmesser von 1.000 mm überschritten, so wird eine zu kleine Oberfläche der Katalysatorstirnfläche mit der eingedüsten Lösung benetzt, so dass sich größere Tropfen auf der Oberfläche der Katalysatorstirnwand bilden, und eine zu hohe Konzentration an Ammoniakvorläufersubstanz pro Flächeneinheit der Stirnfläche zu verzeichnen ist und ein Zuwachsen der Katalysatorstirnfläche zu beobachten ist. In beiden Extremfällen ist zudem nur ein Ammoniakbildungsgrad von weniger als 95% zu verzeichnen.For example, if a nozzle with a spray angle α greater than 90 ° is used, and the distance of 15 mm falls below a catalyst end face diameter of 30 mm, the inner wall of the catalyst unit is excessively wetted with the injected solution, so that deposits of unreacted ammonia precursor substance and / or degradation or reaction products thereof are formed and observed within the mixing chamber is a real Zuwachsen. If, on the other hand, a nozzle is used which has a spray angle α of less than 10 ° and the distance of 2000 mm has been exceeded at a catalyst end face diameter of 1000 mm, then a surface of the catalyst surface which is too small is wetted with the injected solution, so that larger drops are formed form the surface of the catalyst end wall, and an excessive concentration of ammonia precursor substance per unit area of the end face is observed and an increase in the catalyst end face is observed. In both extreme cases, only an ammonia degree of less than 95% is recorded.

Idealerweise, d. h. um einen Umsatz der Ammoniakvorläufersubstanz in Ammoniak mit mehr als 95% zu erreichen und eine Berührung der Vorläufersubstanz mit der Innenwand der Katalysatoreinheit zu vermeiden müssen bei der Eindosierung einige entscheidende erfindungsgemäße Bedingungen eingehalten werden. Würde die Vorläufersubstanz auch die Innenwandung der Katalysatoreinheit vor dem Hydrolysekatalysator benetzen, kann es durch eine ungenügend katalysierte Zersetzung zu unerwünschten Nebenreaktionen und damit in der Folge zu problematischen Ablagerungen an diesen Stellen kommen. Deshalb ist eine Eindüsung in der Art notwendig, dass bei gegebener Katalysatorstirnfläche der Spraykegeldurchmesser beim Auftreffen auf die Katalysatorstirnfläche höchstens 98% des Katalysatordurchmessers beträgt. Dagegen muss der Spraykegeldurchmesser mindestens 80% des Katalysatorstirnflächendurchmessers betragen, um eine zu hohe Konzentration bei gegebener Fläche und damit einer zu hohen Stirnflächenbelastung mit Vorläufersubstanz zu vermeiden. Eine zu hohe Belastung der Katalysatorstirnfläche führt zu einem ungenügenden Kontakt zum Katalysator und zu einer zu starken Abkühlung durch die verdampfende Flüssigkeit und damit ebenfalls zu einer unvollständigen Umsetzung und zu unerwünschten Nebenreaktionen verbunden mit Ablagerungen. Erfindungsgemäß ergeben sich dadurch einzuhaltende Kombinationen aus Sprühwinkel α der Düse und Abstand der Düsenöffnung zur gegebenen Katalysatorstirnfläche.Ideally, d. H. In order to achieve a conversion of the ammonia precursor substance in ammonia with more than 95% and to avoid contact of the precursor substance with the inner wall of the catalyst unit, some decisive conditions according to the invention must be observed during metering. If the precursor substance also wets the inner wall of the catalyst unit upstream of the hydrolysis catalyst, an insufficiently catalyzed decomposition can lead to undesirable side reactions and consequently to problematic deposits at these sites. It is therefore necessary to inject it in such a way that, for a given catalyst end face, the spray cone diameter when impinging on the catalyst end face is at most 98% of the catalyst diameter. In contrast, the spray cone diameter must be at least 80% of the catalyst face diameter in order to avoid too high a concentration for a given area and thus too high an end load on the precursor substance. Excessive loading of the catalyst end face leads to insufficient contact with the catalyst and to excessive cooling by the evaporating liquid and thus also to incomplete reaction and undesirable side reactions associated with deposits. In accordance with the invention, combinations of spray angle .alpha. Of the nozzle and spacing of the nozzle opening from the given catalyst end face are obtained.

Somit ist gemäß einem weiteren Aspekt auch ein Verfahren zur Erzeugung von Ammoniak aus einer Lösung einer Ammoniakvorläufersubstanz unter Verwendung des Ammoniakgasgenerators Gegenstand der vorliegenden Erfindung in dem der Spraykegeldurchmesser höchstens 98% und mindestens 80% des Durchmessers des verwendeten Katalysators beträgt. Besonders bevorzugt ist ein solches Verfahren, in dem der Spraykegeldurchmesser höchstens 95% und mindestens 80% und ganz besonders bevorzugt höchstens 95% und mindestens 85% des Durchmessers des verwendeten Katalysators beträgt.Thus, in another aspect, there is also provided a process for producing ammonia from a solution of ammonia precursor using the ammonia gas generator of the present invention wherein the spray cone diameter is at most 98% and at least 80% of the diameter of the catalyst used. Particularly preferred is such a method in which the spray cone diameter is at most 95% and at least 80% and most preferably at most 95% and at least 85% of the diameter of the catalyst used.

Der Spraykegel gemäß der vorliegenden Erfindung ist derjenige Kegel, der mittels einer Düse mit einem definierten Sprühwinkel α erzeugt werden kann, wobei der Spraykegeldurchmesser derjenige Durchmesser ist, der bei Auftritt der Tröpfchen auf die Katalysatorstirnfläche erhalten wird.The spray cone according to the present invention is the cone which can be produced by means of a nozzle with a defined spray angle α, the spray cone diameter being the diameter obtained on the occurrence of the droplets on the catalyst face.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung soll hierbei unter einer Eindüsungsvorrichtung jedwede Vorrichtung verstanden sein, die eine Lösung, vorzugsweise wässrige Lösung, einer Ammoniakvorläufersubstanz versprüht, vernebelt oder anderweitig zu Tropfen ausbildet, wobei die Lösung der Ammoniakvorläufersubstanz in Form von Tropfen ausgebildet wird, die insbesondere einen Tröpfchendurchmesser d32 von kleiner als 25 μm aufweisen. Der Tropfendurchmesser d32 bezieht sich im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung auf den Sauterdurchmesser entsprechend der Deutschen Industrienorm DIN 66 141 .In the context of the present invention, an injection device is understood here to mean any device which sprays, atomises or otherwise forms drops of a solution, preferably aqueous solution, of an ammonia precursor substance, the solution of the ammonia precursor substance being in the form of drops, which in particular form a Have droplet diameter d 32 of less than 25 microns. The droplet diameter d 32 refers in the context of the present invention to the Sauter diameter according to the German industrial standard DIN 66 141 ,

Damit ist gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass die Eindüsungsvorrichtung ihrerseits eine Düse umfasst, die Tröpfchen mit einem Tröpfchendurchmesser d32 von kleiner als 25 μm erzeugt. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist hierbei weiterhin bevorzugt vorgesehen, dass die Düse Tröpfchen mit einem Tröpfchendurchmesser d32 von kleiner als 20 μm und ganz besonders bevorzugt von kleiner als 15 μm erzeugt. Gleichzeitig oder unabhängig hiervon ist weiterhin bevorzugt, dass die Düse Tröpfchen mit einem Tröpfchendurchmesser d32 von größer als 0,1 μm und insbesondere von größer als 1 μm erzeugt. Auch durch die Verwendung von solchen Düsen kann ein Ammoniakbildungsgrad von > 95% (siehe oben) erreicht werden. Zudem kann eine besonders gleichmäßige Verteilung der Lösung auf die Katalysatorstirnfläche erfolgen.Thus, it is provided according to a preferred embodiment of the present invention that the injection device in turn comprises a nozzle which generates droplets having a droplet diameter d 32 of less than 25 microns. According to the present invention, it is further preferred in this case for the nozzle to produce droplets having a droplet diameter d 32 of less than 20 μm and very particularly preferably of less than 15 μm. At the same time or independently thereof, it is further preferred that the nozzle produces droplets having a droplet diameter d 32 greater than 0.1 μm and in particular greater than 1 μm. Also by the use of such nozzles, a degree of ammonia formation of> 95% (see above) can be achieved. In addition, a particularly uniform distribution of the solution can take place on the catalyst end face.

Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Eindüsungsvorrichtung einen sogenannten Flash-Verdampfer umfasst. Alternatively, however, it can also be provided that the injection device comprises a so-called flash evaporator.

Überraschenderweise hat sich weiterhin gezeigt, dass im Falle eines Ammoniakgasgenerators mit einer NH3-Leistung von 10–100 g/h erzeugtem NH3 ein Katalysatoren mit einem Katalysatordurchmesser DKat von 30 bis 80 mm und eine Düse mit einem theoretischen Sprühwinkel α von 20° bis 60° als am besten erweist. Nur diese Werte ermöglichen ein Einsprühen der Lösung einer Ammoniakvorläufersubstanz, ohne dass die Innenwand der Katalysatoreinheit benetzt wird und dass gleichmäßig die Katalysatorstirnfläche für die Reaktion zu Ammoniak zur Verfügung steht und es nicht zu unerwünschten Nebenprodukten und Ablagerunge kommt. Es wird mit diesen Parametern gewährleistet, dass im dadurch festgelegten Katalysatorvolumen von 50 ml bis 1.000 ml eine Raumgeschwindigkeit im Bereich von 5.000 1/h bis 30.000 1/h eingehalten wird. Messungen haben ergeben, dass nur im Bereich dieser Raumgeschwindigkeiten eine vollständige Zersetzung (Umsatz > 95%) von Ammoniak-Vorläufersubstanzen, insbesondere von Guanidiniumsalzen wie beispielsweise Guanidiniumformiat, in Ammoniak quantitativ erfolgen kann. Somit ist auch ein Ammoniakgasgenerator mit einer Eindüsungsvorrichtung Gegenstand der vorliegenden Erfindung, die eine Düse umfasst, die einen Sprühwinkel α von 20° bis 60° aufweist und der Durchmesser des Katalysators DKat 30 bis 80 mm beträgt. Weiterhin bevorzugt ist hierbei, dass der Abstand der Düsenöffnung zur Stirnfläche des Katalysators von 15 bis 200 mm beträgt.Surprisingly, it has further been shown that in the case of an ammonia gas generator with a NH 3 power of 10-100 g / h NH 3 produced a catalyst having a catalyst diameter D Kat of 30 to 80 mm and a nozzle with a theoretical spray angle α of 20 ° up to 60 ° turns out to be the best. Only these values allow spraying the solution of an ammonia precursor substance without wetting the inner wall of the catalyst unit and uniformly the catalyst end face for the reaction to ammonia available and it does not come to unwanted by-products and deposits. It is ensured with these parameters that in the thus determined catalyst volume of 50 ml to 1,000 ml a space velocity in the range of 5,000 1 / h to 30,000 1 / h is maintained. Measurements have shown that complete decomposition (conversion> 95%) of ammonia precursors, in particular guanidinium salts such as, for example, guanidinium formate, can be quantitatively carried out in ammonia only in the region of these space velocities. Thus, an ammonia gas generator with an injection device is the subject of the present invention, which comprises a nozzle having a spray angle α of 20 ° to 60 ° and the diameter of the catalyst D Kat is 30 to 80 mm. It is further preferred that the distance of the nozzle opening to the end face of the catalyst is from 15 to 200 mm.

Wird hingegen eine NH3-Leistung von 100–1.000 g/h erzeugtes NH3 definiert so hat sich gezeigt, dass Katalysatoren mit einem Katalysatordurchmesser DKat von 80 bis 450 mm notwendig sind und in Verbindung mit einer Düse mit einem theoretischen Sprühwinkel α von 20° bis 60°. Auch hierbei ist gewährleistet, dass keine Tröpfchen an der umgebenden Innenwand der Katalysatoreinheit auftreffen und die Tröpfchen ausreichend verteilt auf der Katalysatorstirnfläche landen und folglich eine vollständige Umsetzung (> 95%) ohne Nebenprodukte und Ablagerungen ermöglicht wird. Ebenso wird mit dem sich daraus ergebenden Katalysatorgesamtvolumen von 1 bis 100 Litern eine Raumgeschwindigkeit von 5.000 1/h bis 30.000 1/h eingehalten wird. Denn nur im Bereich dieser Raumgeschwindigkeiten kann eine vollständige Zersetzung (Umsatz > 95%) von Ammoniak-Vorläufersubstanzen, insbesondere von Guanidiniumsalzen wie beispielsweise Guanidiniumformiat, in Ammoniak quantitativ erfolgen.If, on the other hand, an NH 3 power of 100-1000 g / h of NH 3 generated is defined, it has been found that catalysts with a catalyst diameter D Kat of 80 to 450 mm are necessary and in conjunction with a nozzle with a theoretical spray angle α of 20 ° to 60 °. Again, it is ensured that no droplets impinge on the surrounding inner wall of the catalyst unit and the droplets land sufficiently distributed on the catalyst end face and thus a complete conversion (> 95%) is possible without by-products and deposits. Likewise, with the resulting total catalyst volume of 1 to 100 liters, a space velocity of 5,000 l / h to 30,000 l / h is maintained. For only in the range of these space velocities can a complete decomposition (conversion> 95%) of ammonia precursor substances, in particular of guanidinium salts such as, for example, guanidinium formate, be carried out quantitatively in ammonia.

Somit ist auch ein Ammoniakgasgenerator mit einer Eindüsungsvorrichtung Gegenstand der vorliegenden Erfindung, die eine Düse umfasst, die einen Sprühwinkel α von 20° bis 60° aufweist und der Durchmesser des Katalysators DKat 80 bis 450 mm beträgt. Weiterhin bevorzugt ist hierbei, dass der Abstand der Düsenöffnung zur Stirnfläche des Katalysators von 15 bis 500 mm beträgt.Thus, an ammonia gas generator with an injection device is the subject of the present invention, which comprises a nozzle having a spray angle α of 20 ° to 60 ° and the diameter of the catalyst D Kat is 80 to 450 mm. It is further preferred that the distance of the nozzle opening to the end face of the catalyst is from 15 to 500 mm.

Im Falle einer NH3-Leistung von 1.000–50.000 g/h erzeugtes NH3 hat sich gezeigt, dass Katalysatoren mit einem Katalysatordurchmesser DKat von 450 bis 1.000 mm notwendig sind und in Verbindung mit einer Düse mit einem theoretischen Sprühwinkel α von 20° bis 60°. Aus dieser Katalysatorgröße ergibt sich, dass wiederum so vor Katalysator eingesprüht werden kann, dass keine Tröpfchen an der umgebenden Innenwand der Katalysatoreinheit auftreffen, diese Tröpfchen ausreichend verteilt auf der Katalysatorstirnfläche landen und folglich eine vollständige Umsetzung (> 95%) ohne Nebenprodukte und Ablagerungen ermöglicht wird. Ebenso wird mit dem sich daraus ergebenden Katalysatorgesamtvolumen von 100 bis 1.000 Litern eine Raumgeschwindigkeit von 5.000 1/h bis 30.000 1/h eingehalten wird. Denn nur im Bereich dieser Raumgeschwindigkeiten kann eine vollständige Zersetzung (Umsatz > 95%) von Ammoniak-Vorläufersubstanzen, insbesondere von Guanidiniumsalzen wie beispielsweise Guanidiniumformiat, in Ammoniak quantitativ erfolgen.In the case of a NH 3 output of 1,000-50,000 g / h NH 3 produced has shown that catalysts with a catalyst diameter D Kat of 450 to 1,000 mm are necessary and in conjunction with a nozzle with a theoretical spray angle α of 20 ° to 60 °. From this catalyst size it follows that in turn can be sprayed in front of the catalyst so that no droplets impinge on the surrounding inner wall of the catalyst unit, these droplets land sufficiently distributed on the catalyst end face and consequently complete conversion (> 95%) without by-products and deposits is made possible , Likewise, with the resulting total catalyst volume of 100 to 1,000 liters, a space velocity of 5,000 l / h to 30,000 l / h is maintained. For only in the range of these space velocities can a complete decomposition (conversion> 95%) of ammonia precursor substances, in particular of guanidinium salts such as, for example, guanidinium formate, be carried out quantitatively in ammonia.

Somit ist auch ein Ammoniakgasgenerator mit einer Eindüsungsvorrichtung Gegenstand der vorliegenden Erfindung, die eine Düse umfasst, die einen Sprühwinkel α von 20° bis 60° aufweist und der Durchmesser des Katalysators DKat 450 bis 1.000 mm beträgt. Weiterhin bevorzugt ist hierbei, dass der Abstand der Düsenöffnung zur Stirnfläche des Katalysators von 15 bis 1500 mm beträgt.Thus, an ammonia gas generator with an injection device is the subject of the present invention, which comprises a nozzle having a spray angle α of 20 ° to 60 ° and the diameter of the catalyst D Kat is 450 to 1000 mm. It is further preferred here that the distance between the nozzle opening and the end face of the catalyst is from 15 to 1500 mm.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung und insbesondere mit den besonderen Auslegung für einen Ammoniakgasgenerator ist weiterhin vorgesehen, dass der Abstand der Düsenöffnung zur Stirnfläche des Katalysators von insbesondere 15 bis 1500 mm und besonders bevorzugt 15 bis 1000 mm und ganz besonders bevorzugt 15 bis 800 mm aufweisen kann. Unabhängig oder gleichzeitig kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Abstand der Düsenöffnung zur Stirnfläche des Katalysators mindestens 30 mm, weiterhin bevorzugt mindestens 40 mm, besonders. bevorzugt mindestens 50 mm und ganz besonders bevorzugt mindestens 60 mm und weiterhin unabhängig oder gleichzeitig höchstens 1500 mm, insbesondere höchstens 1000 mm, insbesondere höchstens 800 mm, insbesondere höchstens 500 mm und ganz besonders bevorzugt höchstens 200 mm beträgt.In connection with the present invention and in particular with the special design for an ammonia gas generator is further provided that the distance of the nozzle opening to the end face of the catalyst of in particular 15 to 1500 mm and more preferably 15 to 1000 mm and most preferably 15 to 800 mm can. Independently or simultaneously, however, it may also be provided that the distance of the nozzle opening to the end face of the catalyst is at least 30 mm, more preferably at least 40 mm, especially. preferably at least 50 mm and very particularly preferably at least 60 mm and further independently or simultaneously at most 1500 mm, in particular at most 1000 mm, in particular at most 800 mm, in particular at most 500 mm and very particularly preferably at most 200 mm.

Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist auch vorgesehen, dass das Verhältnis des Volumens der Mischkammer VMisch zum Volumen des Katalysators VKat dem Verhältnis von 1,5:1 bis 5:1 entspricht. Überraschender weise hat sich gezeigt, dass die eingesprühte Ammoniakvorläufersubstanz nur dann vollständig (Umsatz > 95%) in Ammoniak zersetzt werden kann, wenn die Tröpfchen der Lösung bereits vor dem Auftreffen auf die Katalysatorstirnfläche teilweise verdampft werden. Dies kann dadurch gewährleistet sein, dass das Volumen der Mischkammer größer ist als das Volumen des Katalysators. Durch ein teilweises Verdampfen der Tröpfchen wird der Lösung bereits genügend Energie zugeführt, so dass ein zu starkes Abkühlen an der Katalysatorstirnfläche durch zu große Tropfen vermieden wird und damit einer schlechteren Zersetzung bzw. Nebenproduktbildung entgegengewirkt wird. Außerdem wird durch ein entsprechendes Mischkammervolumen VMisch sichergestellt, dass die versprühte Ammoniakvorläufersubstanz als Aerosol homogen im Trägergasstrom verteilt über den Querschnitt auf dem Katalysator auftrifft und Spots mit zu hoher Konzentration, was wiederum eine schlechtere Umsetzung zur Folge hätte, vermeidet. Ganz besonders bevorzugt ist hierbei vorgesehen, dass das Verhältnis des Volumens der Mischkammer VMisch zum Volumen des Katalysators VKat von 2,5:1 bis 5:1, besonders bevorzugt 3:1 bis 5:1 und ganz besonders bevorzugt 3,5:1 bis 5:1 beträgt. According to a development of the present invention, it is also provided that the ratio of the volume of the mixing chamber V mixing to the volume of the catalyst V Kat corresponds to the ratio of 1.5: 1 to 5: 1. Surprisingly, it has been shown that the sprayed ammonia precursor substance can only be completely decomposed (conversion> 95%) in ammonia if the droplets of the solution are already partially evaporated before impinging on the catalyst end face. This can be ensured by the fact that the volume of the mixing chamber is greater than the volume of the catalyst. By partially evaporating the droplets, sufficient energy is already supplied to the solution, so that overcooling at the catalyst end face due to excessively large drops is avoided and thus poorer decomposition or by-product formation is counteracted. In addition, it is ensured by a corresponding mixing chamber volume V mixing that the sprayed ammonia precursor substance as an aerosol homogeneously distributed in the carrier gas stream over the cross section impinges on the catalyst and spots with too high concentration, which in turn would result in a poorer implementation, avoids. Most preferably, it is provided that the ratio of the volume of the mixing chamber V mixing to the volume of the catalyst V Kat of 2.5: 1 to 5: 1, more preferably 3: 1 to 5: 1 and most preferably 3.5: 1 to 5: 1.

Ein wesentliches Bauteil der vorliegenden Erfindung ist die Eindüsungsvorrichtung, die mindestens eine Düse zur Einbringung der Lösung der Ammoniakvorläufersubstanz in die Mischkammer umfasst. Diese Düse kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine sogenannte Einstoffdüse oder eine Zweistoffdüse sein. Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Eindüsungsvorrichtung als Düse einen sogenannten Flash-Verdampfer umfasst. In einem Flashverdampfer wird zusätzlich Energie in Form von Wärme in die Flüssigkeit zugeführt, so dass sich z. T. ein überkritischer Zustand einstellt und sich nach der Drosselstelle bei der Entspannung in der Düse ein schlagartiger bzw. schnellerer Phasenübergang ergibt. Besonders bevorzugt ist jedoch eine Zweistoffdüse.An essential component of the present invention is the injection device, which comprises at least one nozzle for introducing the solution of the ammonia precursor substance into the mixing chamber. This nozzle according to the present invention may be a so-called single-fluid nozzle or a two-fluid nozzle. Alternatively, however, it can also be provided that the injection device comprises a nozzle called a flash evaporator. In a flash evaporator additional energy is supplied in the form of heat in the liquid, so that z. T. adjusts a supercritical state and results after the throttle point in the expansion in the nozzle a sudden or faster phase transition. However, particularly preferred is a two-fluid nozzle.

Gemäß einer besonders bevorzugten Variante kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Eindüsungsvorrichtung ihrerseits eine Düse umfasst, die eine sogenannte Zweistoffdüse ist. Unter einer Zweistoffdüse wird hierbei eine Düse verstanden, die als Treibmittel ein unter Druck stehendes Gas, im Allgemeinen Luft, zum Oberflächenaufbruch der flüssigen Phase und damit zur Tröpfchenbildung verwendet. Dies unter Druck stehende Gas wird auch Zerstäubungsluft bezeichnet. Diese Art der Düse ermöglicht eine besonders feine Verteilung der Ammoniakvorläufersubstanz und eine Tröpfchendurchmesser d32 von kleiner als 25 μm.According to a particularly preferred variant, provision may in particular be made for the injection device in turn to comprise a nozzle which is a so-called two-substance nozzle. In this case, a two-fluid nozzle is understood to mean a nozzle which uses a pressurized gas, generally air, as the propellant for the surface breakdown of the liquid phase and thus for droplet formation. This pressurized gas is also called atomizing air. This type of nozzle allows a particularly fine distribution of the ammonia precursor substance and a droplet diameter d 32 of less than 25 microns.

Unabhängig oder gleichzeitig kann die Eindüsungsvorrichtung auch mindestens zwei Düsen zur Einbringung der Ammoniakvorläufersubstanz in die Mischkammer aufweisen, die zugleich oder separat voneinander schaltbar sind.Independently or simultaneously, the injection device can also have at least two nozzles for introducing the ammonia precursor substance into the mixing chamber, which can be switched simultaneously or separately from one another.

Gemäß einer Weiterbildung des Ammoniakgasgenerators ist vorgesehen, dass die Düse einen Sprühwinkel α von mindestens 10°, insbesondere mindestens 20°, insbesondere mindestens 25° und ganz besonders bevorzugt von mindestens 30° aufweist. Gleichzeitig oder unabhängig hiervon sind weiterhin solche Düsen bevorzugt, die einen theoretischen Sprühwinkel α von höchstens 90°, insbesondere von höchstens 80°, insbesondere von höchstens 70°, insbesondere von höchstens 75° und ganz besonders bevorzugt von höchstens 60° aufweist. Wie bereits ausgeführt, kann durch den gezielten Einsatz einer Düse mit einem definierten Sprühwinkel α eine gleichmäßige Verteilung der einzusprühenden Lösung erreicht werden, ohne dass es zu Ablagerungen an den Wänden oder der Katalysatorstirnfläche kommt.According to a development of the ammonia gas generator, it is provided that the nozzle has a spray angle α of at least 10 °, in particular at least 20 °, in particular at least 25 ° and very particularly preferably at least 30 °. At the same time or independently thereof, preference is furthermore given to those nozzles which have a theoretical spray angle α of at most 90 °, in particular not more than 80 °, in particular not more than 70 °, in particular not more than 75 ° and very particularly preferably not more than 60 °. As already stated, by the targeted use of a nozzle with a defined spray angle α, a uniform distribution of the solution to be sprayed can be achieved without causing deposits on the walls or the catalyst end face.

Der Spraykegel gemäß der vorliegenden Erfindung ist derjenige Kegel, der mittels einer Düse mit einem definierten Sprühwinkel α erzeugt werden kann, wobei der Spraykegeldurchmesser derjenige Durchmesser ist, der bei Auftritt der Tröpfchen auf die Katalysatorstirnfläche erhalten wird. Dieser stellt sich aus dem Flüssigkeitsdruck von 0,1 bis 10 bar auf die zu versprühende Lösung bei 25°C und gegebenenfalls der Zerstäubungsluft im Betriebsbereich von 0,5 bis 10 bar (bei Zweistoffdüsen) ein.The spray cone according to the present invention is the cone which can be produced by means of a nozzle with a defined spray angle α, the spray cone diameter being the diameter obtained on the occurrence of the droplets on the catalyst face. This is based on the liquid pressure of 0.1 to 10 bar on the solution to be sprayed at 25 ° C and optionally the atomizing air in the operating range of 0.5 to 10 bar (two-fluid nozzles).

Als weitere Maßnahme, dass die Innenwand der Katalysatoreinheit nicht mit der Lösung der Ammoniakvorläufersubstanz benetzt wird, kann gemäß der Weiterführung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Ammoniakgasgenerator einen weiteren Einlass für ein Trägergas umfasst, der einen tangentialen Trägergasstrom in Bezug auf die in die Mischkammer eingedüste Lösung erzeugt. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass um die Düse herum mindestens ein Einlass für das Trägergas vorgesehen ist, der derart ausgebildet ist, dass das Trägergas einen Mantel um die in die Mischkammer eingebrachte Lösung bildet. Somit wird die eingesprühte Lösung mit einem Mantel aus Trägergas eingehüllt, so dass keine Benetzung der Innenwand beobachtet wird.As a further measure, that the inner wall of the catalyst unit is not wetted with the solution of the ammonia precursor substance, it can be provided according to the invention that the ammonia gas generator comprises a further inlet for a carrier gas, which injects a tangential carrier gas flow with respect to the solution into the mixing chamber Solution generated. Alternatively it can also be provided that at least one inlet for the carrier gas is provided around the nozzle, which is designed such that the carrier gas forms a jacket around the solution introduced into the mixing chamber. Thus, the sprayed solution is wrapped with a sheath of carrier gas, so that no wetting of the inner wall is observed.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass durch den tangentialen Trägergasstrom Ablagerungen an den Wandungen der Katalysatoreinheit im Bereich der Mischungskammer weiter unterbunden werden können und eine dauerhaft gute Durchmischung von Trägergas und Lösung der Ammoniakvorläufersubstanz bereitgestellt werden kann. Somit wird ein Benetzen der Wandung der Katalysatoreinheit im Bereich der Mischkammer fast vollständig unterbunden. Durch den tangentialen Trägergasstrom wird eine Wirbelschleierströmung mit den Tröpfchen erzeugt, die axial in Richtung des Hydrolysekatalysators auf die Hydrolysekatalysatorstirnfläche geführt wird. Diese Wirbelschleierströmung ermöglicht eine sehr gute Umsetzung zum Ammoniak am Katalysator. Die tangentiale Zuführung des Trägergases erfolgt im Kopfbereich des Generators, in Höhe der Sprüheinrichtung der Ammoniakvorläuferlösung in die Katalysatoreinheit bzw. in die Mischkammer. Dabei wird der Gasstrom möglichst flach an der Wandung der Mischkammer in der Art eingeleitet, dass sich eine abwärtsgerichtete Wirbelströmung in der Katalysatoreinheit in Richtung Katalysatorstirnfläche einstellt. Surprisingly, it has been found that deposits on the walls of the catalyst unit in the area of the mixing chamber can be further prevented by the tangential carrier gas flow and a permanently good mixing of carrier gas and solution of the ammonia precursor substance can be provided. Thus, wetting of the wall of the catalyst unit in the region of the mixing chamber is almost completely prevented. Due to the tangential carrier gas flow, a vortex veil flow with the droplets is generated, which is guided axially in the direction of the hydrolysis catalytic converter to the end face of the hydrolysis catalytic converter. This vortex flow allows a very good conversion to the ammonia on the catalyst. The tangential supply of the carrier gas takes place in the head region of the generator, in the amount of the spray device of the ammonia precursor solution into the catalyst unit or into the mixing chamber. In this case, the gas stream is introduced as flat as possible on the wall of the mixing chamber in such a way that sets a downward vortex flow in the catalyst unit in the direction of the catalyst end face.

Ein Ähnlicher Effekt wird erzeugt, wenn eine Düse verwendet wird, die eine erste Anzahl an Düsenöffnungen zur Einbringung der Lösung der Ammoniakvorläufersubstanz in die Katalysatoreinheit aufweist, die von einer zweiten Anzahl an Düsenöffnungen zur Einbringung eines Trägergases oder Zerstäubungsluft in die Katalysatoreinheit ringförmig umgeben ist.A similar effect is produced when using a nozzle having a first number of nozzle orifices for introducing the ammonia precursor solution into the catalyst unit annularly surrounded by a second number of nozzle orifices for introducing a carrier gas or atomizing air into the catalyst unit.

Insbesondere wird mit der vorliegenden Erfindung ein Ammoniakgasgenerator bereitgestellt, der autark vom Abgasstrom, das heißt ohne Zuhilfenahme eines Abgasstroms aus einem Verbrennungsgas als Trägergas arbeitet. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der als Trägergas ein Teilstrom des Abgases, das von Stickoxiden befreit werden soll verwendet wird. Hierbei hat sich gezeigt, dass ein Ammoniakgasgenerator gemäß der vorliegenden Erfindung mit höchstens 20%, insbesondere höchstens 15%, insbesondere 10% und ganz besonders bevorzugt höchstens 5% Anteil eines Teilstroms betrieben werden sollte. Zudem kann elf erfindungsgemäßer Ammoniakgasgenerator mindestens eine thermische Isolationsschicht aufweisen.In particular, the present invention provides an ammonia gas generator which operates autonomously from the exhaust gas flow, that is to say without the aid of an exhaust gas flow, from a combustion gas as the carrier gas. However, it can also be provided that the carrier gas as a partial flow of the exhaust gas to be released from nitrogen oxides is used. It has been shown that an ammonia gas generator according to the present invention should be operated with at most 20%, in particular at most 15%, in particular 10% and very particularly preferably at most 5% proportion of a partial flow. In addition, eleven ammonia gas generators according to the invention can have at least one thermal insulation layer.

Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass der Ammoniakgasgenerator weiterhin eine Dosiereinheit zur Dosierung der Lösung der Ammoniakvorläufersubstanz umfasst, die der Eindüsungsvorrichtung vorgeschaltet ist. Somit kann eine präzise Regelung des zu Erzeugenden Ammoniaks über diese Dosiereinheit erfolgen. Wird beispielsweise ein vermehrter Ausstoß an Stickoxiden im Abgas eines Motors verzeichnet, so kann über die gezielte Steuerung der mit der Eindüsungsvorrichtung eingedüsten Menge an Vorläufersubstanz eine definierte Menge an Ammoniak freigesetzt werden.Furthermore, it can be provided that the ammonia gas generator further comprises a metering unit for metering the solution of the ammonia precursor substance, which is connected upstream of the injection device. Thus, a precise control of the ammonia to be generated via this metering unit. If, for example, an increased emission of nitrogen oxides in the exhaust gas of an engine is recorded, a defined amount of ammonia can be liberated via the targeted control of the amount of precursor substance injected with the injection device.

Als Ammoniakvorläufersubstanzen werden gemäß der vorliegenden Erfindung chemische Substanzen verstanden, die in eine Lösung überführt werden können und die Ammoniak mittels physikalischer und/oder chemischer Prozesse abgespalten oder in sonstiger Form freisetzen können. Als Ammaniakvorläuferverbindungen können gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere Harnstoff, Harnstoffderivate, Guanidine, Biguanidine sowie Salze dieser Verbindungen sowie Salze des Ammoniaks eingesetzt werden. Insbesondere können gemäß der vorliegenden Erfindung Harnstoff und Guanidine oder Salze hiervon eingesetzt werden. Insbesondere können solche Salze eingesetzt werden, die aus Guanidinen und organischen oder anorganischen Säuren gebildet werden. Als besonders bevorzugt sind hierbei Guanidiniumsalze der allgemeinen Formel (I) anzusehen,

Figure 00140001
wobei
R = H, NH2, C1-C12-Alkyl,
X = Acetat, Carbonat, Cyanat, Formiat, Hydroxid, Methylat und Oxalat bedeuten.According to the present invention, ammonia precursor substances are understood as meaning chemical substances which can be converted into a solution and which can be split off or released in other forms by means of physical and / or chemical processes. In particular, urea, urea derivatives, guanidines, biguanidines and salts of these compounds and salts of ammonia can be used as the amine-manganese precursor compounds according to the present invention. In particular, urea and guanidines or salts thereof can be used according to the present invention. In particular, it is possible to use those salts which are formed from guanidines and organic or inorganic acids. Particularly preferred are guanidinium salts of the general formula (I),
Figure 00140001
in which
R = H, NH 2 , C 1 -C 12 -alkyl,
X = acetate, carbonate, cyanate, formate, hydroxide, methylate and oxalate.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können diese Guanidiniumsalze als Einzelsubstanz oder als Mischung aus zwei oder mehreren unterschiedlichen Guanidiniumsalzen verwendet werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die erfindungsgemäß eingesetzten Guanidiniumsalze mit Harnstoff und/oder Ammoniak und/oder Ammoniumsalzen kombiniert. Alternativ können gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung jedoch auch wässrige Harnstofflösungen eingesetzt werden. Die Mischungsverhältnisse von Guanidiniumsalz mit Harnstoff sowie Ammoniak bzw. Ammoniumsalzen kann in weiten Grenzen variiert werden. Es hat sich jedoch als besonders vorteilhaft erwiesen, dass die Mischung von Guanidiniumsalz und Harnstoff einen Guanidiniumsalz-Gehalt von 5 bis 60 Gew.-% und einen Harnstoff-Gehalt von 5 bis 35 Gew.-% besitzt. Des Weiteren sind Mischungen von Guanidiniumsalzen und Ammoniak bzw. Ammoniumsalzen mit einen Gehalt an Guanidiniumsalz von 5 bis 60 Gew.-% und von Ammoniak bzw. Ammoniumsalz von 5 bis 40 Gew.-% als bevorzugt anzusehen. Alternativ kann jedoch auch eine Harnstoff-Lösung insbesondere eine wässrige Harnstofflösung verwendet werden.In the context of the present invention, these guanidinium salts can be used as a single substance or as a mixture of two or more different guanidinium salts. According to a preferred embodiment, the guanidinium salts used according to the invention are mixed with urea and / or or ammonia and / or ammonium salts combined. Alternatively, according to a further embodiment of the present invention, however, aqueous urea solutions can also be used. The mixing ratios of guanidinium salt with urea and ammonia or ammonium salts can be varied within wide limits. However, it has proved to be particularly advantageous that the mixture of guanidinium salt and urea has a guanidinium salt content of 5 to 60 wt .-% and a urea content of 5 to 35 wt .-%. Furthermore, mixtures of guanidinium salts and ammonia or ammonium salts having a guanidinium salt content of 5 to 60% by weight and of ammonia or ammonium salt of 5 to 40% by weight are to be regarded as preferred. Alternatively, however, it is also possible to use a urea solution, in particular an aqueous urea solution.

Als Ammoniumsalze haben sich hierbei vor allem Verbindungen der allgemeinen Formal (II) bewährt R-NH3 X (II) wobei
R = H, NH2, C1-C12-Alkyl,
X = Acetat, Carbonat, Cyanat, Formiat, Hydroxid, Methylat und Oxalat
bedeuten.
In particular, compounds of the general formula (II) have proven to be suitable as ammonium salts R-NH 3 X (II) in which
R = H, NH 2 , C 1 -C 12 -alkyl,
X = acetate, carbonate, cyanate, formate, hydroxide, methylate and oxalate
mean.

Die erfindungsgemäß eingesetzten Guanidiniumsalze sowie ggf. die weiteren Komponenten, bestehend aus Harnstoff bzw. Ammoniumsalzen kommen in Form einer Lösung zum Einsatz, wobei als Lösemittel vor allem Wasser und/oder ein C1-C4-Alkohol bevorzugt eingesetzt werden. Die wässrigen und/oder alkoholischen Lösungen weisen hierbei einen bevorzugten Feststoffgehalt von 5 bis 85 Gew.-%, insbesondere 30 bis 80 Gew.-%, auf.The guanidinium salts used according to the invention and optionally the other components consisting of urea or ammonium salts are used in the form of a solution, with water and / or a C 1 -C 4 -alcohol being the preferred solvents. The aqueous and / or alcoholic solutions in this case have a preferred solids content of 5 to 85 wt .-%, in particular 30 to 80 wt .-%, on.

Dabei hat sich überraschend gezeigt, dass gemäß der vorliegenden Erfindung sowohl wässrige Guanidiniumformiatlösung in der Konzentration von 20 bis 60 Gew.-%, als auch wässrige Harnstofflösung in der Konzentration von 25 bis 40 Gew.-% als auch wässrige Mischungen aus Guanidiniumformiat und Harnstoff-Lösungen, wobei Guanidiniumformiat und Harnstoff in einer Konzentration von 5 bis 60 Gew.-% Guanidiniumformiat und 5 bis 40 Gew.-% Harnstoff in der Mischung enthalten ist, besonders gut eingesetzt werden können.It has surprisingly been found that according to the present invention, both aqueous Guanidiniumformiatlösung in the concentration of 20 to 60 wt .-%, and aqueous urea solution in the concentration of 25 to 40 wt .-% and aqueous mixtures of guanidinium formate and urea Solutions, wherein guanidinium formate and urea in a concentration of 5 to 60 wt .-% guanidinium and 5 to 40 wt .-% urea in the mixture contained, can be used particularly well.

Die wässrigen Lösung der Ammoniakvorläufersubstanzen, insbesondere der Guanidiniumsalze, der Gemische von Guanidiniumsalze oder der Guanidiniumsalze in Kombination mit Harnstoff in Wasser besitzen hierbei ein bevorzugtes Ammoniak-Bildungspotential von 0,2 bis 0,5 kg Ammoniak pro Liter Lösung, insbesondere 0,25 bis 0,35 kg Ammoniak pro Liter Lösung.The aqueous solution of the ammonia precursor substances, in particular the guanidinium salts, the mixtures of guanidinium salts or guanidinium salts in combination with urea in water in this case have a preferred ammonia formation potential of 0.2 to 0.5 kg of ammonia per liter of solution, in particular 0.25 to 0 , 35 kg of ammonia per liter of solution.

Des Weiteren soll unter einer Katalysatoreinheit gemäß der vorliegenden Erfindung eine Baueinheit verstanden sein, die ein Gehäuse zur Aufnahme eines Katalysators, eine in Strömungsrichtung dem Katalysator vorgelagerte Mischkammer und mindestens einen Katalysator zur Zersetzung und/oder Hydrolyse von Ammoniakvorläufersubstanzen in Ammoniak umfasst, wobei der Katalysator ein Katalysatorvolumen VKat und die Mischkammer ein Mischkammervolumen VMisch aufweist. Gegebenenfalls kann die Katalysatoreinheit zusätzlich eine dem Katalysator in Strömungsrichtung nachgelagerte Auslasskammer zum Auslass des gebildeten Ammoniakgases umfassen.Furthermore, a catalyst unit according to the present invention should be understood to mean an assembly comprising a housing for accommodating a catalyst, a mixing chamber upstream of the catalyst and at least one catalyst for decomposition and / or hydrolysis of ammonia precursors in ammonia, wherein the catalyst Catalyst volume V Kat and the mixing chamber has a mixing chamber volume V mixed . Optionally, the catalyst unit may additionally comprise an outlet chamber downstream of the catalyst in the flow direction to the outlet of the ammonia gas formed.

Als Katalysator zur Zersetzung und/oder Hydrolyse von Ammoniakvorläufersubstanzen kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung jeder Katalysator verwendet werden, der die Ammoniakvorläufersubstanz die Freisetzung von Ammoniak aus der Vorläufersubstanz unter katalytischen Bedingungen ermöglicht. Ein bevorzugter Katalysator hydrolisiert die Ammoniakvorläufersubstanz zu Ammoniak und weiteren unschädlichen Stoffen wie Stickstoff und Kohlendioxid und Wasser. Wird beispielsweise eine Guanidiniumsalz-Lösungen, insbesondere Guanidiniumformiat-Lösung, oder Harnstoff-Lösungen oder Mischungen hiervon verwendet, so kann die katalytische Zersetzung zu Ammoniak in Gegenwart von katalytisch aktiven, nicht oxidationsaktiven Beschichtungen aus Oxiden, ausgewählt aus der Gruppe Titandioxid, Aluminiumoxid und Siliciumdioxid sowie deren Mischungen, oder/und hydrothermal stabilen Zeolithen, die vollständig oder teilweise metallausgetauscht sind, insbesondere Eisenzeolithen vom ZSM 5- oder BEA-Typ, vorgenommen werden. Als Metalle kommen hierbei insbesondere die Nebengruppen-Elemente und vorzugsweise Eisen oder Kupfer in Frage. Die Metalloxide wie Titanoxid, Aluminiumoxid sowie Siliciumdioxid werden vorzugsweise auf metallischen Trägermaterialien wie z. B. Heizleiter-Legierungen (insbesondere Chrom-Aluminium-Stähle) aufgebracht.As the catalyst for the decomposition and / or hydrolysis of ammonia precursors, any catalyst which allows the ammonia precursor substance to release ammonia from the precursor under catalytic conditions can be used in the present invention. A preferred catalyst hydrolyzes the ammonia precursor substance to ammonia and other innocuous substances such as nitrogen and carbon dioxide and water. For example, if a guanidinium salt solutions, in particular guanidinium formate solution, or urea solutions or mixtures thereof used, the catalytic decomposition to ammonia in the presence of catalytically active, non-oxidation coatings of oxides selected from the group of titanium dioxide, alumina and silica and their mixtures, or / and hydrothermally stable zeolites, which are completely or partially metal-exchanged, in particular iron zeolites of the ZSM 5 or BEA type. Suitable metals in this case are in particular the subgroup elements and preferably iron or copper. The metal oxides such as titanium oxide, alumina and silica are preferably supported on metallic support materials such. B. heating conductor alloys (especially chromium-aluminum steels) applied.

Besonders bevorzugte Katalysatoren sind Hydrolysekatalysatoren, die insbesondere katalytisch aktive Beschichtungen aus Titandioxid, Aluminiumoxid und Siliciumdioxid sowie deren Mischungen hiervon umfassen. Particularly preferred catalysts are hydrolysis catalysts which comprise, in particular, catalytically active coatings of titanium dioxide, aluminum oxide and silicon dioxide and mixtures thereof.

Alternativ kann die katalytische Zersetzung der Guanidiniumformiat-Lösungen bzw. der übrigen Komponenten auch zu Ammoniak und Kohlendioxid erfolgen, wobei katalytisch aktive Beschichtungen aus Oxiden, ausgewählt aus der Gruppe Titandioxid, Aluminiumoxid und Siliciumdioxid sowie deren Mischungen, oder/und hydrothermal stabilen Zeolithen, die vollständig oder teilweise metallausgetauscht sind, eingesetzt werden, die mit Gold und/oder Palladium als oxidationsaktive Komponenten imprägniert sind. Die entsprechenden Katalysatoren mit Palladium und/oder Gold als Aktivkomponenten weisen vorzugsweise einen Edelmetallgehalt von 0,001 bis 2 Gew.-%, insbesondere 0,01 bis 1 Gew.-% auf. Mit Hilfe derartiger Oxidationskatalysatoren ist es möglich, die unerwünschte Bildung von Kohlenmonoxid als Nebenprodukt bei der Zersetzung des Guanidiniumsalzes bereits bei der Ammoniakerzeugung zu vermeiden.Alternatively, the catalytic decomposition of the guanidinium formate solutions or the other components can also be carried out to ammonia and carbon dioxide, wherein catalytically active coatings of oxides selected from the group of titanium dioxide, alumina and silica and their mixtures, or / and hydrothermally stable zeolites, the complete or partially metal exchanged, are used, which are impregnated with gold and / or palladium as oxidation-active components. The corresponding catalysts with palladium and / or gold as active components preferably have a noble metal content of 0.001 to 2% by weight, in particular 0.01 to 1% by weight. With the help of such oxidation catalysts, it is possible to avoid the undesirable formation of carbon monoxide as a by-product in the decomposition of the guanidinium already in the ammonia production.

Bevorzugt wird für die katalytische Zersetzung des Guanidiniumformiats sowie ggf. den weiteren Komponenten eine katalytische Beschichtung mit Palladium oder/und Gold als Aktivkomponenten mit einem Edelmetallgehalt von 0,001 bis 2 Gew.-%, insbesondere 0,01 bis 1 Gew.-% eingesetzt.For the catalytic decomposition of the guanidinium formate and optionally the further components, preference is given to using a catalytic coating with palladium or / and gold as active components having a noble metal content of 0.001 to 2% by weight, in particular 0.01 to 1% by weight.

Es hat sich ergeben, dass für eine vollständige katalytische Umsetzung der Ammoniakvorläufersubstanzen Katalysatoren mit einer Katalysatorzellenzahl von mindestens 60 cpsi (cpsi: cells per square inch, Zellenanzahl an der Stirnfläche des Katalysators) und den bereits oben beschriebenen Katalysatorvolumina benötigt werden. Dabei begrenzt der ansteigende Gegendruck (Druckverlust über den Katalysator) die Katalysatorzellenzahl auf höchstens 800 cpsi für eine Anwendung in einem Ammoniakgasgenerator. Besonders bevorzugt sind solche Katalysatoren, die eine Katalysatorzellenzahl von 60 bis 600 cpsi, von 60 bis 500 cpsi und ganz besonders bevorzugt von 60 bis 400 cpsi aufweisen.It has been found that for a complete catalytic conversion of the ammonia precursor substances, catalysts having a catalyst cell count of at least 60 cpsi (cells per square inch, number of cells at the end face of the catalyst) and the catalyst volumes already described above are required. The increasing back pressure (pressure drop across the catalyst) limits the number of catalyst cells to at most 800 cpsi for use in an ammonia gas generator. Particular preference is given to those catalysts which have a catalyst cell number of 60 to 600 cpsi, of 60 to 500 cpsi and most preferably of 60 to 400 cpsi.

Es ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich, dass man einen Hydrolysekatalysator einsetzt, der in Strömungsrichtung aus zwei Abschnitten besteht, wobei der erste Abschnitt nicht oxidationsaktive Beschichtungen und der zweite Abschnitt oxidationsaktive Beschichtungen enthält. Vorzugsweise besteht 5 bis 90 Vol.-% dieses Katalysators aus nicht oxidationsaktiven Beschichtungen und 10 bis 95 Vol.-% aus oxidationsaktiven Beschichtungen. Alternativ kann man die Hydrolyse auch in Gegenwart von zwei hintereinander angeordneten Katalysatoren durchführen, wobei der erste Katalysator nicht oxidationsaktive Beschichtungen und der zweite Katalysator oxidationsaktive Beschichtungen enthält. Weiterhin bevorzugt kann es sich bei dem ersten Hydrolysekatalysator auch um einen beheizten Katalysator und bei dem zweiten Hydrolysekatalysator um einen nicht beheizten Katalysator handeln.In the context of the present invention, it is possible to use a hydrolysis catalyst which consists of two sections in the flow direction, the first section containing oxidation-active coatings and the second section oxidation-active coatings. Preferably, 5 to 90% by volume of this catalyst consists of non-oxidation-active coatings and 10 to 95% by volume of oxidation-active coatings. Alternatively, the hydrolysis can also be carried out in the presence of two catalysts arranged one behind the other, the first catalyst containing oxidation-active coatings and the second catalyst oxidation-active coatings. Furthermore, the first hydrolysis catalyst may also be a heated catalyst and the second hydrolysis catalyst may be a non-heated catalyst.

Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass man einen Hydrolysekatalysator einsetzt, der aus zwei Abschnitten besteht, wobei der in Strömungsrichtung angeordneter erste Abschnitt Teil in Form eines beheizten Katalysators und dessen zweiter Abschnitt eines nicht beheizten Katalysators vorliegt. Vorzugsweise besteht der Katalysator aus 5 bis 50 Vol.-% aus dem ersten Abschnitt und zu 50 bis 95 Vol.-% aus dem zweiten Abschnitt.In addition, it can be provided that one employs a hydrolysis catalyst, which consists of two sections, wherein the first section arranged in the flow direction is part in the form of a heated catalyst and the second section of a non-heated catalyst. Preferably, the catalyst is from 5 to 50% by volume from the first section and from 50 to 95% by volume from the second section.

Hinsichtlich der Ausgestaltung der Katalysatoreinheit hat sich in den Testungen herausgestellt, dass eine zylindrische Bauform besonders geeignet ist. Somit kann der tangentiale Trägergasstrom seine volle Wirkung entfalten. Andere Bauformen sind hingegen weniger geeignet, da hierbei eine zu starke Verwirbelung zu beobachten ist. Somit ist auch ein Ammoniakgasgenerator Gegenstand der vorliegenden Erfindung, der eine Katalysatoreinheit umfasst, die in Form eines Zylinders ausgebildet ist.With regard to the configuration of the catalyst unit, it has been found in the tests that a cylindrical design is particularly suitable. Thus, the tangential carrier gas flow can exert its full effect. Other designs, however, are less suitable, since in this case an excessive turbulence is observed. Thus, an ammonia gas generator is also an object of the present invention comprising a catalyst unit formed in the shape of a cylinder.

Des Weiteren kann gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass der Ammoniakgasgenerator mindestens eine thermische Isolationsschicht aufweist.Furthermore, it can be provided according to the present invention that the ammonia gas generator has at least one thermal insulation layer.

Die hiermit beschriebenen Ammoniakgasgeneratoren sind aufgrund ihrer kompakten Bauweise besonders für den Einsatz in Industrieanlagen, in Verbrennungsmotoren wie beispielsweise Dieselmotoren und Benzinmotoren, sowie Gasmotoren geeignet. Daher gehört zum Umfang der vorliegenden Erfindung auch die Verwendung eines Ammoniakgasgenerators gemäß der beschriebenen Art zur Reduktion von Stickoxiden in Abgasen aus Industrieanlagen, aus Verbrennungsmotoren wie beispielsweise Dieselmotoren und Benzinmotoren, sowie aus Gasmotoren.The ammonia gas generators described here are due to their compact design particularly suitable for use in industrial plants, in internal combustion engines such as diesel engines and gasoline engines, and gas engines. Therefore, the scope of the present invention also includes the use of an ammonia gas generator according to the described type for the reduction of nitrogen oxides in exhaust gases from industrial plants, internal combustion engines such as diesel engines and gasoline engines, as well as gas engines.

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Zeichnungen und zugehörigen Beispielen näher erläutert. Hierbei zeigtIn the following, the present invention will be explained in more detail with reference to drawings and associated examples. This shows

1: eine schematische Ansicht eines ersten Ammoniakgasgenerators im axialen Querschnitt 1 : A schematic view of a first ammonia gas generator in axial cross-section

2: ein schematischer Aufbau einer Abgasanlage in einem Fahrzeug 2 : a schematic structure of an exhaust system in a vehicle

3: einen radialen Querschnitt der Mischkammer (Draufsicht) im Bereich der tangentialen Trägergasstromzuführung. 3 : a radial cross section of the mixing chamber (top view) in the region of the tangential carrier gas stream feed.

Mit 1 ist ein erster Ammoniakgasgenerator (100) gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Generator (100) liegt in Form eines Zylinders vor und umfasst eine Eindüsungsvorrichtung (40), eine Katalysatoreinheit (70) und einen Auslass (80) für das gebildete Ammoniakgas. Die Katalysatoreinheit (70) besteht aus einem mehrteiligen Hydrolysekatalysator (60), der Mischkammer (51) und einer Austrittskammer (55). Im Betriebszustand wird die Ammoniakvorläuferlösung (B) aus einem Vorratsbehälter (20) über eine Dosierpumpe (30) zusammen mit einem Zerstäubungsluftstrom (A) über eine Zweistoffdüse (41) mit Düsenöffnung (42) in die Mischkammer (51) des Ammoniakgasgenerators (100) mit einem definierten Sprühwinkel eingesprüht und in feine Tröpfchen verteilt. Zusätzlich wird ein heißer Trägergasstrom (C) tangential über den Einlass (56) in die Mischkammer (51) eingeleitet, wodurch eine Wirbelschleierströmung mit den Tröpfchen erzeugt wird, die axial in Richtung des Hydrolysekatalysators (60) auf die Hydrolysekatalysatorstirnfläche (61) geführt wird. Der Katalysator (60) ist derart ausgeführt, dass das erste Segment (62) einen elektrisch heizbaren Metallträger mit Hydrolysebeschichtung darstellt. Anschließend folgen ein nichtbeheizter Metallträgerkatalysator (63) ebenfalls mit Hydrolysebeschichtung und ein nichtbeheizter Katalysator (64) mit Hydrolysebeschichtung als Mischerstruktur ausgeführt zur besseren radialen Verteilung. Das erzeugte Ammoniakgas (D) verlässt zusammen mit dem heißen Trägergasstrom den Generator (100) über die Auslasskammer (55) mit dem Auslass (80) und Ventil (81). Der Generator kann durch eine Mantelheizung (52) um das Gehäuse (54) der Katalysatoreinheit zusätzlich beheizt werden. Bis auf den Kopfbereich in dem sich die Eindüsungsvorrichtung (40) befindet, ist der Ammoniakgasgenerator (100) mit einer Wärmeisolierung (53) aus mikroporösem Dämmmaterial umgeben.With 1 is a first ammonia gas generator ( 100 ) according to the present invention. The generator ( 100 ) is in the form of a cylinder and comprises an injection device ( 40 ), a catalyst unit ( 70 ) and an outlet ( 80 ) for the ammonia gas formed. The catalyst unit ( 70 ) consists of a multi-part hydrolysis catalyst ( 60 ), the mixing chamber ( 51 ) and an exit chamber ( 55 ). In operation, the ammonia precursor solution (B) from a reservoir ( 20 ) via a metering pump ( 30 ) together with an atomizing air flow (A) via a two-fluid nozzle ( 41 ) with nozzle opening ( 42 ) into the mixing chamber ( 51 ) of the ammonia gas generator ( 100 ) sprayed with a defined spray angle and distributed in fine droplets. In addition, a hot carrier gas flow (C) is tangential across the inlet (FIG. 56 ) into the mixing chamber ( 51 ), whereby a vortex veil flow is produced with the droplets moving axially in the direction of the hydrolysis catalyst ( 60 ) to the hydrolysis catalyst face ( 61 ) to be led. The catalyst ( 60 ) is designed such that the first segment ( 62 ) represents an electrically heatable metal support with hydrolysis coating. This is followed by a non-heated supported metal catalyst ( 63 ) also with hydrolysis coating and a non-heated catalyst ( 64 ) with hydrolysis coating as a mixer structure for better radial distribution. The generated ammonia gas (D) leaves the generator together with the hot carrier gas stream ( 100 ) via the outlet chamber ( 55 ) with the outlet ( 80 ) and valve ( 81 ). The generator can be powered by a jacket heating ( 52 ) around the housing ( 54 ) of the catalyst unit are additionally heated. Except for the head area in which the injection device ( 40 ), the ammonia gas generator ( 100 ) with a thermal insulation ( 53 ) surrounded by microporous insulation material.

Mit 2 wird ein schematischer Stoffstrom einer Abgasnachbehandlung an einem Verbrennungsmotor (10) dargestellt. Dabei wird das vom Verbrennungsmotor (10) kommende Abgas über eine Aufladeeinheit (11) geführt und im Gegenstrom Zuluft (E) für die Verbrennungskraftmaschine verdichtet. Das Abgas (F) wird über einen Oxidationskatalysator (12) geführt, um eine höhere NO2-Konzentration im Verhältnis zu NO zu erreichen. Der aus dem Ammaniakgasgenerator (100) kommende ammoniakhaltige Gasstrom (D) kann sowohl vor als auch nach einem Partikelfilter (13) zugegeben und eingemischt werden. Dabei kann ein zusätzlicher Gasmischer (14) in Form eines statischen Mischers oder z. B. eines Venturimischers verwendet werden. Am SCR-Katalysator (15) erfolgt die Reduzierung der NOx mit Hilfe des Reduktionsmittels NH3 an einem SCR-Katalysator (SCR = selective catalytic reduction). Dabei kann der Ammoniakgasgenerator mit separatem Trägergas oder auch mit einem Abgasteilstrom betrieben werden.With 2 is a schematic flow of an exhaust aftertreatment on an internal combustion engine ( 10 ). In doing so, that of the combustion engine ( 10 ) coming exhaust gas via a charger ( 11 ) and countercurrent supply air (E) compressed for the internal combustion engine. The exhaust gas (F) is passed through an oxidation catalyst ( 12 ) to achieve a higher NO 2 concentration relative to NO. The from the Ammaniakgasgenerator ( 100 ) coming ammoniacal gas stream (D) can both before and after a particulate filter ( 13 ) are added and mixed. An additional gas mixer ( 14 ) in the form of a static mixer or z. B. a Venturi mixer can be used. On the SCR catalyst ( 15 ), the reduction of the NOx with the aid of the reducing agent NH 3 is carried out on an SCR catalyst (SCR = Selective Catalytic Reduction). In this case, the ammonia gas generator can be operated with a separate carrier gas or else with an exhaust gas partial stream.

Mit 3 ist Detailansicht der Mischkammer (51) im Bereich der tangentialen Trägergasstromzuführung gezeigt. Das Gehäuse (54) der Katalysatoreinheit ist im Bereich der Mischkammer (51) mit einer Wärmeisolierung (53) aus mikroporösem Dämmmaterial umgeben. Die tangentiale Zuführung des Trägergases (C) erfolgt im Kopfbereich des Ammoniakgasgenerators bzw. im Kopfbereich der Mischkammer (51), in Höhe der Düsenöffnung (42) der Düse (41). Dabei ist der Einlass (56) für den Trägergasstrom (C) derart gestaltet, dass der Trägergasstrom möglichst flach an der Wandung (54) der Mischkammer in der Art eingeleitet ist, dass sich eine abwärtsgerichtete Wirbelströmung im Generator in Richtung Katalysator und somit ein tangentialer Trägergasstrom innerhalb der Katalysatoreinheit einstellt.With 3 is a detailed view of the mixing chamber ( 51 ) in the region of the tangential carrier gas stream supply. The housing ( 54 ) of the catalyst unit is in the region of the mixing chamber ( 51 ) with a thermal insulation ( 53 ) surrounded by microporous insulation material. The tangential supply of the carrier gas (C) takes place in the head region of the ammonia gas generator or in the head region of the mixing chamber (FIG. 51 ), at the level of the nozzle opening ( 42 ) of the nozzle ( 41 ). The inlet ( 56 ) designed for the carrier gas stream (C) such that the carrier gas stream as flat as possible on the wall ( 54 ) is introduced into the mixing chamber in such a way that sets a downward eddy current in the generator in the direction of the catalyst and thus a tangential carrier gas flow within the catalyst unit.

Ausführungsbeispiel 1:Embodiment 1

Der Aufbau entspricht prinzipiell dem mit 1 wiedergegebenen Ammoniakgasgenerator. Der Ammoniakgenerator ist ausgelegt für eine Dosiermenge von 10–100 g/h NH3 und als zylindrischer Rohrreaktor ausgeführt. Im Kopfbereich befindet sich mittig angeordnet eine Zweistoffdüse der Firma Schlick Modell 970, (0,3 mm) mit variabler Luftkappe, beschichtet mit amorphem Si. Die Ammoniakvorläufersubstanz wird mit Raumtemperatur durch diese Düse eindosiert und in einem Vollkegel zerstäubt. Der Sprühwinkel α beträgt 30 Dabei hat sich gezeigt, dass für diesen Aufbau als Ammoniakvorläuferlösung sowohl wässrige Guanidiniumformiatlösung in der Konzentration von 20% bis 60% verwendet werden kann als auch wässrige Harnstofflösung in der Konzentration von 25% bis 40% als auch wässrige Mischungen aus Guanidiniumformiat und Harnstoff.The structure corresponds to the principle with 1 reproduced ammonia gas generator. The ammonia generator is designed for a dosage of 10-100 g / h of NH 3 and designed as a cylindrical tubular reactor. In the middle of the head is a two-fluid nozzle of the company Schlick Model 970, (0.3 mm) with variable air cap, coated with amorphous Si. The ammonia precursor substance is metered at room temperature through this nozzle and atomized in a full cone. It has been shown that aqueous guanidinium formate solution in the concentration of 20% to 60% and aqueous urea solution in the concentration of 25% to 40% as well as aqueous mixtures of guanidinium formate can be used for this setup as ammonia precursor solution and urea.

Die Flüssigkeit wird dabei mittels eines durch die Düse geführten Druckluftstroms (0,5–2 bar) von etwa 0,8 kg/h mitgerissen und zerstäubt. Der Sauterdurchmesser der entstehenden Tröpfchen unterhalb der Düse liegt bei < 25 μm. Es erfolgt eine gleichmäßige radiale Verteilung der Lösung der Ammoniakvorläufersubstanz über den Reaktorquerschnitt im heißen Trägergasstrom vor dem Hydrolysekatalysator in einer Mischkammer, ohne dass diese dabei die Innenwand berühren und zu Ablagerungen führen könnte. In der Mischkammer erfolgt bereits eine Tropfenverdunstung in der Art, dass beim Auftreffen auf die Katalysatorstirnfläche der Tropfendurchmesser um bis zu 20% reduziert ist. Durch die noch vorhandenen Tröpfchen kommt es an der Katalysatorstirnfläche zu einer Abkühlung von etwa 120–150°C. Aus diesem Grund ist der Reaktor derart ausgeführt, dass die mit dem heißen Trägergasstrom zugeführte Wärmemenge, der integrierte heizbare Hydrolysekatalysator und weitere Energiezuführungen soviel Energie einbringen, dass für die dosierte Menge Lösung keine Abkühlung unter ca. 300°C stattfindet. Die Dosiermenge von 50–280 g/h wird dabei über ein Bosch PWM-Ventil gesteuert. Der Druck für die Förderung der Flüssigkeit wird mittels Überdruck aus einer Druckluftleitung in einem Vorlagebehälter erzeugt, weshalb keine zusätzliche Förderpumpe benötigt wird.The liquid is entrained by means of a guided through the nozzle compressed air flow (0.5-2 bar) of about 0.8 kg / h and atomized. The Sauter diameter of the resulting droplets below the nozzle is <25 microns. There is a uniform radial distribution of the solution of the ammonia precursor substance over the reactor cross-section in the hot carrier gas stream upstream of the hydrolysis catalyst in a mixing chamber, without them touching the inner wall and leading to deposits. In the mixing chamber is already a drop evaporation in the way that the drop diameter is reduced by up to 20% when hitting the catalyst face. Due to the remaining droplets, a cooling of about 120-150 ° C occurs at the catalyst end face. For this reason, the reactor is designed in such a way that the amount of heat supplied with the hot carrier gas stream, the integrated heatable hydrolysis catalyst and further energy supplies bring in so much energy that no cooling takes place below about 300 ° C. for the metered amount of solution. The dosing rate of 50-280 g / h is controlled by a Bosch PWM valve. The pressure for the promotion of the liquid is generated by means of positive pressure from a compressed air line in a storage tank, which is why no additional pump is required.

Ein heißer Trägergasstrom von etwa 1–5 kg/h wird tangential ebenfalls im Kopfbereich des Ammoniakgasgenerators derart eingeleitet, dass er sich in einer Schleierströmung um die Innenwand der Katalysatoreinheit legt und spiralförmig durch die Mischkammer geleitet wird. Dadurch wird verhindert, dass versprühte Tröpfchen mit der Innenwand in Kontakt kommen. Der Durchmesser der Mischkammer im Kopfbereich des Reaktors beträgt 70 mm. Die Länge der Mischerkammer beträgt 110 mm. Die Mischkammer wird zusätzlich über einen elektrischen Widerstandsheizmantel von außen beheizt (Aufheizzeit max. 1 min.) – Modell Hewit 0,8–1 kW, 150–200 mm. Die Temperaturregelung erfolgt in Verbindung mit an der Katalysatorstirnfläche, im und nach dem Katalysator angeordneten Temperatursensoren (Typ K). Alle Außenflächen des Reaktors sind mit einer Isolierung Microtherm superG umgeben. Die Microtherm superG Schüttung ist dabei eingebettet zwischen Glasfasergewebe, das um den Reaktor gewickelt ist. Nur der Kopfbereich, in dem sich die Eindüsung der Lösung befindet ist zur besseren Wärmeableitung nicht isoliert. Die Oberflächen in der Mischkammer sind mit katalytisch aktiven TiO2 washcoat (Anatas Struktur) beschichtet.A hot carrier gas flow of about 1-5 kg / h is also introduced tangentially in the head region of the ammonia gas generator so that it lies in a veiling flow around the inner wall of the catalyst unit and is passed spirally through the mixing chamber. This prevents sprayed droplets from coming into contact with the inner wall. The diameter of the mixing chamber in the head region of the reactor is 70 mm. The length of the mixer chamber is 110 mm. The mixing chamber is additionally heated externally via an electrical resistance heating jacket (heating time max. 1 min.) - Model Hewit 0.8-1 kW, 150-200 mm. The temperature control takes place in conjunction with temperature sensors (type K) arranged at the catalyst end face, in and after the catalyst. All outer surfaces of the reactor are surrounded by a Microtherm superG insulation. The Microtherm superG filling is embedded between glass fiber fabric, which is wound around the reactor. Only the head area in which the injection of the solution is located is not isolated for better heat dissipation. The surfaces in the mixing chamber are coated with catalytically active TiO 2 washcoat (anatase structure).

Im Anschluss an die Mischkammer ist ein beheizbarer Metallträgerkatalysator mit 55 mm Durchmesser und 400 cpsi angeflanscht (Emitec Emicat, maximale Leistung 1,5 kW, Volumen ca. 170 ml). Dieser ist als Hydrolysekatalysator ausgeführt, ebenfalls mit katalytisch aktivem TiO2 (Anatas, washcoat ca. 100 g/l, Fa. Interkat/Südchemie) beschichtet und wird so geregelt, dass die Temperatur an der Katalysatorstirnfläche zwischen 300 und 400°C liegt. Dabei wird lediglich soviel Energie zugeführt, dass die Abkühlung durch die Verdunstung der Tröpfchen kompensiert wird. Zur Erreichung einer Raumgeschwindigkeit von bis zu minimal 7.000 1/h wird ein weiterer Hydrolysekatalysator mit 400 cpsi nachgeschaltet, so dass sich ein Gesamtkatalysatorvolumen von etwa 330 ml ergibt.Following the mixing chamber is a heatable metal catalyst with 55 mm diameter and 400 cpsi flanged (Emitec Emicat, maximum power 1.5 kW, volume about 170 ml). This is carried out as a hydrolysis, likewise coated with catalytically active TiO 2 (anatase, washcoat about 100 g / l, Fa. Interkat / Südchemie) and is controlled so that the temperature at the catalyst end face between 300 and 400 ° C. In this case, only enough energy is supplied that the cooling is compensated by the evaporation of the droplets. To achieve a space velocity of up to a minimum of 7,000 1 / h, a further hydrolysis catalyst with 400 cpsi is connected downstream, so that a total catalyst volume of about 330 ml results.

Es hat sich in anderen Versuchen mit diesem Aufbau herausgestellt, dass ein Sprühwinkel von 20° bei oben genannter Mischkammerlänge und Katalysatorstirnfläche zu einer nicht gleichmäßigen Benetzung der Katalysatorstirnfläche führt und damit zu unerwünschten Ablagerungen an dieser. Es hat sich gezeigt, dass für einen Sprühwinkel von 20° die Länge der Mischkammer auf etwa 150–160 mm vergrößert werden müsste. Hingegen für einen Sprühwinkel von 60° würde eine Mischstrecke von etwa 40–60 mm genügen.It has been found in other experiments with this structure that a spray angle of 20 ° at the above-mentioned mixing chamber length and catalyst end face leads to a non-uniform wetting of the catalyst end face and thus undesirable deposits on this. It has been shown that for a spray angle of 20 °, the length of the mixing chamber would have to be increased to about 150-160 mm. In contrast, for a spray angle of 60 °, a mixing distance of about 40-60 mm would be sufficient.

Das am heißen Hydrolysekatalysator erzeugte Ammoniak strömt frei im Fußbereich, zentral aus einer Auslassöffnung aus dem Reaktorendstück aus. Dabei wird der Auslassbereich konisch geformt, um Wirbelbildung an Kanten und damit Ablagerungen von möglichen Rückständen zu vermeiden. Das Gasgemisch aus dem Ammoniakgasgenerator wird mit einer Temperatur > 80°C zur Vermeidung von Ammoniumcarbonatablagerungen dem motorischen Abgasstrom vor SCR-Katalysator zugeben und in diesem Abgasstrom homogen über einen statischen Mischer verteilt.The ammonia generated on the hot hydrolysis catalyst flows freely in the foot region, centrally from an outlet opening out of the reactor end piece. In this case, the outlet area is conically shaped to prevent vortex formation on edges and thus deposits of possible residues. The gas mixture from the ammonia gas generator is at a temperature> 80 ° C to avoid Ammoniumcarbonatablagerungen the engine exhaust gas upstream of SCR catalyst and distributed in this exhaust stream homogeneously via a static mixer.

Als Material für alle metallischen Bauteile wird 1.4301 (V2A, DIN X 5 CrNi18-10) alternativ 1.4401 (V4A, DIN X 2 CrNiMo17-12-2), 1.4767 oder auch andere abgaskatalysatortypische Fe-Cr-Al-Legierungen verwendet. Tabelle 1: Geometrien und Leistung der verwendeten Ammoniakgasgeneratoren (Beispiel 1 entspricht dem Ausführungsbeispiel 1; Generator 2 und 3 sind analog zum Generator 1 aufgebaut und unterscheiden sich in den hiermit angegebenen Abmaßen) Generator 1 Generator 2 Generator 3 Abstand Düsenöffnung bis Katalysatorstirnfläche [mm] 100 150 50 Sprühwinkel α [°] 30 20 60 Katalysatordurchmesser [mm] 55 55 55 Katalysatorvolumen VKAT [ml] 330 330 330 Spraykegeldurchmesser [mm] 54 54 54 Mischkammerlänge [mm] 110 160 60 Ammoniakbildungsgrad AG [%] > 95% > 95% > 95% Ablagerungen an Katalysatorstirnfläche keine keine keine Ablagerungen an der Mischwandkammer keine keine keine The material used for all metallic components is 1.4301 (V2A, DIN X 5 CrNi18-10), alternatively 1.4401 (V4A, DIN X 2 CrNiMo17-12-2), 1.4767 or other catalytic converter type Fe-Cr-Al alloys. Table 1: Geometries and performance of the ammonia gas generators used (Example 1 corresponds to the embodiment 1, generator 2 and 3 are constructed analogously to the generator 1 and differ in the dimensions indicated herewith) Generator 1 Generator 2 Generator 3 Distance nozzle opening to catalyst end face [mm] 100 150 50 Spray angle α [°] 30 20 60 Catalyst diameter [mm] 55 55 55 Catalyst volume V KAT [ml] 330 330 330 Spray cone diameter [mm] 54 54 54 Mixing chamber length [mm] 110 160 60 Ammonia degree AG [%] > 95% > 95% > 95% Deposits on the catalyst face none none none Deposits on the mixing wall chamber none none none

Diese Generatoren 1–3 wurde sowohl mit einer 60%-igen Guanidiniumformiat-Lösung betrieben als auch mit einer 32,5%-igen wässrigen Harnstofflösung und auch mit Mischungen aus beiden. Dabei sind die Ergebnisse dieser Ammoniakvorläuferlösungen in etwa identisch (+/–1%). Alle Generatoren wurden im wesentlichen kontinuierlich und wartungsfrei betrieben, da ein Ammoniakbildungsgrad von > 95% erreicht wurde wobei keine Ablagerungen an der Katalysatorstirnfläche oder an der Wandung der Mischkammer beobachtet werden.These generators 1-3 were operated both with a 60% guanidinium formate solution and with a 32.5% aqueous urea solution and also with mixtures of both. The results of these ammonia precursor solutions are approximately identical (+/- 1%). All generators were operated essentially continuously and maintenance-free, since a degree of ammonia formation of> 95% was achieved, with no deposits being observed on the catalyst end face or on the wall of the mixing chamber.

Im Folgenden sind diejenigen Betriebsparameter aufgeführt, die beim Betrieb des Ammaniakgasgenerators eingehalten werden sollten. Tabelle 2: Übersicht über weitere Betriebsparameter Bezeichnung Formel Einheiten Bereich von mittel bis Dosiermassenstrom der Lösung der Ammoniakvorläufersubstanz pro Stunde mRed [g/h] 50 150 280 Massenstrom Trägergas mAbg [kg/h] 1 5 10 Massenstrom Zerstäubungsluft mDüse [kg/h] 0,14 0,71 1,43 Zuheizenergiemenge EHeiz [J/s] = [W] 0 70 150 Katalysatorstirnflächentemperatur Tein [°C] 280 350 500 Katalysatorauslasstemperatur Taus [°C] 250 320 450 Katalysatorraumgeschwindigkeit RG [1/h] 5.000 15.000 30.000 Dosierdruck der Flüssigkeit pRed [bar] 1 2 8 Katalysatorstirnflächenbelastung pro Stunde mRed/Akat [g/(h·cm2)] 0,53 1,59 3,45 spezifischer Enthalpiestrom HTG/mRed [kJ/kg] 8.000 16.000 25.000 The following are the operating parameters that should be followed when operating the ammonia gas generator. Table 2: Overview of further operating parameters description formula units Area from medium to Dosing mass flow of the solution of the ammonia precursor substance per hour m red [G / h] 50 150 280 Mass flow of carrier gas m exhaust [Kg / h] 1 5 10 Mass flow atomizing air m nozzle [Kg / h] 0.14 0.71 1.43 Zuheizenergiemenge E heating [Y / s] = [W] 0 70 150 Catalyst face temperature T a [° C] 280 350 500 catalyst outlet T off [° C] 250 320 450 Catalyst space velocity RG [1 / h] 5000 15,000 30,000 Dosing pressure of the liquid p red [bar] 1 2 8th Catalyst face load per hour m Red / A cat [g / (hcm 2 )] 0.53 1.59 3.45 specific enthalpy current H TG / m Red [KJ / kg] 8000 16,000 25,000

Liegen diese Parameter im entsprechenden Bereich ist ein Betrieb des Ammoniakgasgenerators ohne Ablagerungen und mit annähernd vollständiger Umsetzung der Ammoniakvorläuferlösung gegeben.If these parameters are in the appropriate range, operation of the ammonia gas generator without deposits and with almost complete conversion of the ammonia precursor solution is provided.

Liegt z. B. der eingebrachte spezifische Enthalpiestrom unterhalb des in Tabelle 2 aufgeführten Bereichs, so ist keine vollständige Zersetzung des Ammoniakvarläufers mehr gegeben. Es kommt zu Ablagerungen im Katalysator und der Umsatz geht auf unter 90% zurück.Is z. As the introduced specific enthalpy below the range listed in Table 2, so no complete decomposition of the Ammoniakvarläufers is given more. Deposits in the catalyst occur and sales drop below 90%.

Wird die Katalysatorstirnflächenbelastung überschritten (z. B. Dosiermenge bei 500 g/h), kommt es zu einer zu starken Abkühlung an der Katalysatorstirnfläche. Bei zu geringer Temperatur an der Katalysatorstirnfläche werden die auftreffenden Tröpfchen nicht mehr ausreichend verdampft und es kommt zu unerwünschten Nebenreaktionen (Triazinbildung) an der Katalysatorstirnfläche.If the catalyst end face load is exceeded (eg metered amount at 500 g / h), too much cooling occurs at the catalyst end face. If the temperature at the catalyst end face is too low, the impinging droplets are no longer sufficiently vaporized and unwanted side reactions (triazine formation) occur at the catalyst end face.

Ausführungsbeispiel 2:Embodiment 2:

In Ausführungsbeispiel 2 ist der Reaktor derart ausgeführt, dass der Reaktor zum Teil durch Gegenstromwärmetausch von dem zugeführten, heißen Trägergasstrom mitbeheizt wird. Dabei wird der Trägergasstrom zunächst unterhalb des Reaktorkopfes über einen Doppelmantel entgegen der Strömungsrichtung im inneren des Doppelmantels an die Reaktorwand geführt und umströmt diese auf dem Weg zum Reaktorkopf. Am Reaktorkopf tritt die Hauptströmung aus dem Reaktordoppelmantel über mehrere Bohrungen oder alternativ über einen Ringspalt im Bereich der Düse am Reaktorkopf in das Reaktorinnere ein. Zusätzlich kann sich im Doppelmantel eine elektrische Widerstandsheizung befinden.In embodiment 2, the reactor is designed in such a way that the reactor is partially co-heated by countercurrent heat exchange from the supplied hot carrier gas stream. It is the Carrier gas stream initially passed below the reactor head via a double jacket against the flow direction in the interior of the double jacket to the reactor wall and flows around this on the way to the reactor head. At the reactor head, the main flow from the reactor double jacket enters the interior of the reactor via a plurality of bores or alternatively via an annular gap in the region of the nozzle at the reactor head. In addition, an electrical resistance heater can be located in the double jacket.

Ausführungsbeispiel 3:Embodiment 3

In Ausführungsbeispiel 3 ist der Reaktor derart ausgeführt, dass die Beheizung des Reaktors Von außen nicht über eine elektrische Widerstandsheizung erfolgt sondern über Wärmeaustausch mit heißen Bauteilen eines Verbrennungsmotors, separaten Brenners zur Abgasbeheizung oder heißen Gasströmen. Dabei kann auch die Wärme über Wärmerohr über gewisse Distanz zum Reaktor transportiert werden.In Embodiment 3, the reactor is designed such that the heating of the reactor from the outside does not take place via an electrical resistance heater but via heat exchange with hot components of an internal combustion engine, separate burner for exhaust gas heating or hot gas streams. The heat can also be transported via heat pipe over a certain distance to the reactor.

Ausführungsbeispiel 4:Embodiment 4

In Ausführungsbeispiel 4 ist der Reaktor derart ausgeführt, dass keine Beheizung des Reaktors von außen erfolgt sondern über Wärme über einen elektrisch beheizbaren Katalysator Emikat von Fa. Emitec direkt im inneren des Reaktors zugeführt wird. Alternativ kann Wärme im Reaktor durch Glühkerzen Modell Champion (60 W, 11 V) erzeugt werden.In embodiment 4, the reactor is designed such that no heating of the reactor is carried out from the outside but is supplied via heat via an electrically heatable catalyst Emikat from Fa. Emitec directly inside the reactor. Alternatively, heat in the reactor can be generated by model glow plugs (60 W, 11 V).

Ausführungsbeispiel 5:Embodiment 5:

Mit Vorheizung der flüssigen Lösung der Ammoniakvorläufersubstanz – bei Verwendung eines Injektors mit kritischer Überhitzung (flash-Verdampfer).With preheating of the liquid solution of the ammonia precursor substance - when using a injector with critical overheating (flash evaporator).

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 487886 B1 [0005] EP 487886 B1 [0005]
  • EP 1052009 B1 [0006] EP 1052009 B1 [0006]
  • EP 1338562 B1 [0007] EP 1338562 B1 [0007]
  • EP 1348840 A1 [0008] EP 1348840 A1 [0008]
  • DE 102006023147 A1 [0009] DE 102006023147 A1 [0009]
  • WO 2008/077587 A1 [0010] WO 2008/077587 A1 [0010]
  • WO 2008/077588 A1 [0010] WO 2008/077588 A1 [0010]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • DIN 66 141 [0022] DIN 66 141 [0022]

Claims (14)

Ammoniakgasgenerator (100) zur Erzeugung von Ammoniak aus einer Lösung einer Ammoniakvorläufersubstanz umfassend – eine Katalysatoreinheit (70), die einen Katalysator (60) zur Zersetzung und/oder Hydrolyse von Ammoniakvorläufersubstanzen in Ammoniak und eine dem Katalysator (60) vorgelagerte Mischkammer (51) umfasst, wobei der Katalysator (60) ein Katalysatorvolumen VKat und die Mischkammer (51) ein Mischkammervolumen VMisch aufweist, – eine Eindüsungsvorrichtung (40) zur Einbringung der Lösung der Ammoniakvorläufersubstanz in die Mischkammer (51), – einen Auslass (80) für das gebildete Ammoniakgas, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindüsungsvorrichtung (40) eine Düse (41) umfasst, die einen theoretischen Sprühwinkel α von 10° bis 90° aufweist und der Abstand der Düsenöffnung (42) zur Stirnfläche (61) des Katalysators (60) von 15 bis 2.000 mm beträgt.Ammonia gas generator ( 100 ) for producing ammonia from a solution of an ammonia precursor substance comprising - a catalyst unit ( 70 ), which is a catalyst ( 60 ) for the decomposition and / or hydrolysis of ammonia precursors in ammonia and a catalyst ( 60 ) upstream mixing chamber ( 51 ), wherein the catalyst ( 60 ) a catalyst volume V Kat and the mixing chamber ( 51 ) has a mixing chamber volume V mixing , - an injection device ( 40 ) for introducing the solution of the ammonia precursor substance into the mixing chamber ( 51 ), - an outlet ( 80 ) for the ammonia gas formed, characterized in that the injection device ( 40 ) a nozzle ( 41 ), which has a theoretical spray angle α of 10 ° to 90 ° and the distance of the nozzle opening ( 42 ) to the face ( 61 ) of the catalyst ( 60 ) of 15 to 2,000 mm. Ammoniakgasgenerator (100) nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindüsungsvorrichtung (40) eine Düse (41) umfasst, die einen Sprühwinkel α von 20° bis 60° aufweist und der Durchmesser des Katalysators Da 30 bis 80 mm beträgt.Ammonia gas generator ( 100 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the injection device ( 40 ) a nozzle ( 41 ) having a spray angle α of 20 ° to 60 ° and the diameter of the catalyst Da is 30 to 80 mm. Ammoniakgasgenerator (100) nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindüsungsvorrichtung (40) eine Düse (41) umfasst, die einen Sprühwinkel α von 20° bis 60° aufweist und der Durchmesser des Katalysators DKat 80 bis 450 mm beträgt.Ammonia gas generator ( 100 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the injection device ( 40 ) a nozzle ( 41 ) having a spray angle α of 20 ° to 60 ° and the diameter of the catalyst D Kat is 80 to 450 mm. Ammoniakgasgenerator (100) nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindüsungsvorrichtung (40) eine Düse (41) umfasst, die einen Sprühwinkel α von 20° bis 60° aufweist und der Durchmesser des Katalysators DKat 450 bis 1.000 mm beträgt.Ammonia gas generator ( 100 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the injection device ( 40 ) a nozzle ( 41 ) having a spray angle α of 20 ° to 60 ° and the diameter of the catalyst D Kat is 450 to 1,000 mm. Ammoniakgasgenerator (100) nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Volumens der Mischkammer VMisch zum Volumen des Katalysators VKat dem Verhältnis von 1,5:1 bis 5:1 entspricht.Ammonia gas generator ( 100 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the ratio of the volume of the mixing chamber V mixing to the volume of the catalyst V Kat corresponds to the ratio of 1.5: 1 to 5: 1. Ammoniakgasgenerator (100) nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindüsungsvorrichtung (40) mindestens zwei Diesen zur Einbringung der Lösung der Ammoniakvorläufersubstanz in die Mischkammer umfasst, die zugleich oder separat voneinander schaltbar sind.Ammonia gas generator ( 100 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the injection device ( 40 ) comprises at least two of these for introducing the solution of the ammonia precursor substance in the mixing chamber, which are simultaneously or separately switchable. Ammoniakgasgenerator (100) nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ammoniakgasgenerator (100) einen weiteren Einlass (56) für ein Trägergas umfasst, der einen tangentialen Trägergasstrom in Bezug auf die in die Mischkammer (51) eingedüste Lösung erzeugt.Ammonia gas generator ( 100 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the ammonia gas generator ( 100 ) another inlet ( 56 ) for a carrier gas containing a tangential carrier gas flow with respect to the in the mixing chamber ( 51 ) injected solution produced. Ammoniakgasgenerator (100) nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (41) eine Zweistoffdüse und der Katalysator (60) ein Hydrolysekatalysator ist.Ammonia gas generator ( 100 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the nozzle ( 41 ) a two-fluid nozzle and the catalyst ( 60 ) is a hydrolysis catalyst. Ammoniakgasgenerator (100) nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (41) eine erste Anzahl an Düsenöffnungen zur Einbringung der Lösung in die Katalysatoreinheit (70) aufweist, die von einer zweiten Anzahl an Düsenöffnungen zur Einbringung eines Trägergases in die Katalysatoreinheit (70) ringförmig umgeben ist.Ammonia gas generator ( 100 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the nozzle ( 41 ) a first number of nozzle openings for introducing the solution into the catalyst unit ( 70 having a second number of nozzle openings for introducing a carrier gas into the catalyst unit (US Pat. 70 ) is surrounded annularly. Ammoniakgasgenerator (100) nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ammoniakgasgenerator (100) weiterhin eine Dosiereinheit (30) zur Dosierung der Lösung der Ammoniakvorläufersubstanz umfasst, die der Eindüsungsvorrichtung (40) vorgeschaltet ist.Ammonia gas generator ( 100 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the ammonia gas generator ( 100 ) a dosing unit ( 30 ) for metering the solution of the ammonia precursor substance, the injection device ( 40 ) is connected upstream. Ammoniakgasgenerator (100) nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (60) ein Hydrolysekatalysator mit einer Katalysatorzellenanzahl von mindestens 60 cpsi bis höchstens 800 cpsi ist.Ammonia gas generator ( 100 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the catalyst ( 60 ) is a hydrolysis catalyst having a catalyst cell number of at least 60 cpsi to at most 800 cpsi. Ammoniakgasgenerator (100) nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoreinheit (70) einen zweigeteilten Hydrolysekatalysator (62, 63) umfasst, dessen in Strömungsrichtung erster Teil in Form eines beheizten Katalysators (62) und dessen zweiter Teil in Form eines nicht beheizten Katalysators (63, 64) vorliegt. Ammonia gas generator ( 100 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the catalyst unit ( 70 ) a two-part hydrolysis catalyst ( 62 . 63 ) in the flow direction of the first part in the form of a heated catalyst ( 62 ) and its second part in the form of a non-heated catalyst ( 63 . 64 ) is present. Ammoniakgasgenerator (100) nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ammoniakgasgenerator mindestens eine thermische Isolationsschicht (53) aufweist.Ammonia gas generator ( 100 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the ammonia gas generator at least one thermal insulation layer ( 53 ) having. Verwendung eines Ammoniakgasgenerators (100) nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche zur Reduktion von Stickoxiden in Abgasen aus Industrieanlagen, aus Verbrennungsmotoren, aus Gasmotoren, aus Dieselmotoren oder aus Benzinmotoren.Use of an ammonia gas generator ( 100 ) according to at least one of the preceding claims for the reduction of nitrogen oxides in exhaust gases from industrial plants, internal combustion engines, gas engines, diesel engines or gasoline engines.
DE102011106243A 2011-07-01 2011-07-01 Ammonia gas generator useful e.g. for producing ammonia from ammonia precursor solution, and in gas engines, comprises catalyst unit comprising catalyst and mixing chamber, injection device having nozzle, and outlet for formed ammonia gas Withdrawn DE102011106243A1 (en)

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