DE102015202091A1

DE102015202091A1 - Kompaktes System zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR - Selective Catalytic Reduction) für die Stickoxidreduktion im sauerstoffreichen Abgas von 500 bis 4500-KW-Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE102015202091A1
Application number: DE102015202091.6A
Authority: DE
Inventors: Dirk Reichert; Ilir PILURI; Daniel Kügel
Original assignee: Johnson Matthey Catalysts Germany GmbH
Current assignee: Johnson Matthey Catalysts Germany GmbH
Priority date: 2014-02-06
Filing date: 2015-02-05
Publication date: 2015-08-06
Also published as: RU2016135766A3; BR112016018043B1; GB201501903D0; GB2525069B; KR102293521B1; WO2015118330A1; KR20160118294A; RU2673030C2; RU2016135766A; EP3102800A1; EP3102800B1; BR112016018043A2; US20150217230A1; CN106170612A; JP6518677B2; US9616383B2; CN106170612B; JP2017506304A; BR112016018043A8; GB2525069A

Abstract

Ein System zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR – Selective Catalytic Reduction) umfasst einen SCR-Reaktor (3), ein Einlassstromsystem (1) und ein Zerstäubermodul, wobei der SCR-Reaktor (3) mindestens einen SCR-Katalysator umfasst und mit dem Einlassstromsystem (1) und dem Zerstäubermodul in Kommunikation steht, das Einlassstromsystem (1) einen oder mehrere Eingänge für Abgase von einem Motor umfasst, wobei der Eingang konfiguriert ist zum Verteilen des Stromes von Gasen durch mindestens einen Strömungskanal (11, 12), der sich um den SCR-Reaktor (3) herum befindet, wobei der Strom von Abgasen durch die Strömungskanäle (11, 12) um den SCR herum Wärme an das Zerstäubermodul liefert, worin Harnstoff oder ein Ammoniakvorläufer in das Zerstäubermodul eingeleitet wird, um zu Ammoniak umgewandelt zu werden, bevor es in den SCR-Reaktor (3) eingeleitet wird, und der Strom von Gasen in jedem der Strömungskanäle (11, 12) in den SCR-Reaktor nach der Einleitung eines mit Ammoniak beladenen Gasstroms und nach dem Hindurchschicken durch mehrere Ablenkplatten eingeleitet wird, um eine ungefähr gleichförmige Gasgeschwindigkeit und ein ungefähr gleichförmiges Konzentrationsprofil über den Querschnitt des SCR-Reaktors (3) bereitzustellen, und ein Zerstäubermodul, das Mittel umfasst zum Einleiten von Harnstoff oder eines Ammoniakvorläufers in einen geheizten Vorreaktor, in dem es mindestens teilweise zersetzt wird und danach in einen Abgasstrom eingespeist wird, bevor der Abgasstrom in den SCR-Reaktor (3) eingeleitet wird.

Description

Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein SCR-System (Selective Catalytic Reduction – Selektive Katalytische Reduktion) zur Reduktion von Stickoxiden (NO_x) im sauerstoffreichen Abgas von Verbrennungsmotoren wie etwa Diesel und Gas für Schifffahrts-, selbstfahrende und (stationäre) Stromerzeugungsanwendungen.
Hintergrund der Erfindung
Die selektive katalytische Reduktion (SCR) von Stickoxiden (NO_x) in Rauchgasen wird weltweit in vielen Industriezweigen verwendet, um nationale und internationale Schadstoffgesetzgebung einzuhalten. Im Verbrennungsprozess von fossilen und erneuerbaren Brennstoffen entstandene Stickoxide werden mit einem Reduktionsmittel wie etwa Ammoniak auf einer katalytischen Oberfläche reduziert. Verschiedene Katalysatoren werden auf einer Vielzahl von Substraten wie etwa Vanadiumoxiden, ionenausgetauschten Zeoliten usw. verwendet. Die Katalysatoren können in verschiedenen Formulierungen hergestellt werden und können in verschiedenen Formen vorgelegt werden wie etwa extrudierte oder beschichtete Waben, Metallstrukturen usw. Einer der Hauptfaktoren, die die Wahl des entsprechenden Katalysators bestimmen, ist die Temperatur des Rauchgases. Während Ammoniak als Reduktionsmittel bevorzugt wird, ist die direkte Verwendung von Ammoniak aufgrund der gefährlichen Natur von gasförmigem Ammoniak problematisch. Deshalb werden normalerweise Substanzen verwendet, die sich leicht handhaben lassen und sich unter Bildung von Ammoniak zersetzen, wenn sie in die heißen Rauchgase injiziert werden. Beispielsweise zersetzt sich eine wässrige Harnstofflösung bei Temperaturen über 140°C unter Ausbildung von Ammoniak und Isocyansäure (HNCO), das dann hydrolysiert unter Entstehung von Ammoniak und Kohlendioxid. Die Bildung von Ammoniak aus einer wässrigen Harnstofflösung ist jedoch ein relativ langsamer Prozess. Falls die Verweilzeit von Harnstoff im heißen Gasstrom zu kurz ist, kann dies zum Ausfallen an den Reaktorwänden oder, was schlimmer ist, auf dem Katalysator führen. Deshalb befinden sich relativ lange Einspritzkanäle mit einer Länge von mehreren Metern vor dem tatsächlichen Katalysator, der in gegenwärtigen SCR-Anwendungen nach dem Stand der Technik verwendet wird. Diese langen Kanäle sind in der Regel ein gerades Rohr, durch das das Abgas strömt und in dem das Reduktionsmittel mit Hilfe einer Einspritzdüse oder einer Lanze in den heißen Gasstrom eingespritzt wird.
Die oben beschriebenen SCR-Systeme werden allgemein an großen, stationären Systemen wie etwa Kraftwerken verwendet. Kleinere SCR-Systeme werden in Kraftfahrzeuganwendungen und in Verbrennungsmotoren allgemein unter 600 kW eingesetzt. Diese kleineren SCR-Systeme besitzen aufgrund niedriger Abgasvolumina und deshalb eines kleineren Massenstroms an Reduktionsmittel, das in das System eingeleitet werden muss, andere Designs. Jüngst wurden Schadstoffrichtlinien für 500 bis 4500 Kilowatt (kW) Diesel- und Gasmotoren für den Schifffahrts-, Off-Road und Stromerzeugungssektor verabschiedet. Gegenwärtig bestehen die in Motoren dieser Größen verwendeten Systeme aus einem langen Abgasrohr (bis zu etwa 10 m) mit einem großen Durchmesser (bis zu etwa 0,6 m) und einem SCR-Reaktor, der sich im Strom des Abgases befindet. Eine wässrige Harnstofflösung wird mit Hilfe einer Lanze direkt in das Abgas eingespritzt. Der Harnstoff wandelt sich danach im vollen Abgasstrom in Ammoniak um. Um ein gleichförmiges Ammoniakkonzentrationsmuster über den Katalysatorquerschnitt hinweg zu erhalten, wird der Strom absichtlich durch statische Mischer gestört. Oftmals wird das Ammoniak durch ein Ammoniakeinspritzgitter (AIG – Ammonia Injection Grid) direkt in den vollen Abgasstrom eingeleitet, bevor es durch einen oder mehrere Mischer und dann den SCR-Katalysator geschickt wird. Ungleichmäßige Strömungsverteilungen können zu Bereichen mit Niedertemperaturabschnitten führen, was zur Ablagerung oder zur Korrosion von dem teilweise zersetzten Harnstoff führt.
Diese Harnstoffverluste führen auch zu einer Abnahme bei der NO_x-Umwandlungsaktivität, weil das abgeschiedene Material an der Reaktion zum Umwandeln von Harnstoff in Ammoniak nicht teilnehmen kann.
Der Raum ist ein wesentlicher Faktor bei Anwendungen für Schifffahrts-, Off-Road- und Stromerzeugungssektoren, und die Verwendung des Raums kann die Ökonomie des Betriebs in diesen Sektoren beeinflussen. Beispielsweise könnte eine Superjacht oder eine Fähre Passagierraum verlieren, was direkt zu verlorenem Einkommen führt. Große Bagger und Lastkraftwagen im Bergbau müssten die Lasten reduzieren, die sie bewegen oder tragen können, was zur Notwendigkeit führt, zusätzliche Ausgrabungsoperationen durchzuführen oder zusätzliche Fahrten zu machen, um die gleiche Materialmenge zu bewegen. Bei bestimmten Fahrzeugen wie etwa Schleppern besitzen die Maschinenräume möglicherweise nicht den Platz, der erforderlich ist, um die gegenwärtige SCR-Anlage nach dem Stand der Technik zu installieren.
Das hierin beschriebene kompakte SCR-System gestattet den Einsatz von Harnstoff beim Reduzieren der Konzentrationen an Stickoxiden (NO_x) in Abgasen unter Verwendung eines SCR-Prozesses in Motoren mit einer Größe, bei denen Abgasnachbehandlungssystemplatzbeschränkungen zuvor ein Hindernis bei ihrer Verwendung waren. Einer der Vorteile des hierin beschriebenen kompakten SCR-Systems besteht darin, dass das System zusätzlich dazu, dass es mit neuen Motoren in den oben beschriebenen Sektoren verwendet werden kann, auch die Installation von Nachrüstsystemen gestattet, so dass auch existierende Motoren ihre Emissionen reduzieren können.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt stellt die Erfindung ein System zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) bereit, das einen SCR-Reaktor, ein Einlassstromsystem und ein Zerstäubermodul umfasst, wobei

a. der SCR-Reaktor mindestens einen SCR-Katalysator umfasst und mit dem Einlassstromsystem und dem Zerstäubermodul in Kommunikation steht,
b. das Einlassstromsystem einen oder mehrere Eingänge für Abgase von einem Motor umfasst, wobei der Eingang konfiguriert ist zum Verteilen des Stromes von Gasen durch mindestens einen Strömungskanal, der sich um den SCR-Reaktor herum befindet, wobei der Strom von Abgasen durch die Strömungskanäle um den SCR herum Wärme an das Zerstäubermodul liefert, worin Harnstoff oder ein Ammoniakvorläufer in das Zerstäubermodul eingeleitet wird, um zu Ammoniak umgewandelt zu werden, bevor es in den SCR-Reaktor eingeleitet wird, und der Strom von Gasen in jedem der Strömungskanäle in den SCR-Reaktor nach der Einleitung eines mit Ammoniak beladenen Gasstroms und nach dem Hindurchschicken durch mehrere Ablenkplatten eingeleitet wird, um eine ungefähr gleichförmige Gasgeschwindigkeit und ein ungefähr gleichförmiges Konzentrationsprofil über den Querschnitt des SCR-Reaktors bereitzustellen, und
c. ein Zerstäubermodul, das Mittel umfasst zum Einleiten von Harnstoff oder eines Ammoniakvorläufers in einen geheizten Vorreaktor, in dem es mindestens teilweise zersetzt wird und danach in einen Abgasstrom eingespeist wird, bevor der Abgasstrom in den SCR-Reaktor eingeleitet wird.

Ein kompaktes System zur selektiven katalytischen Reduktion, das einen SCR-Reaktor, ein Einlassstromsystem und ein Zerstäubermodul umfasst, wird beschrieben, bei dem ein Strom heißen behandelten Abgases verwendet wird, um für die Zersetzung des Harnstoffs in seine aktiven Komponenten einschließlich Ammoniak zu sorgen. Das System gestattet eine relativ lange Verweilzeit von Harnstoff/Ammoniak in dem Zerstäubermodul, bevor das Reduktionsmittel in die Abgase eingespeist wird, die danach in einen SCR-Katalysator in einem SCR-Reaktor geschickt werden. Der SCR-Reaktor umfasst mindestens einen SCR-Katalysator und steht in Kommunikation mit dem Einlassstromsystem und dem Zerstäubermodul. Das Einlassstromsystem umfasst einen oder mehrere Eingänge, damit Abgase von einem Motor eintreten können. Der Eingang ist konfiguriert zum Verteilen des Stroms von Gasen in Ströme durch Strömungskanäle um den SCR-Reaktor herum. Der Fluss von Abgasen durch Strömungskanäle um den SCR herum liefert zusätzliche Wärme an das Zerstäubermodul, um eine Lösung von Harnstoff oder einem Ammoniakvorläufer zu verflüchtigen, die in das Zerstäubermodul eingeleitet wird, das auch durch einen Strom sauberen heißen Abgases erhitzt wird. Die Strömungskanäle enthalten eine Reihe von Ablenkplatten, die die Laufzeit des Gases im System bei einigen Ausführungsformen steuern können. Harnstoff oder ein Ammoniakvorläufer wird in einen Gasstrom eingeleitet, der durch den SCR-Reaktor in einem Zerstäubermodul geschickt worden ist. Dort wird der verflüchtigte Harnstoff oder ein Ammoniakvorläufer mit dem Strom heißer Gase vermischt, die durch den SCR-Reaktor geschickt worden sind, und er wird in Ammoniak umgewandelt. Ammoniakhaltiges Gas von dem Zerstäubermodul wird mit den Abgasen in den Strömungskanälen vermischt. Die kombinierten Gase werden vermischt und dann in den SCR-Reaktor eingeleitet, wo die Mischung von Gasen eine ungefähr gleichförmige Gasgeschwindigkeit und ein ungefähr gleichförmiges Konzentrationsprofil über den Querschnitt des SCR-Reaktors aufweist. Das System verwendet kein Ammoniakeinspritzgitter (AIG), wie es oftmals in traditionellen SCR-Prozessen verwendet wird. Nach dem Schicken durch den SCR-Katalysator werden die behandelten Abgase in einen Primärstrom, der aus dem System abgezogen wird, und einen sekundären Strom, der zum Zerstäubermodul geschickt wird, aufgeteilt.
Viele der bevorzugten Aspekte der Erfindung werden unten beschrieben. Es werden äquivalente Zusammensetzungen in Betracht gezogen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird an Hand der folgenden ausführlichen Beschreibung, insbesondere in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, besser verstanden werden und ihre Vorteile werden offensichtlicher werden.
1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines kompakten SCR-Systems, wo der Einlassstrom durch zwei Strömungskanäle zur Rückseite des System übertragen wird, wo er umgelenkt und durch den SCR-Katalysator geschickt wird; ein Teil des gereinigten Abgases wird mit Harnstoff vermischt und dann in den Abgasstrom eingeleitet, bevor es durch den Katalysator geschickt wird.
2 ist eine dreidimensionale schematische Darstellung einer Ausführungsform eines kompakten SCR-Systems, wo der Abgasstrom durch zwei Strömungskanäle auf beiden Seiten des Reaktors geschickt wird, bevor eine Mischung aus gereinigtem Abgas und Harnstoff in das Abgas eingeleitet wird, bevor es durch den Katalysator geschickt wird.
3 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Strömungskanals, in dem die Abgaslaufzeit vor der Ammoniakeinleitung durch strömungsparallele Ablenkplatten vergrößert wird, bevor es durch den Katalysator geschickt wird.
4 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer abgewinkelten Strömungsplatte auf der Rückseite des kompakten SCR-Systems, was eine relativ homogene Impulsverteilung vor dem Katalysator gestattet.
5 ist eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines kompakten SCR-Systems, wo ein Teil des gereinigten Abgases mit Harnstoff vermischt und dann wieder in das Abgas eingeleitet wird, bevor es durch den Katalysator geschickt wird.
6 ist eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine Ausführungsform eines Zerstäubermoduls, bei dem das Harnstoffzerstäuberrohr eine Länge besitzt, die etwa das Doppelte der Länge des in 2 gezeigten Rohrs beträgt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein kompaktes System zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) für die Reduktion von NO_x, bei dem ein Strom heißen behandelten Abgases verwendet wird, um für die Zersetzung des Harnstoffs in seine aktiven Komponenten einschließlich Ammoniak zu sorgen. Es wird ein kompaktes System beschrieben, das einen SCR-Reaktor, ein Einlassstromsystem und ein Zerstäubermodul umfasst. Der SCR-Reaktor umfasst mindestens einen SCR-Katalysator und steht mit dem Einlassstromsystem und dem Zerstäubermodul in Kommunikation. Das Einlassstromsystem befindet sich bei mindestens vier Seiten des SCR-Reaktors und ist konfiguriert zum Bereitstellen eines ungefähr gleichförmigen Stroms des Abgases durch den Katalysator und zum Liefern von Wärme an das Zerstäubermodul. Das Zerstäubermodul ist konfiguriert, die Umwandlung von Harnstoff in Ammoniak zu gestatten und das Ammoniak mit den Abgasen im SCR-Reaktor zu kontaktieren. Die Konfiguration des kompakten Systems gestattet die Zersetzung des Reduktionsmittelvorläufers in das aktive Reduktionsmittel vor der Reduktionsmitteleinspritzung in den Hauptabgasstrom, was zu einer kürzeren Entfernung, die für das Vermischen benötigt wird, und einem kompakteren System im Vergleich zu Systemen nach dem Stand der Technik, die mit 500 bis 4500 Kilowatt (kW) Motoren verwendet werden, führt.
Die Erfindung stellt ein SCR-System bereit, das einen SCR-Reaktor, ein Einlassstromsystem und ein Zerstäubermodul umfasst. Es gibt mehrere Ausführungsformen, die in bevorzugten Formen beschrieben werden. Ein Einlassstromsystem befindet sich bei mindestens vier Seiten des SCR-Reaktors und ist konfiguriert zum Liefern eines ungefähr gleichförmigen Stroms des Abgases durch den Katalysator und zum Liefern zusätzlicher Wärme an das Zerstäubermodul. Das Zerstäubermodul ist konfiguriert, die Umwandlung von Harnstoff in Ammoniak zu gestatten, und das Ammoniak mit den Abgasen vor dem SCR-Katalysator zu kontaktieren. Die Konfiguration des Systems gestattet eine längere Zersetzungszeit des Reduktionsmittelvorläufers in dem System im Vergleich zu Systemen nach dem Stand der Technik, die mit 500 bis 4500 Kilowatt (kW) Motoren mit einer ähnlichen Bodenfläche verwendet werden.
Das System liefert ein Reaktionsmittel, bevorzugt Ammoniak, das mit Verbindungen reagieren kann, die im Abgas vorliegen, um die NO_x-Konzentrationen im Gas zu reduzieren. Bei einer Ausführungsform wird das Reaktionsmittel gebildet, indem eine Verbindung, die Ammoniak bilden kann, wie Harnstoff, in das Reaktionsmittel in der Gasphase umgewandelt wird, das Gas, das das Reaktionsmittel enthält, mit NO_x-haltigem Abgas kombiniert wird und dann die kombinierten Gase durch einen SCR-Katalysator in einem SCR-Reaktor geschickt werden. Um den Harnstoff in Ammoniak umzuwandeln, wird eine wässrige Lösung von Harnstoff in einen Strom heißen Gases eingespritzt, wobei sich sowohl das Wasser als auch der Harnstoff verflüchtigen und in dem heißen Gas als Dämpfe anwesend werden. Das System liefert ein Mittel zum Steuern der Einleitung von Harnstoff oder eines Ammoniakvorläufers. Das zum Verdampfen der Lösung von Harnstoff verwendete heiße gereinigte Gas wird aus gereinigtem Gas erhalten, das entsteht, nachdem die Mischung aus Ammoniak und Abgas durch den SCR-Katalysator hindurchtritt. Wärme von dem gereinigten Gas und von dem Rohgas über Wärmetransfer in das Zerstäubermodul zerstäubt sowohl Wasser als auch Harnstoff und wandelt Harnstoff in Ammoniak um. Der Ausdruck „rohes” Abgas soll ein Abgas beschreiben, bevor es behandelt wurde. Der Ausdruck „sauberes” Abgas soll Abgas beschreiben, nachdem es in Anwesenheit eines Reduktionsmittels durch den SCR-Katalysator geschickt worden ist. Das Zerstäubermodul kann ein Mittel umfassen zum Entfernen eines Teils des den SCR-Reaktor verlassenden sauberen Abgases, ein Mittel zum Sammeln des Teils des sauberen Abgases unter Druck, ein Mittel zum Einspeisen des unter Druck stehenden sauberen Abgases in ein Zerstäuberrohr und ein Mittel zum Einspritzen von Harnstoff oder einem Ammoniakvorläufer in das saubere Abgas im Zerstäuberrohr. Der Massenstrom und die Temperatur des sauberen Gases und die Verweilzeit des Harnstoffs oder des Ammoniakvorläufers im heißen Gasstrom reichen aus, um die volle Verdampfung des Wassers und die thermische Zersetzung des Harnstoffs oder des Ammoniakvorläufers zu erzielen. Das Zerstäubermodul kann eine wässrige Harnstofflösung einspritzen. Ammoniak kann sowohl in die Strömungskanäle als auch Durchgänge zum Reaktor eingeleitet werden.
Die Vorrichtung und der Prozess, die hierin beschrieben sind, sind effektiv mit Harnstoff, können aber andere NO_x-reduzierende Reagentien verwenden, entweder ammoniakbildende oder andere NO_x-reduzierende Reagentien, die beim Erhitzen ein Reaktionsmittelgas bilden können. Die Reaktionen, die auftreten, sind in der Technik wohlbekannt. Eine Zusammenfassung dieser Reaktionen wird in den US-Patenten Nummern 8,105,560 und 7,264,785 beschrieben, die beide in ihrer Gänze durch Bezugnahme aufgenommen sind.
Der Ausdruck „Harnstoff” soll Harnstoff, CO((NH₂)₂) und Reagentien, die zu Harnstoff äquivalent sind, beinhalten, weil sie bei Erhitzen Ammoniak und HNCO bilden. Andere in der Technik bekannte NO_x-reduzierende Reagentien können ebenfalls verwendet werden. Bei einer weiteren Ausführungsform können NO_x-reduzierende Reagentien, die keinen Harnstoff oder kein HNCO bilden, aber mit den in Abgas vorliegenden Verbindungen reagieren, um die NO_x-Konzentrationen zu reduzieren, verwendet werden.
Das eingeleitete Volumen der Harnstofflösung hängt sowohl von dem NO_x-Massenfluss als auch der Harnstoffkonzentration in der Lösung ab. Die eingeleitete Harnstoffmenge steht auf der Basis der Stöchiometrie der involvierten Reaktionen, der Temperatur des rohen Abgases und des zu verwenden Katalysators zur NO_x-Konzentration in Beziehung. Die verwendete Harnstoffmenge steht zu „NSR” in Beziehung, was sich auf die relativen Äquivalente von Stickstoff im Harnstoff oder ein anderes NO_x-reduzierendes Mittel zu den Äquivalenten von Stickstoff in NO_x in den zu behandelnden Abgasen bezieht. Der NSR-Wert kann im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 2 liegen, liegt aber bevorzugt innerhalb des Bereichs von 0,6 bis 1,2 einschließlich.
Der in dem hier beschriebenen kompakten SCR-System verwendete SCR-Katalysator kann unter jenen gewählt werden, die in der Technik dafür bekannt sind, dass sie die Konzentration von Stickoxiden in Anwesenheit von Ammoniak reduzieren können. Zu diesen zählen beispielsweise Zeolite, Oxide von Vanadium, Wolfram, Titan, Eisen, Kupfer, Mangan und Chrom, Edelmetalle wie etwa die Platingruppenmetalle Platin, Palladium, Rhodium und Iridium und Mischungen davon. Es können auch andere SCR-Katalysatormaterialien verwendet werden, die in der Technik üblich sind und dem Fachmann vertraut sind, wie Aktivkohle, Holzkohle oder Koks. Zu bevorzugten Katalysatoren zählen Übergangsmetalle/Zeolite, zum Beispiel Cu/ZSM-5 oder Fe/Beta; auf Vanadiumoxid basierende Katalysatoren wie etwa V₂O₅/WO₃/TiO₂; oder Nicht-Zeolit-Übergangsmetallkatalysatoren wie etwa Fe/WO_x/ZrO₂.
Diese SCR-Katalysatoren werden typischerweise auf einem Träger wie etwa einem Metall, einer Keramik, Zeolit montiert oder werden als ein homogener Monolith extrudiert. Es können auch andere in der Technik bekannte Träger verwendet werden. Es wird bevorzugt, dass die Katalysatoren auf ein Durchflussmonolithsubstrat, ein Filtersubstrat oder in einer extrudierten Form aufgebracht werden. Ganz besonders bevorzugt werden die Katalysatoren auf einem Durchflussmonolithsubstrat aufgebracht oder liegen in einer extrudierten Form vor. Es wird bevorzugt, dass diese Katalysatoren in oder auf einem Wabendurchflussträger vorliegen. Für ein kleinvolumiges SCR-System werden SCR-Katalysatoren mit relativ hohen Zelldichten bevorzugt, beispielsweise 45 bis 400 Zellen pro Quadratinch (cpsi), besonders bevorzugt 70 bis 300 cpsi und ganz besonders bevorzugt 100 bis 300 cpsi.
Die Erfindung kann auch gemäß einer oder mehreren der folgenden Aussagen definiert werden:

1. Ein System zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR – Selective Catalytic Reduction), das einen SCR-Reaktor, ein Einlassstromsystem und ein Zerstäubermodul umfasst, wobei a. der SCR-Reaktor mindestens einen SCR-Katalysator umfasst und mit dem Einlassstromsystem und dem Zerstäubermodul in Kommunikation steht, b. das Einlassstromsystem einen oder mehrere Eingänge für Abgase von einem Motor umfasst, wobei der Eingang konfiguriert ist zum Verteilen des Stromes von Gasen durch mindestens einen Strömungskanal, der sich um den SCR-Reaktor herum befindet, wobei der Strom von Abgasen durch die Strömungskanäle um den SCR herum Wärme an das Zerstäubermodul liefert, worin Harnstoff oder ein Ammoniakvorläufer in das Zerstäubermodul eingeleitet wird, um zu Ammoniak umgewandelt zu werden, bevor es in den SCR-Reaktor eingeleitet wird, und der Strom von Gasen in jedem der Strömungskanäle in den SCR-Reaktor nach der Einleitung eines mit Ammoniak beladenen Gasstroms und nach dem Hindurchschicken durch mehrere Ablenkplatten eingeleitet wird, um eine ungefähr gleichförmige Gasgeschwindigkeit und ein ungefähr gleichförmiges Konzentrationsprofil über den Querschnitt des SCR-Reaktors bereitzustellen, und c. ein Zerstäubermodul, das Mittel umfasst zum Einleiten von Harnstoff oder eines Ammoniakvorläufers in einen geheizten Vorreaktor, in dem es mindestens teilweise zersetzt wird und danach in einen Abgasstrom eingespeist wird, bevor der Abgasstrom in den SCR-Reaktor eingeleitet wird.
2. System von 1, wobei der geheizte Vorreaktor durch einen Strom gereinigten Abgases geheizt wird.
3. System von 1, weiterhin umfassend eine feste Platte, die diagonal in einer Verbindungspassage zwischen mindestens einem Strömungskanal und der SCR-Reaktorsektion montiert ist.
4. System von 1, wobei das System konfiguriert ist zum Bereitstellen einer ungefähr gleichförmigen Konzentration von Ammoniak über einen Querschnitt des Katalysators hinweg.
5. System von 1, wobei der Einlassstrom von Gas in zwei oder mehr Strömungskanäle getrennt wird.
6. System von 5, wobei der Strom von Gas in jedem der Strömungskanäle etwa gleich ist.
7. System von 1, wobei Druck- und/oder Temperaturfluktuationen, die von den Arbeitsbedingungen des Brenners herrühren, zwischen zwei Einlasskanälen minimiert sind.
8. System von 1, wobei das SCR-System ein Länge-Höhe-Verhältnis von etwa 2 besitzt.
9. System von 1, wobei mindestens einer der Strömungskanäle sich auf einer ersten Seite des SCR-Reaktors befindet und mindestens einer eines anderen Strömungskanals sich auf der gegenüberliegenden Seite des SCR-Reaktors befindet.
10. System von 1, wobei die Ablenkplatten so angeordnet und orientiert sind, dass sie eine gleichförmige Impulsverteilung des Abgases vor dem Katalysator bereitstellen und die Laufzeit des Abgases vor dem Zusatz von Ammoniak vergrößern.
11. System von 1, weiterhin umfassend ein Mittel zum Steuern der Einleitung von Harnstoff oder eines Ammoniakvorläufers.
12. System von 11, wobei das Mittel zum Steuern der Einleitung von Harnstoff oder eines Ammoniakvorläufers einen NO_x-Sensor umfasst.
13. System von 1, wobei die Reaktorbreite größer oder gleich der Reaktorhöhe ist.
14. System von 1, wobei die Strömungskanäle rechteckig, quadratisch, kreisförmig oder halbkreisförmig sind.
15. System von 1, wobei die rechteckigen Strömungskanäle einen rechteckigen Querschnitt besitzen und die Länge der Strömungskanäle etwa gleich der Länge des SCR-Reaktors ist.
16. System von 15, wobei die Breite und Höhe jedes rechteckigen Strömungskanals relativ zur Länge jedes rechteckigen Strömungskanals etwa 1/8 oder kleiner bzw. 1/2 betragen.
17. System von 15, wobei die Breite und Höhe jedes rechteckigen Strömungskanals relativ zur Länge jedes rechteckigen Strömungskanals etwa 1/6 oder kleiner bzw. 1/6 betragen, falls horizontale Ablenkplatten verwendet werden.
18. System von 1, wobei der mindestens eine SCR-Katalysator in Form eines Monolithen mit einer quadratischen, rechteckigen oder kreisförmigen Gestalt in der Nettogasstromrichtung durch den Monolithen vorliegt.
19. System von 1, wobei der SCR-Reaktor mindestens einen SCR-Katalysator in Form eines Monolithen umfasst.
20. System von 1, wobei das Zerstäubermodul ein Mittel zum Entfernen eines Teils des den SCR-Reaktor verlassenden sauberen Abgases, ein Mittel zum Sammeln des Teils des sauberen Abgases unter Druck, ein Mittel zum Einspeisen des unter Druck stehenden sauberen Abgases in ein Zerstäuberrohr und ein Mittel zum Einspritzen von Harnstoff oder einem Ammoniakvorläufer in das saubere Abgas in dem Zerstäuberrohr umfasst.
21. System von 20, wobei das Mittel zum Entfernen eines Teils des den SCR-Reaktor verlassenden sauberen Gases und Sammeln des Teils des sauberen Abgases unter Druck ein Heißluftverdichter oder ein Mittel ist, das mechanische Energie von dem Motor verwendet.
22. System von 20, wobei der Massenstrom und die Temperatur des sauberen Gases und die Verweilzeit des Harnstoffs oder des Ammoniakvorläufers im heißen Gasstrom ausreichen, um die vollständige Verdampfung des Wassers und die thermische Zersetzung des Harnstoffs oder des Ammoniakvorläufers zu erzielen.
23. System von 20, wobei die Gasgeschwindigkeit im Zerstäuberrohr etwa 10 Meter pro Sekunde beträgt.
24. System von 20, wobei der Massenstrom des entfernten sauberen Gases kleiner ist als etwa 10% relativ zum Gesamtabgasmassenstrom.
25. System von 20, wobei das Zerstäuberrohr eine ungefähr gleiche Länge wie die Länge des Reaktors aufweist.
26. System von 20, wobei sich das Zerstäuberrohr in mindestens einem der Strömungskanäle befindet.
27. System von 20, weiterhin umfassend ein Mittel zum Aufteilen des Massenstroms des sauberen Gases in etwa die Hälfte und ein Mittel zum Einspeisen des sauberen Gases in das Zerstäuberrohr auf Offset-Weise, um im Zerstäuberrohr einen Wirbelstrom zu erzeugen.
28. System von 20, wobei eine wässrige Harnstofflösung eingespritzt wird.
29. System von 20, wobei Ammoniak dann sowohl in den Strömungskanal/die Reaktordurchgänge eingeleitet wird.
30. System von 20, wobei die Verteilung des mit Ammoniak beladenen sauberen Gases im Abgasstrom auf gleichförmige Weise unter Verwendung einer Einrichtung vorgesehen wird, die sich in der Mitte jedes Durchgangs zwischen einem Strömungskanal und dem Reaktor befindet, wobei die Einrichtungen/Rohre Öffnungen enthalten, so dass etwa der gleiche Strom über den rechteckigen Strömungsdurchgang an jedem der Durchgänge auftritt.
31. Ein Verfahren zum Reduzieren der im Abgas von einem Motor entstehenden Menge an Stickoxiden, wobei das Verfahren das Schicken von Abgas vom Motor durch ein SCR-System von 1 umfasst.

1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines SCR-Systems, bei dem das Abgas von einem Motor in einem Einlassstromsystem in zwei Ströme verteilt wird. Bei einer weiteren Ausführungsform kann das Abgas von einem Motor innerhalb des Einlassstromsystems innerhalb eines einzelnen Stroms gehalten werden. Bei weiteren Ausführungsformen wird das Abgas von einem Motor in einem Einlassstromsystem in drei oder mehr Ströme verteilt. Die Anzahl der Ströme im Einlasssystem hängt von mehreren Faktoren ab, einschließlich dem für das SCR-System verfügbaren Platz und der Temperatur und dem Massenstrom des Abgases. Bei einer Ausführungsform empfängt das kompakte SCR-System Abgase von einem Motor, der etwa 500 kW bis etwa 1000 kW (1 Megawatt) oder 1000 kW (1 Megawatt) bis etwa 2000 kW (2 Megawatt) oder 2000 kW (2 Megawatt) bis etwa 4500 kW (4,5 Megawatt) erzeugt. Motorabgas strömt in das SCR-System durch einen Eingang 1, bei dem es sich um einen einzelnen Eingangsflansch für einen Motor mit einer Zylinderbank oder zwei oder mehr Eingänge für einen Motor mit mehreren, z. B. zwei Zylinderbänken handeln kann (einen V-Motor mit einem Turbolader an jeder Bank des V). Typischerweise und für ein bevorzugtes Strömungsmuster würden runde Eingänge in das System wie Rohre/Flansche verwendet werden, doch können auch andere Formen verwendet werden, wie etwa eine quadratische, rechteckige, dreieckige oder ovale Form. Nach dem Eintritt in das System durch den Eingang 1 wird der Gasstrom in einen oder mehrere, bevorzugt zwei Strömungskanäle um die Reaktorsektion 3 herum verteilt, wie in dem Ausführungsbeispiel in 1 als Zahlen 11 und 12 gezeigt. Die Strömungskanäle können rechteckige, quadratische, kreisförmige oder halbkreisförmige Querschnitte besitzen. Bei einer Ausführungsform umfasst das System zwei Strömungskanäle mit einem rechteckigen Querschnitt, wobei die Höhe jedes Strömungskanals etwa ½ der Länge des Strömungskanals beträgt, siehe 2. Eine erhöhte Kraftstoffeffizienz kann durch Verwenden einer größeren Querschnittsfläche realisiert werden, was mit mehr als einem Strömungskanal bei konstantem Kanalquerschnitt erzielt werden kann, was zu einem geringeren Druckverlust (Verlusthöhe) führt. Wenn zwei oder mehr Einlässe verwendet werden, werden Fluktuationen bei Temperaturen, Drücken usw. zwischen den Zylinderbänken ausgeglichen. Bei einer Ausführungsform besitzen die Strömungskanäle einen rechteckigen Querschnitt und die Länge der Strömungskanäle ist etwa die Länge des SCDR-Reaktors. Die Breite und Höhe jedes Strömungskanals relativ zur Länge jedes rechteckigen Strömungskanals kann etwa 1/8 oder kleiner bzw. 1/2 betragen.
Bei einer Ausführungsform liegen mehrere Strömungskanäle vor und der Gasstrom in jedem der Kanäle ist etwa gleich. Unter etwa gleich ist gemeint, dass beispielsweise in einem System mit zwei Strömungskanälen die Massenstromraten im Bereich von etwa 50:50 bis etwa 65:35 liegen, bevorzugt von etwa 50:50 bis etwa 60:40 und besonders bevorzugt von etwa 50:50 bis etwa 55:45. Die Verhältnisse des Massenstroms in mehreren Strömungskanälen sollten so eingestellt sein, dass sie eine gleichförmige Konzentration von Ammoniak oder einem anderen Reduktionsmittel über den Querschnitt des Katalysators im SCR-Reaktor liefern. Bei Ausführungsformen mit mehreren Abgasströmen gleicht das System Unterschiede zwischen den Strömen wie etwa Druck und Temperatur im Eingang 31 zur SCR-Reaktorsektion 3 aus. Die Figuren zeigen Ausführungsformen, wo die Strömungskanäle sich um die Seiten des SCR-Reaktors befinden. Bei anderen Ausführungsformen können die Strömungskanäle über und unter dem Reaktor verlaufen. Bei anderen Ausführungsformen können sich Strömungskanäle um eine oder mehrere Seiten und über/oder unter dem SCR-Reaktor befinden.
Bei einer Ausführungsform ist jeder der Strömungskanäle 11 und 12 mit Ablenkplatten 21 (siehe 2) ausgestattet, um die lokale Geschwindigkeit des Gasstroms in den Strömen zu erhöhen. Dies führt dazu, dass der Strom turbulenter wird, und es verbessert das Vermischen des Abgases mit dem verdampften Harnstoff oder dem anderen Reduktionsmittel. Bei einigen Ausführungsformen können die Ablenkplatten die Abgaslaufzeit vor der Einleitung von Ammoniak verlängern. Die Größe und der Platz der Ablenkplatten hängt von einer Reihe von Faktoren ab, wie etwa dem Volumen des von dem Motor erzeugten Abgases, seiner Temperatur usw. Ein Zerstäuberrohr kann sich in mindestens einem der Strömungskanäle befinden. Am Ende jedes Strömungskanals 11, 12 kann eine perforierte Platte 22 positioniert sein, um den Strom von Gasen auszugleichen. Die Größe und der Platz der Platte, die Anzahl, die Größe und der Ort der Perforationen können von einer Anzahl von Faktoren abhängen, wie etwa dem Volumen des vom Motor erzeugten Abgases, dem zulässigen Gegendruck, Temperatur usw. Die Verteilung des mit Ammoniak beladenen sauberen Gases im Abgasstrom kann auf gleichförmige Weise unter Verwendung einer Einrichtung bereitgestellt werden, die sich in der Mitte jedes Durchgangs zwischen einem Strömungskanal und dem Reaktor befindet, wobei die Einrichtungen/Rohre Öffnungen enthalten, so dass etwa der gleiche Strom über den rechteckigen Stromdurchgang an jedem der Durchgänge auftritt. Bei einer Ausführungsform, insbesondere wenn höhere Gegendrücke für den Motor zulässig sind, kann die Verweilzeit des Abgasstroms im Strömungskanal weiter vergrößert werden, indem er zur Rückseite, zur Vorderseite und wieder zur Rückseite gelenkt wird, wie in 3 gezeigt. Allgemein ist eine Verlängerung der Abgasstromlaufzeit notwendig, um die zu dosierende Menge an Reduktionsmittel mit Hilfe eines NO_x-Sensors und einer elektronischen Steuereinheit und eines Zerstäubermoduls, die unten erläutert werden, zu steuern. Zudem verbessert die höhere Gasgeschwindigkeit in dieser Ausführungsform das Vermischen von rohem Abgas und Ammoniak aufgrund höherer Verwirbelungshöhen. Falls horizontale Ablenkplatten verwendet werden und die Strömungskanäle eine rechteckige Form besitzen, können die Breite und Höhe jedes Strömungskanals relativ zur Länge jedes rechteckigen Strömungskanals etwa 1/6 oder kleiner bzw. 1/6 betragen.
Die Strömungsrichtung in jedem Strömungskanal 11 und 12 ist um 90° gedreht und zu einer abgewinkelten Strömungsplatte 23 gerichtet, die sich diagonal in einem Verbindungsdurchgang 31 zwischen den beiden Strömungskanälen 11 und 12 befindet, um vor dem Katalysator eine gleichförmige Impulsverteilung zu erzielen. 4 zeigt ein Schemadiagramm einer Ausführungsform dieser abgewinkelten Strömungsplatte 23, das einen Schnitt durch die Rückseite des kompakten SCR-Systems darstellt. 4 zeigt einen Querschnitt durch den Verbindungsdurchgang 31, wie in 1 gezeigt. In einem Verbindungsdurchgang 31 (siehe 1 und 4) wird das Abgas mit ein Reduktionsmittel enthaltendem heißem Gas vermischt, wie unten beschrieben. Der Ort und die Orientierung der abgewinkelten Platte liefern einen wesentlichen gleichförmigen Strom von Gasen über den Querschnitt des SCR-Reaktors 3. Ein gleichförmiger Abgasstrom über dem Katalysator im SCR-Reaktor führt zu einer ausgeglichenen Nutzung des Katalysators und stellt eine maximale NO_x-Umwandlung bereit. Der SCR-Reaktor kann eine Breite besitzen, die größer oder gleich der Reaktorhöhe ist.
SCR-Katalysator-Bricks befinden sich in der Mitte der SCR-Reaktorsektion 3. Diese Katalysator-Bricks sind in den 1 und 2 nicht gezeigt. Die SCR-Katalysator-Bricks können eine beliebige einer Anzahl von Querschnittsformen senkrecht zur Richtung des Gasflusses aufweisen, einschließlich quadratisch, rechteckig, sechseckig und kreisförmig, wobei quadratisch oder rechteckig wegen der höheren Nutzung der Querschnittsfläche bevorzugt wird. Bei einer Ausführungsform sind die SCR-Katalysator-Bricks quadratisch und besitzen einen Querschnitt von etwa 150 × 150 mm².
Das Abgas tritt dann von dem Verbindungsdurchgang 31 durch die nichtgezeigten SCR-Katalysator-Bricks im Reaktor 3, wobei das NO_x mit dem Reaktionsmittel auf der Katalysatoroberfläche in der selektiven katalytischen Reduktionsreaktion reagiert, so dass die NO_x-Menge im Abgas reduziert wird. Damit die SCR-Reaktion NO_x-Konzentrationen effektiv reduziert, sollte die Temperatur der den vergasten Harnstoff enthaltenden Verbrennungsgase mindestens etwa 100°C betragen, typischerweise zwischen etwa 180° und etwa 600°C liegen und bevorzugt über mindestens etwa 250°C liegen. Die Zusammensetzung, Form und insbesondere das Volumen des im SCR-Reaktor verwendeten Katalysators kann auf der Basis der Temperatur und des Massenstroms der Gase im SCR-Reaktor sowie der NO_x-Last und anderer Abgasbestandteile wie Kohlenwasserstoffen, Schwefel usw. gewählt werden, um für eine selektive Reduktion bei der katalytischen Reduktion von Stickoxiden zu Stickstoff zu sorgen.
Abgas, das durch den SCR-Katalysator hindurchgetreten ist, wird als gereinigt definiert bzw. wird als ein sauberes Abgas angesehen. Das saubere Abgas verlässt dann das kompakte SCR-System durch den Abgasflansch 4, siehe 1 und 2. Ein Teil des sauberen Abgases wird von dem größten Teil des gereinigten Abgasflusses getrennt, wie in 1 gezeigt. Die von dem größten Teil des gereinigten Abgasflusses getrennte Menge an gereinigtem Abgas hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, einschließlich Temperatur, Strömungsrate und NO_x-Last des Abgases. Der abgetrennte Teil des sauberen Abgases kann von etwa 1 bis 30% reichen, bevorzugt von 5 bis 15%, besonders bevorzugt von etwa 7 bis 10%, auf der Basis der Gesamtmenge des durch den Einlassflansch 1 eintretenden rohen Abgases. Bei einer Ausführungsform wird ein Teil des sauberen Abgases in einem Rohr hinter dem Abgasflansch abgetrennt. Bei einer Ausführungsform wird ein Teil des sauberen Abgases in einem Rohr vor dem Abgasflansch 4 abgetrennt. 5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Harnstoffzerstäubermoduls. Der entfernte Teil des gereinigten Abgases wird durch eine Verbindung, bevorzugt eine Röhre 51, zum Einspritzkopf 53 im Harnstoffzerstäubermodul transferiert. Bei einer Ausführungsform wird ein mit der Röhre 51 verbundener Heißluftverdichter 52 verwendet, um das gereinigte Abgas zu einem Einspritzkopf 53 im Zerstäubermodul zu transferieren. Die zusätzliche Eingabe kalter Frischluft kann die Energienachfrage des Heißluftverdichters aufgrund einer Zunahme der Gasdichte senken. Bei einer Ausführungsform kann mechanische Energie, die beispielsweise von dem Abgasstrom vor oder hinter dem kompakten SCR-System mittels eines Turboladers oder einer Kombination aus Heißluftverdichter und Turbolader geliefert wird, verwendet werden, um gereinigtes heißes Gas zu komprimieren und zum Einspritzkopf 53 zu transferieren. Bei einer Ausführungsform kann ein Mittel zum Nutzen mechanischer Energie, wie etwa eine Motorachse usw., verwendet werden.
Der Strom gereinigten Abgases zum Einspritzkopf 53 wird in mehrere Teilströme unterteilt. 5 zeigt den Strom des gereinigten Gases, der in zwei Teilströme (511, 512) unterteilt wird. Jeder der Teilströme wird einem Einspritzkopf 53 in einem Harnstoffzerstäuberrohr 5 des Zerstäubermoduls zugeführt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Teilströme um den Einspritzkopf 53 herum eingeleitet und sind tangential versetzt, um eine Verwirbelung von heißem Gas in dem Harnstoffzerstäuberrohr 5 zu induzieren. Das in 2 und 5 gezeigte Verteilungsrohr 5 besitzt eine Länge, die etwa gleich der Länge des kompakten SCR-Reaktorsystems ist. Bei weiteren Ausführungsformen beträgt die Länge des Verteilungsrohrs einen Bruchteil, bevorzugt größer als 1, der ungefähren Länge des SCR-Reaktors. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Zerstäubermoduls, bei dem das Harnstoffzerstäuberrohr eine Länge besitzt, die etwa das doppelte der Länge des SCR-Systems beträgt.
Der Strom des heißen sauberen Gases im Zerstäuberrohr 5 kann eine Geschwindigkeit von 2 bis 20 Metern pro Sekunde besitzen, bevorzugt etwa 10 Meter pro Sekunde, um eine Verweilzeit von etwa 100 Millisekunden zu erzielen. Der Durchschnittsfachmann würde erkennen, dass sowohl die Verweilzeit als auch die Temperatur des Gases im Zerstäuberrohr 5 wichtige Faktoren sind, um die Verflüchtigung der Lösung und die Umwandlung von Harnstoff in Ammoniak sicherzustellen. Auf der Basis dieser Faktoren kann die Verweilzeit des Dampfes verstellt werden, um die erforderliche Umwandlung von Harnstoff in Ammoniak bereitzustellen, die für die Betriebsbedingungen des Brenners und die Umwandlungsanforderungen spezifisch sind. Der Massenfluss des entfernten sauberen Gases kann kleiner sein als etwa 10% relativ zum Gesamtabgasmassenfluss. Eine wässrige Harnstofflösung wird in eine Düse 56 im Einspritzkopf 53 gepumpt und als Tröpfchen aus der Düse 56 in das Harnstoffzerstäuberrohr 5 freigesetzt. Die wässrige Harnstofflösung wird auf einer Konzentration gehalten, die für die Speicherung und Verarbeitung geeignet ist, ohne Ausfällung oder andere Probleme. Die Harnstoffkonzentration in der wässrigen Lösung kann von etwa 5 bis 55% reichen, bevorzugt von etwa 15 bis etwa 45%, besonders bevorzugt von etwa 30 bis etwa 40%. Innerhalb des Harnstoffzerstäuberrohrs 5 werden das Wasser und der Harnstoff verdampft und der Harnstoff wird zu Ammoniak zersetzt. Die Verweilzeit von Wasser/Harnstoff/Ammoniak im Zerstäuberrohr ist auf ungefähr 50 bis 200 Millisekunden, bevorzugt etwa 100 Millisekunden, eingestellt. Das mit Ammoniak beladene Gas wird in Ammoniakverteilrohre 54 und 55 eingespeist, siehe 2. Die Temperatur in den Verteilungsrohren sollte auf einer Temperatur von mindestens etwa 150°C und bevorzugt mindestens 200°C gehalten werden. Ein bevorzugter Temperaturbereich liegt zwischen etwa 300°C und etwa 450°C. Die Verwendung von reinem Gas stellt ein Mittel zum Steuern und/oder Verstellen der Geschwindigkeit des Gases mit Ammoniak oder einem anderen Reduktionsmittel im Harnstoffzerstäubungsrohr 5 und den Ammoniakverteilrohren 54 und 55 bereit, minimiert Nebenreaktionen von Harnstoffzersetzungsprodukten mit rohen Abgasbestandteilen wie Kohlenwasserstoffen, Schwefel usw. und liefert deshalb eine Steuerung der Verdampfungs-/Zersetzungszeit von wässrigem Harnstoff und deshalb die Möglichkeit, die höchstmögliche NO_x-Reduktion mit dem kleinsten möglichen Ammoniakschlupf zu erzielen.
Die Ammoniakverteilrohre umfassen Mittel zum Kombinieren des mit Ammoniak beladenen Gases mit dem Abgasstrom von den Strömungskanälen 11 und 12, um einen Ammoniak-Abgas-Strom zu bilden. Bei einer Ausführungsform umfasst das Mittel zum Kombinieren des mit Ammoniak beladenen Gases mit dem Abgasstrom mehrere Auslässe, die entlang mindestens einem Abschnitt der Ammoniakverteilrohre 54 und 55 in einem Bereich beabstandet sind, wo der Gasstrom von den Strömungskanälen 11 und 12 sich mit dem mit Ammoniak beladenen Gas vereinigen kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält jedes der Ammoniakverteilrohre 54 und 55 mehrere Löcher oder Öffnungen, die derart orientiert sind, dass die Öffnungen im Rohr 54 zum Rohr 55 gerichtet sind und die Öffnungen im Rohr 55 zum Rohr 54 gerichtet sind. Die Anzahl, Größe, der Ort und die Orientierung der Öffnungen können je nach der Strömungsrate des Abgases und der Konfiguration des kompakten SCR-Systems variiert werden. Die Öffnungen sind so ausgelegt, dass etwa der gleiche Massenstrom auf jeder Seite des Stroms auftritt, was eine Funktion des Druckverlustes des Zerstäuberrohrs 5 ist. Die Verwendung eines durch den Heißluftverdichter oder den Turbolader usw. bereitgestellten geringfügigen Überdrucks gestattet die Steuerung des Stroms der das Reaktionsmittel enthaltenden heißen Gase. Bei einer Ausführungsform, wo nur ein Strömungskanal vorliegt, reicht ein Ammoniakverteilrohr aus. Der gut verteilte Ammoniak-Abgasstrom fließt dann zur SCR-Reaktorsektion 3, wo er durch einen SCR-Katalysator hindurchtritt und in gereinigtes Abgas umgewandelt wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform verwendet das kompakte SCR-System kein Ammoniakeinspritzgitter (AIG), wie es oftmals bei traditionellen SCR-Prozessen verwendet oder gefordert wird. Bei einer Ausführungsform befindet sich ein Frischluftgebläse vor oder hinter dem Harnstoffeinspritzpunkt, um ausreichend Druck bereitzustellen, um den Seitenstrom in den Hauptstrom einzuleiten.
Bei einer Ausführungsform umfasst das kompakte SCR-System weiterhin ein Mittel für den Zugang zum SCR-Reaktor, um den Katalysator auszutauschen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Mittel eine Tür, die sich auf der Oberseite oder an der Seite des Reaktors befindet.
Bei einer Ausführungsform umfasst das kompakte SCR-System weiterhin einen oder mehrere NO_x-Sensoren und/oder Ammoniaksensoren (NH₃-Sensoren). Die NO_x- und/oder NH₃-Sensoren sind an eine Einheit angeschlossen, die die Menge an Harnstoff und an sauberem Gas, das in das Zerstäubermodul und danach in das Abgas transferiert werden soll, steuert. Bei einer Ausführungsform befindet sich ein NO_x-Sensor am Abgaseinlass an einem Strömungskanal. Bei einer weiteren Ausführungsform können ein NOX- oder NH₃-Sensor, die sich hinter dem SCR-Katalysator befinden, für eine Regelung verwendet werden. Bei einer weiteren Ausführungsform befindet sich ein nachgeschalteter NOx-Sensor in dem sauberen Gasstrom, der von einem Heißluftverdichter einem Zerstäuberrohr zugeführt wird. Bei noch einer weiteren Ausführungsform umfasst das System weiterhin einen NOx-Sensor im Einlass vor dem Strömungskanal. Bei noch einer weiteren Ausführungsform stellt das System eine Laufzeit des rohen Abgases im System vor der Einleitung der Mischung aus sauberem Gas/Ammoniak bereit, so dass eine rechtzeitige Einspritzung, beispielsweise im Fall von Lastwechseln, sichergestellt werden kann, und zwar besitzt eine elektronische Steuereinheit ausreichend Zeit, um die notwendige zu dosierende Harnstoffmenge zu berechnen und zu liefern (d. h.: (NOx-Sensorzeit + elektronische Verarbeitungszeit + Harnstoffverweilzeit in Rohr 5) = (Zeit, die das Abgas vom NOx-Sensor zum Ammoniakverteilrohr benötigt).
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das kompakte SCR-System einen oder zwei Einlassflansche zum Leiten von Abgasen von Motoren mit einer einzelnen oder doppelten Zylinderbank (z. B. einem V-Zylinder) mit einer Leistung von 500 bis 4500 kW. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Flansche kreisförmig.
Bei bevorzugten Ausführungsformen besitzt das System zwei Strömungskanäle, die auf jeder Seite des Reaktors positioniert sind (wie in 1 gezeigt), ein Zerstäuberrohr mit ungefähr der gleichen Länge wie der Reaktor, zwei Ammoniakverteilrohre mit hydraulisch optimierten Löchern, um einen ähnlichen Fluss durch beide Rohre zu erzielen, und eine abgewinkelte Strömungsplatte (wie in 4 gezeigt), wobei der Abgasstrom entlang den Platten fließt (im Gegensatz zu der umgekehrt gewinkelten Strömungsplatte, d. h. von links oben nach rechts unten, wo die Strömungskanäle in die Reaktorsektion 3 austreten). Der in diesen Ausführungsformen verwendete Katalysator kann hinsichtlich Zelldichten in Abhängigkeit von mehreren Faktoren stark variieren, einschließlich der Natur des verwendeten Brennstoffs und der Konzentration an Verunreinigungen im Brennstoff.
Bei einer Ausführungsform umfasst das SCR-System weiterhin einen Oxidationskatalysator, der vor dem Ureaeingang in jedem Strömungskanal angeordnet ist, um Kohlenwasserstoffe zu reduzieren, die die SCR-Aktivität verringern können. Der Oxidationskatalysator oxidiert auch CO, Aromate usw.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum Reduzieren der im Abgas von einem Motor entstehenden Menge an Stickoxiden bereit, das Folgendes umfasst: Schicken von Abgas vom Motor durch ein SCR-System, das einen SCR-Reaktor, ein Einlassstromsystem und ein Zerstäubermodul umfasst, wobei:

a. der SCR-Reaktor mindestens einen SCR-Katalysator umfasst und mit dem Einlassstromsystem und dem Zerstäubermodul in Kommunikation steht,
b. das Einlassstromsystem einen oder mehrere Eingänge für Abgase von einem Motor umfasst, wobei der Eingang konfiguriert ist zum Verteilen des Stromes von Gasen durch mindestens einen Strömungskanal, der sich um den SCR-Reaktor herum befindet, wobei der Strom von Abgasen durch die Strömungskanäle um den SCR herum Wärme an das Zerstäubermodul liefert, worin Harnstoff oder ein Ammoniakvorläufer in das Zerstäubermodul eingeleitet wird, um zu Ammoniak umgewandelt zu werden, bevor es in den SCR-Reaktor eingeleitet wird, und der Strom von Gasen in jedem der Strömungskanäle in den SCR-Reaktor nach der Einleitung eines mit Ammoniak beladenen Gasstroms und nach dem Hindurchschicken durch mehrere Ablenkplatten eingeleitet wird, um eine ungefähr gleichförmige Gasgeschwindigkeit und ein ungefähr gleichförmiges Konzentrationsprofil über den Querschnitt des SCR-Reaktors bereitzustellen, und
(c) ein Zerstäubermodul, das Mittel umfasst zum Einleiten von Harnstoff oder eines Ammoniakvorläufers in einen geheizten Abschnitt des Moduls, in dem es mindestens teilweise zersetzt wird und danach in einen Abgasstrom eingespeist wird, bevor der Abgasstrom in den SCR-Reaktor eingeleitet wird.

Die obige Beschreibung soll es dem Fachmann ermöglichen, die Erfindung zu praktizieren. Sie soll nicht alle möglichen Modifikationen und Varianten detaillieren, die sich dem Fachmann bei der Lektüre der Beschreibung ergeben. Jedoch sollen alle derartigen Modifikationen und Varianten innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung enthalten sein, die in der obigen Beschreibung ersichtlich ist und anderweitig durch die folgenden Ansprüche definiert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8105560 [0020]
US 7264785 [0020]

Claims

System zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) das einen SCR-Reaktor, ein Einlassstromsystem und ein Zerstäubermodul umfasst, wobei a. der SCR-Reaktor mindestens einen SCR-Katalysator umfasst und mit dem Einlassstromsystem und dem Zerstäubermodul in Kommunikation steht, b. das Einlassstromsystem einen oder mehrere Eingänge für Abgase von einem Motor umfasst, wobei der Eingang konfiguriert ist zum Verteilen des Stromes von Gasen durch mindestens einen Strömungskanal, der sich um den SCR-Reaktor herum befindet, wobei der Strom von Abgasen durch die Strömungskanäle um den SCR herum Wärme an das Zerstäubermodul liefert, worin Harnstoff oder ein Ammoniakvorläufer in das Zerstäubermodul eingeleitet wird, um zu Ammoniak umgewandelt zu werden, bevor es in den SCR-Reaktor eingeleitet wird, und der Strom von Gasen in jedem der Strömungskanäle in den SCR-Reaktor nach der Einleitung eines mit Ammoniak beladenen Gasstroms und nach dem Hindurchschicken durch mehrere Ablenkplatten eingeleitet wird, um eine ungefähr gleichförmige Gasgeschwindigkeit und ein ungefähr gleichförmiges Konzentrationsprofil über den Querschnitt des SCR-Reaktors bereitzustellen, und c. ein Zerstäubermodul, das Mittel umfasst zum Einleiten von Harnstoff oder eines Ammoniakvorläufers in einen geheizten Vorreaktor, in dem es mindestens teilweise zersetzt wird und danach in einen Abgasstrom eingespeist wird, bevor der Abgasstrom in den SCR-Reaktor eingeleitet wird.
System nach Anspruch 1, wobei der geheizte Vorreaktor einen Abschnitt des Zerstäubermoduls umfasst.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei der geheizte Vorreaktor durch einen Strom gereinigten Abgases geheizt wird.
System nach Anspruch 1, 2 oder 3, weiterhin umfassend eine feste Platte, die diagonal in einer Verbindungspassage zwischen mindestens einem Strömungskanal und der SCR-Reaktorsektion montiert ist.
System nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das System konfiguriert ist zum Bereitstellen einer ungefähr gleichförmigen Konzentration von Ammoniak über einen Querschnitt des Katalysators hinweg.
System nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Einlassstrom von Gas in zwei oder mehr Strömungskanäle getrennt wird.
System nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei mindestens einer der Strömungskanäle sich auf einer ersten Seite des SCR-Reaktors befindet und mindestens einer eines anderen Strömungskanals sich auf der gegenüberliegenden Seite des SCR-Reaktors befindet.
System nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Ablenkplatten so angeordnet und orientiert sind, dass sie eine gleichförmige Impulsverteilung des Abgases vor dem Katalysator bereitstellen und die Laufzeit des Abgases vor dem Zusatz von Ammoniak vergrößern.
System nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Strömungskanäle einen rechteckigen Querschnitt besitzen und die Länge der Strömungskanäle etwa die Länge des SCR-Reaktors beträgt und die Breite und Höhe jedes Strömungskanals relativ zur Länge jedes Strömungskanals etwa 1/8 oder kleiner bzw. 1/2 beträgt.
System nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der mindestens eine SCR-Katalysator in Form eines Monolithen mit einer quadratischen, rechteckigen oder kreisförmigen Gestalt in der Nettogasstromrichtung durch den Monolithen vorliegt.
System nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das Zerstäubermodul ein Mittel zum Entfernen eines Teils des den SCR-Reaktor verlassenden sauberen Abgases, ein Mittel zum Sammeln des Teils des sauberen Abgases unter Druck, ein Mittel zum Einspeisen des unter Druck stehenden sauberen Abgases in ein Zerstäuberrohr und ein Mittel zum Einspritzen von Harnstoff oder einem Ammoniakvorläufer in das saubere Abgas in dem Zerstäuberrohr umfasst.
System nach Anspruch 11, wobei das Mittel zum Entfernen eines Teils des den SCR-Reaktor verlassenden sauberen Gases und Sammeln des Teils des sauberen Abgases unter Druck ein Heißluftverdichter oder ein Mittel ist, das mechanische Energie von dem Motor verwendet.
System nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Massenstrom und die Temperatur des sauberen Gases und die Verweilzeit des Harnstoffs oder des Ammoniakvorläufers im heißen Gasstrom ausreichen, um die vollständige Verdampfung des Wassers und die thermische Zersetzung des Harnstoffs oder des Ammoniakvorläufers zu erzielen.
System nach Anspruch 11, 12 oder 13, wobei der Massenstrom des entfernten sauberen Gases kleiner ist als etwa 10% relativ zum Gesamtabgasmassenstrom.
System nach Anspruch 11, 12, 13 oder 14, wobei sich das Zerstäuberrohr in mindestens einem der Strömungskanäle befindet.
System nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die Verteilung des mit Ammoniak beladenen sauberen Gases im Abgasstrom auf gleichförmige Weise unter Verwendung einer Einrichtung vorgesehen wird, die sich in der Mitte jedes Durchgangs zwischen einem Strömungskanal und dem Reaktor befindet, wobei die Einrichtungen/Rohre Öffnungen enthalten, so dass etwa der gleiche Strom über den rechteckigen Strömungsdurchgang an jedem der Durchgänge auftritt.
Verfahren zum Reduzieren der im Abgas von einem Motor entstehenden Menge an Stickoxiden, wobei das Verfahren das Schicken von Abgas vom Motor durch ein SCR-System nach einem vorhergehenden Anspruch umfasst.