DE102015005051A1

DE102015005051A1 - System zur Eindüsung von Harnstoff in einen Abgasstrang

Info

Publication number: DE102015005051A1
Application number: DE102015005051.6A
Authority: DE
Inventors: Nikolaus König; Gerhard Schlegl
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2015-04-21
Filing date: 2015-04-21
Publication date: 2016-10-27
Also published as: WO2016169926A1

Abstract

Es wird ein System vorgeschlagen mit mindestens einer mit aufgeladener Verbrennungsluft betriebenen Brennkraftmaschine (10; 11) und/oder Gasturbine sowie einer Vorrichtung zur Nachbehandlung von im Abgas enthaltener Stickoxide mittels eines in das Abgas stromaufwärts eines Abgasreaktors (21) unter Druckluftbeaufschlagung mittels einer Düse (17) eingebrachten Reaktionsmittels (18), wobei das System durch Mittel zur Führung von aufgeladener Verbrennungsluft zu der Düse (17) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System mit mindestens einer mit aufgeladener Verbrennungsluft betriebenen Brennkraftmaschine und/oder Gasturbine sowie einer Vorrichtung zur Nachbehandlung von im Abgas enthaltener Stickoxide mittels eines in das Abgas stromaufwärts eines Abgasreaktors unter Druckluftbeaufschlagung mittels einer Düse eingebrachten Reaktionsmittels nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Immer strenger werdende Abgasvorschriften erfordern auch bei in Kraftwerken eingesetzten Brennkraftmaschinen oder dort eingesetzten Gasturbinen die Verwendung von Abgasnachbehandlungssystemen mit beispielsweise Oxidationskatalysatoren, Partikelfiltern und SCR Katalysatoren, die zur Reduzierung der im Abgas enthaltenen Stickoxidemissionen eingesetzt werden.
Bei einem zur NOx Reduzierung eingesetzten SCR Katalysator wird als Reduktionsmittel häufig Harnstoff eingesetzt, der in der Form einer wässrigen Lösung in den Abgasstrang stromaufwärts eines Reaktors zur Verringerung der Stickoxidemissionen eingedüst wird. Zur feinen Verteilung der Harnstofflösung im Abgasstrom wird üblicherweise Druckluft eingesetzt, mit der die wässrige Lösung über eine Zweistoffdüse als Sprühnebel eingedüst werden kann.
Zur Druckluftbeaufschlagung des Reduktionsmittels werden bei bekannten Anwendungsbeispielen elektrisch betätigte Kompressoren eingesetzt, mit denen Druckluft erzeugt und in Pufferspeichern bereitgehalten wird, von denen aus Druckluft zur Zweistoffdüse befördert wird, über die die wässrige Harnstofflösung in den Abgasstrom fein verteilt eingesprüht wird. Bei einer Mehrmaschinenanlage mit mehreren Brennkraftmaschinen und/oder Gasturbinen muss eine großvolumige Kompressoranlage bereitgehalten werden, deren Energieverbrauch erheblich zu hohen elektrischen Betriebskosten beiträgt und auch einen hohen Beitrag der für die Errichtung der Mehrmaschinenanlage fälligen Investitionskosten bedingt.
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein System mit mindestens einer mit aufgeladener Verbrennungsluft betriebenen Brennkraftmaschine und/oder Gasturbine sowie einer Vorrichtung zur Nachbehandlung von im Abgas enthaltener Stickoxide derart weiterzubilden, dass sowohl die Investitionskosten für die Errichtung des Systems als auch die Betriebskosten des Systems verringert werden können.
Die Erfindung weist zur Lösung dieser Aufgabe die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Es ist nach der Erfindung ein System vorgesehen mit mindestens einer mit aufgeladener Verbrennungsluft betriebenen Brennkraftmaschine und/oder Gasturbine sowie einer Vorrichtung zur Nachbehandlung von im Abgas enthaltener Stickoxide mittels eines in das Abgas stromaufwärts eines Abgasreaktors unter Druckluftbeaufschlagung mittels einer Düse eingebrachten Reaktionsmittels, wobei das System Mittel aufweist zur Führung von aufgeladener Verbrennungsluft zu der Düse.
Das erfindungsgemäße System sorgt dafür, dass die zum Betreiben bekannter Systeme notwendigen, mit Fremdenergie betätigten Kompressoren vollständig im Wegfall geraten. Das System stellt aufgeladene Verbrennungsluft zur Verfügung, die über die Mittel zur Düse geführt werden können und über die dort eine wässrige Harnstofflösung in den Abgasstrom der Brennkraftmaschine beziehungsweise der Brennkraftmaschinen und/oder der Gasturbine beziehungsweise der Gasturbinen als Sprühnebel eingebracht werden kann.
Die aufgeladene Verbrennungsluft kann bei einer mehrstufigen Aufladung auch nach einer zweiten oder weiteren Ladestufe abgegriffen werden, sie kann bei einer Gasturbine auch aus einer Druckstufe der Gasturbine abgegriffen werden.
Das erfindungsgemäße System bietet den Vorteil, dass die Investitionskosten für die Kompressoreneinheit vollständig entfallen und auch die Kosten für den Betrieb und die Wartung der Kompressoreneinheit entfallen. Genauso gerät der Platzbedarf für die Kompressoreinheit beziehungsweise Kompressoreneinheit im Betriebsgebäude der Anlage beziehungsweise des Systems in Wegfall.
Es ist nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Mittel eine in einem Ladeluftstrang stromaufwärts der Brennkraftmaschine und/oder Gasturbine angeordnete Abzweigleitung umfassen. Bei dem Ladeluftstrang handelt es sich um einen Bereich zwischen einem stromaufwärts der Brennkraftmaschine und/oder Gasturbine angeordneten Verdichter sowie der Brennkraftmaschine und/oder der Gasturbine. Die aufgeladene Verbrennungsluft wird bei dem erfindungsgemäßen System aus dem Bereich des Ladeluftstrangs entnommen. Sie kann also stromabwärts des Verdichters entnommen werden oder beispielsweise auch stromabwärts eines dem Verdichter nachgeschalteten Ladeluftkühlers.
Die Entnahme der aufgeladenen Verbrennungsluft unmittelbar im Anschluss an den Verdichter besitzt den Vorteil, dass die Verbrennungsluft erhitzt ist und auf diese Weise die Harnstofflösung je nach dem Temperaturniveau der Verbrennungsluft als Dampf in den Abgasstrom eingebracht werden kann und somit die Eindüsstrecke vor dem Abgasreaktor verkürzt werden kann. Dies trägt wiederum zu einer Verringerung des Platzbedarfs des erfindungsgemäßen Systems bei. Wenn sich in dem erfindungsgemäßen System eine Gasturbine angeordnet befindet, dann kann die aufgeladene und erhitzte Druckluft vor dem Eintritt in die Brennkammer entnommen werden und von dort unmittelbar oder mittelbar über einen Pufferbehälter der Düse zur Abgabe der Harnstofflösung in den Abgasstrom zugeführt werden.
Die Erfindung sieht daher auch vor, dass die Abzweigleitung stromaufwärts oder stromabwärts eines in der Ladeluftleitung angeordneten Ladeluftkühlers angeordnet ist. Die Abnahme der Verbrennungsluft nach dem Ladeluftkühler besitzt den Vorteil, dass dadurch der Speicherraum in einem etwaigen Pufferspeicher verringert werden kann. Bei einem mehrstufigen Ladeluftstrang mit mehr als einer Verdichterstufe kann die aufgeladene Verbrennungsluft auch nach dem zweiten Verdichter und/oder einem dem zweiten Verdichter nachgeschalteten Ladeluftkühler entnommen werden.
Es ist nach einer Weiterbildung der Erfindung auch vorgesehen, dass das System eine Sammelluftleitung besitzt, die mit Abzweigleitungen im Ladeluftstrang von mehr als einer Brennkraftmaschine und/oder Gasturbine fluidisch gekoppelt ist. Auf diese Weise kann bei einer Mehrmotorenanlage von mehreren Verdichterstufen stammende aufgeladene Verbrennungsluft über eine Sammelleitung einem Pufferspeicher zugeführt werden und von dort aus einer Düse zum Einbringen von Harnstofflösung in den Abgasstrom zugeführt werden. Auch ist es so möglich, über die Sammelleitung einen Druckluftstrom aus mehreren Ladeluftsträngen mehrerer Brennkraftmaschinen und/oder Gasturbinen einer Abgassammelleitung zum Eindüsen von Harnstoff in die Abgassammelleitung direkt zuzuführen, also unter Umgehung eines Pufferspeichers.
Es ist nach einer Weiterbildung der Erfindung auch vorgesehen, dass die Mittel eine Absperreinrichtung zur Unterbrechung der Führung von Verbrennungsluft zur Düse umfassen. Es heißt dies mit anderen Worten, dass in einer Abzweigleitung vom Ladeluftstrang zur Düse oder Sammelluftleitung oder dem Pufferspeicher ein Absperrventil oder Regelventil angeordnet sein kann, mit dem der Volumenstrom an aufgeladener Druckluft aus der Ladeluftleitung unterbrochen oder eingestellt werden kann. Auf diese Weise kann insbesondere bei einer Mehrmotorenanlage der Volumenstrom an aus dem Ladeluftstrang abgezweigter Druckluft auf die Bedarfscharakteristik der über den Ladeluftstrang gespeisten Brennkraftmaschine und/oder Gasturbine angepasst werden.
Es ist nach einer Weiterbildung der Erfindung auch vorgesehen, dass die Abzweigleitung einen Ladeluftstrang einer Brennkraftmaschine und/oder Gasturbine mit einer Düse im Abgasstrang einer benachbarten Brennkraftmaschine und oder Gasturbine fluidisch koppelt. Auf diese Weise kann bei einer Mehrmotorenanlage eine Querversorgung einer benachbarten Brennkraftmaschine und/oder Gasturbine mit Druckluft zur Einspeisung von Harnstoff in den Abgasstrang der Brennkraftmaschine und/oder Gasturbine erreicht werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in der einzigen Figur eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems.
Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel des Systems 1 handelt es sich um eine Mehrmotorenanlage. Aus der Umgebung wird Umgebungsluft einem Luftfilter 2 zugeführt und nach dem Durchtritt durch den Luftfilter 2 einem Verdichter 3 zugeführt, bei dem es sich beispielsweise um einen Radialverdichter handeln kann. Eine den Verdichter 3 antreibende Turbine ist der Vereinfachung der Darstellung halber weggelassen worden. Nachdem die als Verbrennungsluft dienende Luft aufgeladen wurde, wird sie über einen Ladeluftkühler 4 geleitet und dort abgekühlt.
Stromabwärts des Ladeluftkühlers 4 ist eine Abzweigleitung 5 vorgesehen, in der ein Absperrventil 6 angeordnet ist, mit dem die Abzweigleitung 5 für den Durchtritt von Druckluft gesperrt werden kann. Stromabwärts der Abzweigung 7 ist gestrichelt eine weitere Ladestufe mit einem Verdichter 8 und einem Ladeluftkühler 9 dargestellt, wobei diese zweite Ladestufe optional ist und der Erläuterung der Tatsache dient, dass das System auch mit einer mehrstufigen Aufladung betrieben werden kann und daher auch die Möglichkeit besteht, mehrfach aus dem Ladeluftstrang Druckluft abzuzweigen.
Die aufgeladene Verbrennungsluft wird schließlich einer Brennkraftmaschine 10 zugeführt. In der Zeichnung sind schematisch zwei weitere Brennkraftmaschinen 11 dargestellt, von deren Ladeluftsträngen über Abzweigleitungen 12 Ladeluft einer Sammelluftleitung 13 zugeführt werden kann. Auch die über die Abzweigleitung 5 aus dem Ladeluftstrang der Brennkraftmaschine 10 abgezweigte Druckluft wird der Sammelleitung 13 zugeführt, die einen Pufferspeicher 14 speist, der als Druckspeicher ausgeführt ist und auch als Ausgleichsgefäß fungiert.
Wie es anhand der Zeichnung ersichtlich ist, kann im System 1 auch ein Hilfskompressor 15 angeordnet sein, der für den Fall vorgesehen ist, dass Druckluft auch schon bereitgehalten werden kann, wenn die im System vorhandenen Brennkraftmaschinen beziehungsweise die Brennkraftmaschine noch nicht in Betrieb genommen worden ist, also auch keine Druckluft aus den Ladeluftsträngen der Brennkraftmaschine beziehungsweise Brennkraftmaschinen zur Verfügung steht. Ein solcher Hilfskompressor 15 ist optional.
Die von der Brennkraftmaschine 10 beziehungsweise den Brennkraftmaschinen 11 bereitgestellte Druckluft wird über die Sammelluftleitung 13 einer Speiseleitung 16 zugeführt, die fluidisch mit einer Zweistoffdüse 17 gekoppelt ist, die aus einem nicht näher dargestellten Speichertank mit Harnstofflösung 18 versorgt wird. Die der Zweistoffdüse 17 zugeführte Harnstofflösung 18 kann in den einer Brennkraftmaschine 19 entstammenden Abgasstrom eingespeist werden und zwar als fein verteilter Sprühnebel, wobei zu diesem Zweck die Harnstofflösung 18 mit der der Speiseleitung 16 entstammenden Druckluft fein vernebelt wird. Der so mit Harnstoff versorgte Abgasmassenstrom wird über den Abgasstrang 20 einem Abgasreaktor 21 zugeführt, in dem die Beladung des Abgases mit Stickoxiden verringert wird.
Die Erfindung zeichnet sich neben den oben genannten Vorteilen also auch noch dadurch aus, dass eine Querversorgung mit Druckluft bei einer Mehrmotorenanlage realisiert werden kann, wobei es sich bei den mehreren Motoren um Brennkraftmaschinen und/oder Gasturbinen handeln kann. Es ist also jederzeit eine hohe Verfügbarkeit an Druckluft für das Einsprühen von Harnstofflösung in den Abgasstrom der Brennkraftmaschinen und/oder Gasturbinen erreichbar oder einer Abgassammelleitung möglich.
Hinsichtlich vorstehend im Einzelnen nicht näher erläuterter Merkmale der Erfindung wird im Übrigen ausdrücklich auf die Einsprechende Zeichnung verwiesen.
Bezugszeichenliste

1: System
2: Luftfilter
3: Verdichter
4: Ladeluftkühler
5: Abzweigleitung
6: Absperrventil
7: Abzweigung
8: Verdichter
9: Ladeluftkühler
10: Brennkraftmaschine
11: Brennkraftmaschine
12: Abzweigleitung
13: Sammelluftleitung
14: Pufferspeicher
15: Hilfskompressor
16: Speiseleitung
17: Zweistoffdüse
18: Harnstofflösung
19: Brennkraftmaschine
20: Abgasstrang
21: Abgasreaktor

Claims

System mit mindestens einer mit aufgeladener Verbrennungsluft betriebenen Brennkraftmaschine (10; 11) und/oder Gasturbine sowie einer Vorrichtung zur Nachbehandlung von im Abgas enthaltener Stickoxide mittels eines in das Abgas stromaufwärts eines Abgasreaktors (21) unter Druckluftbeaufschlagung mittels einer Düse (17) eingebrachten Reaktionsmittels (18), gekennzeichnet durch Mittel zur Führung von aufgeladener Verbrennungsluft zu der Düse (17).
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel eine in einem Ladeluftstrang stromaufwärts der Brennkraftmaschine (10; 11) und/oder Gasturbine angeordnete Abzweigleitung (5) umfassen.
System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigleitung (5) stromaufwärts oder stromabwärts eines in der Ladeluftleitung angeordneten Ladeluftkühlers (4) angeordnet ist.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Sammelluftleitung (13), die mit Abzweigleitungen (12) im Ladeluftstrang von mehr als einer Brennkraftmaschine (10; 11) und/oder Gasturbine fluidisch gekoppelt ist.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel eine Absperreinrichtung (6) zur Unterbrechung der Führung von Verbrennungsluft zur Düse (17) umfassen.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Verbrennungsluft aufnehmende Pufferspeicher (14).
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel eine Steuereinrichtung zur Veränderung des zur Düse (17) geführten Luftmassenstroms umfassen.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Drucklufterzeugungseinrichtung (15).
System nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigleitung (5) einen Ladeluftstrang einer Brennkraftmaschine und/oder Gasturbine mit einer Düse (17) im Abgasstrang einer benachbarten Brennkraftmaschine (19) und/oder Gasturbine fluidisch koppelt.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel eine von einer Druckstufe der Gasturbine ausgehende Abzweigleitung umfassen.