DE102014005150A1 - Abgasnachbehandlungssystem und Verfahren zur Abgasnachbehandlung - Google Patents

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Abstract

Abgasnachbehandlungssystem (2) für eine Brennkraftmaschine, mit einem stromabwärts einer Brennkraftmaschine (1) angeordneten, kalziumhaltiges Granulat aufweisenden Abscheider (4) zur Chemisorption von Schwefeloxiden, und mit einem stromabwärts der Brennkraftmaschine (1) und stromaufwärts des Abscheiders (4) angeordneten Oxidationskatalysator (3) zur Oxidation von SO2 in SO3.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung.
  • Bei Verbrennungsprozessen in stationären Brennkraftmaschinen, die zum Beispiel in Kraftwerken zum Einsatz kommen, sowie bei Verbrennungsprozessen in nicht-stationären Brennkraftmaschinen, die zum Beispiel auf Schiffen zum Einsatz kommen, entstehen Schwefeloxide, wie SO2 und SO3, wobei diese Schwefeloxide typischerweise bei der Verbrennung schwefelhaltiger, fossiler Brennstoffe, wie Kohle, Steinkohle, Braunkohle, Erdöl oder Schweröl entstehen. Daher sind solchen Brennkraftmaschinen Abgasnachbehandlungssysteme zugeordnet, die insbesondere der Entschwefelung des die Brennkraftmaschine verlassenden Abgases dienen.
  • Zur Entschwefelung des Abgases sind aus dem Stand der Technik in erster Linie absorptive Verfahren bekannt, die als Absorptionsmittel in erster Linie Brandkalk (CaO), Kalkhydrat (Ca(OH)2), Kalziumkarbonat (CaCO3), Na2CO2 oder NaHCO3 nutzen. Hierbei wird Staub aus Kalziumsulfat (CaSO4) gebildet, wobei zur Entfernung des Kalziumsulfat-Staubs aus dem Abgas stromabwärts der Entschwefelung Filtereinrichtungen eingesetzt werden müssen.
  • Aus der DE 36 03 365 C2 ist ein Verfahren sowie ein Abgasnachbehandlungssystem zur Behandlung von Stickoxide und Staub enthaltendem Abgas bekannt.
  • Zudem werden für die Entschwefelung auch sogenannte Abgaswäscher oder Scrubber eingesetzt, bei denen mit Hilfe von Wasser SO2 aus dem Abgas entfernt wird. Die im Waschwasser enthaltenen Schwefeldioxide werden anschließend mit Hilfe von Basen, wie z. Bsp. NaOH, neutralisiert. Vor dieser Neutralisierung wird meist noch eine Oxidation des ausgewaschenen SO2 zu SO3 durchgeführt, da dies eine bessere Abtrennung verspricht bzw. den Einsatz von Kalziumverbindungen, die mit SO3 CaSO4 bilden und damit ausgefällt werden können, erlaubt. Dies wird üblicherweise durch Einblasen von Luft in den Sumpf erzielt ( US 4515754 A1 ).
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Abgasnachbehandlungssystem und ein neuartiges Verfahren zur Abgasnachbehandlung zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine umfasst einen stromabwärts einer Brennkraftmaschine angeordneten, kalziumhaltiges Granulat aufweisenden Abscheider zur Chemisorption von Schwefeloxiden, und einen stromabwärts der Brennkraftmaschine und stromaufwärts des Abscheiders angeordneten Oxidationskatalysator zur Oxidation von SO2 in SO3. Durch den Einsatz des Abscheiders ist es möglich, auf eine Filtereinrichtung zur Entfernung von Kalziumsulfat- oder Natriumsulfat-Staub aus dem Abgas zu verzichten. Die Schwefeloxide reagieren mit dem kalzium- oder natrium- oder magnesiumhaltigen Granulat des Abscheiders und können über das Granulat ausgetragen werden. Der Einsatz des Oxidationskatalysators zur Oxidation von SO2 in SO3 ermöglicht eine kurze Verweilzeit des Abgases im Abscheider, da das SO3 mit dem kalzium- oder natrium- oder magnesiumhaltigen Granulat des Abscheiders schneller reagiert als das SO2. Das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem ermöglicht eine effektive Entschwefelung von Abgas.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Granulat im Abscheider CaO und/oder Ca(OH)2 und/oder CaCO3 und/oder Na2CO3 und/oder MgO, wobei die Korngröße des Granulats zwischen 1 mm und 8 mm beträgt. Der Abscheider ist dabei insbesondere als Kreuzstromabscheider mit Wanderbett oder Fließbett ausgebildet. Das ermöglicht eine besonders effektive Entschwefelung von Abgas.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung ist stromaufwärts des Oxidationskatalysator eine Heizeinrichtung angeordnet, die das Abgas auf eine Temperatur von mehr als 350°C, bevorzugt von mehr als 400°C, besonders bevorzugt von mehr als 450°C, erhitzt. Das ermöglicht eine besonders effektive Oxidation von SO2 in SO3 und damit eine effektive Entschwefelung von Abgas.
  • Bei einer abgasaufgeladenen Brennkraftmaschine ist der Oxidationskatalysator stromaufwärts einer Turbine eines Abgasturboladers positioniert, wobei der Abscheider stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers positioniert ist. Durch die stromaufwärts der Turbine herrschenden, relativ hohen Temperaturen und Drücke wird die Oxidation von SO2 in SO3 im Oxidationskatalysator begünstigt.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Abgasnachbehandlungssystem eine Einrichtung zum Einbringen von NH3-Vorläufersubstanzen (Harnstoff) oder gasförmigem NH3 in das Abgas, die stromabwärts des Oxidationskatalysators angeordnet ist. Hierdurch kann die Entschwefelung des Abgases weiter verbessert werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Abgasnachbehandlung ist in Anspruch 12 definiert.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
  • 1: ein Blockschaltbild eines ersten erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems;
  • 2: ein Blockschaltbild eines zweiten erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems;
  • 3: ein Blockschaltbild eines dritten erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems; und
  • 4: ein Blockschaltbild eines vierten erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems.
  • Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine, so zum Beispiel für eine stationäre Brennkraftmaschine in einem Kraftwerk oder für eine auf einem Schiff zum Einsatz kommende, nicht-stationäre Brennkraftmaschine. Insbesondere kommt das Abgasnachbehandlungssystem an einer mit Schweröl betriebenen Schiffsdieselbrennkraftmaschine zum Einsatz.
  • 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines einer Brennkraftmaschine 1 nachgelagerten Abgasnachbehandlungssystems 2, wobei das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem 2 einen Oxidationskatalysator 3 aufweist, der stromabwärts der Brennkraftmaschine 1 angeordnet ist. Im Oxidationskatalysator 3 reagiert SO2 zu SO3 nach folgender Reaktionsgleichung 2SO3 + O2 → 2SO2
  • Als Aktivkomponenten im Oxidationskatalysator 3 für die Oxidation von SO2 zu SO3 kommen vorzugsweise folgende chemische Elemente zur Anwendung: V (Vanadium) und/oder K (Kalium) und/oder Na (Natrium) und/oder Fe (Eisen) und/oder Ce (Cer) und/oder Cs (Cäsium) und/oder Oxide dieser Elemente.
  • Der Anteil an Vanadium (V) mehr als 5%, bevorzugt mehr als 7%, besonders bevorzugt mehr als 9%, beträgt.
  • Als Grundmaterial nutzt der Oxidationskatalysator 3 TiO2 (Titanoxid) und/oder SiO2 (Siliziumoxid), vorzugsweise stabilisiert durch WO3 (Wolframoxid).
  • Zusätzlich umfasst das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem 2 einen stromabwärts des Oxidationskatalysators 3 angeordneten, kalzium- oder natrium- oder magnesiumhaltiges Granulat aufweisenden Abscheider 4, wobei es sich beim Abscheider 4 vorzugsweise um einen Wanderbettreaktor oder Fließbettreaktor handelt.
  • Das kalzium- oder natrium- oder magnesiumhaltige Granulat umfasst vorzugsweise CaO und/oder Ca(OH)2 und/oder CaCO3 und/oder Na2CO2 oder NaHCO3, MgO. Dabei reagieren die Schwefeloxide mit dem kalziumhaltigen Granulat nach folgenden Reaktionsgleichungen, nämlich für Ca(OH)2 nach folgenden Reaktionsgleichungen Ca(OH)2 + SO2 ↔ CaSO3 + H2O Ca(OH)2 + SO2 + 1/2O2 ↔ CaSO4 + H2O Ca(OH)2 + CO2 ↔ CaCO3 + H2O Ca(OH)2 + SO3 ↔ CaCO4 + H2O und für CaCO3 nach folgenden Reaktionsgleichungen CaCO3 + SO2 ↔ CaSO3 + CO2 CaCO3 + SO2 + 1/2O2 ↔ CaSO4 + CO2 CaCO3 + SO3 ↔ CaSO4 + CO2 und für Na2CO3 und NaHCO3 nach folgenden Reaktionsgleichungen NaCO3 ↔ Na2SO3 + CO2 Na2CO3 + SO3 ↔ Na2SO4 + CO2 2NaHCO3 + SO3 ↔ Na2SO4 + CO2 + 2H2O und für MgO nach folgenden Reaktionsgleichungen MgO + SO2 + O2 → MgSO4 MgO + SO3 + ½O2 → MgSO4
  • Dabei ist erfindungsgemäß von Bedeutung, dass SO3 schneller mit dem kalzium- oder natrium- oder magnesiumhaltigen Granulat reagiert als SO2, weshalb stromabwärts der Brennkraftmaschine 1 und stromaufwärts des Abscheiders 4 der Oxidationskatalysator 3 zur Oxidation von SO2 in SO3 angeordnet ist. Dadurch kann die Effektivität der Entschwefelung gesteigert werden.
  • Vorzugsweise erfolgt die Oxidation von SO2 in SO3 im Oxidationskatalysator 3 derart, dass stromabwärts des Oxidationskatalysators 3 der Anteil an SO3 an allen Schwefeloxiden (SOx) im Abgas mindestens 20%, bevorzugt mehr als 40%, besonders bevorzugt mehr als 60%, beträgt.
  • Im Abscheider 4 reagieren die Schwefeloxide mit dem Granulat zu Kalzium- bzw. Natrium- bzw. Magnesiumsulfat, welches zusammen mit dem Granulat des Abscheiders 4 ausgetragen werden kann.
  • Die Korngröße des Granulats im Abscheider 4 beträgt zwischen 1 mm und 8 mm, vorzugsweise zwischen 4 mm und 8 mm. Aufgrund der relativ großen Korngröße des Granulats kommt dazu, dass dasselbe nicht bis zum Zentrum mit den Schwefeloxiden reagiert, sondern im Kern zumindest teilweise aus noch nicht mit Schwefeloxid reagierten Bestandteilen besteht, die dann aus einer Schale von Kalziumsulfat umgeben sind.
  • Dem Abscheider 4 ist vorzugsweise eine Einrichtung zugeordnet, um im Wanderbett oder Fließbett über das Granulat abgefangenes Kalziumsulfat, welches zusammen mit dem Granulat aus dem Wanderbettreaktor oder Fließbettreaktor ausgetragen wird, vom Granulat zu trennen. Bei dieser Vorrichtung kann es sich zum Beispiel um einen Trommelschäler, eine Trommelsiebe oder um eine Mühle handeln. Das vom Kalziumsulfat befreite Granulat kann dann anschließend wieder dem Abscheider 4 zugeführt werden, um so einen Granulatkreislauf auszubilden und das Granulat effektiver zu nutzen.
  • 2 zeigt eine Variante der Erfindung, in welcher die Brennkraftmaschine 1 als abgasaufgeladene Brennkraftmaschine dargestellt ist, bei welcher also das Abgasnachbehandlungssystem 2 eine Turbine 5 eines Abgasturboladers umfasst, in der die Brennkraftmaschine 1 verlassendes Abgas zur Gewinnung von mechanischer Energie entspannt wird. Bei einer solchen abgasaufgeladenen Brennkraftmaschine ist der Oxidationskatalysator 3 in Strömungsrichtung des Abgases gesehen stromaufwärts der Turbine 5 angeordnet, wobei der Abscheider 4 stromabwärts der Turbine 6 angeordnet ist. Die stromaufwärts der Turbine 5 herrschenden, hohen Drücke und hohen Temperaturen im Abgasstrom begünstigen die Oxidation von SO2 in SO3 im Oxidationskatalysator 3.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 2 für eine Brennkraftmaschine zeigt 3, wobei das Abgasnachbehandlungssystem 2 der 3 ebenso wie das Abgasnachbehandlungssystem 2 der 1 den Oxidationskatalysator 3 und den Abscheider 4 umfasst. Zusätzlich umfasst das Abgasnachbehandlungssystem 2 der 3 eine stromaufwärts des Oxidationskatalysator 3 angeordnete Heizeinrichtung 6, die das Abgas stromaufwärts des Oxidationskatalysator 3 auf eine Temperatur von mehr als 350°C, bevorzugt von mehr als 400°C, besonders bevorzugt von mehr als 450°C, erhitzt. Dies begünstigt die Oxidation von SO2 in SO3 im Oxidationskatalysator 3.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 2 für eine Brennkraftmaschine zeigt 4, wobei das Abgasnachbehandlungssystem 2 der 4 ebenso wie das Abgasnachbehandlungssystem 2 der 2 den Oxidationskatalysator 3, die Turbine 5, den Abscheider 4 sowie zusätzlich eine Einrichtung 7 zum Einbringen von gasförmigem NH3 in das Abgas umfasst, wobei diese Einrichtung 7 zum Einbringen des gasförmigen NH3 in das Abgas stromabwärts des Oxidationskatalysators 3 angeordnet ist, sodass demnach NH3 stromabwärts des Oxidationskatalysators 3 in das Abgas der Brennkraftmaschine 1 eingebracht wird. Dabei kann vorgesehen sein, das NH3 entweder unmittelbar gasförmig in den Abgasstrom einzubringen oder eine NH3-Vorläufersubstanz, wie zum Beispiel Urea, in den Abgasstrom einzudüsen und dieselbe im Abgasstrom zu NH3 zu verdampfen. Das Einbringen von gasförmigen NH3 in den Abgasstrom stromabwärts des Oxidationskatalysators 3 verfügt über den Vorteil, dass dadurch die nachfolgende Entschwefelung verbessert werden kann.
  • Bei den in 1 bis 4 gezeigten Abgasnachbehandlungssystemen 2 kann ein mehrstufiger, vorzugsweise als Wanderbettreaktor oder Fließbettreaktor ausgebildeter Abscheider 4 zum Einsatz kommen, um die Abscheidung von Kalzium- oder Natrium- oder Magnesiumsulfat zu verbessern, wobei dann, wenn ein mehrstufiger Abscheider 4 verwendet wird, in den einzelnen Stufen des Abscheiders 4 Granulat unterschiedlicher Korngröße verwendet wird.
  • Vorzugsweise wird ein als Kreuzstromabscheider ausgebildeter Abscheider 4 genutzt.
  • Das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem 1 erlaubt eine effektive Entschwefelung von Abgas über das erfindungsgemäße Verfahren zur Abgasnachbehandlung. Zur Entschwefelung von Abgas mit Hilfe des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 2 wird zunächst die Brennkraftmaschine verlassendes Abgas über einen Oxidationskatalysator 3 geführt, um eine Oxidation von SO2 in SO3 zu ermöglichen. Anschließend wird das Abgas über einen Abscheider 4 geführt, der kalziumhaltiges Granulat aufweist. Wie beschrieben, kann die Entschwefelung des Abgases durch Einbringen von NH3 in das Abgas verbessert werden. Die Oxidation von SO2 in SO3 kann durch Bereitstellen oder Ausnutzten einer hohen Abgastemperatur verbessert werden. Es wird auf die Ausführungen zu 1 bis 4 verwiesen.
  • Neben der Verwendung von Granulat ist auch die Abscheidung mit Hilfe von Abgaswäschern zielführend, die stromab eines Katalysators zur SO2-Oxidation angeordnet sind. Hierdurch wird zum einen die Abscheiderate im Abgaswäscher erhöht, da sich SO3 deutlich besser in Wasser löst als SO2, wodurch entweder die Abscheideleistung verbessert und/oder der Wäscher verkleinert werden kann. Zudem kann auf ein Einblasen von Luft in den Sumpf zur Oxidation von SO2, wie in der US 4515754 A1 beschrieben, verzichtet werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennkraftmaschine
    2
    Abgasnachbehandlungssystem
    3
    Oxidationskatalysator
    4
    Abscheider
    5
    Turbine
    6
    Heizeinrichtung
    7
    Einrichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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    • US 4515754 A1 [0005, 0036]

Claims (15)

  1. Abgasnachbehandlungssystem (2) für eine Brennkraftmaschine, mit einem stromabwärts einer Brennkraftmaschine (1) angeordneten Abgaswäscher, oder einem kalzium- und/oder natrium- und/oder magnesiumhaltiges Granulat aufweisenden Abscheider (4) zur Chemisorption von Schwefeloxiden, und mit einem stromabwärts der Brennkraftmaschine (1) und stromaufwärts des Abscheiders (4) angeordneten Oxidationskatalysator (3) zur Oxidation von SO2 in SO3.
  2. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat im Abscheider (4) CaO und/oder Ca(OH)2 und/oder CaCO3 und/oder Na2CO3 und/oder NaHCO3 umfasst.
  3. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße des Granulats zwischen 1 mm und 8 mm beträgt.
  4. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abscheider (4) als Wanderbettreaktor oder Fließbettreaktor ausgebildet ist.
  5. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abscheider (4) als Kreuzstromabscheider ausgebildet ist
  6. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abscheider (4) mehrstufig ausgebildet ist, wobei die Korngrößen des Granulats in den einzelnen Stufen des Abscheiders (4) voneinander abweichen.
  7. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidationskatalysator (3) als Aktivkomponente zur Oxidation von SO2 in SO3 Vanadium und/oder Kalium und/oder Natrium und/oder Eisen und/oder Cer und/oder Cäsium und/oder Oxide dieser Elemente umfasst, wobei der Oxidationskatalysator als Grundmaterial Titanoxid und/oder Siliziumoxid vorzugsweise stabilisiert durch Wolframoxid nutzt.
  8. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidationskatalysator (3) als Aktivkomponente Vanadium mit einem Anteil von mehr als 5%, bevorzugt vor mehr als 7%, besonders bevorzugt mehr als 9%, umfasst.
  9. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer abgasaufgeladenen Brennkraftmaschine der Oxidationskatalysator (3) stromaufwärts einer Turbine (5) eines Abgasturboladers positioniert ist, wobei der Abscheider (4) stromabwärts der Turbine (5) des Abgasturboladers positioniert ist.
  10. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des Oxidationskatalysator (5) eine Heizeinrichtung (6) angeordnet ist, die das Abgas auf eine Temperatur von mehr als 350°C, bevorzugt von mehr als 400°C, besonders bevorzugt von mehr als 450°C, erhitzt.
  11. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (7) zum Einbringen von gasförmigem NH3 in den Abgasstrom, die stromabwärts des Oxidationskatalysators (5) angeordnet ist.
  12. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das SO3/SOx-Verhältnis stromab des SO2-Oxidationskatalysators mindestens 0,4, bevorzugt mindestens 0,5, höchst bevorzugt mindestens 0,6 beträgt.
  13. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sulfatschicht des Granulats entfernt und dieses Granulat stromauf des Abscheiders und/oder in den Abscheider zurückgeführt wird.
  14. Verfahren zur Abgasnachbehandlung von eine Brennkraftmaschine verlassendem Abgas, wobei das Abgas über einen Oxidationskatalysator (3) zur Oxidation von SO2 in SO3 und anschließend über einen kalziumhaltiges Granulat aufweisenden Abscheider (4) zur Chemisorption von Schwefeloxiden geführt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass dasselbe mit Hilfe des Abgasnachbehandlungssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 13 durchgeführt wird.
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