DE102020128255A1

DE102020128255A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen

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Publication number: DE102020128255A1
Application number: DE102020128255.9A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-10-27
Filing date: 2020-10-27
Publication date: 2022-04-28

Abstract

Gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren werden in einem gemeinsamen Gehäuse ein Bypass, Absperrvorrichtungen und Abgasnachbehandlungskomponenten, wie z.B. Katalysatoren, Partikelfilter oder Entschwefelungsanlagen, integriert. Dies gelingt durch die Neigung der Abgasnachbehandlungskomponenten gegenüber der Hauptströmungsrichtung und Absperrvorrichtungen direkt vor den Katalysatorwaben. Die Absperrvorrichtungen sind dabei als Klappen ausgeführt, die im 90°- Winkel zur Strömungsrichtung angeordnet sind. Bevorzugt sind diese so geneigt, dass sie zudem als Strömungsrichter dienen. Erfindungsgemäß ist auch eine Ausführung der Klappe vorgesehen, die sowohl den Bypass freigibt, als auch den Katalysator komplett absperrt.

Description

Abgasnachbehandlungssysteme, wie z.B. Partikelfilter, Oxidations- und SCR- Katalysatoren, halten nun auch bei Schiffen Einzug, um das Abgas der dort verbauten Motoren zu reinigen. Beim Einsatz dieser Nachbehandlungssysteme kann es auf Grund zu hoher Ruß oder Ascheemissionen der Motoren zu Verstopfungen der verwendeten Katalysator- oder Partikelfiltersubstrate kommen. Dies wiederum hat einen Druckanstieg zur Folge, der dazu führen kann, dass Anlagenteile oder im schlimmsten Fall sogar der Motor beschädigt werden. Bei Landfahrzeugen, wie z.B. Pkw oder Lkw, wird in einem solchen Fall üblicherweise das Fahrzeug gestoppt und der Motor ausgeschaltet. Bei Schiffen ist das Stoppen des Motors allerdings keine Option, weil dadurch das Schiff manövrierunfähig würde. Aus diesem Grund schreiben viele Klassifikationsgesellschaften, die die Sicherheit von Schiffen bewerten, einen sogenannten Abgasbypass vor, über den das Abgasnachbehandlungssystem umgangen werden kann. Ein weiterer Unterschied zu Landfahrzeugen oder Arbeitsmaschinen ist, dass das Schiff in unterschiedlichen Emissionszonen operieren kann. So gelten z.B. auf freier See niedrigere Emissionsanforderungen als in den sogenannten „Emission control areas“ (ECA). Dies hat bei den meisten Schiffen zur Folge, dass auf freier See das Abgasnachbehandlungssystem deaktiviert und erst bei Einfahrt in eine ECA aktiviert wird. Um eine Alterung der Katalysatoren während des Betriebs auf freier See zu vermeiden, wird auch hier der Bypass aktiviert, so dass im besten Fall kein Abgas auf die Katalysatoren trifft. Da Hochseeschiffe nur den geringsten Teil der Zeit in ECA- Zonen unterwegs sind, macht der Bypassmodus einen Großteil der Betriebszeit aus, so dass speziell in diesem Modus der Druckverlust der Abgasanlage minimiert sein sollte, um einen Verbrauchsanstieg des Motors durch erhöhten Abgasgegendruck zu vermeiden.
Um einen Bypass des Abgases am Abgasnachbehandlungssystem, also den Katalysatoren oder Partikelfiltern, vorbei realisieren zu können, sind neben der Bypassleitung mindestens zwei Ventile oder ein 3/2-Wegeventil nötig, die die Leitung zum Abgasnachbehandlungssystem und die Leitung zum Bypass wechselseitig öffnen oder schließen. Um ein Rückströmen von Abgas von hinten in das Abgasnachbehandlungssystem und dadurch dessen Alterung zu vermeiden, wäre zudem ein weiteres Ventil stromab des Abgasnachbehandlungssystems nötig.
Aus US 10,443,469 B2 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der die Bypassleitung in ein SCR-Reaktorgehäuse integriert ist, allerdings sind auch hier zwei Ventile notwendig. Die Aufteilung in Bypass und Abgasnachbehandlung findet stromauf des Abgasnachbehandlungssystems über ein Y- förmiges Hosenrohr statt (3 und 5 der US 10,443,469 B2 ). Diesem nachgeschaltet sind die beiden Ventile, die ebenfalls außerhalb des Reaktorgehäuses angeordnet sind. Diese externe Anordnung der Ventile und der Abgasaufteilung hat einen hohen Bauraumbedarf zur Folge. Zudem entstehen durch das Hosenrohr und die in den Abgasrohren verbauten Ventile hohe Druckverluste. Hinter dem Reaktorgehäuse werden die beiden Abgaswege wieder vereinigt und über ein einziges Abgasrohr nach außen geleitet (2 der US 10,443,469 B2 ). Dies führt dazu, dass Abgas von hinten in den Reaktor strömen und in diesem Abgas enthaltenes Wasser und Schwefelsäure sowie Kohlenwasserstoffe im Reaktor kondensieren können, was zur Deaktivierung der Katalysatoren und Korrosion des Reaktorgehäuses führt. Um dies zu vermeiden, wäre prinzipiell auch eine separate Führung der beiden Abgaswege in einzelnen Abgassträngen möglich, allerdings würde dies durch die doppelte Ausführung zu erheblichen Mehrkosten führen. 2 der US1 0,443,469 B2 macht ein weiteres Problem von SCR- Anlagen auf Schiffen deutlich: Üblicherweise wird das Abgas über sehr lange Abgasrohre nach oben geführt und die SCR- Katalysatorwaben stehen in Verlängerung dieser Abgasrohre. Dies hat zur Folge, dass bei schwachbelastetem Motor Kondensat oder Regenwasser von oben auf die Katalysator- oder Partikelfilterwaben fließt. Zudem fallen Rostpartikel, die sich von der Rohrwandung lösen von oben auf die Rückseite der Katalysatorwaben und beschädigen diese mechanisch. Dieses Problem kann auch durch Ventile hinter dem SCR- System nicht gelöst werden, da sie beim Motorstart geöffnet werden müssen, so dass Partikel und Kondensat, die sich auf diesen befinden, nach unten auf die Katalysatoren fallen bzw. fließen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung lösen diese Probleme gemäß den Patentansprüchen 1 für die Vorrichtung und 10 für das Verfahren.
Hierzu werden ein Bypass, die notwendigen Absperrklappen und Katalysatoren in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht. Da all diese Vorrichtungen in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sind, können für die Strömung über den Bypass als auch für die Strömung über die Katalysatoren, die gleichen Ein- und Austritte in das Gehäuse verwendet werden. Im einfachsten Fall bedeutet dies somit einen Reaktorgehäuseeintritt und einen Reaktorgehäuseaustritt. Der Grundgedanke besteht darin, dass sowohl zwischen dem Abgaseintritt und dem Abgasaustritt als auch zwischen den Katalysatorwaben, dem Abgaseintritt und dem Austritt eine fluidtechnische Verbindung ausgebildet ist. Diese beiden Verbindungen können über geeignete Absperrvorrichtungen wechselseitig gesperrt oder freigegeben werden. Hierzu sind mindestens an der Stirnfläche der Katalysatorwaben Klappen verbaut, die die Gasströmung durch die Katalysatorwaben freigeben oder absperren können. Die Drehachse der Klappen steht vorteilhaft nicht parallel zur Hauptströmungsrichtung, insbesondere steht sie 90° zur Hauptströmungsrichtung. Die Fläche der Klappen und damit die durch diese freigegebene freie Strömungsfläche bei geöffneten Klappen beträgt in Summe mindestens 50%, vorteilhaft mindestens 80%, äußerst vorteilhaft mindestens 90% der Stirnfläche der Katalysatorwaben. Wird der Abgaspfad durch die Katalysatoren freigegeben, strömt das Abgas innerhalb des Reaktorgehäuses stromab der Katalysatoren in Richtung Abgasaustritt, wobei diese Strömung vorteilhaft, zumindest streckenweise, entgegen der Hauptströmungsrichtung, die durch die Katalysatoren verläuft, gerichtet ist. Der dafür notwendige Strömungskanal ist ebenfalls in das Gehäuse integriert. Eine Wand dieses sogenannten Abströmkanals wird durch eine Zwischenwand begrenzt, die den Abströmkanal von dem Raum abtrennt, in dem sich die Katalysatoren und/oder die Zuströmung zu den Katalysatoren befinden. Auf diese Weise werden klar die Bereiche vor den Katalysatoren und die Katalysatoren sowie der Bereich danach, also der Abströmkanal, getrennt. Die restlichen Wände des Kanals bilden einen Teil der Außenhülle des Gehäuses, das den Reaktorraum von der Umgebung trennt. Stromab der Zuführung zu den Katalysatoren und damit stromab der vor den Katalysatorwaben angeordneten Klappen, aber stromauf der Zuführung des Abgasstroms von den Katalysatoren zum Reaktoraustritt ist eine Absperrvorrichtung, insbesondere eine Klappe oder ein Ventil, verbaut. Insbesondere liegt diese im Bereich des dem Abgasaustritt zugewandten Endes der Zwischenwand des Abströmkanals.
Da diese Klappe oder das Ventil den Bypass freigeben, wird sie aus Gründen der Einfachheit im weiteren Verlauf Bypassklappe genannt. Wird diese Bypassklappe geschlossen und die Klappen vor den Katalysatoren geöffnet, strömt Abgas über die Katalysatoren und über den Abströmkanal zum Reaktoraustritt. Wird die Bypassklappe geöffnet und die Klappen vor den Katalysatoren geschlossen, strömt das Abgas, im besten Fall ohne Umlenkungen, direkt vom Reaktoreintritt zum Reaktoraustritt. Um Umlenkungen zu vermeiden, sind Reaktoreintritt und Reaktoraustritt auf der selben Hälfte des Reaktorgehäuses, im besten Fall in einer Flucht, angeordnet. In diesem Fall wird also ein Bypass ohne Umlenkungen dargestellt. Die Klappen vor den Katalysatoren bilden dabei im Bereich der Katalysatoren einen Teil der seitlichen Begrenzung des sich dadurch ausbildenden Bypasskanals. Um ein Rückströmen von Abgas in den Abströmkanal und damit auf die Rückseite der Katalysatoren zu vermeiden, kann im Abgaspfad stromab der Katalysatoren, insbesondere im Abströmkanal, eine weitere Absperrvorrichtung angebracht werden.
Vorteilhafter ist allerdings, wenn die Absperrvorrichtung so ausgeführt ist, dass sie beide Funktionen, nämlich die gleichzeitige Öffnung des Bypass und Absperrung des Abgasraums stromab der Katalysatoren, also des Abströmkanals, übernimmt. Dies kann beispielsweise durch eine auf einer Achse gelagerte, zweischenklige Klappe, deren beide Schenkel auf beide Pfade wirken und so gleichzeitig eine Bypassstellung, wie auch eine Absperrung des Abströmkanals nach den Katalysatorwaben dargestellt werden. Vorteilhaft liegt hierfür die Klappenachse am Ende der Zwischenwand, die den Raum vor und in den Katalysatoren von dem Raum stromab der Katalysatoren, also dem Abströmkanal, trennt. Zudem verlaufen der Bypass- und der Abströmkanal nicht parallel, sondern in einem Winkel von 30° und 150°, vorteilhaft zwischen 60° und 120°, äußerst vorteilhaft zwischen 75° und 110° zueinander. Besonders vorteilhaft handelt es sich nur um eine einzelne Klappe, die sowohl die Stirnseite der Katalysatorwaben, als auch den Absperrkanal abdecken, bzw. absperren kann. Die beiden Schenkel der Klappe sind dabei deutlich unterschiedlich groß. So ist die Fläche des Teils der Klappe, die die Stirnfläche der Katalysatoren abdeckt, mindestens doppelt, vorteilhaft mindestens dreimal, äußerst vorteilhaft mindestens viermal so groß wie die Fläche des Teils, der den Abströmkanal absperrt. Um in den jeweiligen Endpositionen der Klappe möglichst wenig Druckverlust durch Einschnürungen zu verursachen, sind die beiden Schenkel der zweischenkligen Klappe erfindungsgemäß gegeneinander um den Winkel Φ geneigt.
Eine weitere Verbesserung kann, speziell beim Einsatz mehrerer Klappen, erreicht werden, wenn diese strömungstechnisch vor den Katalysatorwaben als Strömungsrichter dienen. Hierzu stehen sie bezogen auf die Stirnfläche der Katalysatoren in einem Winkel β von kleiner 90°. Bevorzugt ändert sich dieser Winkel für unterschiedliche Klappen entlang der Hauptströmungsrichtung. Als weitere Ausführungsform können die Achsen der einzelnen Klappen und/oder das Ende der Klappen entlang der Hauptströmungsrichtung versetzt und/oder gegen diese, insbesondere um den Winkel γ, geneigt sein sein. Vorteilhaft sind sie so angeordnet, dass sie im geöffneten Zustand entlang der Hauptströmungsrichtung immer weiter in den Raum vor den Klappen eindringen, so dass sich der freie Strömungsweg in Hauptströmungsrichtung immer weiter verengt.
Eine weitere Verbesserung des Verfahrens und der Vorrichtung kann erzielt werden, indem die Katalysatoren nicht in Verlängerung des Abgasrohrs angeordnet sind, sondern dass zwischen der Hauptabgasrichtung der Abgasverrohrung am Eintritt in den Reaktor und der Gasströmung durch die Katalysatorwaben ein Winkel besteht. Dieser Winkel α beträgt zwischen 30° und 150°, vorteilhaft zwischen 60° und 120°, äußerst vorteilhaft zwischen 75° und 110°. Zudem sind die Katalysatorwaben vom Abgasaustritt aus dem Reaktor gesehen vorteilhaft gegenüber diesem versetzt angeordnet. Der Abgasaustritt befindet sich vorteilhaft dem Abgaseintritt gegenüber. Durch diese versetzte Anordnung der Katalysatorwaben zum Abgasaustritt können weder Kondensate noch Rostpartikel von stromab der Katalysatorwaben auf diese treffen.
Obwohl in der obigen Beschreibung und der unten aufgeführten Erklärung zu den Figuren hauptsächlich von Katalysatoren zur Abgasnachbehandlung die Rede ist, sind das erfindungsgemäße Verfahren und die erfingungsgemäße Vorrichtung nicht auf diese beschränkt, sondern kann bei allen in einen Reaktor integrierten Abgasnachbehandlungssystemen, insbesondere bei Partikelfiltern und Entschwefelungsanlagen, eingesetzt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand von Figuren näher erläutert.

1 zeigt nochmals den aktuellen Stand der Technik: Ein Gesamtabgasstrom (2) kann über die entsprechende Stellung der Ventile (3 und 4) entweder als Bypass (6) an dem Katalysator (1) vorbei oder diesem als Gasstrom (5) zugeführt werden. Stromab des Katalysators werden die beiden Gasstrecken wieder zu einem Abgasaustritt (2') verbunden. Wie ersichtlich ist, ist der Raum stromab der Katalysatoren (1) auch bei geschlossenem Ventil (3) fluidtechnisch mit dem Abgasstrom verbunden, da stromab der Katalysatoren keine Absperrvorrichtung vorgesehen ist. Dies führt zur Kondensation von Wasser, Schwefelsäure und Kohlenwasserstoffen. Zudem ist die Stirnfläche des Katalysators horizontal ausgerichtet und der Katalysator unterhalb der Abgasaustritts (2') angeordnet, so dass Rost- und Schmutzpartikel auf diesen fallen können.
2 zeigt eine erste erfindungsgemäße Ausführung, wobei die Klappen- bzw Ventilstellungen so ausgeführt, sind, dass Abgas über die Katalysatoren und nicht über den Bypass strömt, d.h. der Bypass ist deaktiviert bzw. geschlossen: Abgas (2) strömt über den Reaktoreintritt (36) von unten in das Reaktorgehäuse (35), in dem die Stirnfläche der Katalysatoren (1) vertikal angeordnet ist, so dass die Katalysatoren horizontal durchströmt werden. Die Katalysatoren sind zudem gegenüber dem Abgasaustritt (37) versetzt, so dass aus der Abgasverrohrung stromab des Reaktorghäuses (35) herabfallende Partikel nicht auf diese gelangen können. Vor den Katalysatoren, insbesondere vor ihren Stirnflächen, sind einzelne Klappen (21) verbaut, die über je eine Achse (22) drehbar ausgeführt sind. Zudem ist eine Bypass- Absperrklappe (25) verbaut, die im geschlossenen Zustand das Abgas (5) über die Katalysatoren (1) leitet. Auch diese ist über eine Achse (28) drehbar ausgeführt. Stromab der Katalysatoren kann im Abströmkanal (50) eine weitere Klappe (27), insbesondere mit einer Drehachse (23), angeordnet sein, die geöffnet ist, wenn Abgas über den Katalysator (1) strömen soll. Anschließend strömt das über die Katalysatoren geleitete und damit gereinigte Abgas (5) dem Abgasaustritt (37) zu.

Wird der Abgaspfad durch die Katalysatoren (1) freigegeben, strömt das Abgas (5) stromab der Katalysatoren in Richtung Abgasaustritt, wobei diese Strömung, zumindest streckenweise, entgegen der Hauptströmungsrichtung, die durch die Katalysatoren verläuft. Der dafür notwendige Strömungskanal (50) ist ebenfalls in das Gehäuse integriert. Eine Wand dieses sogenannten Abströmkanals (50) wird durch eine Zwischenwand (51) begrenzt, die den Abströmkanal von dem Raum abtrennt, in dem sich die Katalysatoren und/oder die Zuströmung zu den Katalysatoren befinden. Auf diese Weise werden klar die Bereiche vor den Katalysatoren und die Katalysatoren sowie der Bereich danach, also der Abströmkanal (50), getrennt. In dem Bereich der Katalysatoren, kann die Zwischenwand (51) auch durch die Außenhülle der Katalysatoren selbst gebildet werden, so dass in diesem Bereich auf eine zusätzliche Zwischenwand verzichtet werden kann. Die restlichen Wände des Kanals bilden einen Teil der Außenhülle des Reaktorgehäuses (35), das den Reaktorraum von der Umgebung trennt. Stromab der Zuführung zu den Katalysatoren (1) und damit stromab der vor den Katalysatoren angeordneten Klappen (21), aber stromauf der Zuführung des Abgasstroms von den Katalysatoren zum Reaktoraustritt ist eine Absperrvorrichtung, insbesondere eine Klappe oder ein Ventil (25), verbaut. Insbesondere liegt diese im Bereich des dem Abgasaustritt zugewandten Endes der Zwischenwand (51) des Abströmkanals (50).
Da diese Klappe oder das Ventil den Bypass freigeben, wird sie aus Gründen der Einfachheit im weiteren Verlauf Bypassklappe genannt.
Die Drehachsen der Klappen können, müssen aber nicht, bezogen auf die Klappenschenkel mittig ausgeführt sein. Um die Klappen möglichst gut abzudichten, können Anschläge und/oder Dichtflächen (26) am Gehäuse vorgesehen werden. Um eine gute Abdichtung zu gewährleisten, laufen diese Dichtflächen innerhalb des sich ausbildenden Strömungskanals umlaufend um diesen im Bereich der Endpositionen der Klappen, so dass ich eine umlaufende Abdichtung ergibt. Diese Dichtflächen können elastisch ausgeführt werden, um Toleranzen und Wärmeausdehnungen auszugleichen.
Vorteilhaft ist der Reaktoraustritt (37) in der selben Hälfte des Reaktors wie der Reaktoreintritt (36) angeordnet, besonders vorteilhaft befinden sich beide in einer Flucht. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nur bei einigen Klappen deren mögliche Drehrichtung durch Pfeile angedeutet.
In 2a ist eine Abwandlung der 2 dargestellt, die sich von dieser dadurch unterscheidet, dass die Durchströmungsrichtung umgedreht wurde, so dass sich die Zuführung zum Katalysator (36) nun oben und die Abführung (37) unten befindet.. Dadurch wird der Abströmkanal (50) nun zum Zuströmkanal (50') für die Katalysatoren, ist aber, wie schon bei 2 ausgeführt, so ausgeführt, dass die Strömung in diesem Kanal wenigstens streckenweise entgegen der Hauptströmungsrichtung durch die Katalysatoren (1) verläuft. Diese Strömungsführung ist prinzipiell bei allen nachfolgend aufgeführten Figuren möglich, so so dass aus Gründen der Übersichtlichkeit im weiteren auf deren Darstellung verzichtet wird.
3 zeigt eine zu 2 identische Ausführung, allerdings sind die Klappen (21) vor und nach (27) den Katalysatoren nun geschlossen, die Bypass- Abgasklappe (25) ist dagegen geöffnet. Dadurch strömt nun Abgas über den nun geöffneten Bypasspfad (6) an den Katalysatoren vorbei zum Reaktoraustritt (2'). Diese Darstellung macht den Unterschied zum Stand der Technik besonders deutlich: Im Bypassmodus, der bei Hochseeschiffen den größten Teil der Zeit ausmacht, strömt das Abgas gerade durch den Reaktor, Umlenkungen durch Hosenrohre und Abgasteiler werden vermieden. Dadurch wird der Druckverlust im Vergleich zum Stand der Technik, der mehrere Umlenkungen notwendig macht, minimiert und liegt kaum mehr über dem einer normalen Rohrleitung. In dieser Figur wird ebenfalls deutlich, dass die Klappen vor den Katalysatoren (21) im geschlossenen Zustand und bei geöffneter Bypassklappe (25) im Bereich der Katalysatoren, die seitliche Begrenzung des Bypasskanals (6), in diesem Beispiel, die rechte Begrenzung, bilden. Die Klappen vor den Katalysatoren (21) dienen somit nicht nur der Absperrung der Katalysatoren, sondern auch der Strömungsführung des Bypasses bei aktiviertem Bypasskanal. Dies unterscheidet sie deutlich von üblichen Klappen oder Ventilen, die nur der Absperrung von Strömungskanälen, aber nicht der Strömungsführung von anderen Kanälen dienen.
Die Absperrklappe (27) stromab der Katalysatoren ist nicht unbedingt notwendig, verhindert allerdings im geschlossenen Zustand das Eindringen von Abgas in den Reaktorraum zu den darin verbauten Katalysatoren (1).
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung stellen somit ein integriertes, in einem gemeinsamen Gehäuse untergebrachtes Gesamtsystem aus Bypass, Absperrklappen und Katalysatoren auf minimalem Bauraum dar.
In 4 ist die Verbindungslinie (30) der einzelnen Klappenachsen (22) gegenüber der Stirnfläche der Katalysatoren gekippt, so dass die Enden der Abgasklappen (21) entlang der Strömungsrichtung immer weiter in den Strömungskanal (40) hineinragen. Dieser wird dadurch verengt, was sich günstig auf die Strömungsgleichverteilung über die Katalysatoren (1) auswirkt. Der Winkel γ zwischen der Stirnfläche der Katalysatoren (1) und der Verbindungslinie der einzelnen Klappenachsen (22) bzw. der Klappenenden, die den Katalysatoren abgewandt sind, sollte zwischen 5° und 65°, bevorzugt zwischen 10° und 55°, äußerst bevorzugt zwischen 15° und 45° liegen. Die Verbindungslinie der Klappenachsen und/oder der den Katalysatoren abgewandten Klappenenenden kann bzgl. der Hauptströmungsrichtung bzw. der Reaktoreintritt auch konkav ausgeführt sein (nicht dargestellt). In 4 ist die Position der Klappen bei deaktiviertem Bypass dargestellt.
5 zeigt eine Ausführung, in der die Klappen (21) vor den Katalysatoren gegenüber der Stirnfläche der Katalysatoren (1) gekippt sind, um eine bessere Anströmung der Katalysatoren zu ermöglichen. Der Winkel β zwischen den Klappen (21) und der Stirnfläche der Katalysatoren (1) beträgt im geöffneten Zustand höchstens 120°, bevorzugt höchstens 80°, äußerst bevorzugt höchstens 40°. Dieser Winkel β kann sich entlang der Strömungsrichtung ändern, um eine gleichmäßige Anströmung der Katalysatoren zu ermöglichen. Selbstverständlich ist auch eine Kombination aus 4 und 5 möglich, bei der die Verbindungslinie der Achsen um den Winkel γ und die Klappen zusätzlich um den Winkel β geneigt sind (nicht dargestellt). Auch in 5 ist die Position der Klappen bei deaktiviertem Bypass dargestellt.
6 stellt eine weitere Kombination aus 4 und 5 dar. Auch hier ragen die Klappen entlang der Hauptströmungsrichtung immer weiter in den Abgaskanal hinein, um eine bessere Anströmung des Katalysators zu ermöglichen. Dies wird allerdings nicht durch ein Verschieben der Kippachsen wie in 4 dargestellt, erreicht, sondern indem die Klappen entlang der Hauptströmungrichtung immer breiter werden. So ist z.B. die in Strömungsrichtung letzte Klappe (21') deutlich breiter als die unteren Klappen (21) so dass sie weiter in den vor ihr angeordneten Strömungskanal hineinragt. Zudem ändert sich der Anstellwinkel β der einzelnen Klappen (21, 21'), wie schon in 5 beschrieben, entlang der Hauptströmungsrichtung. Auch in 6 ist die Position der Klappen bei deaktiviertem Bypass dargestellt.
In 7 ist eine weitere Vereinfachung dargestellt: Hierbei dient die in Strömungsrichtung letzte Klappe (32) stromauf der Katalysatoren gleichzeitig als Bypassabsperrklappe (32). Dies hat den Vorteil, dass auf ein Bauteil verzichtet werden kann. In 7 ist die Position der Klappen bei deaktiviertem Bypass dargestellt.
8 ist in der Ausführung identisch zu 8, allerdings ist hier der Bypass durch Öffnen der Klappe (32) freigegeben und der Katalysator (1) abgesperrt.
Die 9 stellt eine weitere Verbesserung dar: Hier übernimmt die Klappe (31) nicht nur die Absperrung des Bypasses und des oberen Teils der Katalysatoren, sondern auch die Absperrung des Gasraums (5) stromab der Katalysatoren, also des Abströmkanals (50), so dass auf die in den anderen Figuren beschriebene, separate Klappe (27) verzichtet werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass der Abgaspfad für die Bypassströmung und der Abgaspfad für die Strömung von den Katalysatoren unter einem Winkel 8 zusammengeführt werden, der größer als 0°, aber kleiner als 130°, bevorzugt größer als 45°, aber kleiner als 120°, äußerst bevorzugt größer als 80°, aber kleiner als 110° ist. Im dargestellten Beispiel beträgt der Winkel 90°. Die Drehachse (28) ist so angeordnet, dass eine Drehung entweder den einen oder den anderen Schenkel der Klappe in eine Position bringt, in der der eine oder der andere Schenkel einen der beiden Pfade (Bypass: 6 oder Pfad hinter den Katalysatoren: 5) öffnet bzw. schließt. D.h. eine einzige Klappe verschließt die beiden Pfade wechselseitig. Besonders vorteilhaft ist die Klappe so ausgeführt, dass sie in der Stellung, in der der Bypass (6) geöffnet, also aktiviert ist, sie nicht nur den Pfad hinter den Katalysatoren (5), sondern auch den Abgaspfad zu den Katalysatoren verschließt. Dies ist in 10 dargestellt. In 9 ist die Position der Klappen dagegen bei deaktiviertem Bypass dargestellt.
In 10 ist zudem eine Zuführung von Spülluft (33) in den abgesperrten Katalysatorraum dargestellt. Durch die Aktivierung der Spülluft bei aktiviertem Bypass wird der Raum in dem sich die Katalysatoren befinden, von Abgas freigespült und ein Eindringen von Abgas in diesen Raum sicher verhindert. Hierbei bietet es sich an, soviel Spülluft zuzugeben, dass in diesem Raum gegenüber dem Bypass ein leichter Überdruck herrscht, der ein Eindringen von Abgas verhindert. Die Zuführung von Spülluft beschränkt sich nicht auf die in den 9 und 10 dargestellt Ausführungsform, sondern kann bei allen Ausführungsformen eingesetzt werden, bei denen die Katalysatoren vom Abgasstrom abgesperrt werden. Die Spülluft kann über separate Gebläse oder Kompressoren bereitgestellt werden. Erfindungsgemäß ist allerdings auch vorgesehen, dass die Spülluft bei Motoren mit Aufladung über einen Abgasturbolader, stromab des wenigstens einen Verdichters der Abgasturboladergruppe entnommen und dem Reaktorraum als Spülluft (33) zugeführt wird. In 10 ist die Position der Klappen bei aktiviertem Bypass und vom Abgasstrom abgetrennten Katalysatoren (1) dargestellt. Zusätzlich kann die Spülluft erhitzt werden, um bei aktiviertem Bypass die Abgasnachbandlungskomponenten (1) von während des Betriebs auf diesen abgelagerten Komponenten zu befreien. Dies sind insbesondere Schwefeloxide, Kohlenwasserstoffe und Ruß. Die Erwärmung kann elektrisch oder über einen Brenner erfolgen, erfindungsgemäß liegen die Temperaturen dabei bei mindestens 400°C, vorteilhaft bei mindestens 450°C, äußerst vorteilhaft bei mindestens 500°C. Die Klappenstellung, die Spülluft und deren Temperatur wird erfindungsgemäß über eine elektronische Kontrolleinheit gesteuert.
Obwohl in den oben beschriebenen Zeichnungen die Klappen vor den Katalysatoren (21) als plan dargestellt sind, beschränken sich die Vorrichtung und das Verfahren nicht auf plane Klappen. Vielmehr sind auch bzgl. der Hauptströmungsrichtung bzw. dem Reaktoreingang konkav geformte Klappen (21) zur Verbesserung der Anströmung der Katalysatoren (1) einsetzbar (nicht dargestellt).
Die Ansteuerung der einzelnen Klappen (32, 21', 27, 21) kann separat erfolgen, kostengünstiger ist allerdings eine Ansteuerung über einen gemeinsamen Riemen oder eine gemeinsame Kette, die ermöglichen, mehrere oder alle gemeinsam anzusteuern. Im letzten Fall sind auf den einzelnen Achsen (22) Ritzel angeordnet, in denen die Kette läuft. Diese Kette ist mit einem elektrischen, hydraulischen oder pneumatischen Motor verbunden, der die für die Verstellung notwendige Rotationsbewegung erzeugt.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Steuerung der einzelnen Klappen und der Spülluft sowie deren Beheizung mit Hilfe einer elektronischen Kontrolleinrichtung erfolgt. Insbesondere stellt die elektronische Kontrolleinrichtung sicher, dass Klappen eines Abgaspfads erst geschlossen werden, wenn zuvor der zweite Abgaspfad geöffnet wurde, um ein Blockieren des Abgaspfads im befeuerten Betrieb der Brennkraftmaschine zu verhindern. Zudem erhält diese von extern die Stellungsanforderung der Klappen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Klappenstellung und die Spülluft über die Kontrolleinheit in Abhängigkeit des verwendeten Kraftstoffs und/oder der Position des Schiffs vorgegeben wird. So liegen z.B. die NOx- Emissionen von Dual- Fuel- Motoren im Gasbetrieb deutlich niedriger als im Dieselbetrieb, so dass im Gasbetrieb im Reaktor verbaute SCR- Katalysatoren gebypasst werden können. Gleiches gilt, wenn das Schiff außerhalb einer ECA unterwegs ist. Auch hier ist üblicherweise keine NOx- Reduzierung notwendig, so dass ebenfalls der Bypass aktiviert werden kann.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Katalysatoren kann die Vorrichtung vorteilhaft für das SCR-Verfahren eingesetzt werden. Hierzu wird stromauf der SCR- Katalysatoren eine flüssige Harnstofflösung eingedüst, die sich im Abgas zu Ammoniak und CO₂ zersetzt. Mit dem entstehenden NH3 können anschließend am SCR- Katalysatoren Stickoxide reduziert werden. Für die Zersetzung des Harnstoffs ist eine relativ lange Zersetzungsstrecke notwendig. In der US 10,443,469 B2 ist diese außerhalb des Reaktors und stromab des Ventils für die Absperrung des Abgasstroms zum Reaktor angeordnet. Dies führt wiederum zu einen sehr hohen Bauraumbedarf: In diesem Beispiel ist der Abstand der Harnstoffeindüsung zu den eigentlichen SCR- Katalysatoren ungefähr so lang, wie die Höhe des gesamten Reaktors. Beim erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann der Großteil der Zersetzungsstrecke dagegen in den Reaktor integriert werden, da die Abgasströmung an den Katalysatoren entlang strömt und nicht direkt auf diese trifft, sondern erst umgelenkt wird. Aus diesem Grund kann die Eindüsung von Harnstoff im idealen Fall direkt in den Reaktor erfolgen, jedoch nicht weiter als fünfmal, bevorzugt nicht weiter als zweimal, äußerst bevorzugt nicht weiter als einmal den Durchmesser des Abgasrohrs am Reaktorgehäuseeintritt vom Reaktoreintritt (36) in Richtung des Motors entfernt.
In 11 ist dieser Abstand der Harnstoffdüse (34) mit „a“ bezeichnet. Vorteilhaft kann stromauf und/oder stromab der Eindüsung ein Mischer in das Abgasrohr eingebaut werden (nicht dargestellt). In 11 ist die Position der Klappen bei deaktiviertem Bypass dargestellt.
Im Gegensatz zu den vorangegangenen Figuren ist in den folgenden eine Ausführung mit nur einer Klappe (36) dargestellt, die gleichzeitig sowohl die Freigabe des Bypasses, als auch die Abdeckung und Absperrung der Katalysatoren sowie das Verschließen des Abströmkanals (50) darstellen kann. Hierzu ist ihre Drehachse am Ende der Zwischenwand (51) und parallel zu ihr angeordnet. Die Klappe besteht aus zwei Schenkeln, die im Fall der 12 und 13 im Winkel von 180° zueinander stehen, d.h. die Klappe ist planar. Um einen zu hohen Strömungsverlust bei geöffnetem Abströmkanal zu vermeiden, ist das Reaktorgehäuse im oberen Bereich des Abströmkanals (50) nach Außen erweitert. Die 12 zeigt die Vorrichtung bei geschlossenem Bypass und geöffnetem Strömungskanal zu und von den Katalysatoren, 13 die selbe Ausführung, allerdings bei geöffnetem Bypass, wobei gleichzeitig der Abströmkanal (50) verschlossen wird.
In den 14 und 15 ist eine weitere Verbesserung der in den 12 und 13 beschriebenen Abgasklappe, die gleichzeitig sowohl die Freigabe des Bypasses, als auch die Abdeckung und Absperrung der Katalysatoren sowie das Verschließen des Abströmkanals (50) umsetzen kann, dargestellt. Hierbei sind die in den 12 und 13 beschriebenen beiden Schenkel der Abgasklappe gegeneinander um den Winkel Φ geneigt. Der Vorteil besteht darin, dass dadurch der Abgaskanal (50) bei der Strömung über die Katalysatoren (1), d.h. bei geschlossenem Bypasskanal, deutlich weniger stark eingeschnürt wird, da sich der Schenkel bei geschlossenem Bypasskanal nun im Abströmkanal (50) deutlich näher an der Zwischenwand (51) befindet. Im besten Fall liegt der Schenkel direkt an der Wand (51) an. Aus Gründen der besseren Darstellung ist in 14 ein kleiner Winkel η zwischen dem Schenkel der Klappe (37) im Abströmkanal (50) und der Zwischwand (51) gezeigt. Dieser kann erfindungsgemäß 0° betragen. 15 zeigt die gleiche Vorrichtung, allerdings bei geöffnetem Bypasskanal (6) und abgesperrten Katalysatoren (1) und geschlossenem Abströmkanal (50).
Der Winkel Φ zwischen den beiden Schenkeln der zweischenkligen Klappe beträgt weniger als 170°, bevorzugt weniger als 160°, äußerst bevorzugt weniger als 150°.
Der Winkel Φ beträgt mindestens $Φ = 90 ° + 180 ° * {sin}^{- 1} (BB / LB) / π$
mit:

Φ:: Winkel zwischen den beiden Schenkeln der Abasklappe (37) [°]
BB:: Breite des Bypasskanals, gemessen zwischen der Klappe bei (37) geöffnetem Bypass und dem Bereich der Gehäusewand, auf die diese bei geschlossenem Bypass trifft [mm]
LB:: Länge des Schenkels der Klappe (37) im Bypasskanal [mm]

Φ = (90 ° + 180 ° * {sin}^{- 1} (BB / LB) / π) + / - 2 %

Φ = (90 ° + 180 ° * {sin}^{- 1} (BB / LB) / π) + / - 5 %

Die Länge LA des Schenkels der Klappe (37), der als Absperrklappe für den Abströmkanal (50) dient, beträgt $LA = BB / (arcsin (BB / LB) : π * 180 ° + η)$
Mit:

LA:: Länge des Schenkels der Klappe (37), der als Absperrklappe für den Abströmkanal (50) dient [mm]
η:: Winkel zwischen dem Schenkel der Klappe (37), der als Absperrklappe für den Abströmkanal (50) dient und der Zwischenwand (51) bei geschlossenem Bypass [°]

LA = BB / (arcsin (BB / LB) : π * 180 ° + η) + / - 2 %

LA = BB / (arcsin (BB / LB) : π * 180 ° + η) + / - 5 %

Die Bezeichnungen können den 16 und 17 entnommen werden.
Obwohl in den obigen Beschreibungen immer auf Katalysatoren Bezug genommen wurde, ist das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht auf diese beschränkt, sondern kann bei allen Abgasnachbehandlungskomponenten, wie Entschwefelungsanlagen, Partikelfiltern und Katalysatoren, insbesondere SCR-, CH₄- Oxidations-, CO- Oxidations-, HCHO- Oxidationskatalysatoren, eingesetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 10443469 B2 [0003, 0030]

Claims

Vorrichtung zur Reduzierung von Schadstoffen im Abgas einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente (1), insbesondere ein Katalysator, ein Partikelfilter oder eine Entschwefelungsanlage, mindestens ein Bypass (6) zur Abgasnachbehandlungskomponente (1) und wenigstens eine Absperrvorrichtung (21,25,27,31,32,36,37) zur wechselseitigen Freigabe der Abgasströmung (2) durch den Bypass (6) oder die wenigstens einen Abgasnachbehandlungskomponente (1) in einem gemeinsamen Gehäuse (35) integriert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor der wenigstens einen Abgasnachbehandlungskomponente (1) wenigstens eine Absperrklappe (21,32,36,37) vorgesehen ist und die Gesamtfläche der Absperrklappen (21,32,36,37) in Summe mindestens 50%, vorteilhaft mindestens 80%, äußerst vorteilhaft mindestens 90% der Summe aller Anströmflächen der Abgasnachbehandlungskomponenten (1) beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, für den Fall, dass das Abgas durch die wenigstens eine Abgasnachbehandlungskomponente (1) geleitetet wird, das Abgas (5) stromab der Abgasnachbehandlungskomponente in Richtung Abgasaustritt (37) zumindest streckenweise entgegen der Hauptströmungsrichtung, die durch die Abgasnachbehandlungskomponenten (1) verläuft, geführt wird und der sich dadurch ausbildende Strömungskanal (50) ebenfalls in das Gehäuse integriert ist und eine Wand dieses sogenannten Abströmkanals (50) durch eine Zwischenwand (51) begrenzt wird, die den Abströmkanal von dem Raum abtrennt, in dem sich die Abgasnachbehandlungskomponenten (1) und/oder die Zuströmung zu den Abgasnachbehandlungskomponenten befinden.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absperrklappen vor den Abgasnachbehandlungskomponenten (21,31,32,36,37) in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung (2) oder den Reaktoreintritt (36) konkav ausgeführt sind.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktoraustritt (37) in derselben Hälfte des Reaktors wie der Reaktoreintritt (36) angeordnet ist, besonders vorteilhaft befinden sich beide in einer Flucht.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren Absperrklappen (21,31,32) vor den Abgasnachbehandlungskomponenten (1) diese mit steigender Entfernung zum Reaktoreintritt den Strömungskanal (40) vor den Klappen verengen oder bei einer Absperrklappe (36,37) vor den Abgasnachbehandlungskomponenten diese eine Absperrklappe den Strömungskanal zu den Abgasnachbehandlungskomponenten (1) verengt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungslinie zwischen den Drehachsen (22) der mehreren Absperrklappen (21,32) vor den Abgasnachbehandlungskomponenten (21) und/oder die mehreren Abgasklappen (21,32) gegen die Abgassströmung geneigt sind.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine drehbare, zweischenklige Klappe (31,36,37) im Reaktor so ausgeführt wird, dass die Drehachse (28) so angeordnet ist, dass eine Drehung der Klappe (31) entweder den einen oder den anderen Schenkel der Klappe in eine Position bringt, in der der eine oder der andere Schenkel wechselseitig entweder den Bypass (6) oder den Pfad zu den Abgasnachbehandlungskomponenten (1) öffnet, vorteilhaft ist die Klappe so angeordnet, dass sie bei geöffnetem Bypass zudem den Abströmkanal (50) stromab der Abgasnachbehandlungskomponenten (5) vom Abgasstrom abschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel Φ zwischen den beiden Schenkeln der zweischenkligen Klappe (31,36,37) weniger als 170°, bevorzugt weniger als 160°, äußerst bevorzugt weniger als 150° beträgt.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel Φ zwischen den beiden Schenkeln der zweischenkligen Klappe (31,36,37) mindestens $Φ = 90 ° + 180 ° * {sin}^{- 1} (BB / LB) / π$
mit: Φ: Winkel zwischen den beiden Schenkeln der Abasklappe (37) [°] BB: Breite des Bypasskanals, gemessen zwischen der Klappe bei (37) geöffnetem Bypass und dem Bereich der Gehäusewand, auf die diese bei geschlossenem Bypass trifft [mm] LB: Länge des Schenkels der Klappe (37) im Bypasskanal [mm] bevorzugt $Φ = (90 ° + 180 ° * {sin}^{- 1} (BB / LB) / π) + / - 2 %$
äußerst bevorzugt mindestens $Φ = (90 ° + 180 ° * {sin}^{- 1} (BB / LB) / π) + / - 5 %$
beträgt.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge LA des Schenkels (37A) der Klappe (37), der als Absperrklappe für den Abströmkanal (50) dient, $LA = BB / (arcsin (BB / LB) : π * 180 ° + η)$
Mit: LA: Länge des Schenkels der Klappe (37), der als Absperrklappe für den Abströmkanal (50) dient [mm] η: Winkel zwischen dem Schenkel der Klappe (37), der als Absperrklappe für den Abströmkanal (50) dient und der Zwischenwand (51) bei geschlossenem Bypass [°] bevorzugt $LA = BB / (arcsin (BB / LB) : π * 180 ° + η) + / - 2 %$
äußerst bevorzugt mindestens $LA = BB / (arcsin (BB / LB) : π * 180 ° + η) + / - 5 %$
beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Abgasnachbehandlungskomponente (1) als SCR- Katalysator ausgeführt ist und die Eindüsung des notwendigen Harnstoffs direkt in den Reaktor oder im Reaktoreintrittsrohr erfolgt, dann jedoch nicht weiter als fünfmal, bevorzugt nicht weiter als zweimal, äußerst bevorzugt nicht weiter als einmal den Durchmesser des Abgasrohrs am Reaktorgehäuseeintritt vom Reaktoreintritt (36) in Richtung des Motor entfernt angeordnet ist.
Verfahren zur Steuerung der in den Ansprüchen 1 bis 9 beschriebenen Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Absperrvorrichtungen (21,21',25,27,31,32,36,37) mit Hilfe einer elektronischen Kontrolleinrichtung, die von extern die Stellungsanforderung der Klappen erhält, und entsprechenden Aktuatoren angesteuert werden.