DE102023001128A1 - Device and method for NOx reduction and creation of hydrogen fuel gas (NOx reducer) - Google Patents
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Abstract
1. Vorrichtung und Verfahren zur NOx-Reduktion und Erzeugung von Wasserstoff-Brenngas (NOx-Reducer).2.1. Bisher wird zur Reduzierung der Stickoxide, die durch Verwenden von Motoren entstehen, die Abgasrückführung und die selektive katalytische Reduktion eingesetzt, die externe Energie und Brennstoff erfordert, aber durch vermehrte Rußansammlung langfristig dem Motor schadet und zudem zum hohen Anstieg der CO-Werte führt. Die Vorrichtung und das Verfahren zur NOx-Reduktion und Erzeugung von Wasserstoff-Brenngas ermöglicht es, eine Reduzierung der Stickoxide bei Motoren zu erreichen, ohne dass dadurch ein erhöhter Brennstoffverbrauch, hoher Anstieg der CO-Werte, Absetzung von Rußpartikeln oder Feststoffen entsteht.2.2. Der NOx-Reducer erfasst die Vorrichtung zum Durchführen von Verfahren zur NOx-Reduktion und Erzeugung von Wasserstoff-Brenngas, die in jeder Verbrennungsmaschine und sowohl im stationären als auch im mobilen Betrieb eingesetzt werden kann. Der NOx-Reducer arbeitet unabhängig von Last und Temperatur, solange der Motor läuft, und ist für den 24/7-Betrieb ausgelegt. Die Erfindung nutzt die Prozesswärme, die bei der Verbrennung entsteht. Die NOx-Reduktion erfolgt durch von aus Abgas hergestelltem Synthesegas, das dem Motor als Teilstrom zugeführt wird. Im Brennraum optimiert das Synthesegas die Abbrand Situation des Brennstoffluftgemischs, mit dem Ergebnis, dass der spezifische Brennstoffverbrauch sinkt, weniger Turbulenz und erheblich weniger Emissionen als bei bekannten Verfahren entstehen.2.3. Reduktion von NOx und Herstellung von Wasserstoff-Brenngas in Arbeitskraft- und Wärmemaschinen, die aus einer Vielzahl von Anwendungen stammen, einschließlich aber nicht beschränkt auf Industrie- und Kraftwerksanlagen, die fossile Brennstoffe verwenden.1. Device and method for NOx reduction and production of hydrogen fuel gas (NOx reducer).2.1. To date, exhaust gas recirculation and selective catalytic reduction have been used to reduce the nitrogen oxides produced by the use of engines, which require external energy and fuel, but which damage the engine in the long term due to increased soot accumulation and also lead to a high increase in CO levels. The device and the method for NOx reduction and production of hydrogen fuel gas make it possible to achieve a reduction in nitrogen oxides in engines without resulting in increased fuel consumption, a high increase in CO values, or the deposition of soot particles or solids.2.2. The NOx reducer captures the device for carrying out processes for NOx reduction and production of hydrogen fuel gas, which can be used in any combustion engine and in both stationary and mobile operation. The NOx reducer works independently of load and temperature as long as the engine is running and is designed for 24/7 operation. The invention uses the process heat generated during combustion. The NOx reduction occurs through synthesis gas produced from exhaust gas, which is fed to the engine as a partial flow. In the combustion chamber, the synthesis gas optimizes the combustion situation of the fuel-air mixture, with the result that the specific fuel consumption decreases, less turbulence and significantly fewer emissions occur than with known processes.2.3. Reduction of NOx and production of hydrogen fuel gas in power and heat engines derived from a variety of applications, including but not limited to industrial and power plants that use fossil fuels.
Description
Bisher wird zur Reduzierung der Stickoxide, die durch Verwenden von Motoren entstehen, die Abgasrückführung (AGR) und selektive katalytische Reduktion eingesetzt. Seit der Abgasnorm Euro-4 war die Abgasrückführung allein nicht mehr ausreichend für die Reduzierung der Stickoxide, weswegen seitdem zusätzlich die selektive katalytische Reduktion eingesetzt wird. Der Betrieb der AGR erfordert externe Energie und Brennstoff und schadet langfristig gesehen jedem Motor. Die Schädigung wird dadurch verursacht, dass im Abgasrückführventil vermehrte Rußansammlung stattfindet. Die Folge daraus ist eine schlechte Verbrennung, starker Leistungsverlust oder ein erhöhter Verbrauch. Eine weitere Nebenwirkung ist das Verrußen der Luftzuführungssysteme bis zu den Ventilen, was entweder eine gründliche Reinigung oder gar Austauschen dieser Systeme erfordert. Aus diesen Gründen findet die AGR insbesondere bei den großen Motoren, wie Generatoren, Schiffs- und Industriemotoren, keine Anwendung. Außerdem kann die AGR einen sicheren 24/7-Betrieb nicht gewährleisten.To date, exhaust gas recirculation (EGR) and selective catalytic reduction have been used to reduce nitrogen oxides produced by the use of engines. Since the Euro 4 emissions standard, exhaust gas recirculation alone was no longer sufficient to reduce nitrogen oxides, which is why selective catalytic reduction has also been used since then. The operation of the EGR requires external energy and fuel and, in the long term, damages any engine. The damage is caused by increased accumulation of soot in the exhaust gas recirculation valve. The result is poor combustion, a significant loss of performance or increased consumption. Another side effect is the sooting of the air supply systems up to the valves, which requires either thorough cleaning or even replacement of these systems. For these reasons, EGR is not used, especially in large engines such as generators, marine and industrial engines. In addition, the AGR cannot guarantee secure 24/7 operation.
Der im Patentanspruch 1 und 2 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Reduzierung der Stickoxide beim Motorbetrieb zu erreichen, ohne dass dadurch ein erhöhter Brennstoffverbrauch, hoher Anstieg der CO-Werte, Absetzung von Rußpartikeln oder Feststoffen entsteht.The invention specified in
Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 und 2 aufgeführten Erfindung gelöst.This problem is solved by the invention listed in
Die vorliegende Erfindung ist ein NOx-Reducer, der in jeder Verbrennungsmaschine integriert werden kann und sowohl im stationären als auch im mobilen Betrieb eingesetzt werden kann. Der NOx-Reducer arbeitet unabhängig von Last und Temperatur, solange der Motor läuft, und ist für den 24/7-Betrieb ausgelegt. Alle Arbeitskraft- und Wärmemaschinen generieren große Mengen an Prozesswärme, die meist unerwünscht ist und deshalb ungenutzt der Natur zugeführt wird. Diese Prozesswärme kann durch den Ethanol Reformer (12) sinnvoll, ökologisch und ökonomisch genutzt werden. Die Abgase werden vor dem Eintritt in den Ansaugtrakt gefiltert und gekühlt. Der NOx-Reducer variiert die Abgasrückführungsrate, um IMO TIER III-Standards im fahrspezifischen Lastbereich zu erreichen, und erzeugt außerdem Brennstoff durch Verdampfen von brennbaren Fluiden im Synthesegaserzeuger (8), um Leistungsverluste zu kompensieren.The present invention is a NOx reducer that can be integrated into any internal combustion engine and can be used in both stationary and mobile operation. The NOx reducer works independently of load and temperature as long as the engine is running and is designed for 24/7 operation. All power and heat machines generate large amounts of process heat, which is usually undesirable and is therefore released into nature unused. This process heat can be used sensibly, ecologically and economically by the ethanol reformer (12). The exhaust gases are filtered and cooled before entering the intake tract. The NOx reducer varies the exhaust gas recirculation rate to achieve IMO TIER III standards in the driving-specific load range and also produces fuel by vaporizing flammable fluids in the syngas generator (8) to compensate for power losses.
Die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 2 wird durch eine Steuerung (1) kontrolliert. Die NOx-Reduktion erfolgt auf Basis von aus Abgas hergestelltem Synthesegas, das dem Motor als Teilstrom zugeführt wird. Die Mengenregelung erfolgt durch die Bypassklappe des Abgasbypasses (4) und den Abgasgegendrucksensor (15), der den Abgasgegendruck überwacht. Der Abgasteilstrom wird dem Partikelfilter (10) zugeführt, dessen Betriebszustand über Differenzdrucksensoren (16) überwacht wird. Die Temperatursensoren (17) sind Indikatoren für die Einschalt- und Betriebsphase sowie für den Zeitpunkt der Selbstreinigung. Wenn der Druck an den Differenzdrucksensoren (16) sinkt, schließt das Abgasmengenregelventil (9), was die Temperatur im Partikelfilter (10) ansteigen lässt und somit die Selbstreinigung startet. Die Selbstreinigung erfolgt automatisch im normalen Regelbetrieb. Der Abgasteilstrom wird dann dem Synthesegaserzeuger (8) zugeführt und heizt den Synthesegaserzeuger (8) auf ca. 180°C auf. Der Verdampfertemperatursensor (18) erteilt dann die Freigabe und startet die Pumpe, die dann das Wasser aus dem Wassertank (2) oder ein Gemisch, bestehend aus Wasser aus dem Wassertank (2) und Ethanol/Methanol aus dem Ethanoltank (3), in den Synthesegaserzeuger (8) einspritzt oder einnebelt, und das Wasser oder das Gemisch verdampft.The device according to
Der Ethanol Reformer (12) besteht aus einem doppelwandigen Behälter, dessen zweite Barriere vom Innenbehälter, gegen thermische Verluste isoliert ist. Der innere Behälter ist der eigentliche Katalysator (19). Der Bereich zwischen dem inneren Behälter/Katalysator (19) und dem äußeren Behälter wird mit Heißgas auf eine Temperatur von 350°C aufgeheizt. Der Verdampfer (13) wird ebenfalls über Heißgas auf 350°C aufgeheizt und erzeugt jeweils Wasser und Ethanol Dampf, der dann den Katalysator (19) durchströmt und katalytisch „gecrackt“ wird, wobei Wasserstoff und CO entsteht. Durch den Einbau eines Venturi-Rohrs erzeugt der Fluidstrom (Dampf) im Venturi-Rohr einen Unterdruck, durch den die Umgebungsluft angesaugt wird. Diese Luft unterstützt den katalytischen Prozess. Das Synthesegas wird dann über den HD-H2-Gaskühler (11) gekühlt und durch den Luftfilter (7) dem Verdichter (6) zugeführt, welcher es, wie die herkömmliche Ansaugluft, verdichtet und in den Brennraum leitet. Im Brennraum optimiert das Synthesegas die Abbrand Situation des Brennstoffluftgemisch, mit dem Ergebnis, dass der spezifische Brennstoffverbrauch sinkt, weniger Turbulenz und weniger Emissionen entstehen. Bei einer Tropfengröße von 10 µm erzeugt das Aerosol eine große Oberfläche, die so viel Wärme aufnimmt, dass das Abgas (Synthesegas) dem Ansaugtrakt des Motors zugeführt und im Brennraum verbrannt werden kann. Die Eintrittstemperatur beträgt dann ca. 40°C - 50°C. Der Wassertank (2) sowie der Ethanoltank (3) werden jeweils durch einen Füllstandsensor (14) überwacht, der den NOx-Reducer bei Erreichen des Low-Levels abschaltet. Jeder Sensor ist Teil der Sicherheitskette. Die Abschaltung des leeren Wassertanks (2) ist sicherheitsrelevant, weil so vermieden wird, dass Ethanol ohne Wasser in einen „Heißbereich“ eingespritzt wird. Umgekehrt wäre die Einspritzung von Wasser ohne Ethanol zwar nicht kritisch, würde jedoch zu deutlich höheren Emissionswerten führen.The ethanol reformer (12) consists of a double-walled container, the second barrier of which is insulated from the inner container against thermal losses. The inner container is the actual catalyst (19). The area between the inner container/catalyst (19) and the outer container is heated with hot gas to a temperature of 350°C. The evaporator (13) is also heated to 350°C using hot gas and generates water and ethanol steam, which then flows through the catalyst (19) and is catalytically “cracked”, producing hydrogen and CO. By installing a Venturi tube, the fluid flow (steam) in the Venturi tube creates a negative pressure through which the ambient air is sucked in. This air supports the catalytic process. The synthesis gas is then cooled via the HD-H2 gas cooler (11) and fed through the air filter (7) to the compressor (6), which, like conventional intake air, compresses it and directs it into the combustion chamber. In the combustion chamber, the synthesis gas optimizes the combustion situation of the fuel-air mixture, with the result that the specific fuel consumption decreases, less turbulence and fewer emissions occur. With a drop size of 10 µm, the aerosol creates a large surface area that absorbs so much heat that the exhaust gas (synthesis gas) can be fed to the engine's intake tract and burned in the combustion chamber. The inlet temperature is then approx. 40°C - 50°C. The water tank (2) and the ethanol tank (3) are each monitored by a fill level sensor (14), which switches off the NOx reducer when the low level is reached. Every sensor is part of the security chain. Switching off the empty water tank (2) is safety-relevant because it prevents... Ethanol is injected into a “hot area” without water. Conversely, the injection of water without ethanol would not be critical, but would lead to significantly higher emission levels.
Innerhalb der Verbrennung begrenzt das Synthesegas, die Entstehung von NOx erzeugenden Temperaturen, da die im Synthesegas befindliche Feuchtigkeit, der Verbrennung Wärme entzieht. Das passiert in Hochtemperaturbereichen ab ca. 1000°C und zu einem Zeitpunkt, bei dem die thermodynamische Leistung umgesetzt ist. CO steigt leicht bzw. in vernachlässigbarem Maße an. Die Steuerung (1) verarbeitet die Signale der Sensoren und regelt die Abgasteilstrom-Menge, die Wasser/Ethanol-Einspritzmenge, die Temperaturen von Partikelfilter und Synthesegasgenerator und sorgt für einen sicheren Betrieb, da Sollwert-Abweichungen zum Abschalten des NOx-Reducers führen.During combustion, the synthesis gas limits the development of temperatures that produce NOx, since the moisture in the synthesis gas removes heat from the combustion. This happens in high temperature areas from around 1000°C and at a point in time at which the thermodynamic performance has been implemented. CO increases slightly or to a negligible extent. The control (1) processes the signals from the sensors and regulates the exhaust gas partial flow quantity, the water/ethanol injection quantity, the temperatures of the particle filter and synthesis gas generator and ensures safe operation, as setpoint deviations lead to the NOx reducer being switched off.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass es ein autarkes Emissionsreduzierunssystem eingesetzt wird, das in jede Infrastruktur einer Verbrennungsmaschine integriert werden kann, modular aufgebaut ist, sowohl im mobilen als auch im stationären Betrieb Anwendung findet, Last- und Temperaturunabhängig ist, einen 24/7-Betrieb ermöglicht, Stickoxide ohne wesentliche CO-Erhöhung reduziert, während des Betriebs einen Brennstoff erzeugt und dadurch die Stickoxide ebenfalls ohne erhöhten Brennstoffverbrauch reduziert.The advantages achieved by the invention are, in particular, that a self-sufficient emissions reduction system is used, which can be integrated into any infrastructure of a combustion engine, has a modular structure, is used in both mobile and stationary operation, and is independent of load and temperature 24/7 operation enables nitrogen oxides to be reduced without a significant increase in CO, fuel generated during operation and thereby nitrogen oxides also reduced without increased fuel consumption.
Der NOx-Reducer hat einen sehr geringen Eigenenergiebedarf, der beispielsweise an einem Cummins 6 Zylinder 160kW Kraftwerk, ca. 100W beträgt. Der NOx-Reducer findet überall Anwendung, wo fossile Brennstoffe verbrannt werden. Er kann individuell oder modular in Boxen bis hin zu Containern gefertigt werden und damit jede Leistungsanforderung der jeweiligen Maschine erfüllen. Der NOx-Reducer reduziert Stickoxide ohne wesentliche Erhöhung von CO-Emissionen oder Brennstoffverbrauch. Die Substitution mit Ethanol zeigt eine positive Auswirkung auf die Stickoxydreduzierung. Der damit einhergehende CO-Anstieg wird durch Ethanol Reformer (12) eliminiert, da Wasserstoff kein CO beinhaltet.The NOx reducer has a very low energy requirement of its own, which is around 100W on a Cummins 6 cylinder 160kW power plant, for example. The NOx reducer is used wherever fossil fuels are burned. It can be manufactured individually or modularly in boxes or containers and can therefore meet every performance requirement of the respective machine. The NOx reducer reduces nitrogen oxides without significantly increasing CO emissions or fuel consumption. Substitution with ethanol shows a positive effect on nitrogen oxide reduction. The associated increase in CO is eliminated by ethanol reformer (12), since hydrogen does not contain any CO.
NOx-Reducer steht für Nachhaltigkeit, da ältere Dieselmotoren, mit NOx-Reducer ausgestattet, die nach IMO TIER III vorgegebenen Werte erreichen und weiterhin eingesetzt werden können. Da die thermische Leistung für den Ethanol Reformer (12) aus dem Abgas- Massenstrom resultiert und nicht, wie bei der Elektrolyse, aus der Steckdose kommt, hat die Erfindung auch wirtschaftliche Vorteile für den Verwender. Der Weg von der Substitution bis zum „reinen“ Wasserstoffbetrieb würde diese Übergangstechnologie zu einer zukunftsweisenden Technologie machen.NOx reducer stands for sustainability, as older diesel engines equipped with NOx reducers achieve the values specified in IMO TIER III and can continue to be used. Since the thermal power for the ethanol reformer (12) results from the exhaust gas mass flow and does not come from the socket, as is the case with electrolysis, the invention also has economic advantages for the user. The path from substitution to “pure” hydrogen operation would make this transition technology a future-oriented technology.
Die vorliegende Erfindung ist ein System zur Reduzierung von Emissionen und Kraftstoffkosten in Arbeitskraft- und Wärmemaschinen, bestehend aus einem System zur Gewinnung von Prozesswärme, einem Reformator zur Erzeugung von Wasserstoff aus Ethanol und einem Energiespeicher oder Brennstoffzellensystem zur Speicherung und Verwendung des erzeugten Wasserstoffs, das bei Arbeitskraft- und Wärmemaschinen eingesetzt werden kann, die aus einer Vielzahl von Anwendungen stammen, einschließlich aber nicht beschränkt auf Industrie- und Kraftwerksanlagen.The present invention is a system for reducing emissions and fuel costs in power and heat engines, consisting of a system for generating process heat, a reformer for producing hydrogen from ethanol and an energy storage or fuel cell system for storing and using the hydrogen produced, which is at Work and heat engines can be used from a variety of applications including but not limited to industrial and power plants.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- Steuerungsteering
- 22
- Wassertankwater tank
- 33
- EthanoltankEthanol tank
- 44
- AbgasbypassExhaust gas bypass
- 55
- Abgasturbineexhaust turbine
- 66
- Verdichtercompressor
- 77
- LuftfilterAir filter
- 88th
- SynthesegaserzeugerSyngas generator
- 99
- AbgasmengenregelventilExhaust gas quantity control valve
- 1010
- PartikelfilterParticulate filter
- 1111
- HD-H2-GaskühlerHD H2 gas cooler
- 1212
- Ethanol ReformerEthanol reformer
- 1313
- VerdampferEvaporator
- 1414
- FüllstandsensorenLevel sensors
- 1515
- AbgasgegendrucksensorExhaust back pressure sensor
- 1616
- DifferenzdrucksensorenDifferential pressure sensors
- 1717
- TemperatursensorenTemperature sensors
- 1818
- VerdampfertemperatursensorEvaporator temperature sensor
- 1919
- Katalysatorcatalyst
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