DE102014005152A1

DE102014005152A1 - Abgasnachbehandlungssystem und Verfahren zur Abgasnachbehandlung

Info

Publication number: DE102014005152A1
Application number: DE102014005152.8A
Authority: DE
Inventors: Andreas Döring
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: Doering Andreas De
Priority date: 2014-04-08
Filing date: 2014-04-08
Publication date: 2015-10-08
Also published as: CN105003324B; FI20155248A; KR102271577B1; JP6530222B2; KR20150116791A; CN105003324A; JP2015200312A; FI128683B

Abstract

Abgasnachbehandlungssystem (2) für eine Brennkraftmaschine (1), mit einem stromabwärts einer Brennkraftmaschine (1) angeordneten Partikelabscheider (3) in Form eines granulathaltigen Wanderbettreaktors oder Fließbettreaktors zum Entfernen von Ruß- und Aschepartikeln aus dem Abgas, wobei im Partikelabscheider (3) zu reinigendes Abgas dem Partikelabscheider (3) über mindestsens eine Abgaszuleitung (4) zuführbar ist, wobei im Partikelabscheider (3) gereinigtes Abgas vom Partikelabscheider (3) über mindestsens eine Abgasableitung (5) abführbar ist, wobei Granulat dem Partikelabscheider (3) über mindestsens einen Granulataulauf (6) zuführbar ist, wobei Granulat vom Partikelabscheider (3) über mindestsens einen Granulatablauf (7) abführbar ist, wobei das Abgas im Partikelabscheider (3) das Granulat umströmt und hierbei Ruß- und Aschepartikel am Granulat anhaften und/oder am Granulat gebunden werden und/oder mit dem Granulat reagieren, und wobei das Granulat zusammen mit den Ruß- und Aschepartikeln und/oder den Reaktionsprodukten derselben von dem Partikelabscheider (3) über den oder jeden Granulatablauf (7) abführbar ist; und mit einer dem Partikelabscheider (3) zugeordneten Trenneinrichtung (8) zum Trennen von zusammen mit dem Granulat aus dem Partikelabscheider (3) ausgeschiedenen Ruß- und Aschepartikeln und/oder von Reaktionsprodukten derselben vom Granulat und zur zumindest teilweise Rückführung des von den Ruß- und Aschepartikeln und/oder von Reaktionsprodukten derselben getrennten Granulats in den Partikelabscheider (3) über mindestens einen der Granulatzuläufe (6).

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung.
Zur Minimierung der kohlenstoffhaltigen Feinstoffpartikel aus der Verbrennung werden üblicherweise sogenannte Partikelfilter eingesetzt. Eine typische Partikelfilteranordnung ist beispielsweise aus dem Dokument US 4415344 A bekannt. Bei derartigen Partikelfiltern wird das Filtermedium, das aus keramischen, metallischen oder faserigem Grundmaterial besteht, vom Abgas durchströmt. Die im Abgas enthaltenen Partikel werden im Filtermaterial angelagert und gelangen so nicht auf die Reingasseite des Filters. Die Filter müssen in periodischen Abständen abgereinigt oder getauscht werden, da sie sich mit steigender Laufzeit mit Asche aus dem verbrannten Motorenöl und Kraftstoff zusetzen. Für den Tausch muss die Anlage üblicherweise stillgelegt werden, was zu unerwünschten Ausfallzeiten, insbesondere wenn es sich um Anlagen in Kraftwerken oder Schiffen mit hohen jährlichen Laufzeiten- und Verfügbarkeitsanforderungen handelt, führt.
Aus der Praxis sind Abgasnachbehandlungssysteme von Brennkraftmaschinen bekannt, die einen Partikelfilter, mindestens eine in Strömungsrichtung des Abgases gesehen stromaufwärts des Partikelfilters und mindestens eine in Strömungsrichtung des Abgases gesehen stromabwärts des Partikelfilters angeordnete Abgasnachbehandlungsbaugruppe aufweisen. Bei einer in Strömungsrichtung gesehen stromaufwärts des Partikelfilters positionierten Abgasnachbehandlungsbaugruppe handelt es sich insbesondere um einen Oxidationskatalysator zur Oxidation von Stickstoffmonoxid (NO) in Stickstoffdioxid (NO₂). Bei einer in Strömungsrichtung gesehen stromabwärts des Partikelfilters positionierten Abgasnachbehandlungsbaugruppe kann es sich um einen Schalldämpfer handeln.
Dann, wenn in Strömungsrichtung des Abgasstroms gesehen stromaufwärts des Partikelfilters ein Oxidationskatalysator zur Oxidation von NO in NO₂ positioniert ist, wird im Oxidationskatalysator NO mit Hilfe des im Abgasstrom enthaltenen Restsauerstoffs O₂ zu NO₂ gemäß folgender Gleichung oxidiert: 2NO + O₂ ↔ 2NO₂
Bei dieser Oxidation von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid liegt bei hohen Temperaturen das Gleichgewicht der Oxidationsreaktion auf der Seite von Stickstoffmonoxid. Das hat zur Folge, dass bei hohen Temperaturen der erzielbare Anteil an Stickstoffdioxid stark begrenzt ist.
Im Partikelfilter wird das im Oxidationskatalysator gewonnene Stickstoffdioxid mit sich im Partikelfilter sammelnden kohlenstoffhaltigen Partikeln, sogenanntem Ruß, zu Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO₂), Stickstoff (N₂) und Stickstoffmonoxid (NO) umgesetzt. Hierbei erfolgt im Sinne einer passiven Regeneration des Partikelfilters eine kontinuierliche Entfernung der im Partikelfilter angelagerten, kohlenstoffhaltigen Feinstoffpartikel bzw. des Rußes, wobei diese Umsetzung nach folgenden Gleichungen erfolgt: 2NO₂ + C → 2NO + CO₂ NO₂ + C → NO + CO 2C + 2NO₂ → N₂ + 2CO₂
Dann, wenn mit einer solchen passiven Regeneration des Partikelfilters keine vollständige Umwandlung der im Partikelfilter eingelagerten, kohlenstoffhaltigen Feinstoffpartikel bzw. des Rußes erfolgen kann, steigt der Kohlenstoffanteil bzw. Rußanteil im Partikelfilter, wobei der Partikelfilter dann zur Verstopfung neigt, wodurch letztendlich ein sogenannter Abgasgegendruck an einer dem Abgasnachbehandlungssystem vorgelagerten Brennkraftmaschine steigt. Ein steigender Abgasgegendruck an der Brennkraftmaschine mindert die Leistung der Brennkraftmaschine und verursacht einen erhöhten Kraftstoffverbrauch.
Um einen Anstieg der kohlenstoffhaltigen Feinstoffpartikel bzw. des Rußes im Partikelfilter und damit ein Verblocken desselben zu vermeiden, ist es aus der Praxis bereits bekannt, Partikelfilter mit einer katalytischen Beschichtung zu versehen. Dabei kommen vorzugsweise platinhaltige Beschichtungen zum Einsatz. Die Verwendung solcher Partikelfilter mit katalytischer Beschichtung kann jedoch die Ladung des Partikelfilters mit kohlenstoffhaltigen Feinstoffpartikeln, also mit Ruß, nur in unzureichendem Maße verhindern.
Dann, wenn wie dies bei Schiffsdieselbrennkraftmaschinen typischerweise der Fall ist, die Brennkraftmaschine, in welcher das Abgasnachbehandlungssystem betrieben wird, mit stark schwefelhaltigem Kraftstoff wie zum Beispiel mit Schweröl betrieben wird, besteht das weitere Problem, dass es infolge des starken Anfalls an Asche ebenfalls zu einer Verstopfung eines Partikelfilters des Abgasnachbehandlungssystems kommen kann. Insbesondere bei mit Schweröl betriebenen Brennkraftmaschinen können durch die anfallende Asche Wartungsintervalle von Partikelfiltern so dramatisch verkürzt werden, dass ein sinnvoller Betrieb des Abgasnachbehandlungssystems nicht mehr möglich ist.
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 verfügt über einen stromabwärts einer Brennkraftmaschine angeordneten Partikelabscheider in Form eines granulathaltigen Wanderbettreaktors oder Fließbettreaktors zum Entfernen von Ruß- und Aschepartikeln aus dem Abgas, wobei im Partikelabscheider zu reinigendes Abgas dem Partikelabscheider über mindestsens eine Abgaszuleitung zuführbar ist, wobei im Partikelabscheider gereinigtes Abgas vom Partikelabscheider über mindestsens eine Abgasableitung abführbar ist, wobei Granulat dem Partikelabscheider über mindestsens einen Granulatzulauf zuführbar ist, wobei Granulat vom Partikelabscheider über mindestens einen Granulatablauf abführbar ist, wobei das Abgas im Partikelabscheider das Granulat umströmt und hierbei Ruß- und Aschepartikel am Granulat anhaften und/oder am Granulat gebunden werden und/oder mit dem Granulat reagieren, und wobei das Granulat zusammen mit den Ruß- und Aschepartikeln und/oder den Reaktionsprodukten derselben vom dem Partikelabscheider über den oder jeden Granulatablauf abführbar ist.
Ferner verfügt das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem über eine dem Partikelabscheider zugeordnete Trenneinrichtung zum Trennen von zusammen mit dem Granulat aus dem Partikelabscheider ausgeschiedenen Ruß- und Aschepartikeln und/oder von Reaktionsprodukten derselben vom Granulat und zur zumindest teilweise Rückführung des von den Ruß- und Aschepartikeln und/oder von Reaktionsprodukten derselben getrennten Granulats in den Partikelabscheider über mindestens einen der Granulatzuläufe.
Die Erfindung schlägt ein Abgasnachbehandlungssystem vor, das zumindest einen Partikelabscheider in Form eines granulathaltigen Wanderbettreaktors oder Fließbettreaktors sowie eine dem Partikelabscheider zugeordnete Trenneinrichtung umfasst. Im Partikelabscheider können Ruß- und Aschepartikel effektiv vom Abgas getrennt und über das Granulat abgeführt werden. In der Trenneinrichtung kann das Granulat von den Ruß- und Aschepartikeln und/oder von Reaktionsprodukten der Ruß- und Aschepartikel mit dem Granulat getrennt werden, um gereinigtes Granulat zumindest teilweise dem Partikelabscheider wieder zuzuführen. Damit ist eine effektive Abgasreinigung, nämlich Entfernung von Ruß- und Aschepartikeln aus dem Abgas der Brennkraftmaschine, möglich. Insbesondere bei mit Schweröl betriebenen Brennkraftmaschinen, die zum Beispiel auf Schiffen zum Einsatz kommen, kann eine effektive Entfernung von Ruß- und Aschepartikeln aus dem Abgas der Brennkraftmaschine realisiert werden.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Partikelabscheider als Wanderbettreaktor oder Fließbettreaktor im Kreuzstrom von Abgas und Granulat derart ausgebildet, dass das Abgas den Partikelabscheider in horizontaler Richtung durchströmt, dass das Granulat dem Partikelabscheider über den oder jeden Granulataulauf von oben zuführbar und über den oder jeden Granulatablauf von unten abführbar ist, und dass eine Wander- bzw. Fließrichtung des Granulats zwischen dem oder jedem Granulataulauf und dem oder jedem Granulatablauf in vertikaler Richtung kreuzend zur Strömungsrichtung des Abgases verläuft. Ein solcher Kreuzstrom-Partikelabscheider erlaubt eine besonders effektive Entfernung der Ruß- und Aschepartikel aus dem Abgas der Brennkraftmaschine.
Vorzugsweise ist der Partikelabscheider mehrstufig ausgeführt, wobei das Abgas die einzelnen Stufen des Partikelabscheiders nacheinander durchströmt, und wobei in den einzelnen Stufen die chemische Zusammensetzung des Granulats und/oder die Größe des Granulats und/oder die Wander- bzw. Fließgeschwindigkeit des Granulats und/oder die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases voneinander abweichen. Hiermit kann die Effektivität der Entfernung der Ruß- und Aschepartikel aus dem Abgas der Brennkraftmaschine weiter gesteigert werden.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Abgasnachbehandlungssystem einen stromaufwärts des Partikelabscheiders und stromabwärts der Brennkraftmaschine angeordneten Oxidationskatalysator zur Oxidation von SO₂ in SO₃, wobei das SO₃ und/oder ausgefallenes H₂SO₄ der Oxidation von Ruß unmittelbar im Partikelabscheider dient. Über den Oxidationskatalysator zur Oxidation von SO₂ in SO₃ kann die Oxidation des Rußes im Partikelabscheider verbessert werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist stromaufwärts des Partikelabscheiders und stromabwärts der Brennkraftmaschine ein Oxidationskatalysator zur Oxidation von NO in NO₂ angeordnet, wobei das NO₂ der Oxidation von Ruß im Partikelabscheider dient, und wobei der Oxidationskatalysator zur Oxidation von NO in NO₂ parallel zum Oxidationskatalysator zur Oxidation von SO₂ in SO₃ geschaltet und durch Absperrventile vom Abgasstrom absperrbar ist. Bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoff, der relativ stark schwefelhaltig ist, ist der Abgasstrom über den Oxidationskatalysator zur Oxidation von SO₂ in SO₃ führbar, wohingegen bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoff, der relativ schwach schwefelhaltig ist, der Abgasstrom über den Oxidationskatalysator zur Oxidation von NO in NO₂ führbar ist. Diese Ausgestaltung ist von Vorteil, wenn Brennkraftmaschinen mit unterschiedlichen Kraftstofftypen betrieben werden. Dies ist bei Marinemotoren der Fall.
Bei einer abgasaufgeladenen Brennkraftmaschine ist der Oxidationskatalysator zur Oxidation von SO₂ in SO₃ stromaufwärts einer Turbine eines Abgasturboladers positioniert, wobei der Partikelabscheider stromabwärts der Turbine 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 weist das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem einen stromabwärts der Trenneinrichtung angeordneten Reaktor auf, dem zur Oxidation von Ruß einerseits ein Oxidationsmittel und andererseits die in der Trenneinrichtung vom Granulat getrennten Ruß- und Aschepartikel zuführbar sind. Stromabwärts der Trenneinrichtung kann so die vom Granulat getrennte Asche effektiv vom Ruß befreit werden. Der Reaktor kann in einer weiteren Ausführungsform auch zwischen dem Partikelabscheider und der Trennvorrichtung angeordnet sein, so dass kohlenstoffhaltiger Russ bereits vor dem Eintritt in die Trennvorrichtung oxidiert werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Abgasnachbehandlung ist in Anspruch 14 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 Detail der 1;
3: ein Blockschaltbild eines zweiten erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems;
4: ein Blockschaltbild eines dritten erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems;
5: ein Blockschaltbild eines vierten erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems; und
6: ein Blockschaltbild eines fünften erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine, vorzugsweise für eine auf einem Schiff zum Einsatz kommende Brennkraftmaschine, die mit stark schwefelhaltigem Kraftstoff wie z. B. mit Schweröl betrieben wird.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines stromabwärts einer Brennkraftmaschine 1 positionierten Abgasnachbehandlungssystems 2. Das Abgasnachbehandlungssystem 2 der 1 umfasst einen stromabwärts der Brennkraftmaschine 1 positionierten Partikelabscheider 3. Bei dem Partikelabscheider 3 handelt es sich um einen granulathaltigen Wanderbettreaktor oder Fließbettreaktor, der dem Entfernen von Ruß- und Aschepartikeln aus dem Abgas der Brennkraftmaschine 1 dient.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass sowohl in Strömungsrichtung des Abgases gesehen stromaufwärts des Partikelabscheiders 3 als auch in Strömungsrichtung des Abgases gesehen stromabwärts des Partikelabscheiders 3 jeweils mindestens eine weitere Abgasnachbehandlungskomponente des Abgasnachbehandlungssystems positioniert sein kann.
Dem Partikelabscheider 3 ist im Partikelabscheider 3 zu reinigendes Abgas über mindestens eine Abgaszuleitung 4 zuführbar. Im Partikelabscheider 3 gereinigtes Abgas ist über mindestens eine Abgasableitung 5 vom Partikelabscheider 3 abführbar. Im Partikelabscheider 3 benötigtes Granulat ist dem Partikelabscheider 3 über mindestens einen Granulatzulauf 6 zuführbar, wobei Granulat vom Partikelabscheider 3 über mindestens einen Granulatablauf 7 abführbar ist.
Im Partikelabscheider 3 umströmt das Abgas das Granulat, wobei hierbei Ruß- und Aschepartikel des Abgases am Granulat anhaften und/oder am Granulat gebunden werden und/oder mit dem Granulat reagieren, wobei das Granulat zusammen mit den Ruß- und Aschepartikeln und/oder den Reaktionsprodukten derselben von dem Partikelabscheider 3 über den oder jeden Granulatablauf 7 abführbar ist.
Dem Partikelabscheider 3 ist eine Trenneinrichtung 8 zugeordnet. Der Trenneinrichtung 8 ist das vom Partikelabscheider 3 über den oder jeden Granulatablauf 7 abgeführte Granulat zusammen mit den Ruß- und Aschepartikeln und/oder den Reaktionsprodukten derselben zuführbar, wobei die Trenneinrichtung 8 die Ruß- und Aschepartikel und/oder die Reaktionsprodukte derselben vom Granulat trennt. Ruß- und Aschepartikel und/oder Reaktionsprodukte derselben sind nach der Trennung vom Granulat im Sinne des Pfeils 9 von der Trenneinrichtung 8 abführbar, wobei gereinigtes Granulat im Sinne des Pfeils 10 zumindest teilweise in den Partikelabscheider 3 über mindestens einen Granulatzulauf 6 rückführbar ist.
2 zeigt Details des Partikelabscheiders 3, wobei der in 2 schematisiert gezeigte Partikelabscheider 3 mehrstufig ausgeführt ist. In dem Partikelabscheider 3 zu reinigendes Abgas, welches den Partikelabscheider 3 der 2 über die Abgaszuleitung 4 zuführbar ist, durchströmt zunächst eine erste Stufe 11 und im Anschluss hieran eine zweite Stufe 12 des Partikelabscheiders 3, um anschließend über die Abgasableitung 5 vom Partikelabscheider 3 abgeführt zu werden. Beide Stufen 11 und 12 des Partikelabscheiders 3 sind jeweils als Wanderbettreaktoren oder Fließbettreaktoren ausgeführt, wobei jeder dieser beiden Stufen 11, 12 das in der jeweiligen Stufe 11, 12 benötigte Granulat 13 bzw. 14 über einen Granulatzulauf 6 zuführbar und das jeweilige Granulat 13, 14 von der jeweiligen Stufe 11, 12 über einen Granulatablauf 7 abführbar ist.
Dann, wenn wie in 2 gezeigt, der Partikelabscheider 3 mehrstufig ausgeführt ist, weicht vorzugsweise in den einzelnen Stufen 11, 12 des Partikelabscheiders 3 die chemische Zusammensetzung des Granulats 13, 14 und/oder die Größe des Granulats 13, 14 und/oder die Wander- bzw. Fließgeschwindigkeit des Granulats 13, 14 und/oder die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases voneinander ab.
So ist es zum Beispiel möglich, in den einzelnen Stufen 11, 12 Granulat mit identischer chemischer Zusammensetzung jedoch unterschiedlicher Korngröße und unterschiedlicher Wander- bzw. Fließgeschwindigkeit einzusetzen. Ferner ist es zum Beispiel möglich, in den einzelnen Stufen 11, 12 Granulat 13, 14 mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung zu verwenden, nämlich einerseits katalytisch aktives und anderseits katalytisch inaktives Granulat. Auch dann, wenn in den einzelnen Stufen 11, 12 Granulat 13, 14 verwendet wird, welches sich hinsichtlich seiner chemischen Zusammensetzung unterscheidet, kann die Größe des Granulats und/oder die Wander- bzw. Fließgeschwindigkeit desselben in den einzelnen Stufen 11, 13 voneinander abweichen.
Bei dem Partikelabscheider 3, der als Wanderbettreaktor oder Fließbettreaktor ausgeführt ist, handelt es sich vorzugsweise um einen Partikelabscheider 3 im Kreuzstrom von Abgas und Granulat.
So kann insbesondere 2 entnommen werden, dass das Abgas den Partikelabscheider 3 in horizontaler Richtung durchströmt, wohingegen das Granulat 13 bzw. 14 der einzelnen Stufen 11, 12 der jeweiligen Stufe 11, 12 von oben zuführbar und von den jeweiligen Stufen 11, 12 von unten abführbar ist, und wobei die Wander- bzw. Fließrichtung des jeweiligen Granulats 13, 14 in vertikaler Richtung von oben nach unten kreuzend zur Strömungsrichtung 24 des Abgases verläuft. Hiermit ist eine besonders effektive Entfernung von Ruß- und Aschepartikeln im Partikelabscheider 3 möglich.
Wie bereits oben erwähnt, kann als Granulat 13, 14 im Partikelabscheider 3 katalytisch inaktives Granulat genutzt werden. Hierbei kommt insbesondere Granulat aus Cordierit, Granit, Korund, Siliziumcarbid, Aluminiumoxid oder aus metallischen Werkstoffen zum Einsatz. Durch eine Umlenkung der Ruß- und Aschepartikel in den Stufen 11, 12 des Partikelabscheiders 3 werden die Ruß- und Aschepartikel durch Impaktion und/oder Diffusion und/oder Interzeption am Granulat abgeschieden.
3 zeigt eine Weiterbildung des Abgasnachbehandlungssystems 2 der 1, bei welchem stromabwärts der Trenneinrichtung 8 ein Reaktor 15 positioniert ist. Dem Reaktor 15 sind im Sinne des Pfeils 9 einerseits ausgehend von der Trenneinrichtung 8 Ruß- und Aschepartikel zuführbar, ebenso im Sinne eines Pfeils 16 ein Oxidationsmittel. Im Reaktor 15 werden die Rußpartikel oxidiert, um so die Asche vom Ruß zu befreien. Von Ruß befreite Asche kann im Sinne des Pfeils 17 vom Oxidationskatalysator 15 abgeführt werden. Bei der Oxidation des Rußes entstehendes CO₂ wird im Sinne des Pfeils 18 vom Reaktor 15 abgeführt.
Als Oxidationsmittel im Reaktor 15 kann vorzugsweise H₂SO₄ und/oder HNO₃ und/oder NO₂ und/oder SO₃ und/oder SO₂ benutzt werden. Dann, wenn NO₂ und/oder SO₃ vom Reaktor 15 als Oxidationsmittel genutzt werden, können diese Oxidationsmittel durch Oxidation von im Abgas enthaltenem NO und/oder SO₂ an einem Katalysator 24 generiert werden. H₂SO₄ und HNO₃ können durch anschließende Kondensation gewonnen werden. H₂SO₄ (Schwefelsäure) kann insbesondere bei Temperaturen unterhalb von 250°C Ruß effektiv oxidieren. Die Kondensation kann in einem separaten Kondensator 25 und/oder im Reaktor 15 erfolgen.
Die Oxidation des Rußes im Oxidationskatalysator 15 mit Hilfe von SO₃ als Oxidationsmittel erfolgt dabei nach folgenden Reaktionsgleichungen: 2SO₃ + C → CO₂ + 2SO₂ SO₃ + C → CO + SO₂
Um die Oxidation des Rußes im Oxidationskatalysator 15 zu beschleunigen, kann dem Oxidationskatalysator 15 eine Heizeinrichtung vorgelagert sein, um die Ruß- und Aschepartikel, die dem Oxidationskatalysator 15 zugeführt werden, auf eine definierte Prozesstemperatur zu erhitzen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines einer Brennkraftmaschine 1 zugeordneten Abgasnachbehandlungssystems 2 zeigt 4, wobei sich das Ausführungsbeispiel der 4 vom Ausführungsbeispiel der 1 dadurch unterscheidet, dass stromaufwärts des Partikelabscheiders 3 und stromabwärts der Brennkraftmaschine 1 ein Oxidationskatalysator 19 zur Oxidation von SO₂ in SO₃ vorgesehen ist. Im Oxidationskatalysator 19 erfolgt die Oxidation von SO₂ in SO₃ nach folgender Reaktionsgleichung: 2SO₂ + O₂ ↔ 2SO₃
Im Oxidationskatalysator 3 wird das im Abgas der Brennkraftmaschine 1 enthaltene SO₂ in SO₃ oxidiert, wobei das hierbei gewonnene SO₃ der Oxidation von Ruß unmittelbar im Partikelabscheider 3 dient. Die Oxidation des Rußes im Partikelabscheider 3 mit Hilfe des im Oxidationskatalysator 19 gebildeten SO₃ erfolgt dabei wiederum nach folgenden Reaktionsgleichungen: 2SO₃ + C → CO₂ + 2SO₂ SO₃ + C → CO + SO₂
Sollte sich das Abgas unterhalb des Schwefelsäuretaupunkts abkühlen, so kommt es zum Ausfall von H₂SO₄ (Schwefelsäure), nach folgender Reaktionsgleichung: SO₃ + H₂O → H₂SO₄ wobei H₂SO₄ ebenfalls zur Oxidation von Ruß im Partikelabscheider 3 genutzt werden kann. Dabei kann Schwefelsäure insbesondere bei Abgastemperaturen unterhalb von 250°C Ruß effektiv oxidieren.
Der Oxidationskatalysator 19 nutzt als Aktivkomponente zur Oxidation von SO₂ in SO₃ Vanadium (V) und/oder Kalium (K) und/oder Natrium (Na) und/oder Eisen (Fe) und/oder Cer (Ce) und/oder Cäsium (Cs) und/oder Oxide dieser Elemente, wobei der Oxidationskatalysator 19 als Grundmaterial Titanoxid TiO₂ und/oder Siliziumoxid SiO₂ vorzugsweise stabilisiert durch Wolframoxid WO₃ nutzt. Der Anteil an Vanadium im Oxidationskatalysator 19, welches als Aktivkomponente zur Oxidation von SO₂ in SO₃ liegt, beträgt mehr als 5%, vorzugsweise mehr als 7%, besonders bevorzugt mehr als 9%. Ebenfalls ist es möglich, Vanadium in das Abgas einzubringen und/oder vadiumhaltigen Kraftstoff zum Betrieb der Brennkraftmaschine zu nutzen. Der Vanadiumanteil beträgt mindestens 20 mg/kg, bevorzugt 50 mg/kg, höchst bevorzugt 75 mg/kg. Die Umsetzung von SO₂ in SO₃ im Oxidationskatalysator 19 erfolgt derart, dass stromabwärts des Oxidationskatalysators 3 im Bereich des Partikelabscheiders 3 ein Massenverhältnis zwischen SO₃ und Ruß von mindestens 7:1, bevorzugt von mindestens 12:1, besonders bevorzugt von mindestens 16:1, vorliegt.
5 zeigt eine Weiterbildung des Abgasnachbehandlungssystems 2 der 4, wobei es sich bei der Brennkraftmaschine der 5 um eine abgasaufgeladene Brennkraftmaschine handelt, bei welcher also Abgas in einer Turbine 20 eines Abgasturboladers entspannt wird, um mechanische Energie zu gewinnen, die dann dem Antreiben eines nicht gezeigten Verdichters des Abgasturboladers dient, um im Verdichter des Abgasturboladers der Brennkraftmaschine 1 zuzuführende Ladeluft zu verdichten. Dann, wenn, wie in 5 gezeigt, das Abgasnachbehandlungssystem 2 demnach eine Turbine 20 umfasst, ist der Oxidationskatalysator 19 stromaufwärts der Turbine 20 und der Partikelabscheider 3 stromabwärts der Turbine 20 positioniert. Die hohen Drücke und Temperaturen stromaufwärts der Turbine 20 eines Abgasturboladers begünstigen die Oxidation von SO₂ in SO₃ im Oxidationskatalysator 19.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Abgasnachbehandlungssystems 2 der 4 zeigt 6, wobei die Variante der 6 insbesondere bei solchen Brennkraftmaschinen 1 genutzt wird, die sowohl mit Kraftstoff, der einen relativ hohen Schwefelgehalt aufweist, als auch mit Kraftstoff, der einen relativ geringen Schwefelgehalt aufweist, betrieben werden. So zeigt 6 ein Abgasnachbehandlungssystem 2, welches wiederum einen stromabwärts der Brennkraftmaschine 1 angeordneten Oxidationskatalysator 19 zur Oxidation von SO₂ in SO₃ und einen stromabwärts dieses Oxidationskatalysators 19 angeordneten Partikelabscheider 3 umfasst, wobei jedoch das Abgasnachbehandlungssystem 2 der 6 zusätzlich einen Oxidationskatalysator 21 zur Oxidation von NO in NO₂ umfasst. Das im Oxidationskatalysator 21 gewonnene NO₂ dient ebenfalls der Oxidation von Ruß im Partikelabscheider 3. In 6 ist der Oxidationskatalysator 21 zur Oxidation von NO in NO₂ parallel zum Oxidationskatalysator 19 zur Oxidation von SO₂ in SO₃ geschaltet, wobei das Abgas der Brennkraftmaschine abhängig von der Öffnungsstellung von Absperrventilen 22, 23 entweder über den Oxidationskatalysator 19 oder über den Oxidationskatalysator 21 geführt wird.
Dann, wenn die Brennkraftmaschine 1 mit einem Kraftstoff betrieben wird, der relativ stark schwefelhaltig ist, sind die Absperrventile 22 geöffnet und die Absperrventile 23 geschlossen, sodass dann der Abgasstrom der Brennkraftmaschine 1 über den Oxidationskatalysator 19 zur Oxidation von SO₂ in SO₃ geführt wird und der Oxidationskatalysator 21 zur Oxidation von NO in NO₂ vom Abgasstrom getrennt ist. Wird hingegen die Brennkraftmaschine 1 der 6 mit Kraftstoff betrieben, der relativ schwach schwefelhaltig ist, sind die Absperrventile 23 geöffnet und die Absperrventile 22 geschlossen, sodass das Abgas über den Oxidationskatalysator 21 zur Oxidation von NO in NO₂ geführt wird, wobei der Oxidationskatalysator 19 zur Oxidation von SO₂ in SO₃ vom Abgasstrom abgetrennt bzw. abgesperrt ist. Die Variante der 6 eignet sich insbesondere zum Einsatz bei Marinemotoren, die einerseits mit stark schwefelhaltigem Kraftstoff und andererseits mit schwach schwefelhaltigem Kraftstoff betrieben werden.
Dann, wenn bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine 1 mit stark schwefelhaltigem Kraftstoff die Absperrventile 23 geschlossen sind, wird der Oxidationskatalysator 21, welcher der Oxidation von NO in NO₂ dient, schwefelfrei gehalten.
Eine Alternative hierzu besteht darin, auf die Absperrventile zu verzichten und den Oxidationskatalysator 21 nach einem Betrieb mit stark schwefelhaltigem Kraftstoff dadurch einsatzfähig zu machen, dass die Abgastemperatur angehoben wird und damit im Oxidationskatalysator 21 Schwefel desorbiert wird. Die Variante mit den Absperrventilen 22, 23 ist jedoch bevorzugt, da dann nach einem Betrieb der Brennkraftmaschine 1 mit schwefelhaltigem Kraftstoff der Oxidationskatalysator 21 anschließend sofort einsatzbereit ist.
In den obigen Ausführungsbeispielen durchströmt das Abgas den Partikelabscheider 3 kontinuierlich, wobei das Granulat dem Partikelabscheider 3 kontinuierlich oder periodisch zuführbar sowie von demselben kontinuierlich oder periodisch abführbar ist.
Bei der Trenneinrichtung 8 der obigen Ausführungsbeispiele kann es sich zum Beispiel um einen Trommelschaler, eine Trommelsiebe, eine Rüttelsiebe, eine Mühle oder um eine Wacheinrichtung handeln, die Wasser als Wachmedium zur Reinigung des Granulats nutzt.
Wie bereits oben erwähnt, kann als Granulat 13, 14 im Partikelabscheider 3 auch katalytisch aktives Granulat genutzt werden. In diesem Fall können Bestandteile des Abgases mit dem Granulat im Partikelabscheider 3 reagieren, wobei dann als Trenneinrichtung 8 vorzugsweise ein Trommelschaler genutzt wird, um eine Schale des Granulats, in welcher das Granulat mit Bestandteilen des Abgases reagiert hat, von einem noch nicht mit den Bestandteilen des Abgases reagierten Kern des Granulats zu trennen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Abgasnachbehandlung von eine Brennkraftmaschine verlassendem Abgas wird ein Abgasstrom über den Partikelabscheider 3 geführt wird, wobei zusammen mit dem Granulat aus dem Partikelabscheider 3 ausgetragene Ruß- und Aschepartikeln und/oder Reaktionsprodukte derselben in der Trenneinrichtung 8 vom Granulat getrennt werden, und wobei das von den Ruß- und Aschepartikeln und/oder von Reaktionsprodukten derselben getrennte Granulat in den Partikelabscheider 3 zumindest teilweise zurückgeführt wird. Weitere Details des Verfahrens zur Abgasnachbehandlung ergeben sich aus der obigen Beschreibung der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssysteme der 1 bis 6.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: Abgasnachbehandlungssystem
3: Partikelabscheider
4: Abgaszuleitung
5: Abgasableitung
6: Granulatzulauf
7: Granulatablauf
8: Trenneinrichtung
9: Asche- und Rußpartikel
10: gereinigtes Granulat
11: Stufe
12: Stufe
13: Granulat
14: Granulat
15: Oxidationskatalysator
16: Oxidationsmittel
17: Asche
18: Kohlendioxid
19: Oxidationskatalysator
20: Turbine
21: Oxidationskatalysator
22: Absperrventil
23: Absperrventil
24: Abgaströmung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 4415344 A [0002]

Claims

Abgasnachbehandlungssystem (2) für eine Brennkraftmaschine (1), mit einem stromabwärts einer Brennkraftmaschine (1) angeordneten Partikelabscheider (3) in Form eines granulathaltigen Wanderbettreaktors oder Fließbettreaktors zum Entfernen von Ruß- und Aschepartikeln aus dem Abgas, wobei im Partikelabscheider (3) zu reinigendes Abgas dem Partikelabscheider (3) über mindestsens eine Abgaszuleitung (4) zuführbar ist, wobei im Partikelabscheider (3) gereinigtes Abgas vom Partikelabscheider (3) über mindestsens eine Abgasableitung (5) abführbar ist, wobei Granulat (13, 14) dem Partikelabscheider (3) über mindestsens einen Granulatzulauf (6) zuführbar ist, wobei Granulat (13, 14) vom Partikelabscheider (3) über mindestsens einen Granulatablauf (7) abführbar ist, wobei das Abgas im Partikelabscheider (3) das Granulat (13, 14) umströmt und hierbei Ruß- und Aschepartikel am Granulat (13, 14) anhaften und/oder am Granulat (13, 14) gebunden werden und/oder mit dem Granulat (13, 14) reagieren, und wobei das Granulat (13, 14) zusammen mit den Ruß- und Aschepartikeln und/oder den Reaktionsprodukten derselben von dem Partikelabscheider (3) über den oder jeden Granulatablauf (7) abführbar ist; einer dem Partikelabscheider (3) zugeordneten Trenneinrichtung (8) zum Trennen von zusammen mit dem Granulat (13, 14) aus dem Partikelabscheider (3) ausgeschiedenen Ruß- und Aschepartikeln und/oder von Reaktionsprodukten derselben vom Granulat (13, 14) und zur zumindest teilweise Rückführung des von den Ruß- und Aschepartikeln und/oder von Reaktionsprodukten derselben getrennten Granulats in den Partikelabscheider (3) über mindestens einen der Granulatzuläufe (6).
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat aus Cordierit, Granit, Korund, Siliziumcarbid, Aluminiumoxid oder aus metallischen Werkstoffen besteht.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas den Partikelabscheider (3) kontinuierlich durchströmt, und dass das Granulat dem Partikelabscheider (3) kontinuierlich oder periodisch zuführbar sowie von demselben kontinuierlich oder periodisch abführbar ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelabscheider (3) als Wanderbettreaktor oder Fließbettreaktor im Kreuzstrom von Abgas und Granulat (13, 14) derart ausgebildet ist, dass das Abgas den Partikelabscheider (3) in horizontaler Richtung durchströmt, und dass eine Wander- bzw. Fließrichtung des Granulats in vertikaler Richtung kreuzend zur Strömungsrichtung des Abgases verläuft.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat (13, 14) dem Partikelabscheider (3) über den oder jeden Granulatzulauf (6) von oben zuführbar und über den oder jeden Granulatablauf (7) von unten abführbar ist, sodass die Wander- bzw. Fließrichtung des Granulats (13, 14) zwischen dem oder jedem Granulatzulauf (6) und dem oder jedem Granulatablauf (7) in vertikaler Richtung von oben nach unten verläuft.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelabscheider (3) mehrstufig ausgeführt ist, wobei das Abgas die einzelnen Stufen (11, 12) des Partikelabscheiders (3) nacheinander durchströmt, wobei in den einzelnen Stufen (11, 12) die chemische Zusammensetzung des Granulats (13, 14) und/oder die Größe des Granulats (13, 14) und/oder die Wander- bzw. Fließgeschwindigkeit des Granulats (13, 14) und/oder die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases voneinander abweichen.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat (13, 14) mindestens einer Stufe (11, 12) des Partikelabscheiders (3) katalytisch aktiv ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat (13, 14) mindestens einer Stufe (11, 12) des Partikelabscheiders (3) katalytisch inaktiv.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen stromaufwärts des Partikelabscheiders (3) und stromabwärts der Brennkraftmaschine (1) angeordneten Oxidationskatalysator (19) zur Oxidation von SO₂ in SO₃, wobei das SO₃ und/oder ausgefallenes H₂SO₄ der Oxidation von Ruß unmittelbar im Partikelabscheider (3) dient.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidationskatalysator (19) 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.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidationskatalysator (19) als Aktivkomponente Vanadium mit einem Anteil von mehr als 5%, bevorzugt vor mehr als 7%, besonders bevorzugt mehr als 9%, umfasst.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Oxidationskatalysators (19) im Bereich des Partikelabscheiders (3) ein Massenverhältnis zwischen SO₃ und Ruß mindestens 7:1, bevorzugt mindestens 12:1, besonders bevorzugt mindestens 16:1, beträgt.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des Partikelabscheiders (3) und stromabwärts der Brennkraftmaschine (1) ein Oxidationskatalysator (21) zur Oxidation von NO in NO₂ angeordnet ist, wobei das NO₂ der Oxidation von Ruß im Partikelabscheider (3) dient, wobei der Oxidationskatalysator (21) zur Oxidation von NO in NO₂ parallel zum Oxidationskatalysator (19) zur Oxidation von SO₂ in SO₃ geschaltet und durch Absperrventile (23) vom Abgasstrom absperrbar ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch einen stromabwärts der Trenneinrichtung (8) angeordneten Reaktor (15), dem zur Oxidation von Ruß einerseits ein Oxidationsmittel und andererseits die in der Trenneinrichtung (8) vom Granulat getrennten Ruß- und Aschepartikel zuführbar sind.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung von eine Brennkraftmaschine verlassendem Abgas, wobei ein Abgasstrom über einen Partikelabscheider in Form eines granulathaltigen Wanderbettreaktors oder Fließbettreaktors geführt wird, und wobei zusammen mit dem Granulat aus dem Partikelabscheider ausgetragene Ruß- und Aschepartikeln und/oder Reaktionsprodukten derselben in einer Trenneinrichtung vom Granulat getrennt werden, und wobei das von den Ruß- und Aschepartikeln und/oder von Reaktionsprodukten derselben getrennte Granulat in den Partikelabscheider zumindest teilweise zurückgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass dasselbe mit Hilfe des Abgasnachbehandlungssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 14 durchgeführt wird.