DE102014005418A1 - 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 (3) zur Chemisorption von Schwefeloxiden, mit einem Gas-Gas-Wärmeaustauscher (4), über den einerseits über den Abscheider (3) geführtes Abgas und andererseits die Brennkraftmaschine (1) verlassendes Abgas zur Temperaturanhebung des die Brennkraftmaschine (1) verlassenden Abgases führbar ist, und mit einer stromabwärts des Gas-Gas-Wärmeaustauschers (4) und stromaufwärts des Abscheiders (3) angeordneten Heizeinrichtung (5) zur weiteren Temperaturanhebung des über den Gas-Gas-Wärmeaustauscher (4) geführten Abgases.

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) oder Kalkhydrat (Ca(OH)2) oder Kalziumkarbonat (CaCO3) nutzen. Hierbei wird Staub oder Granulat 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.
  • 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. Ferner umfasst das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem einen Gas-Gas-Wärmeaustauscher, über den einerseits über den Abscheider geführtes Abgas und andererseits die Brennkraftmaschine verlassendes Abgas zur Temperaturanhebung des die Brennkraftmaschine verlassenden Abgases führbar ist. Ferner umfasst das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem eine stromabwärts des Gas-Gas-Wärmeaustauschers und stromaufwärts des Abscheiders angeordnete Heizeinrichtung zur weiteren Temperaturanhebung des über den Gas-Gas-Wärmeaustauscher geführten Abgases.
  • Durch den Einsatz des Abscheiders ist es möglich, auf eine Filtereinrichtung zur Entfernung von Kalziumsulfat-Staub oder Granulat aus dem Abgas zu verzichten. Die Schwefeloxide reagieren mit dem kalziumhaltigen Granulat des Abscheiders und können über das Granulat ausgetragen werden. Der Gas-Gas-Wärmeaustauscher und die stromabwärts der Gas-Gas-Wärmeaustauschers angeordnete Heizeinrichtung erlauben eine Temperierung des über den Abscheider zu führenden Abgases auf eine zur Entschwefelung des Abgases im Abscheider optimale Temperatur, wobei in Folge der Temperierung des Abgases im Gas-Gas-Wärmeaustauschers die Leitung der Heizeinrichtung reduziert werden kann. Durch die Temperierung des über den Abscheider zu führenden Abgases auf eine zur Entschwefelung des Abgases im Abscheider optimale Temperatur wird eine kurze Reaktionszeit zur Entschwefelung des Abgases im Abscheider gewährleistet. Weiterhin wird hierdurch gewährleistet, dass zur Entschwefelung des Abgases im Abscheider relativ wenig kalziumhaltiges Granulat benötigt wird.
  • Vorzugsweise erhitzt der Gas-Gas-Wärmeaustauscher das die Brennkraftmaschine verlassende Abgas auf eine Temperatur zwischen 330°C und 350°C, bevorzugt auf eine Temperatur zwischen 340°C und 350°C. Die Heizeinrichtung erhitzt das Abgas auf eine Temperatur zwischen 375°C und 450°C, bevorzugt zwischen 400°C und 450°C, besonders bevorzugt zwischen 360°C und 420°C. Diese Temperierung des Abgases ist effizient und im Hinblick auf die Entschwefelung des Abgases im Abscheider besonders vorteilhaft.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung ist stromabwärts der Heizeinrichtung und stromaufwärts des Abscheiders ein Oxidationskatalysator zur Oxidation von SO2 in SO3 positioniert, über den das in der Heizeinrichtung erhitze Abgas stromaufwärts des Abscheiders leitbar ist. Der Einsatz des Oxidationskatalysators zur Oxidation von SO2 in SO3 ermöglicht eine noch kürzere Verweilzeit des Abgases im Abscheider, da das SO3 mit dem kalziumhaltigen Granulat des Abscheiders schneller reagiert als das SO2. Dies ermöglicht eine besonders effektive Entschwefelung von Abgas.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist stromabwärts der Heizeinrichtung und stromaufwärts des Abscheiders eine Einrichtung positioniert, über die in das in der Heizeinrichtung erhitze Abgas stromaufwärts des Abscheiders kalziumhaltiges und/oder natriumhaltiges Pulver einbringbar ist. Hiermit ist eine besonderes effektive Entschwefelung des Abgases ermöglicht. Bei der Entschwefelung entstehendes Kalziumsulfat-Pulver und/oder Natriumsulfat-Pulver oder sulfathaltiges Granulat kann mit Hilfe des Abscheiders effektiv vom Abgas getrennt werden. Dann, wenn zusätzlich zu der Einrichtung, über die in das in der Heizeinrichtung erhitze Abgas stromaufwärts des Abscheiders kalziumhaltiges und/oder natriumhaltiges Pulver oder Granulat einbringbar ist, auch ein Oxidationskatalysator stromabwärts der Heizeinrichtung und stromaufwärts des Abscheiders positioniert ist, ist die Einrichtung, über die kalziumhaltiges und/oder natriumhaltiges Pulver oder Granulat in das Abgas einbringbar ist, stromabwärts des Oxidationskatalysator zur Oxidation von SO2 in SO3 und stromaufwärts des Abscheiders positioniert.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Abgasnachbehandlungssystem einen SCR-Katalysator, der entweder stromabwärts des Abscheiders und stromaufwärts des Gas-Gas-Wärmeaustauschers positioniert ist, oder der alternativ stromabwärts des Gas-Gas-Wärmeaustauschers positioniert ist. Im SCR-Katalysator erfolgt eine Entstickung des Abgases und damit eine weitere Reduzierung der Abgasemissionen.
  • 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;
  • 4: ein Blockschaltbild eines vierten erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems; und
  • 5: ein Blockschaltbild eines weiteren erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems.
  • Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine, so zum Beispiel für eine stationäre Brennkraftmaschine in einem Kraftwerk oder für eine nicht-stationäre Brennkraftmaschine eines Schiffs.
  • 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 Abscheider 3 mit kalziumhaltigem bzw. kalkbasiertem Granulat umfasst, welches der Chemiesorption von Schwefeloxiden im Abscheider 3 dient. Bei dem Abscheider 3 kann es sich um einen sogenannten Schüttschichtreaktor oder auch um einen sogenannten Wanderbettreaktor oder Fließbettreaktor handeln.
  • Das im Abscheider 3 zur Chemiesorption von Schwefeloxiden verwendete Granulat umfasst vorzugsweise CaO und/oder Ca(OH)2 und/oder CaCO3. Dabei reagieren die Schwefeloxide des Abgases 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
  • Abgas, welches über den Abscheider 3 geführt wurde, ist über einen Gas-Gas-Wärmeaustauscher 4 des Abgasnachbehandlungssystems 2 führbar, ebenso wie die Brennkraftmaschine 1 verlassendes Abgas, welches noch über den Abscheider 3 geführt werden muss. Bei der Chemiesorption der Schwefeloxide im Abscheider 3 entsteht infolge einer exothermen Reaktion Wärme, sodass das über den Abscheider 3 bereits geführte Abgas eine höhere Temperatur aufweist als das die Brennkraftmaschine 1 verlassende Abgas, sodass im Gas-Gas-Wärmeaustauscher 4 das die Brennkraftmaschine 1 verlassende Abgas, welches noch über den Abscheider 3 geführt werden muss, durch das Abgas, welches bereits über den Abscheider 3 geführt wurde, erhitzt werden kann. Stromabwärts des Gas-Gas-Wärmeaustauschers 4 und stromaufwärts des Abscheiders 3 ist eine Heizeinrichtung 5 des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 2 positioniert, wobei die Heizeinrichtung 5 der weiteren Temperaturanhebung des über den Gas-Gas-Wärmeaustauschers 4 geführten und in demselben bereits erhitzten Abgases dient.
  • Die Erhitzung des die Brennkraftmaschine 1 verlassenden Abgases stromaufwärts des Abscheiders 3 erfolgt demnach zweistufig, einerseits im Gas-Gas-Wärmeaustauscher 4 und stromabwärts des Gas-Gas-Wärmeaustauscher 4 in der Heizeinrichtung 5. Im Gas-Gas-Wärmeaustauscher 4 wird die erhöhte Temperatur des bereits über den Abscheider 3 geführten Abgases genutzt, um das die Brennkraftmaschine 1 verlassende Abgas zu erhitzen. Das die Brennkraftmaschine 1 verlassende Abgas verfügt typischerweise über eine Temperatur von weniger als 320°C. Über den Gas-Gas-Wärmeaustauscher 4 ist das die Brennkraftmaschine 1 verlassende Abgas auf eine Temperatur zwischen 330°C und 350°C, bevorzugt auf eine Temperatur zwischen 340°C und 350°C, erhitzbar. Über die stromabwärts des Gas-Gas-Wärmeaustauschers 4 positionierte Heizeinrichtung 5 erfolgt ausgehend von diesem Temperaturniveau eine weitere Erhitzung und damit Temperaturanhebung des Abgases stromaufwärts des Abscheiders 3, wobei die Heizeinrichtung 5 das Abgas auf eine Temperatur zwischen 375°C und 450°C, bevorzugt auf eine Temperatur zwischen 400°C und 450°C, erhitzt.
  • Durch die obige Temperierung des Abgases stromaufwärts des Abscheiders 3, in welchem zur Chemiesorption von Schwefeloxiden die Schwefeloxide des Abgases mit dem kalziumhaltigen Granulat des Abscheiders 3 reagieren, können die Schwefeloxide des Abgases bei einer optimalen Prozesstemperatur mit dem kalziumhaltigen Granulat des Abscheiders 3 reagieren, sodass eine kurze Verweilzeit des Abgases im Abscheider 3 ermöglicht werden kann. Weiterhin wird dann, wenn das im Abscheider 3 zu behandelnde Abgas mit der obigen Abgastemperatur über den Abscheider 3 geführt wird, im Abscheider 3 relativ wenig Reduktionsmittel und damit relativ wenig kalziumhaltiges Granulat zur Chemiesorption der Schwefeloxide benötigt. Insgesamt kann hierdurch demnach eine hocheffiziente Abgasnachbehandlung bzw. Entschwefelung des Abgases im Abscheider 3 gewährleistet werden.
  • Wie oben bereits ausgeführt, handelt es sich bei der Chemiesorption von Schwefeloxiden im Abscheider 3, nämlich bei der Reaktion der Schwefeloxide des Abgases mit dem kalziumhaltigen Granulat des Abscheiders 3, um eine exotherme Reaktion, die das über den Abscheider 3 geführte Abgas erhitzt. Diese thermische Energie, die bei der exothermen Reaktion im Abscheider 3 freigesetzt wird, wird im Gas-Gas-Wärmeaustauscher 4 genutzt, um das die Brennkraftmaschine 1 verlassende Abgas bereits auf eine Zwischentemperatur anzuheben. Hierdurch kann die Heizeinrichtung 5, bei welcher es sich vorzugsweise um einen mit Kraftstoff betriebenen Brenner oder auch eine elektrische Heizeinrichtung handeln kann, reduziert werden. Hierdurch kann die Effizienz des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 2 gesteigert werden.
  • In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist stromabwärts des Abscheiders 3, der der Entschwefelung des Abgases dient, ein SCR-Katalysator 6 positioniert, wobei der SCR-Katalysator 6 der Entstickung des Abgases dient. In 1 ist demnach der SCR-Katalysator 6 stromabwärts des Abscheiders 3 und stromaufwärts des Gas-Gas-Wärmeaustauschers 4 positioniert.
  • Im SCR-Katalysator 6 wird als Reduktionsmittel Ammoniak genutzt. Das im SCR-Katalysator 6 genutzte Ammoniak kann entweder direkt über eine Düse zwischen dem Abscheider 3 und dem SCR-Katalysator 6 in das Abgas stromaufwärts des SCR-Katalysators 6 eingedüst werden, alternativ kann eine Vorläufersubstanz des Ammoniaks, die im Abgas zu Ammoniak umgesetzt wird, stromabwärts des Abscheiders 3 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 6 in das Abgas eingebracht werden. Bei einer solchen Vorläufersubstanz handelt es sich insbesondere um Urea bzw. Harnstoff.
  • Im Ausführungsbeispiel der 1 ist stromabwärts des Gas-Gas-Wärmeaustauschers 4 eine Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung 7 positioniert, in welcher stromabwärts des Gas-Gas-Wärmeaustauschers 4 Restwärme des Abgases genutzt wird, um die Effizienz des Abgasnachbehandlungssystems 2 weiter zu steigern und stromabwärts der Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung 7 Abgas, das eine Temperatur von in etwa 100°C aufweist, in die Umgebung zu leiten.
  • Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass der SCR-Katalysator 6 auch stromabwärts des Gas-Gas-Wärmeaustauschers 4 und stromaufwärts der Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung 7 positioniert sein kann. In diesem Fall wird das den Abscheider 3 verlassende Abgas zunächst über den Gas-Gas-Wärmeaustauscher 4 und anschließend über den SCR-Katalysator 6 geführt.
  • 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines der Brennkraftmaschine 1 nachgelagerten Abgasnachbehandlungssystems 2, wobei sich das Abgasnachbehandlungssystem 2 der 2 vom Abgasnachbehandlungssystem 2 der 1 dadurch unterscheidet, dass im Ausführungsbeispiel der 2 stromaufwärts des Abscheiders 3 und stromabwärts der Heizeinrichtung 5 ein Oxidationskatalysator 8 positioniert ist.
  • Im Oxidationskatalysator 8 reagiert SO2 zu SO3 nach folgender Reaktionsgleichung: 2SO3 + O2 → 2SO2
  • Als Aktivkomponenten im Oxidationskatalysator 8 für die Oxidation von SO2 zu SO3 kommen vorzugsweise folgende chemische Elemente zur Anwendung: V (Vanadium) und/oder Platin/Paladium und/oder Fe (Eisen) und/oder Ce (Cer) und/oder Cs (Cäsium) und/oder Oxide dieser Elemente. Der Anteil an Vanadium (V) beträgt vorzugsweise mehr als 5%, bevorzugt mehr als 7%, besonders bevorzugt mehr als 9%.
  • Als Grundmaterial nutzt der Oxidationskatalysator 8 TiO2 (Titanoxid) und/oder SiO2 (Siliziumoxid), vorzugsweise stabilisiert durch WO3 (Wolframoxid).
  • Da SO3 schneller mit dem kalziumhaltigen Granulat des Abscheiders 3 reagiert als SO, ist es vorteilhaft, dass stromaufwärts des Abscheiders 3 der Oxidationskatalysator 8 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 8 derart, dass stromabwärts des Oxidationskatalysators 8 der Anteil an SO3 an allen Schwefeloxiden (SOx) im Abgas mindestens 20%, bevorzugt mehr als 40%, besonders bevorzugt mehr als 60%, beträgt.
  • 3 zeigt eine alternative vorteilhafte Weiterbildung des Ausführungsbeispiels der 1, wobei sich das Abgasnachbehandlungssystem 2 der 3 vom Abgasnachbehandlungssystem 2 der 1 dadurch unterscheidet, dass stromabwärts der Heizeinrichtung 5 und stromaufwärts des Abscheiders 3 eine Einrichtung 9 positioniert ist, über die in das in der Heizeinrichtung 5 erhitzte Abgas stromaufwärts des Abscheiders 3, der kalziumhaltiges Granulat enthält, ein kalziumhaltiges und/oder natriumhaltiges Pulver einbringbar ist.
  • Die Einrichtung 9 des Abgasnachbehandlungssystems 2 der 3, die dem Einbringen des kalziumhaltigen und/oder natriumhaltigen Pulvers in das Abgas der Brennkraftmaschine 1 dient, bringt kalziumhaltiges und/oder natriumhaltiges Pulver mit einer Korngröße von weniger als 1 mm, bevorzugt von weniger als 0,5 mm, besonders bevorzugt von weniger als 0,25 mm, in das Abgas ein, wobei das Kalzium und/oder Natrium des kalziumhaltigen und/oder natriumhaltigen Pulvers wenigstens die Oxidationsstufe +1 aufweist.
  • Vorzugsweise umfasst das kalziumhaltige und/oder natriumhaltige Pulver CaO und/oder Ca(OH)2 und/oder CaCO3 und/oder NaHCO3.
  • Die Einrichtung 9 kann das kalziumhaltige und/oder natriumhaltige Pulver entweder trocken als Aerosol mit Luft als Trägergas oder feucht als Emulsion mit Wasser als Lösungsmittel in den Abgasstrom einbringen.
  • Die Verwendung solchen kalziumhaltigen und/oder natriumhaltigen Pulvers als Adsorptionsmittel und die obige Einbringung desselben über die Einrichtung 9 in das Abgas gewährleistet eine große Oberfläche zur Reaktion des kalziumhaltigen und/oder natriumhaltigen Pulvers mit in dem Abgas der Brennkraftmaschine 1 enthaltenen Schwefeloxiden, nämlich mit SO2 und SO3, sodass die Schwefeloxide effektiv in Kalziumsulfat CaSO4 und/oder Natriumsulfat Na2SO4 umgesetzt werden können. Die Reaktion des kalziumhaltigen und/oder natriumhaltigen Pulvers mit SO2 und SO3 erfolgt typischerweise 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 sowie für NaHCO3 nach folgenden Reaktionsgleichungen: 2NaHCO3 → Na2CO3 + CO2 + H2O Na2CO3 + SO2 + 1/2O2 → Na2SO4 Na2CO3 + SO3 → Na2SO4
  • Durch das Einbringen des kalziumhaltigen und/oder natriumhaltigen Pulvers in das Abgas über die Einrichtung 9 stromaufwärts des Abscheiders 3 wird pulverförmiges Kalziumsulfat CaSO4 und/oder Natriumsulfat Na2SO4 gebildet, welches zusammen mit dem Granulat des als Wanderbettreaktor oder Fließbettreaktor ausgebildeten Abscheiders 3 ausgetragen werden kann.
  • Im Abscheider 3 kommt Granulat zum Einsatz, welches im Vergleich zum dem über die Einrichtung 9 in das Abgas eingebrachten kalziumhaltigen und/oder natriumhaltigen Pulver eine relativ große Korngröße aufweist, nämlich eine Korngröße von mehr als 2 mm, bevorzugt von mehr als 3 mm, besonders bevorzugt von mehr als 4 mm.
  • Das Granulat des Abscheiders 3 ist kalziumhaltig, jedoch nicht natriumhaltig. So darf das Granulat des Abscheiders 3 kein NaHCO3 umfassen. Das NaHCO3 darf allenfalls stromaufwärts des Abscheiders 3 über die Einrichtung 9 als relativ feinkörniges Pulver in das Abgas eingebracht werden.
  • Dem Abscheider 3 ist vorzugsweise eine nicht gezeigte Einrichtung zugeordnet, um im Wanderbett oder Fließbett über das Granulat abgefangenes Kalziumsulfat, welche zusammen mit dem Granulat aus dem als Wanderbettreaktor oder Fließbettreaktor ausgebildeten Abscheider 3 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 Wanderbettreaktor oder Fließbettreaktor zugeführt werden, um so einen Granulatkreislauf auszubilden und das Granulat effektiver zu nutzen.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines einer Brennkraftmaschine 1 nachgelagerten Abgasnachbehandlungssystems 2 zeigt 4, wobei das Ausführungsbeispiel der 4 die Baugruppen des Ausführungsbeispiels der 2 und 3 miteinander kombiniert. Das Abgasnachbehandlungssystem 2 der 4 verfügt demnach einerseits über einen Oxidationskatalysator 8 zur Oxidation von SO2 in SO3 und andererseits über eine Einrichtung 9 zum Einbringen von kalziumhaltigem und/oder natriumhaltigem Pulver in das Abgas. Dabei ist gemäß 4 die Einrichtung 9, über die das kalziumhaltige und/oder natriumhaltige Pulver in das Abgas einbringbar ist, stromabwärts des Oxidationskatalysators 8 positioniert. Der Oxidationskatalysator 8 ist demnach stromabwärts der Heizeinrichtung 5 positioniert, die Einrichtung 9 stromabwärts des Oxidationskatalysators 8 und stromaufwärts des Abscheiders 3.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Abgasnachbehandlungssystems 2 für eine Brennkraftmaschine zeigt 5, wobei das Abgasnachbehandlungssystem 2 der 5 ebenso wie das Abgasnachbehandlungssystem 2 der 2 den Oxidationskatalysator 8 sowie zusätzlich eine Einrichtung 10 zum Einbringen von gasförmigem Ammoniak (NH3) in das Abgas umfasst, wobei diese Einrichtung 10 zum Einbringen des gasförmigen NH3 in das Abgas stromaufwärts des Oxidationskatalysators 8 angeordnet ist, sodass demnach NH3 stromaufwärts des Oxidationskatalysators 8 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 stromaufwärts des Oxidationskatalysators 5 verfügt über den Vorteil, dass durch die hierdurch bewirkte Entstickung des Abgases die nachfolgende Entschwefelung verbessert werden kann.
  • Bei den in 1 bis 5 gezeigten Abgasnachbehandlungssystemen 2 kann ein mehrstufiger, als Wanderbettreaktor oder Fließbettreaktor ausgebildeter Abscheider 3 zum Einsatz kommen, um die Abscheidung von Kalziumsulfat und gegebenenfalls Natriumsulfat zu verbessern, wobei dann, wenn ein mehrstufiger Abscheider 3 verwendet wird, in den einzelnen Stufen des Abscheiders 3 Granulat unterschiedlicher Korngröße verwendet wird. In den einzelnen Stufen des Abscheiders 3 weichen dann die Korngrößen des Granulats voneinander ab. Vorzugsweise wird ein als Kreuzstromabscheider ausgebildeter Abscheider 3 genutzt.
  • Die Erfindung kann auch bei abgasaufgeladenen Brennkraftmaschinen zum Einsatz kommen, die einen Abgasturbolader aufweisen. In einem solchen Fall ist dann vorzugsweise vorgesehen, dass zumindest der Partikelabscheider 3 stromabwärts einer Turbine eines nicht gezeigten Abgasturboladers positioniert ist. Gegebenenfalls vorhandene Oxidationskatalysator 8 ist vorzugsweise stromaufwärts einer solchen Turbine positioniert, da die stromaufwärts der Turbine herrschenden hohen Drücke und hohen Temperaturen im Abgasstrom die Oxidation von SO2 in SO3 im Oxidationskatalysator 8 begünstigen.
  • Die Erfindung schlägt ein Abgasnachbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung von eine Brennkraftmaschine verlassendem Abgas vor, wobei die Entschwefelung des Abgases in ein kalziumhaltiges Granulat aufweisenden Abscheider 3 durchgeführt wird.
  • Um diese Entschwefelung im Abscheider 3 unter optimalen Betriebsbedingungen durchzuführen, wird das die Brennkraftmaschine 1 verlassende Abgas stromaufwärts des Abscheiders 3 auf eine Prozesstemperatur von vorzugsweise zwischen 400°C und 450°C erhitzt, und zwar mehrstufig zunächst im Gas-Gas-Wärmeaustauscher 4 und anschließend in der Heizeinrichtung 5. Der Gas-Gas-Wärmeaustauscher 4 nutzt bei der Entschwefelung im Abscheider 3 anfallende thermische Energie zur Erhitzung des die Brennkraftmaschine 1 verlassenden Abgases auf eine Zwischentemperatur, wodurch die Heizleistung der Heizeinrichtung 5 reduziert werden kann. Bei der Heizeinrichtung 5 kann es sich um eine elektrisch betriebene Heizeinrichtung oder um einen mit gasförmigem oder flüssigem Kraftstoff, insbesondere mit Schweröl, betriebenen Brenner handeln.
  • Wie bereits oben ausgeführt, erfolgt im kalziumhaltigen Granulat aufweisenden Abscheider 3, der als Schüttschichtreaktor oder als Wanderbettreaktor ausgeführt ist, eine Chemiesorption von Schwefeloxiden am kalziumhaltigen bzw. kalkbasierten Granulat des Abscheiders 3, wobei diese Reaktion exotherm ist und demnach thermische Energie freisetzt. Dabei kann der Abscheider 3 doppelwandig ausgeführt sein, um Wärmeverluste im Abscheider 3 zu reduzieren und demnach die durch die exotherme Reaktion freigesetzte thermische Energie besser zum Erhitzen des die Brennkraftmaschine verlassenden Abgases im Gas-Gas-Wärmeaustauscher zu nutzen.
  • Die optionale Nutzung des SCR-Katalysators 6 stromabwärts des Abscheiders 3 erlaubt eine Entstickung des Abgases, wobei dann, wenn stromabwärts des Abscheiders 3 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 6 als Ammoniakvorläufersubstanz Urea in das Abgas eingebracht wird, durch die stromabwärts des Partikelabscheiders 3 herrschenden, hohen Temperaturen eine kurze Verdampfungsstrecke für Urea ausreichend ist. Dadurch, dass bereits entsticktes Abgas über den SCR-Katalysator 6 geführt wird, besteht keine Gefahr der Verstopfung des SCR-Katalysators 6.
  • In sämtlichen gezeigten Ausführungsbeispielen ist stromabwärts des Gas-Gas-Wärmeaustauschers 4 eine optionale Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung 7 positioniert. Dabei kann es sich zum Beispiel um eine Dampfturbine handeln, in welcher Restwärme des Abgases genutzt wird, um elektrischen Strom zu erzeugen. Bedingt durch die zuvor erfolgte Entschwefelung des Abgases besteht keine Gefahr, dass im Bereich der Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung 7 Korrosion infolge von ausfallendem H2SO4 entsteht.
  • Wie oben ausgeführt, zeichnet sich das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem 2 durch ein optimal angepasstes Thermomanagement aus. Abgas, welches die Brennkraftmaschine 1 verlässt, verfügt typischerweise über eine Temperatur von weniger als 320°C. Durch motoseitige Eingriffe an der Brennkraftmaschine 1 z. B. durch eine Abgasdrosselung oder Wastegatebeeinflussung kann die die Temperatur des die Brennkraftmaschine 1 verlassenden Abgases in gewissem Umfang angehoben werden. Das die Brennkraftmaschine 1 verlassende Abgas kann über den Gas-Gas-Wärmeaustauscher 4 auf eine Temperatur von etwa 350°C erhitzt werden. Im Bereich der Heizeinrichtung 5 wird das Abgas nachfolgende auf eine Temperatur von vorzugsweise zwischen 360°C und 450°C erhitzt, um für die Chemiesorption von Schwefeloxiden im Abscheider 3 eine optimale Prozesstemperatur bereitzustellen. Diese Chemiesorption im Abscheider 3 ist eine exotherme Reaktion, sodass das den Abscheider 3 verlassende Abgas eine erhöhte Temperatur aufweist. Diese erhöhte Temperatur des bereits über den Abscheider 3 geführten Abgases wird im Gas-Gas-Wärmeaustauscher 4 genutzt. Im optional vorhandenen SCR-Katalysator 6, der in den gezeigten Ausführungsbeispielen zwischen dem Abscheider 3 und dem Gas-Gas-Wärmeaustauscher 4 positioniert ist, erfolgt nur eine geringe Temperaturabsenkung des Abgases. Stromabwärts des Gas-Gas-Wärmeaustauschers 4 wird in der Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung 7 Restwärme des Abgases vorzugsweise zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt. Die Temperatur stromabwärts der Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung 7 beträgt maximal in etwa 120°C.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennkraftmaschine
    2
    Abgasnachbehandlungssystem
    3
    Abscheider
    4
    Gas-Gas-Wärmeaustauscher
    5
    Heizeinrichtung
    6
    SCR-Katalysator
    7
    Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung
    8
    Oxidationskatalysator
    9
    Einrichtung
    10
    Einrichtung
  • 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
    • DE 3603365 C2 [0004]

Claims (13)

  1. Abgasnachbehandlungssystem (2) für eine Brennkraftmaschine, mit einem stromabwärts einer Brennkraftmaschine (1) angeordneten, kalziumhaltiges Granulat aufweisenden Abscheider (3) zur Chemisorption von Schwefeloxiden, mit einem Gas-Gas-Wärmeaustauscher (4), über den einerseits über den Abscheider (3) geführtes Abgas und andererseits die Brennkraftmaschine (1) verlassendes Abgas zur Temperaturanhebung des die Brennkraftmaschine (1) verlassenden Abgases führbar ist, und mit einer stromabwärts des Gas-Gas-Wärmeaustauschers (4) und stromaufwärts des Abscheiders (3) angeordneten Heizeinrichtung (5) zur weiteren Temperaturanhebung des über den Gas-Gas-Wärmeaustauscher (4) geführten Abgases.
  2. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (5) das Abgas auf eine Temperatur zwischen 375°C und 450°C erhitzt, bevorzugt zwischen 400°C und 450°C, erhitzt.
  3. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gas-Gas-Wärmeaustauscher (4) das Abgas auf eine Temperatur zwischen 330°C und 350°C erhitzt, bevorzugt auf eine Temperatur zwischen 340°C und 350°C, erhitzt.
  4. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das stromabwärts des Abscheiders (3) ein SCR-Katalysator (6) positioniert ist, wobei den Abscheider (3) verlassendes Abgas zunächst über den SCR-Katalysator (6) und anschließend über den Gas-Gas-Wärmeaustauscher (4) leitbar ist.
  5. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das stromabwärts des Gas-Gas-Wärmeaustauschers (4) ein SCR-Katalysator (6) positioniert ist, wobei den Abscheider (3) verlassendes Abgas zunächst über den Gas-Gas-Wärmeaustauscher (4) und anschließend über den SCR-Katalysator (6) leitbar ist.
  6. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Gas-Gas-Wärmeaustauschers (4) eine Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung (7) positioniert ist.
  7. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Heizeinrichtung (5) und stromaufwärts des Abscheiders (3) ein Oxidationskatalysator (8) zur Oxidation von SO2 in SO3 positioniert ist, über den das in der Heizeinrichtung (5) erhitze Abgas stromaufwärts des Abscheiders (3) leitbar ist.
  8. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Heizeinrichtung (5) und stromaufwärts des Abscheiders (3) eine Einrichtung (9) positioniert ist, über die in das in der Heizeinrichtung (5) erhitze Abgas stromaufwärts des Abscheiders (3) kalziumhaltiges und/oder natriumhaltiges Pulver einbringbar ist.
  9. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (9), über die kalziumhaltiges und/oder natriumhaltiges Pulver in das Abgas einbringbar ist, stromabwärts des Oxidationskatalysator (8) zur Oxidation von SO2 in SO3 und stromaufwärts des Abscheiders (3) positioniert ist.
  10. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das über die Einrichtung (9) in den Abgasstrom eingebrachte, kalziumhaltige und/oder natriumhaltige Pulver CaO und/oder Ca(OH)2 und/oder CaCO3 und/oder NaHCO3 umfasst, wobei die Korngröße des über die Einrichtung (9) in den Abgasstrom eingebrachten, kalziumhaltigen und/oder natriumhaltigen Pulvers weniger als 1 mm, bevorzugt weniger als 0,5 mm, besonders bevorzugt weniger als 0,25 mm, beträgt.
  11. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat des Abscheiders (3), der vorzugsweise als Schüttschicht oder als Wanderbettreaktor ausgebildet ist, CaO und/oder Ca(OH)2 und/oder CaCO3 umfasst, wobei die Korngröße des Granulats im Abscheider (3) mehr als 2 mm, bevorzugt mehr als 3 mm, besonders bevorzugt mehr als 4 mm, beträgt.
  12. Verfahren zur Abgasnachbehandlung von eine Brennkraftmaschine verfassendem Abgas, wobei das Abgas über einen kalziumhaltiges Granulat aufweisenden Abscheider zur Chemisorption von Schwefeloxiden geführt wird, wobei das über den Abscheider geführte Abgas und andererseits die Brennkraftmaschine verlassenden Abgas zur Temperaturanhebung des die Brennkraftmaschine verlassenden Abgases über einen Gas-Gas-Wärmeaustauscher geführt werden, und wobei das im Gas-Gas-Wärmeaustauscher erhitze Abgas zur weiteren Temperaturanhebung über eine stromabwärts der Gas-Gas-Wärmeaustauschers und stromaufwärts des Abscheiders angeordnete Heizeinrichtung geführt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass dasselbe mit Hilfe des Abgasnachbehandlungssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durchgeführt wird.
DE102014005418.7A 2014-04-14 2014-04-14 Abgasnachbehandlungssystem und Verfahren zur Abgasnachbehandlung Withdrawn DE102014005418A1 (de)

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