DE102012203574A1 - Exhaust gas purification device for reducing nitrogen oxides in the exhaust gas stream of internal combustion engines - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Abgasreinigungsvorrichtung zur Verminderung von Stickoxiden im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine (10) beschrieben. Die Abgasreinigungsvorrichtung umfasst (a) eine Katalysatorreaktoreinheit (51) mit einem Reaktorgehäuse (52), das eine Vielzahl von Eingangs- und Ausgangsöffnungen (53, 54) aufweist, und mit einer Vielzahl in dem Reaktorgehäuse (52) angeordneter und an die Eingangsöffnungen (53) anschließender Rohgaskaskaden (60) und mit einer Vielzahl in dem Reaktorgehäuse (52) angeordneter und an die Ausgangsöffnungen (54) anschließender Reingaskaskaden (80) und (b) eine, in dem Reaktorgehäuse (52) eingebrachte, von dem Abgasstrom durchströmbare Schüttung (90) von Katalysatorelementen, wobei die Katalysatorelemente einen Träger aus einem Schaummetall sowie eine katalytische Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) von Stickoxiden aufweisen. Ferner werden eine Abgasanlage umfassend die Abgasreinigungsvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der Abgasanlage beschrieben.An exhaust gas cleaning device for reducing nitrogen oxides in the exhaust gas flow of an internal combustion engine (10) is described. The exhaust gas purification device comprises (a) a catalyst reactor unit (51) with a reactor housing (52) which has a plurality of inlet and outlet openings (53, 54) and with a plurality of inlet openings (53) arranged in the reactor housing (52) and attached to the inlet openings (53 ) subsequent raw gas cascades (60) and with a large number of clean gas cascades (80) arranged in the reactor housing (52) and connected to the outlet openings (54) and (b) a bed (90) introduced into the reactor housing (52) through which the exhaust gas flow can flow ) of catalyst elements, the catalyst elements having a support made of a foam metal and a catalytic coating for the selective catalytic reduction (SCR) of nitrogen oxides. Furthermore, an exhaust system comprising the exhaust gas cleaning device and a method for operating the exhaust system are described.
Description
Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsvorrichtung mit einer Schüttung von Katalysatorelementen zur Verminderung von Stickoxiden im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine.The invention relates to an exhaust gas purification device with a bed of catalyst elements for the reduction of nitrogen oxides in the exhaust stream of an internal combustion engine.
Eine Vielzahl von Katalysatoren sind in der Vergangenheit vorgeschlagen worden, um umweltrelevante Substanzen, wie z.B. Stickoxide in verschiedenen Oxidationsstufen (NO, NO2, N2O4, N2O5 und N2O), die aus Brennkraftmaschinen ausgestoßen werden, zu reinigen. Dabei handelt es sich um geregelte oder ungeregelte Katalysatoren, Oxidationskatalysatoren, 3-Wege-Katalysatoren (TWC-Katalysator = Three-Way Conversion catalyst), NOX-Speicherkatalysatoren und SCR-Katalysatoren (Selective Catalytic Reduction). A variety of catalysts have been proposed in the past to purify environmentally relevant substances such as nitrogen oxides in various oxidation states (NO, NO 2 , N 2 O 4 , N 2 O 5 and N 2 O) emitted from internal combustion engines , These are controlled or uncontrolled catalysts, oxidation catalysts, three-way conversion catalysts (TWC catalysts), NO x storage catalysts and SCR (selective catalytic reduction) catalysts.
Neben Schwefeloxiden gehören Stickoxide (NOX) zu den in der Schifffahrt limitierten Abgaskomponenten, die während Verbrennungsvorgängen entstehen und deren erlaubte Emissionen immer weiter abgesenkt werden. Bei den an Bord von Schiffen betriebenen Schiffsbrennkraftmaschinen handelt es sich um 4-Takt-Motoren oder langsam drehende 2-Takt-Motoren, die beide mit Schwerölen und Destillaten der Qualitäten IFO180, IFO380, MDO und MGO betrieben werden. In diesen Motoren bildet sich aufgrund der hohen Verbrennungstemperaturen von größer 1600°C das so genannte thermische NOX, welches mittels eines nach dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion arbeitenden SCR-Katalysators, eines eingespeisten Reduktionsmittels (in der Regel NH3 oder eine Vorläuferverbindung (Präkursor) von diesem und Sauerstoff (O2) umgesetzt wird. Eine ausführliche Darstellung solcher Verfahren auf der Basis von SCR-Katalysatoren kann der
Der Aufbau einer SCR-Anlage variiert den technischen Anforderungen entsprechend und wird diesen individuell angepasst. Dem Grundprinzip liegt folgender Aufbau zu Grunde: Dem noch verunreinigten Abgas wird das Reduktionsmittel hinzugefügt und mit diesem homogen vermischt. In den meisten Fällen ist das Reduktionsmittel Ammoniak (NH3), Ammoniakwasser oder Harnstoff. Anschließend findet am Katalysator die Reduktion der Stickoxide statt. Das NOX freie Abgas verlässt den Katalysator möglichst ohne NH3-Schlupf. The structure of an SCR system varies according to the technical requirements and is adapted to this individually. The basic principle is based on the following structure: The reducing agent is added to the still polluted exhaust gas and mixed homogeneously with it. In most cases, the reducing agent is ammonia (NH 3 ), ammonia water or urea. Subsequently, the reduction of the nitrogen oxides takes place on the catalyst. The NO x- free exhaust gas leaves the catalyst as possible without NH 3 -slip.
Dieses allgemeine Prinzip kann je nach Anforderungen durch zusätzliche Bauteile erweitert werden. So sind beispielsweise Anordnungen mit Oxidationskatalysator, Ammoniaksperrkatalysator oder Hydrolysekatalysator, falls das Reduktionsmittel aus Trockenharnstoff gebildet werden soll, denkbar. Diese lassen sich mit dem SCR-Katalysator durch Vor- oder Nachschaltung gegebenenfalls kombinieren. This general principle can be extended by additional components depending on requirements. For example, arrangements with an oxidation catalyst, ammonia blocking catalyst or hydrolysis catalyst, if the reducing agent is to be formed from dry urea, are conceivable. These can optionally be combined with the SCR catalyst by upstream or downstream.
Mittels des SCR-Katalysators werden die in der Brennkraftmaschine, z.B. einem Dieselmotor, entstehenden Stickoxide in Anwesenheit des Reduktionsmittels zu Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) reduziert. Das Reduktionsmittel wird entweder direkt dem Abgas zugegeben oder es wird ein Präkursor des Reduktionsmittels zugegeben, welcher erst in der Abgasnachbehandlungsanlage das Reduktionsmittel freisetzt. Als Reduktionsmittel kann Ammoniak (NH3) gasförmig oder als wässrige Lösung zugeführt werden. Ebenfalls bekannt ist es, Harnstoff als Präkursor dem Abgasstrom zuzuführen, welcher dann thermolytisch und hydrolytisch zu NH3, H2O und CO2 umgesetzt wird.By means of the SCR catalyst, the resulting in the internal combustion engine, such as a diesel engine, nitrogen oxides are reduced in the presence of the reducing agent to nitrogen (N 2 ) and water (H 2 O). The reducing agent is either added directly to the exhaust gas or a precursor of the reducing agent is added, which releases the reducing agent only in the exhaust aftertreatment system. As a reducing agent, ammonia (NH 3 ) can be supplied in gaseous form or as an aqueous solution. It is also known to supply urea as a precursor to the exhaust gas stream, which is then thermolytically and hydrolytically converted to NH 3 , H 2 O and CO 2 .
Bei den ersten Anwendungen der SCR-Technologie im maritimen Bereich hat sich herausgestellt, dass die Adaption landbasierter Technologien als problematisch zu bewerten ist, da sich aus der Mobilität von Schiffen Probleme bezüglich Schwingungen, Vibrationen, Krängung, Stabilität usw. ergeben. Auch stellt die Abgaszusammensetzung, insbesondere der hohe Schwefelgehalt, eine besondere Herausforderung dar, die bislang nicht zufriedenstellend gelöst ist.The first applications of SCR technology in the maritime sector have shown that the adaptation of land-based technologies is problematic as the mobility of ships presents problems with vibration, vibration, heeling, stability, etc. Also, the exhaust gas composition, especially the high sulfur content, presents a particular challenge that has not been satisfactorily solved.
Für die im Stand der Technik zum Einsatz kommenden Katalysatorreaktoren für die heterogene Katalyse hat sich eine Bauvariante bisher durchgesetzt, nämlich der so genannte Wabenkatalysator. In einem Gehäuse (Canning oder Modul) befindet sich ein Trägermaterial, für das stranggepresste Keramik oder ein Metallblech verwendet wird. Der Träger bildet parallel verlaufende Kanäle, durch die das Abgas strömt. Bereits hier wird versucht, dem Abgas eine möglichst große Oberfläche zur Verfügung zu stellen, mit der es interagieren kann, so dass die Kanäle möglichst fein ausgeführt werden. Die so genannte Zelldichte gibt die Anzahl der Kanäle pro Fläche (Quadratzoll) an. Die in der Technik verwendeten Ausführungen reichen hier von 25 bis 400 cpsi (cells per square inch) als typischen Wert für Keramik und bis zu 1200 cpsi für hochzellige Hochleistungsversionen mit metallischen Trägern. Hier liegt die Wandstärke oftmals bei gerade einmal 30 μm. Die limitierende Größe stellt hierbei der tolerierbare Druckverlust dar. Der Trägerkomponente wird hohe thermische und mechanische Festigkeit abverlangt, da sie häufig starken Temperaturschwankungen und Erschütterungen ausgesetzt ist. Ein warmfestes Metallgitter oder eine Keramikmatte um den Wabenkörper sorgt deshalb für die Fixierung im Gehäuse und die Absorption von Erschütterungen. For the catalyst reactors used in the prior art for heterogeneous catalysis, a construction variant has prevailed so far, namely the so-called honeycomb catalyst. In a housing (Canning or module) is a carrier material, is used for the extruded ceramic or a metal sheet. The carrier forms parallel channels through which the exhaust gas flows. Already here it is attempted to provide the exhaust gas with as large a surface as possible, with which it can interact, so that the channels are made as fine as possible. The so-called cell density indicates the number of channels per area (square inches). The designs used in the art here range from 25 to 400 cpsi (cells per square inch) as a typical value for ceramics and up to 1200 cpsi for high cell, high performance versions with metallic supports. Here, the wall thickness is often just 30 microns. The limiting factor here is the tolerable pressure drop. The carrier component is demanded high thermal and mechanical strength, since it is often exposed to strong temperature fluctuations and shocks. A heat-resistant metal grid or a ceramic mat around the honeycomb body therefore ensures the fixation in the housing and the absorption of vibrations.
Abgaskatalysatoren, die allgemein in der Automobilindustrie und in der Kraftwerkstechnik eingesetzt werden, verfügen in der Regel über eine Cordierit-Wabenstruktur („honey cumb“) mit einem großen Wärme- und Stoßwiderstand als Trägermaterial. Cordierit, ein Magnesium-Aluminium-Silicat-Material (2MgO·2Al2O3·5SiO2) zeichnet sich durch eine hohe Temperaturbeständigkeit und eine große Porosität von 20 bis 40 Vol.-%, die überwiegend aus Makroporen mit durchschnittlichen Durchmessern von wenigen Mikrometern besteht, aus. Catalytic converters, which are generally used in the automotive industry and in power plant technology, usually have a honeycomb honeycomb structure with a high heat and impact resistance as a carrier material. Cordierite, a magnesium-aluminum-silicate material (2MgO · 2Al 2 O 3 · 5SiO 2 ) is characterized by a high temperature resistance and a large porosity of 20 to 40 vol .-%, which consists mainly of macropores with average diameters of a few micrometers, from.
Für großtechnische Anlagen, zu denen hier auch Schiffsmotoren zu zählen sind, werden in Modulbauweise aus vielen, meistens quaderförmigen Monolithen größere Aggregate zusammengesetzt. Die praktische Anwendung an Bord von Schiffen hat gezeigt, dass solche Katalysatoren nur bedingt mit der Treibstoffqualität HFO betrieben werden können. Auch sind die mechanischen Beanspruchungen (Temperaturschwankungen, Erschütterungen, Vibrationen), die während des Schiffsbetriebs auftreten, deutlich höher als im stationären Betrieb. For large-scale systems, which include marine engines here, larger units are assembled in modular design from many, usually cuboid monoliths. The practical application on board ships has shown that such catalysts can only be operated to a limited extent with the fuel quality HFO. Also, the mechanical stresses (temperature fluctuations, shocks, vibrations) that occur during ship operation, significantly higher than in stationary operation.
Wabenkatalysatoren, wie sie z. B. die Druckschriften
Ein weiterer Nachteil der Wabenkatalysatoren besteht darin, dass die Abgasströmung in den Wabenkanälen über die Länge der Kanale von turbulent zu laminar übergeht und der Stoffaustausch zwischen Gasphase und katalytisch aktiver Oberfläche stark abnimmt, was zu einer Abnahme der Katalysatoraktivität führt.Another disadvantage of the honeycomb catalysts is that the exhaust gas flow in the honeycomb channels over the length of the channels from turbulent to laminar and the mass transfer between gas phase and catalytically active surface decreases sharply, resulting in a decrease in the catalyst activity.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Abgasreinigungsvorrichtung zu schaffen, deren Eigenschaften die Anforderungen der Motoren- und insbesondere der Großmotorenindustrie für einen Einsatz als Abgasentstickung bei schwerölgefeuerten Dieselmotoren erfüllen.The invention is therefore based on the object to provide an exhaust gas purification device whose properties meet the requirements of the engine and in particular the large engine industry for use as Abgasentstickung in heavy oil fired diesel engines.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Abgasreinigungsvorrichtung zur Verminderung von Stickoxiden im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine gelöst. Die Abgasreinigungsvorrichtung umfasst eine Katalysatorreaktoreinheit mit einem Reaktorgehäuse, das eine Vielzahl von Eingangs- und Ausgangsöffnungen aufweist, und mit einer Vielzahl in dem Reaktorgehäuse angeordneter und an die Eingangsöffnungen anschließender Rohgaskaskaden und mit einer Vielzahl in dem Reaktorgehäuse angeordneter und an die Ausgangsöffnungen anschließender Reingaskaskaden. Zudem umfasst die Abgasreinigungsvorrichtung eine, in dem Reaktorgehäuse eingebrachte, von dem Abgasstrom durchströmbare Schüttung von Katalysatorelementen, wobei die Katalysatorelemente einen Träger aus einem Schaummetall sowie eine katalytische Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) von Stickoxiden aufweisen.According to the invention this object is achieved by an exhaust gas purification device for reducing nitrogen oxides in the exhaust stream of an internal combustion engine. The exhaust gas purifying apparatus comprises a catalyst reactor unit having a reactor housing having a plurality of inlet and outlet ports and a plurality of raw gas cascades arranged in the reactor housing and adjacent to the inlet ports and having a plurality of clean cascades disposed in the reactor housing and adjacent to the outlet ports. In addition, the exhaust gas purification device comprises a, introduced in the reactor housing, from the exhaust gas stream durchströmmbare bed of catalyst elements, the catalyst elements having a support of a foam metal and a catalytic coating for selective catalytic reduction (SCR) of nitrogen oxides.
Diese Abgasreinigungsvorrichtung zeichnet sich durch ein deutlich geringeres Bauvolumen aus, als es herkömmliche Wabenkatalysatoren anbieten. Dadurch ist es wesentlich einfacher, eine Abgasreinigungsvorrichtung nachträglich in das Abgassystem eines Schiffes zu integrieren. Durch die Schüttung der losen Katalysatorelemente wird die aus monolithischen Katalysatoren bekannte Spannungsproblematik gelöst, wodurch ein Katalysator speziell für die Anforderungen der Schifffahrt geschaffen wird. Die Träger aus Schaummetall zeichnen sich besonders durch ihre Unempfindlichkeit gegenüber Wärmedehnungen und mechanischen Belastungen aus. Bevorzugt ist die Schüttung strömungsoptimiert und wird während des Betriebes vom Abgasstrom der Brennkraftmaschine in der Regel permanent turbulent umströmt und durchströmt.This exhaust gas purification device is characterized by a significantly smaller volume of construction than conventional honeycomb catalysts offer. This makes it much easier to subsequently integrate an exhaust gas purification device in the exhaust system of a ship. By the bulk of the loose catalyst elements known from monolithic catalysts voltage problem is solved, creating a catalyst is created specifically for the requirements of shipping. The support made of foam metal are characterized by their insensitivity to thermal expansion and mechanical stress. Preferably, the bed is flow-optimized and is flowed around during operation of the exhaust stream of the internal combustion engine usually turbulent constantly and flows through.
Das Schaummetall der Katalysatorelemente umfasst vorzugsweise Eisen, Eisenoxid, Chrom, Aluminium und/oder Nickel oder Legierungen derselben oder besteht bevorzugt aus selbigen.The foam metal of the catalyst elements preferably comprises iron, iron oxide, chromium, aluminum and / or nickel or alloys thereof or preferably consists thereof.
Ferner bevorzugt weisen die Katalysatorelemente die geometrische Form einer Kugel, einer Halbkugel, eines Ringes, einer Röhre, eines Raschid-Ringes, einer Halbröhre, einer Platte, eines Zylinders oder eines Würfels auf. Further preferably, the catalyst elements have the geometric shape of a sphere, a hemisphere, a ring, a tube, a Raschid ring, a half-tube, a plate, a cylinder or a cube.
Des Weiteren bevorzugt weisen die Katalysatorelemente eine Länge oder einen Durchmesser von 0,5 bis 30 mm, bevorzugt 1 bis 15 mm und besonders bevorzugt 2 bis 8 mm auf.Furthermore, the catalyst elements preferably have a length or a diameter of 0.5 to 30 mm, preferably 1 to 15 mm and particularly preferably 2 to 8 mm.
Ferner weist das Schaummetall der Katalysatorelemente eine spezifische Oberfläche von 8.000 bis 25.000 m2/m3, insbesondere von 11.000 bis 18.000 m2/m3 auf. Furthermore, the foam metal of the catalyst elements has a specific surface area of 8,000 to 25,000 m 2 / m 3 , in particular 11,000 to 18,000 m 2 / m 3 .
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Schaummetall Poren mit einem Porendurchmesser von 100 bis 3200 µm, insbesondere von 400 bis 1.200 µm auf.According to a preferred embodiment of the invention, the foam metal has pores with a pore diameter of 100 to 3200 .mu.m, in particular from 400 to 1200 microns.
Theoretisch ist es auch möglich, anstelle des Schaummetalls einen keramischen Träger, bevorzugt Cordierit zu verwenden. Jedoch müsste man dabei auf die Vorteile eines Trägers aus einem Schaummetall verzichten.Theoretically, it is also possible to use a ceramic carrier, preferably cordierite, instead of the foam metal. However, you would have to doing without the benefits of a support made of a foam metal.
Bevorzugt umfasst die katalytische Beschichtung ein katalytisch aktives Material in Form mindestens eines Oxids eines Übergangsmetalls mit der Ordnungszahl 21 bis 30, 39 bis 48, 57 bis 80 und 89 bis 112 und/oder mindestens einer Alkali- und/oder Erdalkalimetallverbindung und/oder mindestens einer Verbindung der dritten Haupt- oder Nebengruppe des Periodensystems und/oder mindestens einer Seltenerdemetall- oder Zinkverbindung oder in Form von Gemischen von diesen.The catalytic coating preferably comprises a catalytically active material in the form of at least one oxide of a transition metal with the atomic number 21 to 30, 39 to 48, 57 to 80 and 89 to 112 and / or at least one alkali and / or alkaline earth metal compound and / or at least one Compound of the third main group or subgroup of the periodic table and / or at least one rare earth metal or zinc compound or in the form of mixtures of these.
Ferner bevorzugt umfasst die katalytische Beschichtung ein NH3-speicherndes Material, insbesondere Aluminiumoxid (Al2O3), Zirkoniumoxid (ZrO) oder ein Zeolith vom Typ X, Y und/oder ZSM-5. Das Aluminiumoxid (Al2O3), das Zirkoniumoxid (ZrO) oder der Zeolith bildet die Grundstruktur der Beschichtung, auf welcher das katalytisch aktive Material in freier Verteilung vorliegt.Further preferably, the catalytic coating comprises an NH 3 -storing material, in particular aluminum oxide (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO) or a zeolite of the type X, Y and / or ZSM-5. The alumina (Al 2 O 3 ), the zirconia (ZrO) or the zeolite forms the basic structure of the coating on which the catalytically active material is present in free distribution.
Vorzugsweise umfasst die katalytische Beschichtung ein katalytisch aktives Material zur Umsetzung von Kohlenwasserstoffen (HC). Diese Kohlenwasserstoffe können beispielsweise C1- bis C10-Kohlenwasserstoffe, insbesondere CH4 bis C10H22 (Alkane) sein. Das katalytisch aktive Material ist in der Regel eine Kombination geeigneter Edelmetalle.Preferably, the catalytic coating comprises a catalytically active material for the conversion of hydrocarbons (HC). These hydrocarbons may, for example, C1 to C10 hydrocarbons, particularly CH 4 to C 10 H 22 (alkanes) to be. The catalytically active material is usually a combination of suitable noble metals.
Die Beschichtung des Schaummetall-Trägers mit Katalysatoren, sowie mit dem NH3-speichernden Material, wird in der Regel mittels eines Washcoat-Verfahrens durchgeführt, wie es auch für herkömmliche wabenförmige Metall- oder Keramikträger bekannt ist.The coating of the foam metal support with catalysts, as well as with the NH 3 -stichernden material is usually carried out by a washcoat process, as is also known for conventional honeycomb-shaped metal or ceramic support.
Das NH3-speichernde Material weist bevorzugt eine BET-Oberfläche von mindestens 300 m2/g, insbesondere von mindestens 400 m2/g und besonders bevorzugt von mindestens 500 m2/g auf. Ferner weist das NH3-speichernde Material bevorzugt eine Partikelgröße von höchstens 0,9 µm, insbesondere von höchstens 0,6 µm und besonders bevorzugt von höchstens 0,3 µm auf. Des Weiteren bevorzugt weist das NH3-speichernde Material eine durchschnittliche Porengröße von 0,4 bis 1 nm, besonders bevorzugt 0,7 bis 0,8 nm auf.The NH 3 -speichernde material preferably has a BET surface area of at least 300 m 2 / g, especially at least 400 m 2 / g and particularly preferably of at least 500 m 2 / g. Furthermore, the material storing NH 3 preferably has a particle size of at most 0.9 μm, in particular of at most 0.6 μm and particularly preferably of not more than 0.3 μm. Furthermore, the NH 3- storing material preferably has an average pore size of 0.4 to 1 nm, more preferably 0.7 to 0.8 nm.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Rohgas- und/oder die Reingaskaskaden sich in Strömungsrichtung (also axial) erstreckende Elemente. Durch diese Ausgestaltung kann das Rohgas auch in die, den Eingangsöffnungen gegenüberliegenden Bereiche der Katalysatoreinheit transportiert werden und/oder oder aus den, den Ausgangsöffnung gegenüberliegenden Bereichen ausgeleitet werden. Dadurch wird eine gleichverteilte Durchströmung der Schüttung ermöglicht.According to a preferred embodiment of the invention, the crude gas and / or the pure cascade comprise in the flow direction (ie axially) extending elements. As a result of this configuration, the raw gas can also be transported into the regions of the catalyst unit which are opposite the inlet openings and / or can be discharged from the regions opposite the outlet opening. This allows an equally distributed flow through the bed.
Ferner bevorzugt weisen die sich in Strömungsrichtung erstreckenden Elemente der Rohgas- und/oder Reingaskaskaden eine dachartige Gestalt auf. Die dachartige Gestalt bezeichnet dabei eine Ausformung, welche nach oben geschlossen und nach unten offen ist. Durch die dachartige Gestalt der sich in Strömungsrichtung erstreckenden Elemente der Rohgas- und/oder Reingaskaskaden bilden sich durch ein Auffüllen der Katalysatorreaktoreinheit mit der Schüttung Kanäle, welche nach oben hin von den sich in Strömungsrichtung erstreckenden, dachartigen Elementen der Roh- und/oder Reingaskaskaden und nach unten hin von der Schüttung begrenzt werden. Dadurch kann das Roh- und/oder Reingas innerhalb der Roh- und/oder Reingaskaskaden frei strömen und innerhalb des Katalysatorreaktors verteilt werden.Furthermore, the elements of the crude gas and / or pure-gas cascades extending in the direction of flow preferably have a roof-like shape. The roof-like shape designates a molding, which is closed at the top and open at the bottom. Through the roof-like shape of extending in the direction of flow elements of the crude gas and / or pure cascade channels form by filling the catalyst reactor unit with the bed, which upwardly from the extending in the direction of flow, roof-like elements of the raw and / or pure cascade and be limited to the bottom of the bed. As a result, the raw and / or clean gas can freely flow within the crude and / or pure cascade and be distributed within the catalyst reactor.
Insbesondere bevorzugt weist ein sich in Strömungsrichtung erstreckendes Element eine im Querschnitt normal zur Strömungsrichtung zweischenkelige Form auf. Der Schnittpunkt der zwei Schenkel zeigt im aufgebauten Zustand der Abgasreinigungsvorrichtung nach oben. Somit sind die sich in Strömungsrichtung erstreckenden Elemente der Rohgas- und/oder Reingaskaskaden als zwei winkelig zueinander angeordnete, bevorzugt ebene Flächen ausgebildet, deren Schnittlinie den höchsten Punkt der Rohgas- und/oder der Reingaskaskade bildet.Particularly preferably, an element extending in the direction of flow has a cross-sectionally normal shape to the flow direction in the form of a second limb. The intersection of the two legs shows in the assembled state of the exhaust gas purification device upwards. Thus, the extending in the direction of flow elements of the crude gas and / or pure cascade are arranged as two angularly arranged, preferably flat surfaces, the cutting line forms the highest point of the raw gas and / or the pure cascade.
Bevorzugt weisen die beiden Schenkel der sich in Strömungsrichtung erstreckenden Elemente der Rohgas- und/oder Reingaskaskaden eine Schenkellänge von 5 bis 30 cm, insbesondere von 10 bis 20 cm, und/oder einen Winkel von 15° bis 110°, insbesondere von 20° bis 90°, bevorzugt von 45° bis 75°, auf. Diese Ausgestaltungen ermöglichen einen strömungsgünstigen Querschnitt der durch die sich in Strömungsrichtung erstreckenden, dachartigen Elemente gebildeten Kanäle.Preferably, the two legs of the extending in the direction of flow elements of the crude gas and / or pure cascade a leg length of 5 to 30 cm, in particular from 10 to 20 cm, and / or an angle of 15 ° to 110 °, in particular from 20 ° to 90 °, preferably from 45 ° to 75 °, on. These embodiments allow a flow-favorable cross section of the channels formed by the roof-like elements extending in the direction of flow.
Vorzugsweise sind die Rohgas- und/oder die Reingaskaskaden mit einem Abstand von 10 bis 50 cm, insbesondere von 15 bis 35 cm, zueinander angeordnet. Dieser Abstand stellt einen guten Kompromiss aus Strömungswiderstand beim Durchströmen der Schüttung und der wirksamen katalytischen Oberfläche dar.Preferably, the crude gas and / or the pure cascade cascades are arranged at a distance of 10 to 50 cm, in particular from 15 to 35 cm, to each other. This distance represents a good compromise flow resistance as it flows through the bed and the effective catalytic surface.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Reaktorgehäuse der Katalysatorreaktoreinheit Austragsmittel zum Ausschleusen von verbrauchten oder kontaminierten Katalysatorelementen auf. Austragungsmittel sind insbesondere eine Zellradschleuse, eine Transportschnecke oder eine Doppelpendel-Klappe. Durch diese Ausgestaltungen können z. B. mit Ruß kontaminierte Katalysatorelemente aus der Katalysatorreaktoreinheit ausgeschleust, und beispielsweise außerhalb der Katalysatorreaktoreinheit gereinigt oder aufbereitet werden.According to a preferred embodiment of the invention, the reactor housing of the catalyst reactor unit has discharge means for discharging spent or contaminated catalyst elements. Austragungsmittel are in particular a rotary valve, a screw conveyor or a double pendulum flap. By these embodiments, for. B. contaminated with soot catalyst elements from the catalyst reactor unit discharged and, for example, purified or treated outside the catalyst reactor unit.
Des Weiteren wird eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine, umfassend eine erfindungsgemäße Abgasreinigungsvorrichtung zur Verfügung gestellt. Die Abgasanlage umfasst in der Regel wenigstens eine Zu- und Ableitung, welche das Rohgas zu der Abgasreinigungsvorrichtung hin und von der Abgasreinigungsvorrichtung weg leiten.Furthermore, an exhaust system for an internal combustion engine, comprising an exhaust gas purification device according to the invention is provided. The exhaust system usually includes at least one inlet and outlet, which direct the raw gas to the exhaust gas purification device and away from the exhaust gas purification device.
Bevorzugt umfasst die Abgasanlage ferner eine stromauf der Abgasreinigungsvorrichtung angeordnete Dosiereinrichtung zur Zudosierung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom, insbesondere von Ammoniak (NH3) oder einer Vorläuferverbindung von diesem. Die Dosiereinrichtung ermöglicht ein Einbringen, z. B. ein Einspritzen des Reduktionsmittels oder dessen Vorläuferverbindung in den Abgasstrom. Preferably, the exhaust system further comprises a metering device arranged upstream of the exhaust gas purification device for metering a reducing agent into the exhaust gas flow, in particular of ammonia (NH 3 ) or a precursor compound therefrom. The metering device allows insertion, z. As an injection of the reducing agent or its precursor compound in the exhaust stream.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Abgasanlage ferner einen stromauf der Abgasreinigungsvorrichtung angeordneten Brenner zur Erhöhung der Abgastemperatur. Der Brenner kann ferner bevorzugt mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen, insbesondere mit einem „boil-off“ eines Flüssig-Gas-Tanks betrieben werden.According to a further preferred embodiment of the invention, the exhaust system further comprises a burner arranged upstream of the exhaust gas purification device for increasing the exhaust gas temperature. The burner can furthermore preferably be operated with liquid or gaseous fuels, in particular with a boil-off of a liquid-gas tank.
Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Abgasanlage zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst einen ersten Schritt des Bereitstellens einer erfindungsgemäßen Abgasanlage. Ferner umfasst das Verfahren einen zweiten Schritt des Einleitens des Abgasstroms in die Katalysatorreaktoreinheit durch die Eingangsöffnungen und zumindest teilweise durch die Rohgaskaskaden. Überdies umfasst das Verfahren einen dritten Schritt des Durchleitens des Abgasstroms durch die Schüttung von Katalysatorelementen. Des Weiteren umfasst das Verfahren einen vierten Schritt des Ausleitens des Abgasstroms aus der Katalysatorreaktoreinheit zumindest teilweise durch die Reingaskaskaden und durch die Ausgangsöffnungen.Furthermore, a method for operating an exhaust system according to the invention is provided. The method comprises a first step of providing an exhaust system according to the invention. Furthermore, the method comprises a second step of introducing the exhaust gas flow into the catalyst reactor unit through the inlet openings and at least partially through the raw gas cascades. Moreover, the method comprises a third step of passing the exhaust gas flow through the bed of catalyst elements. Furthermore, the method comprises a fourth step of diverting the exhaust gas stream from the catalyst reactor unit at least partially through the clean-water cascade and through the outlet openings.
Bevorzugt wird in einer diskontinuierlichen Verfahrensweise eine Teilmenge der Katalysatorelemente bei Erreichen eines vorbestimmten Druckverlustes und/oder einer vorbestimmten NOX-Reingaskonzentrationsschwelle aus der Vorrichtung ausgeschleust und durch noch nicht beaufschlagte Katalysatorelemente ersetzt. Dadurch kann eine gleichmäßige Funktionsweise des Katalysators über die Betriebszeit sichergestellt werden. Gleichwohl ist auch eine kontinuierliche Ausschleusung und Wiederauffüllung von Katalysatorelementen möglich.Preferably, in a discontinuous procedure, a subset of the catalyst elements is discharged from the device upon reaching a predetermined pressure loss and / or a predetermined NO x -Regas concentration threshold and replaced by not yet acted catalyst elements. As a result, a uniform operation of the catalyst over the operating time can be ensured. Nevertheless, a continuous discharge and replenishment of catalyst elements is possible.
Ferner bevorzugt wird das für die katalytische Reduktion erforderliche Reduktionsmittel erst bei Erreichen einer definierten Temperatur dosiert. Durch diese Ausgestaltung kann eine Flutung der Katalysatorreaktoreinheit mit Reduktionsmittel verhindert werden, solange eine, für die katalytische Reaktion notwendige, Mindesttemperatur noch nicht erreicht ist. Further preferably, the reducing agent required for the catalytic reduction is metered only when a defined temperature is reached. As a result of this embodiment, flooding of the catalyst reactor unit with reducing agent can be prevented, as long as a minimum temperature necessary for the catalytic reaction has not yet been reached.
Vorzugsweise werden neben Stickoxiden auch C1- bis C10-Kohlenwasserstoffe, insbesondere CH4 bis C10H22 katalytisch abgebaut, wofür die Beschichtung der Katalysatorelemente als katalytisch aktives Material geeignete Edelmetalle aufweist.Preferably, in addition to nitrogen oxides and C1 to C10 hydrocarbons, particularly CH 4 reduced catalytically to C 10 H 22, for which the coating of the catalyst elements comprising as catalytically active material suitable noble metals.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine Pyrolyse von dem stromauf der Abgasreinigungsvorrichtung zudosierten Harnstoff in einer Rohgashaube der Abgasreinigungsvorrichtung, welche eingangsseitig an das Reaktorgehäuse anschließt. Der Abgasstrom wird dabei durch die Rohgashaube geleitet, welche den Abgasstrom auf die Eingangsöffnungen verteilt.According to a preferred embodiment of the invention, a pyrolysis of the urea metered in upstream of the exhaust gas purification device takes place in a crude gas hood of the exhaust gas purification device, which adjoins the reactor housing on the input side. The exhaust gas flow is passed through the raw gas hood, which distributes the exhaust gas flow to the inlet openings.
In der Regel wird die Abgasreinigungsvorrichtung im Überdruck betreiben, welcher durch den Strömungswiderstand der Katalysatorreaktoreinheit und den Überdruck des Abgasstroms aus der Brennkraftmaschine bedingt ist. Bevorzugt wird die Abgasreinigungsvorrichtung jedoch im Unterdruck betrieben, der mittels eines stromab der Katalysatorreaktoreinheit angeordneten Ventilators erzeugt wird.In general, the exhaust gas purification device will operate in overpressure, which is due to the flow resistance of the catalyst reactor unit and the pressure of the exhaust gas flow from the internal combustion engine. However, the exhaust gas purification device is preferably operated under reduced pressure, which is generated by means of a fan arranged downstream of the catalyst reactor unit.
Bevorzugt erfolgt die Steuerung der Dosierung des Reduktionsmittels in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, wofür insbesondere ein Kennwert aus dem Motorsteuergerät verwendet wird. Der Kennwert aus dem Motorsteuergerät stellt eine dem Abgasstrom vorauseilende Größe dar, wodurch noch vor Eintreffen des Abgasstroms an der Dosiereinrichtung die Dosierung des Reduktionsmittels angepasst werden kann.Preferably, the control of the dosage of the reducing agent in dependence on an operating point of the internal combustion engine, for which in particular a characteristic value from the engine control unit is used. The characteristic value from the engine control unit represents a quantity leading the exhaust gas flow, whereby the dosage of the reducing agent can be adjusted before the exhaust gas flow arrives at the metering device.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben oder der folgenden Beschreibung der Figuren zu entnehmen.Further preferred embodiments of the invention are specified in the subclaims or to be taken from the following description of the figures.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to a drawing and the description below. Show it:
Die Rohgaskaskaden
Durch die schüttungsfreien Kanäle der Rohgaskaskaden
Die in den
Die Brennkraftmaschine
The
Wie durch Pfeile schematisch gezeigt ist, passiert oder strömt der Abgasstrom der Reihe nach durch die Abgaszuleitung
Das für die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden erforderliche Reduktionsmittel wird als Ammoniakwasser oder als wässrige Harnstofflösung mittels der Dosiereinrichtung
Der Temperatursensor
Das Reduktionsmittel in Form einer wässrigen Harnstofflösung wird im Abgasstrom thermolysiert und hydrolysiert, dabei wird der Harnstoff mittels chemischer Reaktion zu Ammoniak (NH3) abgebaut:
Diese Pyrolyse des Harnstoffs findet teilweise oder sogar hauptsächlich in der Rohgashaube
Überschüssiges Ammoniak wird in den NH3 speichernden Komponenten der Beschichtung der Katalysatorelemente zwischengespeichert.Excess ammonia is intermediately stored in the NH 3 storing components of the coating of the catalyst elements.
Bei der Entstickung durch eine SCR treten gewollte und ungewollte Reaktionen auf, da es keine chemische Reaktion gibt, die 100 %-ig selektiv abläuft. D.h., es treten auch Nebenreaktionen auf, die zum Teil erwünscht sind. So kann das NOX auf verschiedene Weise im Katalysator umgesetzt werden. Diese unterschiedlichen Reaktionen konkurrieren untereinander. Welche überwiegt, hängt von unterschiedlichen Faktoren ab. Verweilzeit des Gases im Reaktor, Stoffkonzentrationen, die Beschaffenheit des Katalysators und vor allem die Temperatur sind die bestimmenden Einflussgrößen. Eine theoretische Einschätzung, welche Reaktion bei einem bestimmten Katalysator bei einer bestimmten Temperatur überwiegt, fällt schwer. Es ist nicht immer einwandfrei festzustellen, welcher Mechanismus (Eley-Rideal, Longmuir-Henschelwood) vorliegt. In der Praxis werden Gleichungen für die Reaktionskinetik zumeist empirisch bestimmt und über deren Auswertung Aussagen über einen möglichen Reaktionsmechanismus gemacht. Denitrification by an SCR causes deliberate and unwanted reactions, as there is no chemical reaction that is 100% selective. That is, there are also side reactions, some of which are desirable. Thus, the NO X can be implemented in various ways in the catalyst. These different reactions compete with each other. Whichever prevails depends on different factors. Dwell time of the gas in the reactor, substance concentrations, the nature of the catalyst and above all the temperature are the determining factors. A theoretical assessment of which reaction predominates for a given catalyst at a given temperature is difficult. It is not always clear which mechanism (Eley-Rideal, Longmuir-Henschelwood) exists. In practice, equations for the reaction kinetics are usually determined empirically and their evaluation provides information about a possible reaction mechanism.
Die Katalysatorelemente der Schüttung
Die Katalysatorelemente der Schüttung
Nachdem das katalytisch gereinigte Abgas die Schüttung
Die zweite NOX-Sonde
Das gereinigte Abgas gelangt durch die Abgasleitung
Im Falle einer Verschmutzung der Katalysatorelemente
Zudem wird mittels der Drucksensoren
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Motor engine
- 2020
- erste NOX-Sondefirst NO X probe
- 3030
- Dosiereinrichtung metering
- 4040
- Rohgashaube Rohgashaube
- 5050
- Abgaszuleitung exhaust lead
- 5151
- Katalysatorreaktoreinheit Catalyst reactor unit
- 5252
- Reaktorgehäuse reactor housing
- 5353
- Eingangsöffnungen entry ports
- 5454
- Ausgangsöffnungen exit ports
- 6060
- Rohgaskaskaden Rohgaskaskaden
- 7070
- Vorratssilo storage silo
- 8080
- Reingaskaskaden Clean gas cascade
- 9090
- Schüttung aus Katalysatorelementen Bed of catalyst elements
- 100100
- Reingashaube Clean gas cap
- 110110
- Abgasableitung Flue gas discharge
- 120120
- Austragsmittel discharge means
- 130130
- Temperatursensor temperature sensor
- 140140
- zweite NOX-Sondesecond NO X probe
- 150a150a
- erster Drucksensor first pressure sensor
- 150b150b
- zweiter Drucksensor second pressure sensor
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- EP 1713584 A1 [0011] EP 1713584 A1 [0011]
- EP 1920834 A1 [0011] EP 1920834 A1 [0011]
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