DE112018004206B4

DE112018004206B4 - Verfahren zur Behandlung von Abgas von Verbrennungsmotoren und Abgasnachbehandlungssystem

Info

Publication number: DE112018004206B4
Application number: DE112018004206.5T
Authority: DE
Inventors: Christopher John Keturakis
Original assignee: Cummins Emission Solutions Inc
Current assignee: Cummins Emission Solutions Inc
Priority date: 2017-08-15
Filing date: 2018-08-08
Publication date: 2023-08-31
Anticipated expiration: 2038-08-09
Also published as: WO2019036244A1; BR112020002763B1; DE112018004206T5; CN111032195B; GB2579306A; US10502109B2; GB202001811D0; US20190055868A1; GB2579306B; CN111032195A; BR112020002763A2

Abstract

Verfahren zur Behandlung von Abgas in einem Nachbehandlungssystem (100), wobei das Verfahren umfasst:Empfangen eines Abgases von einem Motor, wobei das Abgas Wasser, Stickstoff und Kohlenmonoxid enthält;Erzeugen von Wasserstoff aus dem Wasser und dem Kohlenmonoxid unter Verwendung eines Wassergas-Shift-Katalysators (106); wobei der Wassergas-Shift-Katalysator in einem einen Oxidationskatalysator (102) des Nachbehandlungssystems (100) umgehenden Strömungspfad angeordnet ist,Erzeugen von Ammoniak aus dem durch den Wassergas-Shift-Katalysator (106) erzeugten Wasserstoff und dem Stickstoff des Abgases, unter Verwendung eines Ammoniak-Synthese-Katalysators (108); undZuführen des von dem Ammoniak-Synthese-Katalysator (108) erzeugten Ammoniaks über eine im Abstrom des Oxidationskatalysators (102) angeordnete Einfügungsleitung zu einem Katalysator für selektive katalytische Reduktion (110),wobei ein Wasserumwandlungsverhältnis des Wassergas-Shift-Katalysators (106) nicht größer als 25 % ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich allgemein auf das Gebiet von Nachbehandlungssystemen für Verbrennungsmotoren sowie Verfahren zur Behandlung von Abgas in Nachbehandlungssystemen.
HINTERGRUND
Bei Verbrennungsmotoren, wie beispielsweise Dieselmotoren, können Stickoxid-Verbindungen (NO_x-Verbindungen) im Abgas abgegeben werden. Zum Reduzieren von NO_x-Emissionen kann ein selektives katalytisches Reduktionsverfahren (engl. selective catalytic reduction, SCR) eingesetzt werden, um die NO_x-Verbindungen in neutrale Verbindungen wie zweiatomigen Stickstoff, Wasser oder Kohlendioxid mit Hilfe eines Katalysators und eines Reduktionsmittels umzuwandeln. Der Katalysator kann in einer Katalysatorkammer eines Abgassystems, wie beispielsweise dem eines Fahrzeugs oder einer Energieerzeugungseinheit, eingeschlossen sein. Ein Reduktionsmittel, wie beispielsweise wasserfreies Ammoniak, wässriges Ammoniak oder Harnstoff, kann vor der Katalysatorkammer in den Abgasstrom eingebracht werden. Bei herkömmlichen Implementierungen wird Ammoniak aus Reduktionsmittellösungen hergestellt, die an Bord des Fahrzeugs gespeichert sind. Um das Reduktionsmittel für den SCR-Prozess in den Abgasstrom einzubringen, kann ein SCR-System das Reduktionsmittel durch ein Dosiermodul (Dosiereinrichtung), das das Reduktionsmittel der Katalysatorkammer vorgelagert in ein Abgasrohr der Abgasanlage verdampft oder sprüht, dosieren oder anderweitig einbringen. Herkömmliche Reduktionsmittel-Dosierungsverfahren können unter Nachbehandlungssystem-Korrosion, Lösungskondensation bei niedrigen Temperaturen (was die Katalysatorleistung einschränkt), einem Bedarf nach einem Reduktionsmitteltank, der, wenn leer, nachgefüllt werden muss und einer genauen Dosierungssteuerung mittels, zum Beispiel, Sprühdüsen leiden, die aufwendig und teuer in der Herstellung sind.
Die Ammoniak-Synthesereaktion verwendet Stickstoff und Wasserstoff, um Ammoniak (3H₂ + N₂ ⇌ 2NH₃) herzustellen, in der Regel bei hohen Drücken (50,66-202,65 bar [50-200 atm]). Herkömmlicherweise schließen Systeme zum Bereitstellen von On-Board-Ammoniaksynthese H₂/N₂-Tanks oder Kraftstoffreformierung als Quelle für H₂ ein. Ferner wird häufig eine Hochdruck-Ammoniaksyntheseschleife verwendet, ähnlich derjenigen, die in industriellen Prozessen verwendet wird. Die Komplexität herkömmlicher On-Board-Ammoniaksynthesesysteme erfordert einen erheblichen Aufwand und Platz zur Ausführung und ist die größte Einschränkung, welche die kommerzielle Annahme behindert.
Ein Wassergas-Shift- (WGS) Katalysator verwendet Wasser und Kohlenmonoxid, um Wasserstoff und Kohlendioxid (H₂O + CO ⇌ CO₂ + H₂) herzustellen. WGS-Katalysatoren gibt es in vielen Varianten, abhängig von ihren Anwendungsbedingungen. Niedrig- und Hoch-Temperatur-Shift- (Low- and High-Temperature Shift, LTS und HTS) Katalysatoren sind die am häufigsten verwendeten Variationen und werden in der Regel bei Temperaturen von 180-275 °C (LTS) und 300-450 °C (HTS) betrieben. Andere Variationen schließen einen Medium-Temperatur-Shift- (MTS) WGS-Katalysator für einen Temperaturbereich von 190-330 °C und einen Sauergas-Shift-Katalysator zur Verwendung mit schwefelhaltigen Gasen ein. WGS-Katalysatoren können auch über einen breiten Druckbereich von so niedrig wie 0,10 bar [0,1 atm] bis 30,40 bar [30 atm] Druck arbeiten.
STAND DER TECHNIK
Aus US 2006/0201139 A1 ist ein Abgasreinigungssystem für das Abgas eines Verbrennungsmotors bekannt, das einen Katalysator und weiter stromabwärts einen SCR-Katalysator umfasst. In dem Katalysator werden Stickoxide zum Teil in Ammoniak umgewandelt und das Ammoniak wird anschließend mit nicht umgesetztem Stickoxid im SCR-Katalysator versetzt. DE 10 2015 121 025 A1 betrifft ein Nachbehandlungssystem für ein Dieselfahrzeug, das einen NO_x-Speicherkatalysator aufweist, der einem Dieselmotor nachgelagert angeordnet ist und dem ein selektiver katalytischer Reduktions(SCR)-Katalysator nachgelagert angeordnet ist.
KURZDARSTELLUNG
Hierin beschriebene Ausführungsformen beziehen sich auf Systeme und Verfahren zur Nachbehandlung von Abgas nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 14. Verschiedene Ausführungsformen sind durch die abhängigen Patentansprüche definiert. In einigen Ausführungsformen kann das Stickstoffgas aus dem Abgas durch den Wassergas-Shift-Katalysator strömen, und das Verfahren kann ferner das Einspeisen des Stickstoffgases in den Ammoniak-Synthese-Katalysator und das Erzeugen mindestens des Ammoniaks bei einem Stickstoffgas-Umwandlungsverhältnis von nicht mehr als 15 % umfassen.
In einigen Ausführungsformen ist das Abgas, das von dem Motor empfangen wird, ein Teil einer Abgasgesamtmenge, die durch den Motor über einen Zeitraum erzeugt wird, und das Verfahren umfasst ferner das Leiten des Abgases durch die Abgasleitung zu dem Wassergas-Shift-Katalysator, um das Wasserstoffgas zu erzeugen. Eine Abgas-Rekombinationsleitung führt das Ammoniak dem Katalysator für selektive katalytische Reduktion zu, indem sie das Ammoniak mit der vom Motor insgesamt erzeugten Abgasmenge kombiniert.
In einigen Ausführungsformen ist der Katalysator für selektive katalytische Reduktion wasserstoffbasiert. Eine Wasserstoffgas-Leitung fängt ein überschüssiges Wasserstoffgas ein, das von dem Ammoniak-Synthese-Katalysator nicht umgesetzt wird, wenn das Ammoniak erzeugt wird. Die Wasserstoffgas-Leitung führt das überschüssige Wasserstoffgas dem Katalysator für selektive katalytische Reduktion zu. Das überschüssige Wasserstoffgas beträgt nicht mehr als 1 % in Bezug auf ein Volumen des Produkts, das durch den Ammoniak-Synthese-Katalysator erzeugt wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen beträgt das Ammoniak, das durch den Ammoniak-Synthese-Katalysator aus dem durch den Wassergas-Shift-Katalysator erzeugten Wasserstoff erzeugt wird, nicht mehr als 2,5 % in Bezug auf ein Volumen des Produkts, das durch den Ammoniak-Synthese-Katalysator erzeugt wird. Der durch den Wassergas-Shift-Katalysator erzeugte Wasserstoff beträgt nicht mehr als 5 % in Bezug auf ein Volumen des Produkts, das durch den Wassergas-Shift-Katalysator erzeugt wird. Eine Menge des Wassers beträgt in Bezug auf eine Menge des Abgases nicht mehr als 20 %. Eine Menge des Kohlenmonoxids beträgt in Bezug auf eine Menge des Abgases nicht mehr als 3 %.
In einigen Ausführungsformen ist der Wassergas-Shift-Katalysator ein Hoch-Temperatur-Shift-Katalysator. Der Wassergas-Shift-Katalysators wird bei einer Temperatur zwischen 200 bis 550 Grad Celsius betrieben. In einigen Ausführungsformen ist der Wassergas-Shift-Katalysator ein Niedrig-Temperatur-Katalysator, und der Wassergas-Shift-Katalysators wird bei einer Temperatur zwischen 100 bis 300 Grad Celsius betrieben. In einigen Ausführungsformen wird der Ammoniak-Synthese-Katalysator bei einer Temperatur zwischen 100 und 550 Grad Celsius und unter atmosphärischem Druck zwischen 0,51 und 3,04 bar [0,5-3 atm] betrieben.
Das Verfahren kann ferner einen anfänglichen Betrieb des Ammoniak-Synthese-Katalysators bei einer Temperatur zwischen 100 und 550 Grad Celsius und unter atmosphärischem Druck zwischen 0,51 und 3,04 bar [0,5-3 atm] umfassen und einen schrittweisen Anstieg des Drucks während der Ammoniak-Synthese-Katalysator in Betrieb ist, so dass der Ammoniak-Synthese-Katalysator weiterhin mindestens das Ammoniak unter Verwendung des Wasserstoffs, der vom Wassergas-Shift-Katalysator aus dem Abgas erzeugt wird, und des Stickstoffs aus dem Abgas als Eingabe erzeugt. Die Temperatur des Ammoniak-Synthese-Katalysators kann schrittweise bis auf 20 Grad Celsius reduziert werden.
In einigen Ausführungsformen wird das Ammoniak mit dem zweiten Teil des Abgases kombiniert, so dass ein kombinierter Abgasstrom erzeugt und in den Katalysator für selektive katalytische Reduktion eingespeist wird.
In einigen Ausführungsformen ist der Katalysator für selektive katalytische Reduktion wasserstoffbasiert. Das System umfasst ferner eine Wasserstoffgas-Leitung, die konfiguriert ist, um überschüssiges Wasserstoffgas aufzunehmen, das durch den Ammoniak-Synthese-Katalysator nicht umgesetzt wird, wenn das Ammoniak erzeugt wird, und um überschüssiges Wasserstoffgas in den Katalysator für selektive katalytische Reduktion einzuführen. Das überschüssige Wasserstoffgas beträgt nicht mehr als 1 % in Bezug auf ein Volumen des Produkts, das durch den Ammoniak-Synthese-Katalysator erzeugt wird.
In einigen Ausführungsformen ist der Ammoniak-Synthese-Katalysator konfiguriert, um bei einer Temperatur zwischen 100 und 550 Grad Celsius und unter atmosphärischem Druck zwischen 0,51 und 3,04 bar [0,5-3 atm] betrieben zu werden. Der Druck kann schrittweise erhöht werden, während der Ammoniak-Synthese-Katalysator in Betrieb ist, so dass der Ammoniak-Synthese-Katalysator zumindest mit der Erzeugung des Ammoniaks unter Verwendung des Wasserstoffs, der durch den Wassergas-Shift-Katalysator aus dem Abgas erzeugt wird, und Stickstoff aus dem Abgas als eine Eingabe fortfährt. Während der Ammoniak-Synthese-Katalysator in Betrieb ist, kann die Temperatur des Ammoniak-Synthese-Katalysators schrittweise auf 20 Grad Celsius reduziert werden.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Abgasnachbehandlungssystem ferner ein Computer-lesbares Speichermedium mit Computer-ausführbaren Anweisungen darauf, die, wenn sie durch mindestens einen Prozessor ausgeführt werden, bewirken, dass der Druck schrittweise erhöht oder die Temperatur schrittweise verringert wird, solange der Ammoniak-Synthese-Katalysator fortfährt, mindestens die Menge des Ammoniaks pro vorbestimmtem Zeitintervall zu erzeugen.
Figurenliste
Die Details einer oder mehrerer Implementierungen werden in den begleitenden Zeichnungen und der nachstehenden Beschreibung dargelegt. Weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der Offenbarung werden anhand der Beschreibung, der Zeichnungen und der Ansprüche ersichtlich, für die gilt:

1 ist ein schematisches Diagramm einer beispielhaften Abgasnachbehandlungsarchitektur, die einen WGS- und Ammoniak-Synthese-Katalysator zur Ammoniak-SCR von NO_x gemäß einer beispielhaften Ausführungsform verwendet;
2 ist ein Flussdiagramm von Gasarten über die WGS- und Ammoniak-Synthese-Katalysatoren hinweg, wie etwa diejenigen des Systems von 1, unter Verwendung von typischem Dieselmotor-Abgas als Einspeisung, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform; und
3 ist ein Diagramm eines Verfahrens zum Erzeugen von Ammoniak aus Motorabgas, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.

Es ist anzumerken, dass es sich bei manchen oder allen der Figuren um schematische Darstellungen zu Zwecken der Veranschaulichung handelt. Die Figuren werden zum Zweck der Veranschaulichung einer oder mehrerer Implementierungen mit dem expliziten Verständnis bereitgestellt, dass sie nicht verwendet werden, um den Schutzumfang oder die Bedeutung der Ansprüche zu beschränken.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Im Folgenden werden detailliertere Beschreibungen verschiedener Konzepte in Bezug auf, und Implementierungen von, Verfahren, Vorrichtungen, Anordnungen und Systemen für die Ammoniakerzeugung aus Motorabgas bei Umgebungsbedingungen unter Verwendung von Wassergas-Shift- und Ammoniak-Synthese-Katalysatoren gegeben. Systeme und Verfahren zur Erzeugung von Ammoniak und/oder Wasserstoff aus Motorabgas in Abgasnachbehandlungssystemen unter Umgebungsbedingungen umfassen mindestens einen Wassergas-Shift- (WGS) Katalysator und mindestens einen Ammoniak-Synthese-Katalysator (AMS-Katalysator), der dem WGS-Katalysator nachgelagert positioniert ist. Der WGS-Katalysator ist so konfiguriert, dass er unter Verwendung des Motorabgases als Eingabe Wasser und Wasserstoff erzeugt, die vom AMS als Eingabe zur Erzeugung von Ammoniak und/oder Wasserstoff verwendet werden. Der so erzeugte Ammoniak und/oder Wasserstoff wird nachgelagert in auf Ammoniak und/oder in selektiven Reduktionskatalysatoren (SCR) auf Ammoniak- und/oder Wasserstoffbasis verwendet. In einigen Ausführungsformen ermöglichen sehr geringe Umwandlungsverhältnisse, die für einen erfolgreichen Betrieb (H₂O-Umwandlungsverhältnis des WGS-Katalysators nicht mehr als 25 % und N₂-Umwandlungsverhältnis des AMS-Katalysators nicht mehr als 15 %) erforderlich sind, die Miniaturisierung der SCR-Katalysatoren und/oder das allmähliche Einstellen der herkömmlichen Abgasnachbehandlungssystem-Komponenten, wie etwa On-Board-SCR-Reduktionsmittel-Lagerung und/oder -Dosierung. In einigen Ausführungsformen werden der Ammoniak und/oder Wasserstoff unter Umgebungsbedingungen erzeugt, wie etwa bei atmosphärischem Druck und bei Raumtemperatur. Die verschiedenen, vorstehend vorgestellten und nachstehend ausführlich beschriebenen Konzepte können auf eine von zahlreichen Weisen implementiert werden, da die beschriebenen Konzepte nicht auf eine bestimmte Art und Weise der Implementierung beschränkt sind. Beispiele für spezielle Implementierungen und Anwendungen werden hauptsächlich zu Zwecken der Veranschaulichung bereitgestellt.
Um Emissionen zu verringern, können Systeme und Verfahren gewünscht sein, welche die Leistung von Nachbehandlungssystemen steigern. Ein Weg zur Verbesserung der Leistung der Nachbehandlungssysteme ist die Steigerung der Ammoniak-Konzentration (NH₃), die in ein selektives katalytisches Reduktions-(SCR) System eingespeist wird. Es ist wünschenswert die Ammoniakzunahme ohne weitere On-Board-Speicherung von Ammoniak und/oder Ammoniak-Vorstufen, wie Harnstoff, zu erreichen. Vorteilhafterweise erhöhen Systeme und Verfahren, die hierin beschrieben sind und sich auf Ammoniak-Erzeugung aus Motorabgas bei Umgebungsbedingungen unter Verwendung von Wassergas-Shift- und Ammoniak-Synthese-Katalysatoren beziehen, die Ammoniak-Konzentration in dem Motornachbehandlungssystem.
In einigen Ausführungsformen stellen die hierin präsentierten Systeme und Verfahren eine alternative oder sekundäre Option zum Einführen von Ammoniak in das SCR-System über einen eingebauten Dosierer bereit, was die Herstellungs-, Betriebs- und Wartungskosten reduziert, da mindestens ein Teil des Ammoniaks direkt aus Motorabgas hergestellt wird. Die Ammoniak-Injektion aus Lösungen auf Harnstoffbasis kann reduziert oder eliminiert werden. Eine Ausführungsform umfasst eine Kombination von einem oder mehreren WGS-Katalysatoren, um H₂ zu erzeugen und einen oder mehrere Ammoniak-Synthese-Katalysatoren, um Ammoniak aus Motorabgas zu erzeugen. Vorteilhafterweise werden diese Prozesse in einer beispielhaften Ausführungsform bei Abgasbedingungen ausgeführt, die typisch für die selektive katalytische Reduktion von NO_x sind. In einigen Ausführungsformen sind die WGS- und/oder AMS-Katalysatoren bei sehr niedrigen Umwandlungsgraden betreibbar: eine maximale Dosis von 25.000 ppm NH₃ ist für Dieselmotoren-Nachbehandlungssysteme akzeptabel, die bei extrem hohen NH₃-zu-NO_x -Umwandlungen (0-15) laufen. Während dies für die typische Verwendung von Katalysatoren zum Erreichen von extrem hohen Umwandlungsgraden kontraintuitiv ist, ist dies unter Motorabgas-Bedingungen geeignet, die nicht den optimalen Druck für hohe Ammoniaksyntheseumwandlungen bereitstellen. Vorteilhafterweise wird Ammoniak bei sehr niedrigen Temperaturen im Bereich von 150 bis 180° C erzeugt, da die Katalysatoren bei sehr niedrigen Umwandlungen verwendet werden, die keine hohen Temperaturen erfordern. Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind nicht auf die Verwendung irgendeiner speziellen Katalysatorformulierung beschränkt und umfassen WGS-Katalysatoren und Ammoniak-Synthese-Katalysatoren in verschiedenen geeigneten Konfigurationen, um schließlich Ammoniak in gewünschten Mengen aus Motorabgas zu erzeugen. Eine beispielhafte Implementierung, wie sie hierin ferner ausgeführt ist, ist ausgestaltet, um Ammoniak aus Motorabgas bei Umgebungsbedingungen unter Verwendung von Wassergas-Shift- und Ammoniak-Synthese-Katalysatoren zu erzeugen.
1 ist ein schematisches Diagramm einer beispielhaften Abgasnachbehandlungsarchitektur eines Abgasnachbehandlungssystems 100, das einen WGS- und Ammoniak-Synthese-Katalysator zur Ammoniak-SCR von NO_x verwendet. Das Abgasnachbehandlungssystem 100 kann in Hochleistungsanwendungen, wie stationären Motoren, Lastkraftwagen und/oder Bussen und/oder in anderen Anwendungen, wie etwa Personenkraftwagen und/oder leichten Dieselfahrzeugen, verwendet werden. Wie gezeigt, umfasst das Abgasnachbehandlungssystem 100 einen Oxidationskatalysator 102, einen Filter 104, einen WGS-Katalysator 106, einen Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 und einen SCR-Katalysator 110. In einigen Ausführungsformen ist ein Ammoniak-Oxidationskatalysator (auch als Ammoniak-Schlupfkatalysator (ASC) bezeichnet) 124 dem SCR 110 nachgeschaltet positioniert und konfiguriert, um das überschüssige Ammoniak des SCR zu reduzieren.
Der Oxidationskatalysator 102 ist so konfiguriert, dass er Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid in dem Abgasstrom 114 oxidiert, der von dem Oxidationskatalysator 102 durch die Abgasleitung 116 empfangen wird. In einigen Ausführungsformen ist der Oxidationskatalysator 102 ein Diesel-Oxidationskatalysator (DOC).
Der Filter 104 ist konfiguriert, um Feinstaub, wie etwa Ruß, aus dem Abgasstrom 114, der durch die Abgasleitung 116 in das Abgasnachbehandlungssystem 100 strömt, zu entfernen. In einigen Ausführungsformen ist der Filter 104 ein Diesel-Partikelfilter (DPF). Der Filter 104 umfasst einen Einlass ein, durch den das Abgas empfangen wird, und einen Auslass, durch den das Abgas austritt, nachdem Feinstaub im Wesentlichen aus dem Abgas gefiltert wurde und/oder Feinstaub in Kohlendioxid umgewandelt wurde.
Der WGS-Katalysator 106 ist so konfiguriert, dass er Wasserstoff (H₂) und Kohlendioxid (CO₂) erzeugt. Vorteilhafterweise ist der WGS-Katalysator 106 konfiguriert, um unter Umgebungsbedingungen betrieben zu werden, wie weiter unten in Bezug auf 2 beschrieben. Der WGS-Katalysator 106 empfängt eine Gasmenge in dem Abgasstrom 114 von einem Motor über die Abgasleitung 116. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Abgasleitung 116 ein Metall, wie etwa aluminisierten Stahl, Gusseisen, Chrom, Nickel, Mangan, Kupfer und/oder Titan, und/oder eine geeignete Metalllegierung umfassen. Die Oberfläche(n) der Abgasleitung 116 kann/können eine geeignete keramische Beschichtung umfassen. Die Gasmenge im Abgasstrom 114 enthält zumindest Wasser und Kohlenmonoxid, die als Eingabe in den WGS-Katalysator 106 verwendet werden und dessen chemische Reaktionen zur Erzeugung des Wasserstoffs und Kohlendioxids verwendet werden. In einer beispielhaften Ausführungsform ist der WGS-Katalysator 106 zur Herstellung von Wasserstoff und Kohlendioxid gemäß der chemischen Reaktion H₂O + CO ⇌ CO₂ + H₂ konfiguriert. In einigen Ausführungsformen umfasst der WGS-Katalysator 106 Kupfer, Chrom und Eisenoxid (Cu/Cr/Fe₂O₃). In einigen Ausführungsformen umfasst der WGS-Katalysator 106 Kupfer, Zink, Aluminiumoxid (Cu/Zn/Al₂O₃). In einigen Ausführungsformen umfasst der WGS-Katalysator 106 Kobalt- und Molybdänsulfide, wie CoS₂ und/oder MoS₂.
Der Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 ist konfiguriert, um am Auslass unter Verwendung mindestens des durch den WGS-Katalysator 106 erzeugten Wasserstoffs Ammoniak zu erzeugen. Vorteilhafterweise ist der Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 konfiguriert, um unter Umgebungsbedingungen betrieben zu werden, wie weiter in Bezug auf 2 beschrieben. In einigen Ausführungsformen umfasst der Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 Eisenoxid (Fe₂O₃). In einigen Ausführungsformen umfasst der Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 Cäsium, Rhenium und Aluminiumoxid (Cs/Re/Al₂O₃). In einigen Ausführungsformen umfasst der Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 Ruthenium und Magnesiumoxid (Ru/MgO). In einigen Ausführungsformen umfasst der Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 Ruthenium-Nanopartikel auf Calciumamid (Ru/Ca(NH₂)₂).
In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst der Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 einen Einlass, der zum Empfangen des Wasserstoffs aus dem WGS-Katalysator 106 über die Wasserstoffgas-Zufuhrleitung 118 konfiguriert ist. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Wasserstoffgas-Zufuhrleitung 118 ein Metall, wie etwa aluminisierten Stahl, Gusseisen, Chrom, Nickel, Mangan, Kupfer und/oder Titan, und/oder eine geeignete Metalllegierung umfassen. Die Oberfläche(en) der Wasserstoffgas-Zufuhrleitung 118 kann/können eine geeignete keramische Beschichtung umfassen. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst der Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 einen Auslass, der konfiguriert ist, um das von dem Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 erzeugte Ammoniak durch die Ammoniak-Zufuhrleitung 120 an die SCR 110 zu liefern.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Ammoniak-Zufuhrleitung 120 ein Metall, wie etwa aluminisierten Stahl, Gusseisen, Chrom, Nickel, Mangan, Kupfer und/oder Titan, und/oder eine geeignete Metalllegierung umfassen. Die Oberfläche(n) der Ammoniak-Zufuhrleitung 120 kann/können eine geeignete keramische Beschichtung umfassen.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 eine elektrochemische Zelle. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die elektrochemische Zelle eine Anode, eine Kathode, einen externen Laststromkreis, eine Spannungsquelle und ein Elektrolyt, entweder als eine Membran oder Lösung, umfassen. Als Eingaben empfängt die elektrochemische Zelle Motorabgas, das Stickstoffgas und Wasser oder ein Produktgas enthält, das durch den Wassergas-Shift-Katalysator erzeugt wird, der Wasserstoff, Wasser und Stickstoff enthält.
Gemäß verschiedenen Implementierungen kann die elektrochemische Zelle eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC) sein, die eine Anode umfasst. Die Anode erzeugt eine Protonen- (H+) und Elektronenmenge (e-) aus Wasserstoff, der durch den Wassergas-Shift-Katalysator erzeugt wird, oder aus Wasser, das in dem durch den Motor erzeugten Abgas vorhanden ist. Die PEMFG umfasst ferner eine Elektrolytmembran, die eine Protonenmenge von der Anode zu der Kathode überträgt, einen externen Laststromkreis, der die Elektronen von der Anode zu der Kathode überträgt, und eine Kathode, welche die Protonen, Elektronen und das Stickstoffgas, die in dem durch den Motor erzeugten Abgas vorhanden sind, umwandelt, um Ammoniak zu bilden. In Fällen, in denen die chemische Reaktion nicht spontan stattfindet, wird von einer externen Spannungsquelle eine Spannung an die Zelle angelegt, um die Reaktion zu induzieren. In anderen Implementierungen kann die elektrochemische Zelle eine galvanische/voltaische Zelle sein, die Komponenten ähnlich der PEMFC umfasst, wobei jedoch die Anode und Kathode jeweils in eine separate Elektrolytlösung und eine die zwei Halbzellen trennende poröse Membran eingetaucht sind.
Die SCR 110 ist konfiguriert, um bei der Verringerung von NO_x-Emissionen beizutragen, indem ein NO_x-Reduktionsprozess zwischen dem Ammoniak und dem NO_x des Abgases in zweiatomigen Stickstoff, Wasser und/oder Kohlendioxid beschleunigt wird. In einigen Ausführungsformen wird überschüssiger Wasserstoff, der durch den Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 erzeugt wird, zu einer wasserstoffbasierten SCR (nicht gezeigt) geleitet. In einigen Ausführungsformen ist die wasserstoffbasierte SCR konfiguriert, um in der Gegenwart von H₂ und O₂ NO_x in N₂O, N₂ und H₂O umzuwandeln. Die wasserstoffbasierte SCR kann eine Beschichtung auf Edelmetallbasis umfassen. In der beispielhaften Ausführungsform ist die SCR 110 eine SCR auf Ammoniakbasis. Die SCR 110 umfasst einen Einlass, durch den Abgas und Reduktionsmittel empfangen wird, und einen Auslass in Fluidverbindung mit einem Ende des Abgasnachbehandlungssystems 100. In einer beispielhaften Ausführungsform empfängt die SCR 110 Abgas, das Ammoniak enthält, durch die Ammoniak-Zufuhrleitung 120.
In einigen Ausführungsformen wird das gesamte Ammoniak, das durch die SCR 110 verwendet wird, von dem Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 empfangen. In bestimmten Ausführungsformen empfängt und verwendet die SCR 110 zusätzliches Ammoniak durch ein Reduktionsmittel-Dosiersystem (nicht gezeigt). Ein beispielhaftes Reduktionsmittel-Dosiersystem umfasst ein Dosiermodul, das zum Dosieren zusätzlichen Ammoniaks in eine Zersetzungskammer, die der SCR 110 zugeordnet ist, konfiguriert ist. Die Zersetzungskammer ist dazu konfiguriert, ein Reduktionsmittel wie etwa Harnstoff oder Diesel-Emissions-Fluid (DEF) in Ammoniak umzuwandeln. Die Zersetzungskammer steht in Fluidverbindung mit einem Reduktionsmittelzufuhrsystem mit einem Dosiermodul, das dazu konfiguriert ist, das Reduktionsmittel in die Zersetzungskammer zu dosieren. Das Dosiermodul ist fluidisch mit einer oder mehreren Reduktionsmittelquellen gekoppelt. Eine Pumpe kann verwendet werden, um das Reduktionsmittel aus der Reduktionsmittelquelle für die Zufuhr zum Dosiermodul unter Druck zu setzen. Das Reduktionsmittel wird der SCR 110 vorgelagert und dem Oxidationskatalysator 102 und/oder Filter 104 nachgelagert eingeführt. Die Reduktionsmitteltröpfchen durchlaufen dann die Prozesse von Verdampfung, Thermolyse und Hydrolyse, um gasförmiges Ammoniak zu bilden. Die Zersetzungskammer umfasst einen Einlass in Fluidverbindung mit dem Oxidationskatalysator 102 und/oder dem Filter 104, um das Abgas zu empfangen, wie etwa das Abgas 114, das NO_x-Emissionen enthält, sowie einen Auslass für das Abgas, NO_x-Emissionen, Ammoniak und/oder verbleibendes Reduktionsmittel, die zu dem SCR 110 strömen.
In einigen Ausführungsformen ist das Abgasnachbehandlungssystem 100 konfiguriert, um die gesamte Gasmenge in dem Abgasstrom 114 durch den WGS-Katalysator 106 und den Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 zu leiten, wobei der Oxidationskatalysator 102 und der Filter 104 umgangen werden. In diesen Implementierungen können der Oxidationskatalysator 102 und der Filter 104 aus dem Nachbehandlungssystem 100 weggelassen werden. Der WGS-Katalysator 106 empfängt eine Gasmenge in dem Abgasstrom 114 von einem Motor über die Abgasleitung 116. Der WGS-Katalysator 106 gibt Wasserstoff aus, der durch die Wasserstoffgas-Zufuhrleitung 118 an den Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 geliefert wird. Der Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 gibt Ammoniak aus, das von der Ammoniak-Zufuhrleitung 120 an die SCR 110 geliefert wird.
In anderen Ausführungsformen ist das Abgasnachbehandlungssystem 100 konfiguriert, um nur einen Teil der Gesamtmenge des Abgasstroms 114 durch den WGS-Katalysator 106 und den Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 zu leiten. In solchen Ausführungsformen sind der WGS-Katalysator 106 und der Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 konfiguriert, um das Gas in dem Abgasstrom 114 parallel zu dem Oxidationskatalysator 102 und dem Filter 104 zu verarbeiten. Die Abgasleitung 116 ist so konfiguriert, dass sie sich in mindestens zwei Segmente aufteilt, um einen ersten Teil des Gases in dem Abgasstrom 114 zu dem WGS-Katalysator 106 umzuleiten. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform teilt sich die Abgasleitung 116 in eine erste Abgas-Führungsleitung 116a, eine zweite Abgas-Führungsleitung 116b, eine dritte Abgas-Führungsleitung 116c und eine vierte Abgas-Führungsleitung 116d auf.
Der WGS-Katalysator 106 empfängt den ersten Teil der Gesamtmenge des Gases in dem Abgasstrom 114 von einem Motor über die erste Abgas-Führungsleitung 116a. Der WGS-Katalysator 106 gibt Wasserstoff aus, das durch die Wasserstoffgas-Zufuhrleitung 118 zu dem Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 geleitet und geliefert wird. Der Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 gibt Ammoniakaus, das von der Ammoniak-Zufuhrleitung 120 zu der SCR 110 geleitet und geliefert wird. Der Oxidationskatalysator 102 empfängt einen zweiten Teil der Gesamtmenge des Gases in dem Abgasstrom 114 von einem Motor über die zweite Abgas-Zufuhrleitung 116b. Der Oxidationskatalysator 102 ist konfiguriert, um Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid zu oxidieren, die in dem zweiten Teil der Gesamtmenge des Gases in dem Abgasstrom 114 enthalten sind und das Produkt in dem Abgasstrom 114 auszugeben, der, nachdem er durch den Oxidationskatalysator 102 geströmt ist, durch die dritte Abgas-Zufuhrleitung 116c zu dem Filter 104 geleitet wird. Der Filter 104 ist konfiguriert, um Feinstaub, wie etwa Ruß, aus dem Abgasstrom 114 zu entfernen und den Abgasstrom 114 über die vierte Abgas-Führungsleitung 116d auszugeben. In einigen Ausführungsformen wird der Filter 104 umgangen oder weggelassen, so dass die dritte Abgas-Zufuhrleitung 116c und die vierte Abgas-Zufuhrleitung 116d kombiniert werden und der Abgasstrom 114 direkt zu dem Einlass des Oxidationskatalysators 102 strömt.
Das von dem Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 erzeugte Ammoniak wird mit dem Abgasstrom 114 rekombiniert, bevor der kombinierte Strom in die SCR 110 eintritt, um Ammoniak für die SCR 110 bereitzustellen. Die Ammoniak-Zufuhrleitung 120, die Ammoniak aus dem Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 liefert, und die vierte Abgas-Zufuhrleitung 116d, die den durch den Oxidationskatalysator 102 und/oder den Filter 104 verarbeiteten Abgasstrom 114 liefert, sind strukturiert um zu konvergieren, so dass die vereinigten Ammoniak- und Abgas-Ströme 114 in einem einzigen Strom durch die Abgas-Rekombinationsleitung 122 geliefert werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Abgas-Rekombinationsleitung 122 ein Metall, wie etwa aluminisierten Stahl, Gusseisen, Chrom, Nickel, Mangan, Kupfer und/oder Titan, und/oder eine geeignete Metalllegierung umfassen. Die Oberfläche(n) der Abgas-Rekombinationsleitung 122 kann/können eine geeignete keramische Beschichtung umfassen.
Einige Ausführungsformen umfassen eine Steuerung (nicht gezeigt). In einigen Ausführungsformen umfasst die Steuerung einen Mikroprozessor, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (Application-Specific Integrated Circuit, ASIC), eine feldprogrammierbare Gatteranordnung (Field-Programmable Gate Array, FPGA) usw. oder Kombinationen davon. Die Steuerung kann einen Speicher umfassen, der unter anderem eine elektronische, optische, magnetische oder eine andere Datenspeicher- oder Übermittlungsvorrichtung umfassen kann, die in der Lage ist, einem Prozessor, einer ASIC, einer FPGA usw. Programmanweisungen bereitzustellen. Der Speicher kann einen Speicherchip, einen elektrisch löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, EEPROM), einen löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher (Erasable Programmable Read-Only Memory, EPROM), einen Flash-Speicher oder einen anderen geeigneten Speicher umfassen, aus dem die Steuerung Anweisungen lesen kann. Die Anweisungen können einen Code aus einer beliebigen geeigneten Programmiersprache umfassen.
Einige Ausführungsformen umfassen ferner mindestens einen Sensor, der elektronisch mit der Steuerung gekoppelt ist und konfiguriert ist, um Werte und/oder Signale in Bezug auf den Betrieb der Komponenten des Nachbehandlungssystems 100 bereitzustellen. Zum Beispiel kann ein Sensor dem WGS-Katalysator 106 und/oder dem Oxidationskatalysators 102 vorgelagert positioniert sein und konfiguriert sein, um die Menge, Geschwindigkeit, Zusammensetzung (wie die in Bezug auf 2 beschriebenen Komponenten), den Durchsatz und/oder andere Eigenschaften zu messen, die mit dem Abgasstrom 114 assoziiert sind. Die von dem Sensor bereitgestellten Werte und/oder Signale werden von der Steuerung verwendet, die zum Bestimmen der Gasmenge in dem ersten Teil des Abgasstroms 114 konfiguriert ist, der zu dem WGS-Katalysator 106 geleitet wird und/oder der Gasmenge in dem zweiten Teil des Abgasstroms, der zu dem Oxidationskatalysator 102 geleitet wird. In einigen Ausführungsformen werden die durch den Sensor bereitgestellten Werte und/oder Signale von der Steuerung verwendet, die konfiguriert ist, um die Parameter für den Betrieb des WGS-Katalysator 106, wie etwa seine Betriebstemperatur, die Zeitplanung des Betriebs und/oder den Druck, einzustellen und/oder anzupassen.
Ein dem WGS-Katalysators 106 nachgelagert positionierter Sensor kann konfiguriert sein, um die Zusammensetzung des Ausgangsstroms des WGS-Katalysators 106 zu bestimmen. Die von dem Sensor bereitgestellten Werte und/oder Signale werden von der Steuerung verwendet, die konfiguriert ist, um die Parameter für den Betrieb des Ammoniak-Synthese-Katalysator 108, wie etwa seine Betriebstemperatur, die Zeitplanung des Betriebs und/oder den Druck, einzustellen und/oder anzupassen.
In einigen Ausführungsformen ist ein Sensor dem Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 nachgelagert positioniert und konfiguriert, um die Zusammensetzung des Ausgangsstroms des Ammoniak-Synthese-Katalysators 108 zu bestimmen. Der Sensor kann konfiguriert sein, um die Menge des überschüssigen Wasserstoffs zu bestimmen, die von dem Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 erzeugt wird, um zu der wasserstoffbasierten SCR geleitet zu werden. Die von dem Sensor bereitgestellten Werte und/oder Signale werden von der Steuerung verwendet, die konfiguriert ist, um die Zeitplanung und/oder die Menge des überschüssigen Wasserstoffs für die Weiterleitung an die wasserstoffbasierte SCR zu bestimmen. Die von dem Sensor bereitgestellten Werte und/oder Signale werden von der Steuerung verwendet, um die Parameter für den Betrieb der SCR 110, wie etwa die Zeitplanung der Betätigung des Dosiermoduls, einzustellen und/oder anzupassen, um zusätzliches Ammoniak zu liefern. Das Dosiermodul und die Pumpe können elektrisch oder kommunikativ mit der Steuerung gekoppelt sein und so konfiguriert sein, dass sie das Dosiermodul steuern, um das Reduktionsmittel zu dosieren, um zusätzliches Ammoniak zum Einsetzen in der dem SCR-Katalysator 110 zugeordneten Zersetzungskammer zu erzeugen.
2 ist ein Flussdiagramm 200 von Gasarten über die WGS- und Ammoniak-Synthese-Katalysatoren hinweg, wie etwa diejenigen des Systems von 1, unter Verwendung von typischem Dieselmotor-Abgas als Einspeisung, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Das Flussdiagramm 200 in 2 stellt ein Beispiel der Gasarten über die Katalysatoren in diesem Prozess zusammen mit den erforderlichen Umwandlungen, um 25.000 ppm NH₃ am Auslass zu erzeugen.
Das Flussdiagramm 200 schließt den WGS-Katalysator 106 von 1 und den Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 von 1 ein. Der WGS-Katalysator 106 ist konfiguriert, um einen Eingangsstrom 206 zu empfangen und einen Zwischenproduktstrom 208 zu erzeugen. Der Eingangsstrom 206 umfasst den Abgasstrom 114. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst die Zusammensetzung des Eingangsstroms 206 0-21 % O₂, 0-20 % H₂O, 0-18 % CO₂, 0-3 % CO, 0-5000 ppm NO_x, und/oder N₂. Eine WGS-Reaktion, die in der beispielhaften Ausführungsform durch den WGS-Katalysator 106 ausgeführt wird, weist die Form H₂O + CO ⇌ CO₂ + H₂ auf. Das Stickstoffgas aus dem Abgas strömt durch den Wassergas-Shift-Katalysator und kann nicht an der chemischen Reaktion des Wassergas-Shift-Katalysators teilnehmen.
Vorteilhafterweise wird die WGS-Reaktion, die durch den WGS-Katalysator 106 ausgeführt wird, bei einem hohen H₂O/CO-Verhältnis (1-700) durchgeführt. Das Dieselmotor-Abgas enthält ungefähr 8 % H₂O, 7 % CO₂ und 300-500 ppm CO, also alle Gasarten, die zur Erzeugung von Wasserstoff bei einem sehr hohen H₂O/CO-Verhältnis erforderlich sind. Vorteilhafterweise müssen die WGS-Katalysatoren nur 25 % Umwandlung des H₂O erreichen, um die maximale Menge an erforderlichem NH3 in der beispielhaften Ausführungsform von 1 zu erzeugen. Ein HTS-Katalysator, der in der Regel bei 300-450 °C betrieben wird, ist mit sehr niedrigen Umwandlungen bis herunter auf 200 °C aktiv. Somit sind LTS-Katalysatoren, die in der Regel bei 180-275 °C betrieben werden, konfigurierbar, um H₂ bei sehr niedrigen H₂O-Umwandlungen bei auf mindestens 150 °C verringerten Temperaturen zu erzeugen.
Der Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 ist konfiguriert, um den Zwischenproduktstrom 208 zu empfangen und einen Ausgangsstrom 210 zu erzeugen. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst der Zwischenproduktstrom 208. 0-21 % O₂, 0-20 % H₂O, 0-18 % CO₂, 0-6 % CO, 0-5000 ppm NO_x, 0-5 % H₂, und/oder N₂. Die Ammoniak-Synthese-Reaktion, die in der beispielhaften Ausführungsform durch den Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 ausgeführt wird, weist die Form 3H₂ + N₂ ⇌ 2NH₃ auf. In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst der Ausgangsstrom 210 0-21 % O₂, 0-20 % H₂O, 0-18 % CO₂, 0-6 % CO, 0-5000 ppm NO_x, 0-1 % H₂, 0-2,5 % NH₃, und/oder N₂.
Ferner Bezug nehmend auf den Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 enthält Dieselmotor-Abgas, wie etwa in dem Abgasstrom 114 von 1, 75 % N₂ bei atmosphärischem Druck und Temperaturen bis 550 °C oder mehr, was eine gute Quelle für N₂ zur Ammoniak-Synthese ist. Trotz des hohen Drucks, der in der Regel bei dem industriellen Verfahren zur Erzielung hoher Umwandlungen erforderlich ist, ist der Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 der beispielhaften Ausführungsform so konfiguriert, dass er diese Reaktion bei ungefähr Atmosphärendruck (0,51 bis 3,04 bar [0,5 bis 3 atm]) durchführt. Einer der beitragenden Faktoren in dieser Konfiguration ist die Zusammensetzung des Ammoniak-Synthese-Katalysators 108, der, gemäß beispielhafter Ausführungsformen, Cäsium, Rhenium und Aluminiumoxid (Cs/Re/Al₂O₃); Ruthenium und Magnesiumoxid (Ru/MgO); Ruthenium-Nanopartikel auf Calciumamid (Ru/Ca(NH₂)₂); und/oder eine elektrochemische Zelle umfasst. Diese Konfigurationen erzeugen niedrige Umwandlungsverhältnisse, aber der Erfinder hat festgestellt, dass die Ammoniak-Synthese-Katalysatoren vorteilhafterweise nur ≤ 15 % Umwandlung von N₂ erreichen müssen, um die maximale Menge an erforderlichem NH₃ zu erzeugen, die beispielsweise in der beispielhaften Ausführungsform von 1 benötigt wird. Ammoniak-Synthese-Katalysatoren haben herkömmlicherweise katalytische Aktivität bei Temperaturen von nur 200 °C und bei atmosphärischem Druck gezeigt. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform bleibt der Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 bei Druckpunkten, die höher als der atmosphärische Druck sind, bei Temperaturen von nur 20 °C (Raumtemperatur) aktiv. Somit sind niedrige N₂-Umwandlungen von 15 % oder weniger in der beispielhaften Ausführungsformen von 2 ausreichend und werden bei atmosphärischem Druck erreicht. Vorteilhafterweise verringern, während in der Regel eine Sauerstoff-Vergiftung des Ammoniak-Synthese-Katalysators ein Problem ist, die geringen Umwandlungsanforderungen dieses Risiko - zum Beispiel, da ein Ruthenium basierter Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 der beispielhaften Ausführungsform zur Verwendung sowohl in der Ammoniaksynthese als auch bei passiven Ammoniak-SCR-Anwendungen konfigurierbar ist. Ferner wird gemäß einigen Ausführungsformen die Ammoniaksynthese direkt aus Luft (Sauerstoff und Stickstoff) und Wasser des Eingangsstroms bei der Umgebungstemperatur von 20-40 °C und Druck von 0,51-1,52 bar [0,5-1,5 atm] unter Verwendung elektrochemischer Verfahren, wie etwa PEMFC, erreicht. In einigen Ausführungsformen wird die Ammoniaksynthese aus einem Strom von Wasserstoff und Stickstoff im Temperaturbereich von 200-340 °C und im Druckbereich von 1,01-10,13 bar [1-10 atm] unter Verwendung von festen Metall- oder Metalloxid-Katalysatoren, wie Ruthenium-Nanopartikeln auf Calciumamid (Ru/Ca(NH₂)₂) erreicht.
3 ist ein Diagramm eines Verfahrens 300 zum Erzeugen von Ammoniak aus Motorabgasen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Bei 302 wird Abgas von dem Motor empfangen - zum Beispiel in dem Abgasstrom 114 von 1. Das Abgas enthält Wasser (H₂O) und Kohlenmonoxid (CO). Die Menge des Wassers beträgt in Bezug auf die Menge des Abgases 20 % oder weniger. Die Menge des Kohlenmonoxids beträgt in Bezug auf die Menge des Abgases 3 % oder weniger.
Bei 304 wird eine Bestimmung durchgeführt, ob die Gesamtmenge des Abgases, das von dem Motor empfangen wird, geteilt werden sollte. In einigen Ausführungsformen wird diese Bestimmung durch die Steuerung auf der Grundlage einer Eingabe von mindestens einem Sensor, wie oben in Bezug auf 1 beschrieben, durchgeführt. Die Steuerung kann ein digitales Flag setzen, um anzuzeigen, dass die Gesamtmenge des Abgases geteilt worden ist. In anderen Ausführungsformen ist diese Bestimmung in die Funktionalität der Leitungen eingebaut, in Bezug auf 1 beschrieben, so dass, zum Beispiel, der erste Teil des Gases in dem Abgasstrom 114 automatisch über die erste Abgas-Zufuhrleitung 116a geleitet wird und der zweite Teil des Gases in dem Abgasstrom 114 automatisch über die zweite Abgas-Zufuhrleitung 116b geleitet wird, wenn der Abgasstrom 114 den Punkt erreicht, an dem die Abgasleitung 116 sich in die ersten Abgas-Zufuhrleitung 116a und die zweite Abgas-Zufuhrleitung 116b aufteilt.
Wenn die Gesamtmenge an Gas in dem Abgasstrom 114 aufgeteilt ist, dann wird bei 306 nur ein Teil des Abgases, das von dem Motor bei 302 empfangen wird, zu dem WGS-Katalysator 106 von 1 geleitet. Andernfalls wird die vollständige Gesamtmenge des Abgases in dem Abgasstrom 114, die von dem Motor empfangen wird, zu dem WGS-Katalysator 106 bei 308 geleitet. Der WGS-Katalysator 106 ist konfiguriert, um eine Menge an Wasserstoff aus dem Abgas zu erzeugen, das als eine Eingabe empfangen wird, wie dies beispielsweise unter Bezugnahme auf 2 beschrieben ist.
Bei 310 wird der WGS-Katalysator 106 zum Erzeugen von Wasserstoff aus dem Abgas betrieben, wie zum Beispiel in Bezug auf die 2 beschrieben. Die gesamte Abgasmenge ist die vollständige Gesamtmenge des von dem Motor in dem Abgasstrom 114 empfangenen Abgases, die bei 308 zu dem WGS-Katalysator 106 geleitet wird, oder ein Teil des Abgases, das von dem Motor in dem Abgasstrom 114 empfangenen wurde, die bei 306 zu dem WGS-Katalysator 106 geleitet wird.
Bei 312 wird ein Ammoniak-Synthese-Katalysator, wie der Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 von 1, betrieben, um Ammoniak unter Verwendung des Wasserstoffs zu erzeugen, der durch den WGS-Katalysator 106 bei 310 erzeugt wird, wie beispielsweise unter Bezugnahme auf 2 beschrieben.
In einigen Ausführungsformen, die eine wasserstoffbasierte SCR einschließen, wird bei 314 eine Bestimmung durchgeführt, ob der Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 eine Überschussmenge an Wasserstoff erzeugt hat. Diese Bestimmung kann durch die Steuerung auf der Grundlage einer Eingabe von mindestens einem Sensor, wie oben in Bezug auf 1 beschrieben, durchgeführt werden. Wenn bestimmt wird, dass überschüssiger Wasserstoff verfügbar ist, wird bei 316 der überschüssige Wasserstoff zu der wasserstoffbasierten SCR geleitet, wobei ein NO_x -Reduktionsprozess stattfindet. Diese Bestimmung kann durch die Steuerung durchgeführt werden und kann eine Berechnung der Menge des überschüssigen Wasserstoffs einschließen. Bei 318 wird eine Bestimmung durchgeführt, ob die Gesamtmenge an Gas in dem Abgasstrom geteilt worden ist. Diese Bestimmung kann basierend auf der physikalischen Struktur der Leitung(en) und/oder basierend darauf durchgeführt werden, ob durch die Steuerung bei 304 ein digitales Flag gesetzt worden ist. In einigen Ausführungsformen wird diese Bestimmung basierend auf mindestens einer Eingabe von einem oder mehreren Sensoren getroffen, die konfiguriert sind, um die Menge des Ammoniaks zu erfassen, die durch den Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 in Bezug zu der Gasmenge aus dem Abgasstrom 114 erzeugt wird. Wenn die Antwort bei 318 ja ist, dann wird bei 320 das Ammoniak, das durch den Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 bei 312 erzeugt wurde (wie zum Beispiel oben in Bezug auf 1 beschrieben) wieder mit der Gasmenge aus dem Abgasstrom 114 zusammengeführt, der durch den Oxidationskatalysator 102 und/oder den Filter 104 verarbeitet wurde.
Bei 322 wird das Ammoniak, das durch den Ammoniak-Synthese-Katalysator 108 erzeugt wird, in eine SCR eingespeist, wie etwa die SCR 110 von 1.
Obwohl diese Patentschrift viele spezifische Implementierungsdetails enthält, sollten diese nicht als Einschränkungen des Umfangs dessen aufgefasst werden, was beansprucht sein kann, sondern vielmehr als Beschreibungen von Merkmalen, die spezifisch für bestimmte Implementierungen sind. Bestimmte, in dieser Patentschrift im Kontext separater Implementierungen beschriebene Merkmale können auch in Kombination in einer einzigen Implementierung umgesetzt werden. Im Gegensatz dazu können verschiedene, im Kontext einer einzigen Implementierung beschriebene Merkmale auch in mehreren Implementierungen separat oder in einer beliebigen, geeigneten Unterkombination umgesetzt werden. Obwohl Merkmale vorstehend so beschrieben sein können, dass sie in bestimmten Kombinationen wirksam sind, und auch anfänglich als solche beansprucht sein können, können zudem ein oder mehrere Merkmale aus einer beanspruchten Kombination in manchen Fällen aus der Kombination ausgesondert werden, und die beanspruchte Kombination sich auf eine Unterkombination oder Variation einer Unterkombination beziehen.
In ähnlicher Weise gilt, dass während Vorgänge in den Zeichnungen in einer bestimmten Reihenfolge dargestellt sind, dies nicht so verstanden werden sollte, dass es erforderlich ist, diese Vorgänge in der bestimmten Reihenfolge oder in sequenzieller Reihenfolge durchzuführen, oder dass alle veranschaulichten Vorgänge durchgeführt werden müssen, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Unter bestimmten Umständen kann die Trennung von verschiedenen Systemkomponenten in den oben beschriebenen Implementierungen nicht als Erfordern solcher Trennung in allen Implementierungen verstanden werden, und es sollte klar sein, dass die beschriebenen Komponenten und Systeme allgemein in einem einzigen Produkt integriert oder in mehreren auf greifbaren Medien verkörperten Produkten verpackt sein können.
Der Begriff „Steuerung“ schließt alle Arten von Einrichtungen, Vorrichtungen und Maschinen zum Verarbeiten von Daten ein, in beispielhafter Weise einen programmierbaren Prozessor, einen Computer, ein System auf einem Chip (system on a chip) oder mehrere davon, einen Abschnitt eines programmierten Prozessors oder Kombinationen des Vorhergehenden einschließend. Die Vorrichtung kann einen zweckgebundenen Logikschaltkreis, z. B. einen FPGA oder eine ASIC umfassen. Die Einrichtung kann zudem zusätzlich zur Hardware Code umfassen, der eine Ausführungsumgebung für das betreffende Computerprogramm erzeugt, z. B. Code, der Prozessorfirmware, einen Protokollstapel, ein Datenbankverwaltungssystem, ein Betriebssystem, eine plattformübergreifende Laufzeitumgebung, eine virtuelle Maschine oder eine Kombination aus einem oder mehreren davon darstellt. Die Vorrichtung und die Ausführungsumgebung können verschiedene unterschiedliche Rechenmodellinfrastrukturen verwirklichen, wie Verteiltes Rechnen und Gitterrecheninfrastrukturen.
Wie hierin verwendet sollen die Begriffe „im Wesentlichen“ und ähnliche Begriffe eine weitreichende Bedeutung haben im Einklang mit der gebräuchlichen und akzeptierten Verwendung vom Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich der Gegenstand dieser Offenbarung bezieht. Es ist für den Fachmann, der diese Offenbarung lesen, offensichtlich, dass diese Begriffe eine Beschreibung bestimmter beschriebener und beanspruchter Merkmale zulassen sollen, ohne den Umfang dieser Merkmale auf die bereitgestellten, genauen numerischen Bereiche einzuschränken. Demgemäß sollen diese Begriffe so ausgelegt werden, dass sie angeben, dass unwesentliche oder unbedeutende Modifikationen oder Abänderungen an dem beschriebenen und beanspruchten Gegenstand als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen aufgeführt, liegend betrachtet werden. Zusätzlich wird festgestellt, dass Einschränkungen der Ansprüche für den Fall, dass der Begriff „Mittel“ darin nicht verwendet wird, nicht als „Mittel plus Funktion“-Einschränkungen unter den Patentgesetzen der USA darstellend zu interpretieren sind.
Der Begriff „gekoppelt“ und dergleichen bedeutet, wie hierin verwendet, das direkte oder indirekte Verbinden zweier Komponenten miteinander. Dieses Verbinden kann stationär (z. B. permanent) oder beweglich (z. B. entfernbar oder lösbar) geschehen. Dieses Verbinden kann dadurch erreicht werden, dass die zwei Komponenten oder die zwei Komponenten und beliebige weitere Zwischenkomponenten miteinander integral als ein einziger einheitlicher Körper ausgebildet sind, oder dass die zwei Komponenten oder die zwei Komponenten und beliebige weitere Zwischenkomponenten aneinander befestigt sind.
Die Begriffe „fluidgekoppelt“ oder „in Fluidverbindung“ und dergleichen, wie sie hierin verwendet werden, bedeuten, dass die zwei Komponenten oder Objekte einen zwischen den zwei Komponenten oder Objekten ausgebildeten Pfad aufweisen, in dem eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, Luft, gasförmiges Reduktionsmittel, gasförmiges Ammoniak usw. entweder mit oder ohne dazwischen geschaltete Komponenten oder Objekte strömen kann. Beispiele für Fluidkopplungen oder Konfigurationen zum Ermöglichen einer Fluidverbindung können Rohre, Kanäle oder jegliche anderen geeigneten Komponenten zum Ermöglichen des Strömens eines Fluids von einer Komponente zur anderen umfassen.

Claims

Verfahren zur Behandlung von Abgas in einem Nachbehandlungssystem (100), wobei das Verfahren umfasst: Empfangen eines Abgases von einem Motor, wobei das Abgas Wasser, Stickstoff und Kohlenmonoxid enthält; Erzeugen von Wasserstoff aus dem Wasser und dem Kohlenmonoxid unter Verwendung eines Wassergas-Shift-Katalysators (106); wobei der Wassergas-Shift-Katalysator in einem einen Oxidationskatalysator (102) des Nachbehandlungssystems (100) umgehenden Strömungspfad angeordnet ist, Erzeugen von Ammoniak aus dem durch den Wassergas-Shift-Katalysator (106) erzeugten Wasserstoff und dem Stickstoff des Abgases, unter Verwendung eines Ammoniak-Synthese-Katalysators (108); und Zuführen des von dem Ammoniak-Synthese-Katalysator (108) erzeugten Ammoniaks über eine im Abstrom des Oxidationskatalysators (102) angeordnete Einfügungsleitung zu einem Katalysator für selektive katalytische Reduktion (110), wobei ein Wasserumwandlungsverhältnis des Wassergas-Shift-Katalysators (106) nicht größer als 25 % ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Stickstoffgas aus dem Abgas durch den Wassergas-Shift-Katalysator (106) strömt, und wobei der Ammoniak-Synthese-Katalysator (108) Ammoniak bei einem Stickstoffgas-Umwandlungsverhältnis von nicht größer als 15 % erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Abgas, das von dem Motor empfangen wird, ein Teil einer Gesamtmenge an Abgas ist, die durch den Motor über einen Zeitraum erzeugt wird, und wobei das Verfahren ferner umfasst: Zufuhr des Abgases, durch eine Abgasleitung (116), zu dem Wassergas-Shift-Katalysator (106), um das Wasserstoffgas zu erzeugen; und Einleiten, durch eine Abgas-Rekombinationsleitung (122), des Ammoniaks zu dem Katalysator für selektive katalytische Reduktion (110) durch Kombinieren des Ammoniaks mit der vom Motor insgesamt erzeugten Abgasmenge.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Katalysator für selektive katalytische Reduktion (110) wasserstoffbasiert ist und wobei das Verfahren ferner umfasst: Auffangen, durch eine Wasserstoffgasleitung, eines überschüssigen Wasserstoffgases, das durch den Ammoniak-Synthese-Katalysator (108) bei der Erzeugung des Ammoniaks nicht umgesetzt wird; und Einleiten, durch die Wasserstoffgasleitung, des überschüssigen Wasserstoffgases in den Katalysator für selektive katalytische Reduktion (110), wobei das überschüssige Wasserstoffgas in Bezug auf ein Produktvolumen, das durch den Ammoniak-Synthese-Katalysator (108) erzeugt wird, nicht größer als 1 % ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Ammoniak, der durch den Ammoniak-Synthese-Katalysator (108) aus dem durch den Wassergas-Shift-Katalysator (106) erzeugten Wasserstoff erzeugt wird, nicht mehr als 2,5 % in Bezug auf ein Produktvolumen beträgt, das durch den Ammoniak-Synthese-Katalysator (108) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Wasserstoff, der durch den Wassergas-Shift-Katalysator (106) erzeugt wird, nicht mehr als 5 % in Bezug auf ein Produktvolumen beträgt, das durch den Wassergas-Shift-Katalysator (106) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Menge des Wassers in Bezug auf eine Menge des Abgases nicht größer als 20 % ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Menge des Kohlenmonoxides in Bezug auf eine Menge des Abgases nicht größer als 3 % ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Wassergas-Shift-Katalysator (106) ein Hochtemperatur-Shift-Katalysator ist, und der Wassergas-Shift-Katalysator (106) bei einer Temperatur zwischen 200 und 550 Grad Celsius betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Wassergas-Shift-Katalysator (106) ein Niedertemperatur-Shift-Katalysator ist, und der Wassergas-Shift-Katalysator (106) bei einer Temperatur zwischen 100 und 300 Grad Celsius betreiben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Ammoniak-Synthese-Katalysator (108) bei einer Temperatur zwischen 100 und 550 Grad Celsius und unter atmosphärischem Druck zwischen 0,5 and 3 atm betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erzeugen des Ammoniaks umfasst: anfängliches Betreiben des Ammoniak-Synthese-Katalysators (108) bei einer Temperatur zwischen 100 und 550 Grad Celsius und unter atmosphärischem Druck zwischen 0,5 and 3 atm; und stufenweises Erhöhen des Drucks während der Ammoniak-Synthese-Katalysator (108) in Betrieb ist, so dass der Ammoniak-Synthese-Katalysator (108) mit der Erzeugung von mindestens dem Ammoniak unter Verwendung des Wasserstoffs, der durch den Wassergas-Shift-Katalysator (106) erzeugt wird, und Stickstoffs aus dem Abgas fortfährt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Erzeugen des Ammoniaks ein schrittweises Verringern der Temperatur des Ammoniak-Synthese-Katalysators (108) auf 20 Grad Celsius umfasst.
Abgasnachbehandlungssystem (100), umfassend: eine zum Empfang eines Abgases von einem Motor aufgebaute Abgasleitung (116), wobei das Abgas Wasser, Stickstoff und Kohlenmonoxid enthält; einen Wassergas-Shift-Katalysator (106), der so aufgebaut ist, dass er aus dem Wasser und dem Kohlenmonoxid zumindest Wasserstoff erzeugt, wobei der Wassergas-Shift-Katalysator (106) in einem einen Oxidationskatalysator (102) des Nachbehandlungssystems (100) umgehenden Strömungspfad angeordnet ist, wobei ein Wasserumwandlungsverhältnis des Wassergas-Shift-Katalysators (106) nicht größer als 25 % ist; einen Ammoniak-Synthese-Katalysator (108), der aufgebaut ist, um einen ersten Teil eines Abgases aufzunehmen und um unter Verwendung des durch den Wassergas-Shift-Katalysator (106) erzeugten Wasserstoffs und des Stickstoffs aus dem ersten Teil des Abgases zumindest Ammoniak zu erzeugen, einen zur Aufnahme eines zweiten Teils des Abgases konfigurierten Oxidationskatalysator (102); und eine im Abstrom des Oxidationskatalysators (102) angeordnete Einfügungsleitung, die aufgebaut ist, um das durch den Ammoniak-Synthese-Katalysator (108) erzeugte Ammoniak einem Katalysator für selektive katalytische Reduktion (110) zuzuführen, wobei der Wassergas-Shift-Katalysator (106) in einem den Oxidationskatalysator (102) umgehenden Strömungspfad angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungssystem (100) nach Anspruch 14, wobei das Abgasnachbehandlungssystem (100) derart gestaltet ist, dass der Ammoniak mit dem zweiten Teil des Abgases derart kombiniert wird, dass ein kombinierter Abgasstrom erzeugt und in den Katalysator für selektive katalytische Reduktion (110) eingespeist wird.
Abgasnachbehandlungssystem (100) nach Anspruch 14, wobei der Katalysator für selektive katalytische Reduktion (110) wasserstoffbasiert ist, und das Abgasnachbehandlungssystem (100) ferner eine Wasserstoffgas-Leitung umfasst, die konfiguriert ist zum: Auffangen eines überschüssigen Wasserstoffgases, das durch den Ammoniak-Synthese-Katalysator (108) bei der Herstellung des Ammoniaks nicht umgesetzt wird; und Einleiten des überschüssigen Wasserstoffgases in den Katalysator für selektive katalytische Reduktion (110); wobei das überschüssige Wasserstoffgas in Bezug auf ein Produktvolumen, das durch den Ammoniak-Synthese-Katalysator (108) erzeugt wird, nicht größer als 1 % ist.
Abgasnachbehandlungssystem (100) nach Anspruch 14, wobei der Ammoniak-Synthese-Katalysator (108) konfiguriert ist, um bei einer Temperatur zwischen 100 und 550 Grad Celsius und unter atmosphärischem Druck zwischen 0,5 and 3 atm betrieben zu werden.
Abgasnachbehandlungssystem (100) nach Anspruch 17, ferner umfassend ein von einem Computer lesbares Speichermedium mit von einem Computer ausführbaren Anweisungen darauf, die, wenn sie durch mindestens einen Prozessor ausgeführt werden, bewirken, dass die Temperatur des Ammoniak-Synthese-Katalysators (108), während der Ammoniak-Synthese-Katalysator (108) in Betrieb ist, schrittweise auf 20 Grad Celsius verringert wird.
Abgasnachbehandlungssystem (100) nach Anspruch 18, ferner umfassend ein von einem Computer lesbares Speichermedium mit von einem Computer ausführbaren Anweisungen darauf, die, wenn sie durch mindestens einen Prozessor ausgeführt werden, bewirken, dass der Druck schrittweise erhöht wird und die Temperatur schrittweise verringert wird, solange der Ammoniak-Synthese-Katalysator (108) fortfährt mindestens den Ammoniak pro vorbestimmtem Zeitintervall zu erzeugen.
Abgasnachbehandlungssystem (100) nach Anspruch 14, ferner umfassend ein von einem Computer lesbares Speichermedium mit von einem Computer ausführbaren Anweisungen darauf, die, wenn sie durch mindestens einen Prozessor ausgeführt werden, bewirken, dass der Druck schrittweise erhöht wird, während der Ammoniak-Synthese-Katalysator (108) in Betrieb ist, so dass der Ammoniak-Synthese-Katalysator (108) mit der Erzeugung von mindestens dem Ammoniak unter Verwendung des Wasserstoffs, der durch den Wassergas-Shift-Katalysator (106) erzeugt wird.