DE102015204296A1

DE102015204296A1 - Kompaktes zylindrisches SCR-System zur Reduktion von Stickstoffoxiden im sauerstoffreichen Abgas von Verbrennungsmotoren mit 500 bis 4500 kW

Info

Publication number: DE102015204296A1
Application number: DE102015204296.0A
Authority: DE
Inventors: Ilir PILURI; Dirk Reichert
Original assignee: Johnson Matthey Catalysts Germany GmbH
Current assignee: Johnson Matthey Catalysts Germany GmbH
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2015-03-10
Publication date: 2015-09-17
Also published as: CN106170613A; EP3140523B1; RU2016139624A; RU2016139624A3; CN106170613B; US20150260070A1; WO2015136262A1; JP2017509824A; US9803529B2; EP3140523A1; KR20160129085A

Abstract

Es wird ein kompaktes System für selektive katalytische Reduktion (SCR) beschrieben, das einen Systemeinlass, ein Gasströmungssystem und eine Mehrzahl von Katalysatorgruppen umfasst. Der Systemeinlass ist so ausgelegt, dass er Wärme des gereinigten Abgases zum Verdampfen einer Lösung eines Reduktionsmittels oder eines Vorläufers eines Reduktionsmittels verwendet und das verdampfte Reduktionsmittel mit Abgas mischt, um ein Mischgas zu bilden. Das Gasströmungssystem ist so ausgelegt, dass es das Mischgas vom Systemeinlass zu einer Mehrzahl von Katalysatorgruppen liefert und Wärme vom Abgas bereitstellt, um bei der Verdampfung des Reduktionsmittels/Vorläufers zu helfen und bei der Umwandlung des Vorläufers in das Reduktionsmittel zu helfen. Die Mehrzahl von Katalysatorgruppen umfasst SCR- und ASC-Katalysatoren, kann aber auch Filterfunktionalität umfassen.

Description

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein kompaktes System für selektive katalytische Reduktion (SCR für engl. selective catlytic reduction) zur NO_x-Reduktion, in welchem ein Strom von heißem Abgas Wärme zur Zersetzung von Harnstoff zu seinen aktiven Komponenten, einschließlich Ammoniak, bereitstellt. Es wird ein kompaktes System beschrieben, das einen Systemeinlass, ein mittiges Rohr, ein Gasströmungssystem und eine Mehrzahl von Katalysatorgruppen umfasst. Der Systemeinlass ist so ausgelegt, dass er heißes Abgas von einem Motor empfängt und das heiße Abgas mit Dämpfen aus einer Lösung mischt, die ein Reduktionsmittel oder einen Reduktionsmittelvorläufer umfasst, und das Reduktionsmittel zum Strömungssystem überträgt, wo es im SCR-Katalysator eine Reaktion eingeht. Reines Gas verlässt den SCR-Katalysator, tritt durch einen Abschnitt des Systems durch und verlässt dann das System. Die Bauform des kompakten Systems ermöglicht eine verbesserte Zersetzung von Harnstoff zu den aktiven Reduktionsmitteln gegenüber Systemen des Standes der Technik, die bei Motoren mit 500 bis 4500 Kilowatt (kW) verwendet werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die selektive katalytische Reduktion (SCR) von Stickstoffoxid (NO_x) in Rauchgasen wird in vielen Industriesektoren weltweit verwendet, um die nationalen und internationalen Emissionsvorschriften zu erfüllen. Stickstoffoxide, die im Verbrennungsprozess von fossilen und erneuerbaren Kraftstoffen gebildet werden, werden mit einem Reduktionsmittel, wie beispielsweise Ammoniak, auf einer katalytischen Oberfläche reduziert. Verschiedene Katalysatoren wurden auf einer Vielzahl von Substraten, wie beispielsweise Vanadiumoxid, Ionenaustausch-Zeolithen usw., verwendet. Die Katalysatoren können in verschiedenen Formulierungen hergestellt und in verschiedenen Formen, wie beispielsweise extrudierten oder beschichteten Waben, Metallsubstraten usw., dargeboten werden. Einer der Hauptfaktoren, der die Auswahl des geeigneten Katalysators bestimmt, ist die Temperatur des Rauchgases. Obwohl Ammoniak als Reduktionsmittel bevorzugt wird, ist die direkte Verwendung von Ammoniak aufgrund der gefährlichen Beschaffenheit von gasförmigem Ammoniak problematisch. Daher werden normalerweise Substanzen verwendet, die leicht zu handhaben und zu zersetzen sind, um Ammoniak zu bilden, wenn in die heißen Rauchgase eingespritzt. Zum Beispiel zerfällt eine wässrige Harnstofflösung bei Temperaturen über 140°C, um Ammoniak und Isocyansäure (HNCO) zu bilden, die dann zerfällt, um Ammoniak und Kohlenstoffdioxid zu bilden. Die Erzeugung von Ammoniak aus einer wässrigen Harnstofflösung ist jedoch ein verhältnismäßig langsamer Prozess. Wenn die Verweilzeit von Harnstoff im heißen Gasstrom zu kurz ist, kann dies zu Präzipitation auf den Reaktorwänden oder, was noch schlimmer ist, auf dem Katalysator führen. Daher sind stromaufwärts des eigentlichen Katalysators, der in SCR-Anwendungen des Standes der Technik verwendet wird, verhältnismäßig lange Einspritzleitungen mit einer Länge von mehreren Metern angeordnet. Bei diesen langen Leitungen handelt es sich typischerweise um ein gerades Rohr, durch welches das Abgas strömt und in welchem das Reduktionsmittel durch einen Injektor oder eine Lanze in den heißen Gasstrom eingespritzt wird.
Die zuvor beschriebenen SCR-Systeme wurden im Allgemeinen bei großen, stationären Systemen, wie beispielsweise Kraftwerken, verwendet. Kleinere SCR-Systeme wurden in Kraftfahrzeuganwendungen und in Motoren mit im Allgemeinen unter 600 kW eingesetzt. Diese kleineren SCR-Systeme weisen aufgrund von geringeren Abgasvolumina andere Konstruktionen auf, und daher muss ein kleinerer Massendurchfluss von Reduktionsmittel in das System eingeführt werden. Vor kurzem wurden Emissionsbestimmungen für die Diesel- und Gasmotoren mit 500 bis 4500 Kilowatt (kW) für die Marine-, Offroad- und Energieerzeugungssektoren festgelegt. Gegenwärtig bestehen die Systeme, die in Motoren dieser Größen verwendet werden, aus einem langen Abgasrohr (bis zu etwa 10 m) mit einem großen Durchmesser (bis zu etwa 0,6 m) und einem SCR-Katalysator, der im Strom des Abgases angeordnet ist. Eine wässrige Harnstofflösung wird mittels einer Lanze direkt in das Abgas eingespritzt. Der Harnstoff wandelt sich anschließend im Abgas-Vollstrom in Ammoniak um. Um ein einheitliches Ammoniak-Konzentrationsmuster über den Katalysatorquerschnitt zu erreichen, wird der Strom absichtlich durch statische Mischer gestört. Oft wird das Ammoniak durch ein Ammoniakeinspritzgitter (AIG für engl. ammonia injection grid) direkt in den Abgas-Vollstrom eingeführt, bevor er durch eine oder mehrere Mischer und dann durch den SCR-Katalysator durchgeführt wird. Daher können ungleichmäßige Strömungsverteilungen zu Punkten mit Abschnitten niedriger Temperatur führen, die zu Präzipitation oder Korrosion vom teilweise zersetzten Harnstoff führen können. Diese Harnstoffverluste führen außerdem zu einer Abnahme der NO_x-Umwandlungsaktivität, da präzipitiertes Material nicht an der Reaktion zum Umwandeln von Harnstoff in Ammoniak teilnehmen kann.
Raum ist ein entscheidender Faktor in Anwendungen für die Marine-, Offroad- und Energieerzeugungssektoren, und die Verwendung von Raum kann die Wirtschaftlichkeit eines Betriebs in diesen Sektoren beeinflussen. Zum Beispiel könnte eine Superjacht oder eine Fähre Fahrgastraum verlieren, was direkt zu Einkommensverlusten führt. Große Bagger und Lastwagen für den Bergbau müssten die Lasten verringern, die sie bewegen oder befördern können, was dazu führt, dass zusätzliche Ausgrabungen durchgeführt oder zusätzliche Fahrten gemacht werden müssen, um die gleiche Menge Material zu bewegen. In bestimmten Fahrzeugen, wie beispielsweise Schleppbooten, verfügen die Maschinenräume möglicherweise nicht über den Platz, der zum Installieren der SCR-Anordnung des aktuellen Standes der Technik erforderlich ist.
Das kompakte SCR-System, das hierin beschrieben wird, ermöglicht die Verwendung von Harnstoff beim Reduzieren der Gehalte von Stickstoffoxiden (NO_x) in Abgasen unter Verwendung eines SCR-Prozesses in Motoren mit einer Größe, bei welcher Platzmangel für das Abgasnachbehandlungssystem ein Hindernis für seine Verwendung darstellte. Einer der Vorteile des hierin beschriebenen kompakten SCR-Systems ist, dass das System abgesehen davon, dass es zur Verwendung mit neuen Motoren in den zuvor beschriebenen Sektoren imstande ist, außerdem den Einbau von Nachrüstsystemen ermöglicht, so dass auch bestehende Motoren imstande sein werden, ihre Emissionen zu reduzieren.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es wird ein kompaktes System für selektive katalytische Reduktion (SCR) beschrieben, das einen Systemeinlass, ein mittiges Rohr, ein Gasströmungssystem und eine Mehrzahl von Katalysatorgruppen umfasst. Der Systemeinlass umfasst einen Einlass und eine anfängliche Mischzone, wobei der Einlass so ausgelegt ist, dass er Abgase von einem Motor empfängt und mit der anfänglichen Mischzone in Fluidverbindung steht. Die anfängliche Mischzone umfasst eine Mehrzahl von Mitteln zum Einführen eines Reduktionsmittels oder eines Reduktionsmittelvorläufers in Abgas in der anfänglichen Mischzone. Die anfängliche Mischzone steht in Fluidverbindung mit einem mittigen Rohr. Die anfängliche Mischzone umfasst mindestens eine Oberfläche in Wärmeverbindung mit dem Gasströmungssystem. Ein mittiges Rohr ist um eine Symmetrieachse angeordnet, die durch das System verläuft, und steht sowohl mit dem Systemeinlass als auch mit einem Gasstrom-Umlenkelement im Gasströmungssystem in Fluidverbindung. Das Gasströmungssystem umfasst (i) ein Gasstrom-Umlenkelement, (ii) eine Mehrzahl von Kanälen, und (iii) eine Auslasszone, die einen Auslasskonus und einen Auslass in Fluidverbindung mit dem Auslasskonus umfasst. Es gibt zwei Hauptbauformen des Abgasströmungssystems. Bei einer Bauform tritt Gas, welches das Gasstrom-Umlenkelement verlässt, in eine Katalysatorgruppe ein, ändert dann die Richtung und strömt durch eine Mehrzahl von Kanälen in eine Auslasszone. Bei einer anderen Bauform tritt Gas, welches das Gasstrom-Umlenkelement verlässt, in eine Mehrzahl vom Kanälen ein, die benachbart zu einem Außenmantel angeordnet sind, ändert die Richtung, tritt durch eine Mehrzahl von Katalysatorgruppen durch und gelangt dann in eine Auslasszone.
Viele der bevorzugten Aspekte der Erfindung werden im Folgenden beschrieben. Gleichwertige Zusammensetzungen sind denkbar.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung ist anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung insbesondere in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser zu verstehen, und ihre Vorteile sind daraus besser ersichtlich.
1 stellt einen verallgemeinerten Strom von Gasen in einem Beispiel eines kompakten SCR-Systems dar.
2 ist eine auseinandergezogene Ansicht eines Beispiels eines kompakten SCR-Systems, welche Komponenten des Systems darstellt.
3 ist eine Darstellung einer Querschnittansicht eines Beispiels eines kompakten SCR-Systems, welche die Position der Komponenten und den Strom von Gasen durch das SCR-System zeigt.
4 ist eine Seitenansicht eines beispielhaften kompakten SCR-Systems.
5 ist eine Darstellung von Querschnitten B-B, C-C und D-D eines kompakten SCR-Systems, das in 4 dargestellt ist.
6 ist eine Darstellung, welche die Montage einiger Komponenten in einem beispielhaften SCR-System zeigt.
7 stellt einen verallgemeinerten Strom von Gasen in einem Beispiel eines anderen kompakten SCR-Systems dar.
8 ist eine auseinandergezogene Ansicht eines beispielhaften Einlasses eines kompakten SCR-Systems, welche Komponenten des Einlasses darstellt.
9 ist eine Seitenansicht eines beispielhaften SCR-Systems, welche die Position der Wand des Einlasses darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung stellt ein SCR-System bereit, das einen Systemeinlass, ein mittiges Rohr, ein Gasströmungssystem und eine Mehrzahl von Katalysatorgruppen umfasst. Es werden mehrere Beispiel beschrieben, wobei einige in bevorzugten Formen sind.
In einem Aspekt der Erfindung umfasst ein System für selektive katalytische Reduktion (SCR) einen Systemeinlass, ein mittiges Rohr, ein Gasströmungssystem und eine Mehrzahl von Katalysatorgruppen; wobei:

a. der Systemeinlass einen Einlass und eine anfängliche Mischzone umfasst, der Einlass so ausgelegt ist, dass er Abgase von einem Motor empfängt und mit der Mischzone in Fluidverbindung steht, die Mischzone eine Mehrzahl von Mitteln zum Einführen eines Reduktionsmittels oder eines Reduktionsmittelvorläufers in Abgas in der Mischzone umfasst, die Mischzone mit einem mittigen Rohr in Fluidverbindung steht, die Mischzone mindestens eine Oberfläche in Wärmeverbindung mit dem Gasströmungssystem umfasst;
b. das mittige Rohr mit dem Systemeinlass und dem Gasströmungssystem in Fluidverbindung steht;
c. das Gasströmungssystem (i) ein Gasstrom-Umlenkelement, (ii) eine Mehrzahl von Kanälen, und (iii) eine Auslasszone umfasst, die einen Auslasskonus und einen Auslass in Fluidverbindung mit dem Auslasskonus umfasst, wobei das Gasstrom-Umlenkelement in Fluidverbindung steht mit dem mittigen Rohr und entweder:
i. mit einer Mehrzahl von Katalysatorgruppen, wobei die Mehrzahl von Katalysatorgruppen mit einer Mehrzahl von Kanälen in Fluidverbindung mit der Auslasszone in Fluidverbindung steht; oder
ii. einer Mehrzahl von Kanälen in Fluidverbindung mit einer Mehrzahl von Katalysatorgruppen, wobei die Mehrzahl von Katalysatorgruppen mit der Auslasszone in Fluidverbindung steht; und
d. jede Katalysatorgruppe einen SCR-Katalysator umfasst.

Bei den Mitteln zum Einführen eines Reduktionsmittels oder eines Reduktionsmittelvorläufers in Abgas in der Mischzone kann es sich um einen Injektor oder eine Düse handeln.
Der Systemeinlass kann ferner mindestens eine zusätzliche Düse umfassen, die so ausgelegt ist, dass sie die Form eines Tröpfchenmusters steuert, das durch die mindestens eine Aerosolbildungsvorrichtung gebildet wird.
Der SCR-Katalysator kann in der Form eines Monolithen oder eines Partikelfilters sein und eine quadratische, rechteckige oder kreisrunde Form in der Nettorichtung des Gasstroms durch den Monolithen aufweisen.
Die Katalysatorgruppe kann ferner einen Ammoniakschlupfkatalysator umfassen.
Das SCR-System kann ein Partikelfilter oder einen Oxidationskatalysator umfassen.
Das SCR-System kann ferner ein Mittel zum Steuern der Einführung von Harnstoff oder eines Ammoniakvorläufers umfassen. Das Mittel zum Steuern der Einführung von Harnstoff oder eines Ammoniakvorläufers umfasst mindestens einen von einem NO_x-Sensor, einem NH₃-Sensor und einem Temperatursensor.
In einem anderen Aspekt der Erfindung umfassen Verfahren zum Reduzieren der Menge von Stickstoffoxiden, die im Abgas von einem Motor gebildet werden, ein Durchführen von Abgas vom Motor durch ein SCR-System mit den verschiedenen Komponenten, die hierin beschrieben werden.
Die Bauform des Systems ermöglicht eine längere Verweilzeit und daher eine bessere Zersetzungseffizienz des Reduktionsmittelvorläufers gegenüber Systemen des Standes der Technik, die mit Motoren mit 500 bis 4500 Kilowatt (kW) verwendet werden. Außerdem weist das hierin beschriebene System einen noch kleineren Fußabdruck auf.
Die folgenden Beschreibungen stellen Einzelheiten von verschiedenen beispielhaften Bauformen von Systemen für selektive katalytische Reduktion (SCR) bereit.
Das System stellt ein Reaktionsmittel, vorzugsweise Ammoniak, bereit, das eine Reaktion eingehen kann, um die Gehalte von NO_x im Abgas zu reduzieren. Das Reaktionsmittel kann durch Umwandeln einer Verbindung, die Ammoniak bilden kann, wie beispielsweise Harnstoff, in das Reaktionsmittel in der Gasphase, Kombinieren des Gases, welches das Reaktionsmittel enthält, mit Abgas, das NOx enthält, und anschließendes Durchführen der kombinierten Gase durch einen SCR-Katalysator gebildet werden. Um den Harnstoff in Ammoniak umzuwandeln, wird eine wässrige Lösung von Harnstoff in eine Mischzone im Systemeinlass eingespritzt. Zusätzlich zu Wärme vom Abgas, das mit dem Reduktionsmittel gemischt wird, wird zusätzliche Wärme des gemischten Abgases durch mindestens eine Wand in der Mischzone übertragen. Der Wärmeinhalt des gereinigten Abgases und der SCR-Reaktion nach der Mischung von Ammoniak und Abgas wird durch den SCR-Katalysator durchgeführt und kann daher zum Verdampfen der Harnstofflösung verwendet werden.
Die Vorrichtung und der Prozess, die hierin beschrieben werden, sind mit Harnstoff wirksam, können aber auch andere NO_x-reduzierende Reaktionsmittel, entweder ammoniakbildende oder andere NO_x-reduzierende Reaktionsmittel, verwenden, die bei Erwärmung zum Bilden eines Reaktantgases imstande sind. Die stattfindenden Reaktionen sind auf dem Fachgebiet allgemein bekannt. Eine Zusammenfassung dieser Reaktionen wird in US-Patent Nr. 8,105,560 und 7,264,785 beschrieben, die durch Bezugnahme jeweils in ihrer Gesamtheit hierin aufgenommen werden.
Der Begriff „Harnstoff” soll Harnstoff, CO((NH₂)₂), und Reaktionsmittel umfassen, welche Harnstoff entsprechen, da sie bei Erwärmung Ammoniak und HNCO bilden. Es können auch andere NO_x-reduzierende Reaktionsmittel verwendet werden, die auf dem Fachgebiet bekannt sind. NO_x-reduzierende Reaktionsmittel, die keinen Harnstoff oder keine HNCO bilden, aber mit Verbindungen reagieren, die im Abgas vorhanden sind, um die NO_x-Gehalte zu reduzieren, können ebenfalls verwendet werden.
Das Volumen der in das Verdampfermodul eingeführten Harnstofflösung hängt sowohl vom NOx-Massendurchfluss als auch von der Konzentration des Harnstoffs in der Lösung ab. Die Menge Harnstoff, die eingeführt wird, steht mit der NO_x-Konzentration in Beziehung, die auf der Stöchiometrie der beteiligten Reaktionen, der Temperatur des Rohabgases und dem zu verwendenden Katalysator basiert. Die Menge Harnstoff, die verwendet wird, steht mit dem „NSR” in Beziehung, das sich auf die Äquivalente von Stickstoff im Harnstoff oder einem anderen NO_x-reduzierenden Mittel in Bezug auf die Äquivalente von Stickstoff im NO_x in den zu behandelnden Gasen bezieht. Das NSR kann im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 2 liegen, liegt aber vorzugweise im Bereich von einschließlich 0,6 bis einschließlich 1,2.
Der SCR-Katalysator, der in dem hierin beschriebenen kompakten SCR-System verwendet wird, kann aus jenen ausgewählt sein, von denen auf dem Fachgebiet bekannt ist, dass sie zum Reduzieren der Konzentration von Stickstoffoxiden in Gegenwart von Ammoniak imstande sind. Diese umfassen zum Beispiel Zeolithe, Oxide von Vanadium, Wolfram, Titan, Eisen, Kupfer, Mangan und Chrom, Edelmetalle, wie beispielsweise die Metalle der Platingruppe, Platin, Palladium, Rhodium und Iridium, sowie Mischungen davon. Andere SCR-Katalysatormaterialien, die auf dem Fachgebiet üblich und dem Fachmann bekannt sind, wie beispielsweise Kohlenstoff, Holzkohle oder Koks, können ebenfalls verwendet werden. Bevorzugte Katalysatoren umfassen Übergangsmetall/Zeolithe, z. B. Cu/ZSM-5 oder Fe/Beta; Vanadium-basierte Katalysatoren, wie beispielsweise V₂O₅/WO₃/TiO₂; oder Nicht-Zeolith-Übergangsmetall-Katalysatoren, wie beispielsweise Fe/WO_x/ZrO₂.
Diese SCR-Katalysatoren werden typischerweise auf einem Träger, wie beispielsweise Metall, Keramik, Zeolith, montiert oder als ein homogener Monolith extrudiert. Es können auch andere Träger verwendet werden, die auf dem Fachgebiet bekannt sind. Vorzugsweise werden die Katalysatoren auf ein monolithisches Durchflusssubstrat oder ein Filtersubstrat aufgetragen oder sind in einer extrudierten Form. Insbesondere werden die Katalysatoren auf ein monolithisches Durchflusssubstrat aufgetragen oder sind in einer extrudierten Form. Vorzugsweise sind diese Katalysatoren in oder auf einem Durchflusswabenträger vorhanden. Für ein SCR-System kleinen Volumens werden SCR-Katalysatoren mit verhältnismäßig hohen Zelldichten, zum Beispiel 45 bis 400 Zellen pro Quadratzoll (cpsi für engl. cells per square inch), vorzugsweise 70 bis 300 cpsi und insbesondere 100 bis 300 cpsi, bevorzugt.
Der SCR-Katalysator ist vorzugsweise in der Form von kreisförmigen Monolithen oder auf Partikelfiltern, die auf dem Fachgebiet als SCRF bekannt sind. Der SCR-Katalysator kann jede von einer Anzahl von Querschnittsformen senkrecht auf die Richtung des Gasstroms aufweisen, die kreisrund, Abschnitte eines Kreises, hexagonal, quadratisch und rechteckig umfassen, wobei kreisförmig oder Abschnitte eines Kreises oder quadratisch infolge der räumlichen Beschränkungen des Systems bevorzugt werden. Das SCR-System kann einen Ammoniakschlupfkatalysator umfassen, der stromabwärts des SCR-Katalysators angeordnet ist.
Ein Oxidationskatalysator kann im Abgasstrom von den Motoren positioniert sein, bevor er in das SCR-System eintritt, oder er kann am Einlass vor der Abdeckung 5 (stromaufwärts des Harnstoffeingangs) angeordnet sein, um Kohlenwasserstoffe zu reduzieren, welche die SCR-Aktivität verringern können. Der Oxidationskatalysator oxidiert außerdem CO, Aromaten usw.
Ein verallgemeinerter Strom von Gasen in einem Beispiel eines kompakten SCR-Systems ist in 1 dargestellt. Abgas vom Motor strömt in den Systemeinlass 1 ein und tritt dann durch ein mittiges Rohr 10 durch, das um die Mittelachse des SCR-Systems positioniert ist. Nach dem Durchtritt durch das mittige Rohr trifft das Mischgas auf ein Umlenkelement 25, das die Richtung des Gasstroms zurück in Richtung des Systemeinlasses 1 ändert. Das Mischgas tritt dann durch eine Katalysatorgruppe 20 durch, die einen SCR-Katalysator 21 umfasst, auf den ein Ammoniakschlupfkatalysator (ASC für engl. ammonia slip catalyst) 22 folgt, und es wird gereinigtes Gas gebildet. Das gereinigte Gas strömt aus den Katalysatorgruppen auf die Unterseite des Einlasskonus 6 und wird dann durch Auslasskanäle, die zwischen dem Außenmantel 15, den Katalysatorgruppen 20 und den Trennelementen 26 ausgebildet sind, zurück in Richtung des Auslasskonus geleitet. Das gereinigte Gas trifft dann auf den Auslasskonus 30 auf und verlässt das SCR-System durch den Auslass 31.
2 zeigt eine Darstellung einer auseinandergezogenen Ansicht einer Bauform eines kompakten SCR-Systems, die verschiedene Komponenten veranschaulicht. Der Aufbau der Komponenten ermöglicht den in 1 beschriebenen Gasstrom. Das kompakte SCR-System kann Abgase von einem Motor empfangen, der etwa 500 kW bis etwa 1000 kW (1 MW) oder etwa 1000 kW (1 MW) bis etwa 2000 kW (2 MW) oder etwa 2000 kW (2 MW) bis etwa 4500 kW (4,5 MW) erzeugt. Motorabgas strömt durch den Systemeinlass 1, der einen Einlass 2, eine Mehrzahl von Mitteln zum Einführen einer wässrigen Lösung eines Reduktionsmittels oder eines Reduktionsmittelvorläufers 4, eine Abdeckung 5 und einen Einlasskonus 6 umfasst, in das SCR-System. Der Systemeinlass kann ferner einen oder mehrere Sensoren 3, wie beispielsweise einen NO_x-Sensor, umfassen. Das System kann Informationen von einem oder mehreren NO_x-Sensoren über das Abgas des Motors verwenden. Das Abgas tritt am Einlass 2 in das System ein und bewegt sich dann in eine anfängliche Mischzone 7 zwischen der Abdeckung 5 und dem Einlasskonus 6. Das System enthält vorzugsweise mindestens einen No_x-Sensor 3, der sich am Einlass befindet, oder es verwendet einen oder mehrere NO_x-Sensoren am Motor. Die Abdeckung 5 enthält eine Mehrzahl von Injektoren, vorzugsweise vier, durch welche eine Lösung mit einem Reduktionsmittel oder einem Reduktionsmittelvorläufer, vorzugsweise Harnstoff, zugeführt wird. Die Lösung, die das Reduktionsmittel oder einen Reduktionsmittelvorläufer enthält, wird verdampft und mit dem Abgas gemischt, um ein Mischgas in der anfänglichen Mischzone 7 zwischen der Abdeckung 5 und dem Einlasskonus 6 zu bilden. Das Mischgas strömt dann durch das mittige Rohr 10, das entlang der Symmetrieachse des Systems angeordnet ist. Wärme vom Abgas wird auf die Abdeckung 5, den Einlasskonus 6 und das mittige Rohr 10 übertragen. Der Einlasskonus 6 und das mittige Rohr 10 fungieren als Wärmetauscher. Diese Wärme hilft bei der Verdampfung der Lösung des Reduktionsmittels oder eines Reduktionsmittelvorläufers und bei der Umwandlung des Reduktionsmittelvorläufers in das Reduktionsmittel.
Nach dem Durchtritt durch das mittige Rohr 10 trifft das Mischgas auf das Umlenkelement 25 auf. Das Umlenkelement 25, das in 2 bis 6 dargestellt ist, lenkt den Strom in vier Teilströme um. In Abhängigkeit von der Größe und den Betriebseigenschaften des Motors, von welchem das Abgas bereitgestellt wird, kann das Umlenkelement so ausgelegt sein, dass es den Strom in eine andere Anzahl von Teilströmen als die vier teilt, die in den Figuren dargestellt sind. Eine Mehrzahl von Trennelementen 26, vorzugsweise vier, ist an der oder gegen das Umlenkelement und an einem oder gegen einen Außenmantel 15 positioniert und teilt den Mischgasstrom in eine Mehrzahl von Teilströmen. Die Anzahl von Trennelementen im System hängt von der Anzahl von Katalysatorgruppen und daher der Bauform des Umlenkelements 25 ab. Die Trennelemente sind so angeordnet und ausgelegt, dass sie die Richtung des Gasstroms in Bezug auf die Symmetrieachse des Systems umkehren und das Gas veranlassen, in Richtung des Systemeinlasses 1 zurückzuströmen. Jeder der Teilströme von Gas tritt dann durch die Katalysatorgruppe 20 durch, die einen SCR-Katalysator 21 und dann vorzugsweise einen ASC 22 umfasst. Die Figuren zeigen ein System mit vier Katalysatorgruppen. Die Anzahl von Katalysatorgruppen hängt von der Bauform des Umlenkelements 25 und der Anzahl von Teilströmen ab, in welche der Strom geteilt wird. Die Figuren zeigen die Verwendung von SCR-Katalysatoren 21 und einem ASC 22 mit kreisförmigen Querschnitten in der Richtung der Gasteilströme. Die Katalysatoren können beliebige Formen, wie beispielsweise kreisförmig, oval, halbkreisförmig, quadratisch und rechteckig, aufweisen. Nach dem Durchtritt durch die Katalysatorgruppe 20 trifft jeder Teilstrom auf den Einlasskonus 6, und die Richtung des Gasstroms wird in Bezug auf die Symmetrieachse des Systems erneut umgekehrt. Das gereinigte Abgas strömt dann durch die Auslasskanäle, die zwischen dem Außenmantel 15, den Katalysatorgruppen 20 und den Trennelementen 26 ausgebildet sind, vom Systemeinlass 1 weg in Richtung des Auslasskonus 30. Das gereinigte Gas trifft dann auf den Auslasskonus 30 auf und verlässt das SCR-System durch den Auslass 31.
Die Abdeckung 5 umfasst ein Mittel zum Einführen einer wässrigen Lösung eines Reduktionsmittels oder eines Reduktionsmittelvorläufers, wie beispielsweise Harnstoff, in eine anfängliche Mischzone 7 zwischen der Abdeckung 5 und dem Einlasskonus 6. Der Einlasskonus 6 und das mittige Rohr 10 können als Wärmetauscher fungieren und die Übertragung von Wärme vom heißen Abgas vom Motor auf verschiedene Komponenten und Gase innerhalb des SCR-Systems ermöglichen. Die wässrige Lösung des Reduktionsmittels oder eines Reduktionsmittelvorläufers wird auf einer Konzentration gehalten, die zur Speicherung und Handhabung ohne Präzipitation oder andere Probleme geeignet ist. Die Konzentration von Harnstoff in der wässrigen Lösung kann von etwa 5 bis 70%, vorzugsweise von etwa 15 bis etwa 60% und insbesondere von etwa 30 bis etwa 40% reichen. Das Mittel zum Einführen einer wässrigen Harnstofflösung kann einen Injektor unter Flüssigkeitsdruck, eine Düse, die Luft zur Sprühstrahlbildung (Vorverdampfung) der Harnstofflösung verwendet, oder eine luftlose Düse umfassen. Ein Injektor wird als Mittel zum Einführen einer wässrigen Lösung eines Reduktionsmittels oder eines Reduktionsmittelvorläufers bevorzugt. Verschiedene Typen von Düsen, die Luft verwenden, sind von einer Anzahl von Quellen im Handel erhältlich. Für eine Motorgröße von 500 bis 4500 kW benötigen im Handel erhältliche Düsen, die mit Harnstoff verwendet werden können, nur Niederdruck-Verdampfungsluft, welche durch einen verhältnismäßig keinen Kompressor zugeführt werden kann. Derzeit benötigen verfügbare, luftlose Einphasendüsen für die Harnstoff-Massendurchflüsse, die zum Reinigen des Abgases von Motoren mit zwischen 500 bis 4500 kW erforderlich sind, sehr hohe Flüssigkeitsdrücke, um bei veränderlichen Massendurchsätzen in einem Betriebszyklus zu arbeiten. Düsenhersteller führen jedoch Forschungen durch und entwickeln Einphasen-Niederdruckdüsen mit anpassbaren Massendurchsätzen. Luftlose Systeme können niedrigere Anschaffungs- und Betriebskosten haben und ein niedrigeres Potenzial für Systemfehler aufweisen, da sie weniger Komponenten haben. Luftlose Einspritzsysteme können insbesondere für kompakte SCR-Systeme bei Platzmangel attraktiv sein, für welche lange Garantiezeiten (z. B. zwei und mehr Jahre) erforderlich sind und der Motor eine hohe jährliche Nutzung (von z. B. 8000 Stunden pro Jahr) aufweist, wie beispielsweise in Marine, Energieerzeugung, Bergbau usw. Andere Typen von Zerstäubern können ebenfalls verwendet werden.
Wärme, die für die vollständige Verdampfung des Wassers und die Zersetzung des Harnstoffs zu Ammoniak benötigt wird, wird durch die Wärme des Abgases und die Übertragung der Wärme vom gereinigten Abgas durch die Wärmetauschfunktionalität des Einlasskonus 6 und des mittigen Rohres 10 zugeführt.
Das SCR-System kann einen oder mehrere vom Außenmantel 15, dem Einlasskonus 6 und dem Auslasskonus 30 zum Vorwärmen von Sekundärverdampfungsluft verwenden. Vorgewärmte Sekundärverdampfungsluft kann zum Steuern und Anpassen von Sprühmustern der Harnstofflösung verwendet werden, während es sich nach dem Verlassen eines Injektors oder einer Düse bildet. Sie stellt daher ein Mittel zum Steuern und/oder Anpassen der Verteilung von Harnstoff und Ammoniak oder einem anderen Reduktionsmittel im Abgas bereit, und sie stellt daher Steuerung der Zeit für die Verdampfung/Zersetzung des wässrigen Harnstoffs und folglich die Möglichkeit zum Erreichen der höchstmöglichen NO_x-Reduktion bei niedrigstmöglichem Ammoniakschlupf bereit.
Eine wässrige Harnstofflösung kann unter Verwendung einer handelsüblichen Düse mithilfe von druckbeaufschlagter Primärverdampfungsluft zerstäubt werden. Primärverdampfungsluft ist Luft, die zum Umwandeln der Lösung mit dem Reduktionsmittel in Tröpfchen verwendet wird. Druck von nur einigen hundert Millibars bis einige Bars kann genügen, um selbst bei veränderlichen Massendurchsätzen Tröpfchen mit Durchmessern von einigen Dutzend Millimetern bis einigen Dutzend Mikrometern zu erhalten. Daher kann eine kompakte Vorrichtung, wie beispielsweise ein Drehkolbengebläse, Seitenkanalgebläse usw., statt einem großen Luftkompressor verwendet werden, der gegenwärtig in Installationen des Standes der Technik verwendet wird. Die Druckluft kann auch als Sekundärverdampfungsluft beim Bilden eines gewünschten Sprühprofils, das durch die Tröpfchen gebildet wird, verwendet werden. Ein Teil der Sekundärverdampfungsluft kann durch zwei separate Düsen in den Primärsprühstrahl wässrigen Harnstoffs geblasen werden, um das Sprühprofil für vergrößerte Wärme- und Massenübertragungsfläche zu einem flachen Strahl zu verlängern. Aufgrund der niedrigen Sprüh/Dampfgeschwindigkeit und der verhältnismäßig hohen Temperatur in der anfänglichen Mischzone 7 wird eine vollständige oder nahezu vollständige Thermolyse von Harnstoff zu Ammoniak und Isocyansäure vorweggenommen. Außerdem ist aufgrund der sehr hohen lokalen Konzentration von Dampf (der sich aus der Verflüchtigung von Wasser in der wässrigen Harnstofflösung bildet) und des Fehlens von Verdünnungsabgas in der anfänglichen Mischzone 7 zu erwarten, dass der Harnstoff schnell zu Isocyansäure hydrolysiert, bevor er mit dem Abgas in der anfänglichen Mischzone gemischt wird.
Auch Sekundärverdampfungsluft kann durch mindestens eine, vorzugsweise zwei oder mehr, Düsen in den Systemeinlass eingeführt werden, um einen flachen Sprühstrahl oder eine flache Drallströmung in der anfänglichen Mischzone zu bilden, um die Wärmeübertragung von den Wänden auf den Sprühstrahl zu erhöhen. Sekundärverdampfungsluft kann erwärmt werden, bevor sie in die Düsen geleitet wird. Das Erwärmen kann durch jedes bekannte Mittel, vorzugsweise elektrisch und insbesondere durch Durchlassen von Abgas durch einen Rohr-Wärmetauscher erfolgen, der am Außenmantel 15, der Abdeckung 5 oder dem Auslasskonus 30 angeordnet ist. Der Gesamtmassendurchfluss und der Gesamtdruck des Sekundärverdampfungsluftstroms wird durch das gewünschte Sprühstrahlverlängerungsmuster und das gewünschte Drallströmungsmuster sowie den gewünschten Druck und die gewünschte Temperatur in der anfänglichen Mischzone 7 bestimmt. Die Wände der Abdeckung 5 und des Einlasskonus 6 können ebenfalls katalytische Aktivität für die Hydrolyse eines Reduktionsmittelvorläufers bereitstellen.
3 zeigt Querschnittansichten eines Beispiels eines kompakten SCR-Systems, welche die Position der Komponenten (Fig. (a) und (c)) und den Strom von Gasen (Fig. (b) und (d)) durch das SCR-System darstellen. 3(a) und 3(c) zeigen den gleichen Querschnitt, wobei die Ausrichtung des Querschnitts in verschiedenen Winkeln dargestellt ist. Diese Figuren stellen den Einlass 2, die Abdeckung 5, die Injektoren 4 und den Einlasskonus 6 des Systemeinlasses dar. Der Einlasskonus 6 steht in Fluidverbindung mit dem mittigen Rohr 10. Das Umlenkelement 25 ist nach dem Ende des mittigen Rohres 10 mit einem Raum angeordnet, der durch das Trennelement 26 zwischen dem Ende des mittigen Rohres 10 und dem Umlenkelement 25 gebildet wird. Das Umlenkelement 25 kann eine oder mehrere Beschichtungen umfassen, die einen oder mehrere Katalysatoren umfassen, die beim Hydrolysieren von Harnstoff oder anderen Reduktionsmittelvorläufern helfen können. Eine Mehrzahl von Katalysatorgruppen, die einen SCR-Katalysator 21 und einen ASC 22 umfassen, ist um das mittige Rohr 10 angeordnet. Zwei Träger 27 halten die Katalysatorgruppen zwischen dem mittigen Rohr 10 und dem Außenmantel 15 in Stellung. Der Einlasskonus 6 ist nahe dem Ende der Katalysatorgruppen mit einem Raum zwischen den Katalysatorgruppen 20 und dem Einlasskonus 6 angeordnet. Dieser Raum stellt Kanäle für reines Abgas bereit, das die Katalysatorgruppe verlässt, um in den Einlasskonus 6 zu strömen, wo es Wärme in die anfängliche Mischzone 7 überträgt, bevor es umgedreht wird, bevor es auf den Auslasskonus 30 auftrifft und dann durch den Auslass 31 austritt.
3(b) und (d) zeigen den Gasstrom in einem Beispiel eines kompakten SCR-Systems mit einem Gasströmungsmuster, wie in 1 beschrieben. Die Teilenummern der verschiedenen Elemente sind in 3(a) und (c) so dargestellt, wie zuvor beschrieben. Heißes Abgas tritt in das kompakte SCR-System durch den Einlass 2 in das SCR-System ein. Das Gas strömt durch eine anfängliche Mischzone zwischen der Abdeckung 5 und dem Einlasskonus 6 nach oben. Das Nettoströmungsmuster von Gasen in der anfänglichen Mischzone ist durch eine einfache Linie dargestellt. Das Strömungsmuster innerhalb der anfänglichen Mischzone ist aufgrund der Komplexität des Mischens des heißen Abgases aus dem Motor mit dem verdampften Reduktionsmittel oder Reduktionsmittelvorläufer, das/der durch den Injektor 4 zum Bilden eines Mischgases in das System eingeführt wird, nicht dargestellt. Das Mischgas strömt durch das mittige Rohr 10, trifft dann auf das Umlenkelement 25 auf, ändert die Richtung und teilt sich in Teilströme zwischen Trennelementen 26 in die Katalysatorgruppen, wo es durch den SCR-Katalysator 21 und dann durch den ASC 22 durchtritt. Nach dem Austreten aus der Katalysatorgruppe trifft das reine Abgas auf den Einlasskonus 6 auf, ändert die Richtung und strömt durch den Raum zwischen den Katalysatorgruppen 20 und dem Außenmantel 15. Das gereinigte Gas trifft dann auf den Auslasskonus 30 auf und tritt durch den Auslass 31 aus.
Wenn das Abgas durch den SCR-Katalysator 21 durchtritt, reagiert das NO_x im Abgas mit dem Reduktionsmittel auf der Katalysatoroberfläche, und die Menge von NO_x im Abgas wird reduziert. Damit die SCR-Reaktion beim Reduzieren von NO_x-Gehalten wirksam ist, sollte die Temperatur der Verbrennungsgases, die den in Gas verwandelten Harnstoff umfassen, mindestens etwa 100°C, typischerweise etwa 180° bis etwa 650°C und vorzugsweise über mindestens etwa 250°C betragen. Die Zusammensetzung, die Form und insbesondere das Volumen des Katalysators kann basierend auf der Temperatur der Gase im SCR-Katalysator sowie der NO_x-Last ausgewählt werden, um für eine Reduktion bei der katalytischen Reduktion von Stickstoffoxiden zu sorgen. Das System umfasst vorzugsweise einen Ammoniakschlupfkatalysator (ASC) 22, der im Abgasstrom stromabwärts des SCR-Katalysators 21 angeordnet ist.
Das kompakte SCR-System verwendet kein Ammoniakeinspritzgitter (AIG), wie es in traditionellen SCR-Prozessen häufig verwendet oder benötigt wird.
Das kompakte SCR-System umfasst ferner ein Mittel zum Zugreifen auf den SCR-Katalysator, um den Katalysator auszutauschen. Vorzugsweise umfasst das Mittel ein mechanisches Befestigungssystem, wie beispielsweise eine Mehrzahl von Muttern und Schrauben, welche die Abdeckung 5 und den Einlasskonus 6 oder den Auslasskonus 30 mit dem Außenmantel 15 verbinden.
Das kompakte SCR-System kann ferner verschiedene Sensoren, wie beispielsweise einen oder mehrere NO_x-Sensoren, einen NH₃(Ammoniak)-Sensor und Temperatursensoren, umfassen. Ein NH₃-Sensor würde vorzugsweise am Auslass des SCR-Systems angeordnet, um den Ammoniakschlupf durch das SCR-System zu messen. Die NO_x- und/oder NH₃- und/oder Temperatursensoren können mit einer Einheit verbunden sein, welche die Menge Harnstoff und gegebenenfalls Verdampfungsluft und gegebenenfalls reinen Gases steuert, die in das Verdampfungsmodul und anschließend in das Abgas übertragen wird. Ein NO_x-Sensor und optional ein Temperatursensor können am Systemeinlass, vorzugsweise im Einlass 2, angeordnet sein. Ein No_x- oder NH₃-Sensor kann stromabwärts des SCR-Katalysators, vorzugsweise am Auslass, angeordnet sein und zur Regelung mit Rückführung verwendet werden.
Abgas von zweistufigen (z. B. V-Zylinder-)Motoren mit einer Leistung von 500 bis 4500 kW kann vor dem Eintreten in den Einlass des kompakten SCR-Systems verbunden werden.
4 ist eine Seitenansicht eines beispielhaften kompakten SCR-Systems. Der Einlass 2 enthält einen Sensor 3, vorzugsweise einen NO_x-Sensor, und ist mit der Abdeckung 5 verbunden, die eine Mehrzahl von Injektoren 4 (dargestellt sind drei in dieser Ansicht) enthält. Die Abdeckung 5 ist mit dem Außenmantel 15 verbunden, der mit dem Auslasskonus 30 verbunden ist. Der Auslasskonus 30 ist mit dem Auslass 31 verbunden, der vorzugsweise mindestens einen Sensor 35 enthält. Abgas vom Motor tritt in das SCR-System durch den Einlass 2 ein, und reines Abgas verlässt nach dem Durchtritt durch den SCR-Katalysator (nicht dargestellt) innerhalb des Außenmantels 15 das SCR-System durch den Auslass 31. Es sind außerdem die Positionen von drei Schnitten (B-B, C-C und D-D) durch den Außenmantel 15 dargestellt.
5 zeigt eine Darstellung von Querschnitten B-B, C-C und D-D eines kompakten SCR-Systems, das in 4 dargestellt ist. Die Querschnitte B-B und D-D sind gleich und enthalten das mittige Rohr 10 in der Mitte des Trägers 27 mit vier Katalysatorgruppen 20, die innerhalb eines jeden der vier Arme des Trägers 27 enthalten sind. Der Träger ist mit dem Außenmantel 15 in Kontakt oder damit verbunden. Der Querschnitt C-C enthält das Umlenkelement 25, das mit dem Außenmantel 15 in Kontakt oder damit verbunden ist.
6(a–c) ist eine Darstellung, welche die Montage einiger Komponenten in einem beispielhaften SCR-System zeigt. Jede der Figuren stellt den Einlass 2 und den Außenmantel 15 dar. 6(a) stellt außerdem das mittige Rohr 10 in der Mitte des Trägers 27 mit vier Katalysatorgruppen 20 dar, die innerhalb eines jeden der vier Arme des Trägers 27 enthalten sind. Der Träger ist mit dem Außenmantel 15 in Kontakt oder damit verbunden. 6(b) zeigt die Hinzufügung der Trennelemente 26. Die Trennelemente sind mit den freiliegenden Kanten des Trägers ausgerichtet (siehe 6(b)). 6(c) stellt die Hinzufügung des Umlenkelements 25 gegen die Trennelemente 26 und den Außenmantel 15 oder damit verbunden dar.
Ein verallgemeinerter Strom von Gasen in einem anderen Beispiel eines kompakten SCR-Systems ist in 7 dargestellt. Abgas vom Motor strömt in den Systemeinlass 1 ein und tritt dann durch ein mittiges Rohr 10 durch, das um die Mittelachse des SCR-Systems positioniert ist. Nach dem Durchtritt durch das mittige Rohr trifft das Mischgas auf ein Umlenkelement, das den Mischgasstrom in eine Mehrzahl von Teilströmen teilt und die Richtung des Gasstroms zurück in Richtung des Einlasses ändert. Die Mischgasteilströme treten durch Einlasskanäle, die zwischen dem Außenmantel 15, den Katalysatorgruppen 20 und den Trennelementen 26 ausgebildet sind, durch und berühren dann die Unterseite des Einlasskonus. Das Gas wird dann durch eine Katalysatorgruppe 20 durchgeleitet, die einen SCR-Katalysator 21 umfasst, auf welchen ein Ammoniakschlupfkatalysator (ASC) 22 folgt, und es wird gereinigtes Gas gebildet. Das gereinigte Gas trifft dann auf den Auslasskonus 30 auf und verlässt das SCR-System durch den Auslass 31.
Die Bauform des Systems, das in dem Strom verwendet wird, der in 7 beispielhaft dargestellt ist, ähnelt der Bauform der Systeme, die in 1 bis 6 beschrieben wurden, mit der Ausnahme, dass das Umlenkelement 25 gedreht wird, um den Durchtritt des Gasstroms zu ändern.
Der Einlass in das kompakte SCR-System kann zur Verwendung in dem zuvor beschriebenen kompakten SCR-System modifiziert und auch in anderen Typen von SCR-Systemen verwendet werden. Ein Einlass eines Systems für selektive katalytische Reduktion (SCR) kann einen Einlass, eine Mischzone, einen Auslass und eine Mehrzahl von Mitteln zum Einführen einer wässrigen Lösung eines Reduktionsmittels oder eines Reduktionsmittelvorläufers umfassen, wobei der Einlass mit der Mischzone in Fluidverbindung steht, und die Mischzone mit dem Auslass in Fluidverbindung steht, die Mischzone durch eine Abdeckung, eine Wand und einen Einlasskonus ausgebildet ist, wobei die Wand zwischen der Abdeckung und dem Einlasskonus angeordnet ist, und die Mehrzahl von Mitteln zum Einführen einer wässrigen Lösung eines Reduktionsmittels oder eines Reduktionsmittelvorläufers in der Wand angeordnet ist. 8 zeigt eine Darstellung einer auseinandergezogenen Ansicht einer Bauform eines Einlasses für ein kompaktes SCR-System, die verschiedene Komponenten veranschaulicht. Motorabgas strömt durch den Systemeinlass 1, der einen Einlass 2, eine Mehrzahl von Mitteln zum Einführen einer wässrigen Lösung eines Reduktionsmittels oder eines Reduktionsmittelvorläufers 4, eine Abdeckung 5 und einen Einlasskonus 6 umfasst, in das SCR-System. Der Systemeinlass kann ferner einen oder mehrere Sensoren 3, wie beispielsweise einen NO_x-Sensor, umfassen. Das System kann Informationen von einem oder mehreren NO_x-Sensoren über das Abgas des Motors verwenden. Das Abgas tritt am Einlass 2 in das System ein und bewegt sich dann in eine anfängliche Mischzone 7 zwischen der Abdeckung 5 und dem Einlasskonus 6. Die anfängliche Mischzone 7 ist innerhalb der Wand 8 zwischen der Abdeckung 5 und dem Einlasskonus 6 enthalten. Die Wand 8 ist in 9 so dargestellt, dass sie eine zylindrische Form aufweist. Die Wand kann in Abhängigkeit von der Form des SCR-Systems, an das der Einlass angeschlossen wird, die Gestalt anderer Formen, wie beispielsweise eines Quadrats, eines Fünfecks, eines Sechsecks usw., aufweisen. Die Wand 8 enthält eine Mehrzahl von Injektoren, vorzugsweise mehr als zwei, durch welche eine Lösung mit einem Reduktionsmittel oder einem Reduktionsmittelvorläufer, vorzugsweise Harnstoff, zugeführt wird. Vorzugsweise ist der Injektor vom luftlosen Typ, das heißt ein Injektor nur mit flüssiger Reduktionsmittellösung. Aufgrund der Geometrie der anfänglichen Mischzone 7 tritt an der Spitze eines Injektors 4 ein sehr niedriges Abgasmoment auf. Daher kann sich ein Sprühmuster des Injektors voll entwickeln, was zu kleinen Tröpfchendurchmessern und daher zu einer großen Tröpfchenoberfläche und somit erhöhten Verdampfungsraten führt. Die Lösung, die das Reduktionsmittel oder einen Reduktionsmittelvorläufer enthält, wird verdampft und mit dem Abgas gemischt, um ein Mischgas in der anfänglichen Mischzone 7 zwischen der Abdeckung 5, dem Einlasskonus 6 und der Wand 8 zu bilden. Das Mischgas strömt dann durch das mittige Rohr 10, das entlang der Symmetrieachse des Systems angeordnet ist, in Richtung der SCR-Katalysatoren. Das System enthält vorzugsweise mindestens einen No_x-Sensor 3, der sich am Einlass befindet, oder es verwendet einen oder mehrere NO_x-Sensoren am Motor.
9 ist eine Seitenansicht eines beispielhaften kompakten SCR-Systems. Der Einlass 2 enthält einen Sensor 3, vorzugsweise einen NO_x-Sensor, und ist mit der Abdeckung 5 verbunden, die eine Mehrzahl von Injektoren 4 (dargestellt sind drei in dieser Ansicht) enthält. Die Abdeckung 5 ist mit der Wand 8 verbunden, die mit dem Außenmantel 15 verbunden ist, der mit dem Auslasskonus 30 verbunden ist. Der Auslasskonus 30 ist mit dem Auslass 31 verbunden, der vorzugsweise mindestens einen Sensor 35 enthält. Abgas vom Motor tritt durch den Einlass 2 in das SCR-System ein, und reines Abgas verlässt nach dem Durchtritt durch den SCR-Katalysator (nicht dargestellt) innerhalb des Außenmantels 15 das SCR-System durch den Auslass 31. Es sind außerdem die Positionen von drei Schnitten (B-B, C-C und D-D) durch den Außenmantel 15 dargestellt.
Die vorstehende Beschreibung soll es Fachleuten ermöglichen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen. Es ist nicht beabsichtigt, alle der möglichen Modifikationen und Änderungen einzeln aufzuführen, die für Fachleute bei Lektüre der Beschreibung zu erkennen sind. Es ist jedoch beabsichtigt, dass alle derartigen Modifikationen und Änderungen in den Schutzbereich der Erfindung fallen, der aus der vorstehenden Beschreibung zu erkennen und andernfalls durch die folgenden Ansprüche definiert ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8105560 [0030]
US 7264785 [0030]

Claims

System für selektive katalytische Reduktion (SCR), umfassend einen Systemeinlass, ein mittiges Rohr, ein Gasströmungssystem und eine Mehrzahl von Katalysatorgruppen; wobei: a. der Systemeinlass einen Einlass und eine anfängliche Mischzone umfasst, der Einlass so ausgelegt ist, dass er Abgase von einem Motor empfängt und mit der Mischzone in Fluidverbindung steht, die Mischzone eine Mehrzahl von Mitteln zum Einführen eines Reduktionsmittels oder eines Reduktionsmittelvorläufers in Abgas in der Mischzone umfasst, die Mischzone mit einem mittigen Rohr in Fluidverbindung steht, die Mischzone mindestens eine Oberfläche in Wärmeverbindung mit dem Gasströmungssystem umfasst; b. das mittige Rohr mit dem Systemeinlass und dem Gasströmungssystem in Fluidverbindung steht; c. das Gasströmungssystem (i) ein Gasstrom-Umlenkelement, (ii) eine Mehrzahl von Kanälen, und (iii) eine Auslasszone umfasst, die einen Auslasskonus und einen Auslass in Fluidverbindung mit dem Auslasskonus umfasst, wobei das Gasstrom-Umlenkelement in Fluidverbindung steht mit dem mittigen Rohr und entweder: i. einer Mehrzahl von Katalysatorgruppen, wobei die Mehrzahl von Katalysatorgruppen mit einer Mehrzahl von Kanälen in Fluidverbindung mit der Auslasszone in Fluidverbindung steht; oder ii. einer Mehrzahl von Kanälen in Fluidverbindung mit einer Mehrzahl von Katalysatorgruppen, wobei die Mehrzahl von Katalysatorgruppen mit der Auslasszone in Fluidverbindung steht; und d. jede Katalysatorgruppe einen SCR-Katalysator umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei das Mittel zum Einführen eines Reduktionsmittels oder eines Reduktionsmittelvorläufers in Abgas in der Mischzone ein Injektor oder eine Düse ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Systemeinlass ferner mindestens eine zusätzliche Düse umfasst, die so ausgelegt ist, dass sie die Form eines Tröpfchenmusters steuert, das durch die mindestens eine Aerosolbildungsvorrichtung gebildet wird.
System nach Anspruch 1, wobei der SCR-Katalysator in der Form eines Monolithen oder eines Partikelfilters ist.
System nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine SCR-Katalysator in der Form eines Monolithen oder eines Partikelfilters ist, der/das eine quadratische, rechteckige oder kreisrunde Form in der Nettorichtung des Gasstroms durch den Monolithen aufweist.
System nach Anspruch 1, wobei die Katalysatorgruppe ferner einen Ammoniakschlupfkatalysator umfasst.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Partikelfilter oder einen Oxidationskatalysator.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Mittel zum Steuern der Einführung von Harnstoff oder eines Ammoniakvorläufers.
System nach Anspruch 8, wobei das Mittel zum Steuern der Einführung von Harnstoff oder eines Ammoniakvorläufers mindestens einen von einem NO_x-Sensor, einem NH₃-Sensor und einem Temperatursensor umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei das Umlenkelement so ausgelegt ist, dass es Abgasstrom, der vom mittigen Rohr kommt, in eine Mehrzahl von Teilströmen teilt.
Verfahren zum Reduzieren der Menge von Stickstoffoxiden, die im Abgas von einem Motor gebildet werden, wobei das Verfahren ein Durchführen von Abgas vom Motor durch ein SCR-System nach Anspruch 1 umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei der Einlass ferner eine Wand zwischen der Abdeckung und dem Einlasskonus umfasst, und die Injektoren in der Wand angeordnet sind.
System für selektive katalytische Reduktion (SCR), umfassend einen Einlass, eine Mischzone, einen Auslass und eine Mehrzahl von Mitteln zum Einführen einer wässrigen Lösung eines Reduktionsmittels oder eines Reduktionsmittelvorläufers, wobei der Einlass mit der Mischzone in Fluidverbindung steht, und die Mischzone mit dem Mischrohr, das zu den SCR-Katalysatoren führt, in Fluidverbindung steht, die Mischzone durch eine Abdeckung, eine Wand und einen Einlasskonus ausgebildet ist, wobei die Wand zwischen der Abdeckung und dem Einlasskonus angeordnet ist, und die Mehrzahl von Mitteln zum Einführen einer wässrigen Lösung eines Reduktionsmittels oder eines Reduktionsmittelvorläufers in der Wand angeordnet ist.