DE19533355A1

DE19533355A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen

Info

Publication number: DE19533355A1
Application number: DE1995133355
Authority: DE
Inventors: Wilfried Faerber; Bernd Schlaich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-09-08
Filing date: 1995-09-08
Publication date: 1997-03-13

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Abgasen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Dieselmotoren im stationären Einsatz, z. B. in Blockheizkraft werken, sind aufgrund ihres höheren Wirkungsgrades wirtschaft licher und umweltfreundlicher als Otto-Motoren. Nachteilig am Dieselmotor ist aber die Emission von Rußpartikeln, die durch motorische Maßnahmen zwar reduziert, aufgrund physikalischer Gegebenheiten jedoch nicht komplett verhindert werden kann. Um die Emission von Rußpartikeln zu verringern, muß das Abgas ge filtert werden, um die Rußpartikel zurückzuhalten. Solch ein Filtersystem für Dieselmotoren muß neben guten filterspezifi schen Größen, wie hoher Abscheidegrad bei geringem Abgas-Gegen druck und hoher Lebensdauer, auch gute Regenerationseigenschaf ten aufweisen. Die Regeneration von Rußfiltern findet meist oxidativ statt, d. h. die im Filter angesammelten Rußpartikel werden verbrannt.

Dazu sind grundsätzlich zwei Methoden bekannt geworden:

1) Die additiv gestützte Regeneration.
Hierbei senkt ein dem Kraftstoff zugegebenes Additiv die Ver brennungstemperatur des abgeschiedenen Rußes soweit herab, daß eine Entzündung bei den im Abgas auftretenden Temperaturen zu erwarten ist. Die Auswirkung von Kraftstoff-Additiven auf die Lebensdauer von Motoren ist aber noch weitgehend unbekannt und sie werden deshalb von den Motorenherstellern nur eingeschränkt akzeptiert. Der Regenerationserfolg ist sehr stark von der je weiligen Betriebsart des Motors abhängig.

2. Die brennergestützte Regeneration.
Flammbrenner oder Elektroheizer sorgen gegendruckgesteuert oder bedieneraktiviert für die Entzündung des angesammelten Rußes im Filter. Flammbrenner erfordern jedoch aufwendige technische und teuere Einrichtungen. Sie bedingen zusätzliche Verbrennungs luftzufuhr, was eine Vergrößerung des Gesamt-Abgasvolumenstroms und des Schadstoff-Massenstroms zur Folge hat. Demgemäß sind alle nachgeschalteten Anlageeinheiten auf den vergrößerten Ab gasstrom auszulegen, wodurch sich die Anlagekosten wiederum er höhen. Auch Elektroheizer erfordern platzintensive und teuere Einrichtungen. Die Betriebskosten sind aufgrund des Einsatzes hochwertiger Elektroenergie unverhältnismäßig hoch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, brennbare Partikel wie z. B. Rußpartikel mit minimalem Primärenergieeinsatz und bei minimalem Platzbedarf und geringen Investitions- und Betriebs kosten aus den Abgasen von insbesondere Dieselmotoren abzu scheiden.

Die gestellte Aufgabe wird mit einem Verfahren und einer Vor richtung zur Durchführung des Verfahrens gelöst, wie sie den Patentansprüchen zu entnehmen sind. Die Partikelabscheidung er folgt konventionell mittels bekannter Filtersysteme. Die Fil terregeneration erfolgt nach der Erfindung durch katalytische Verbrennung von Hilfsbrennstoffen im Abgasstrom unter Ausnut zung des Restsauerstoffs im Abgasstrom und im wesentlichen ohne zusätzliche Verbrennungsluftzufuhr.

Gegendruck- und temperaturgesteuert wird ein Brenngas, z. B. Flüssiggas, in einer Gasmischkammer dem Abgasstrom zugeführt. Von dort gelangt das Brenngas/Abgasgemisch in einen vom Abgas auf eine Mindestreaktionstemperatur vorgewärmten Oxidationska talysator. Beim Auftreffen der brennbaren Gasmoleküle auf die Katalysatorflächen reagieren diese sofort exotherm mit dem im Abgas enthaltenen überschüssigen Sauerstoff. Die so erzeugte Wärme führt zu einem starken Anstieg der Abgastemperatur. Die ser Anstieg läßt sich in Abhängigkeit zur eingedüsten Gasmenge stufenlos auf die Temperatur regeln, welche zur Verbrennung bzw. zur Zündung der im Filter zurückgehaltenen brennbaren Par tikel erforderlich ist. Unabhängig von den Regenerationszyklen des Filters bewirkt der Oxidationskatalysator des Katalytbren ners eine kontinuierliche Schadstoff-, Geruchs- und Lärmredu zierung im Abgas unter Ausnutzung des Restenergiegehalts dieser Schadstoffe.

Die Regenerationszyklen laufen vollautomatisch ohne jegliche störende Beeinflussung des jeweiligen gewünschten Betriebes des Abgaserzeugers ab und sie eignen sich somit hervorragend für Dauerbetriebsanlagen wie Dieselmotoren im stationären Einsatz. Durch die Ausnützung der Restenergie und des Restsauerstoffes im zugeführten Abgasstrom wird zum Erreichen der Regeneration stemperatur eine minimale Zufuhr von Fremdenergie benötigt. Dies bewirkt wiederum geringe Betriebskosten.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Systems lassen sich wie folgt zusammenfassen:

1. Einsatz bekannter Filtersysteme und handelsüblicher Oxi dationskatalysatoren auf der Basis von beschichteter Keramik oder Metallwabenträger möglich.
2. Minimaler Primärenergieeinsatz, minimaler Platzbedarf, geringe Investitions- und Betriebskosten.
3. Keine zusätzliche Verbrennungsluft erforderlich, dadurch keine Vergrößerung des Gesamt-Abgasmassenstroms und der Schadstoff -Massenströme.
4. Doppelfunktion des Katalyt-Brenners:
(a) Zur kontinuierlichen Schadstoffoxidation und damit zur kontinuierlichen Reduzierung von Schadstoff emissionen wie Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid und damit auch kontinuierliche Reduzierung von typischen Verbrennungsgerüchen;
(b) als Zündeinrichtung für die eingedüsten Hilfsbrenn stoffe.
5. Kontinuierliche Reduzierung von Lärmemissionen aufgrund guter schalldämmender Eigenschaften der Kompletteinheit Partikelfilter und Katalytbrenner.
6. Stufenlose Regelung der Abgastemperatur möglich, unab hängig von der Betriebsweise des Abgaserzeugers.

Die Erfindung ist ganz allgemein bei Verbrennungsanlagen ein setzbar, in denen brennbare Partikel im Abgas enthalten sind. Die oben genannten Eigenschaften des Katalytbrenners sind aber auch hervorragend für folgende Zusatzfunktion geeignet, nämlich die kontinuierliche Aufheizung eines Abgasstromes auf hohe Tem peraturen, unabhängig von Betriebsfahrweisen und den damit ver bundenen Eintrittstemperaturen, zweckmäßig in Verbindung mit Wärmetauscheinrichtungen, zur Erzeugung von Prozeßwärme z. B. zur Aufheizung von Thermoölen oder zur Erzeugung von Heißdampf u.ä. Diese Zusatzfunktion ist unabhängig von einer Partikel abscheidung erreichbar.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch die Kompletteinheit Partikelfilter und Katalytbrenner mit vorgeschalteter Gasmischkammer mit Einleitung der Hilfsbrennstoffe, und

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1 zur Dar stellung der Dichtrahmenkonstruktion.

Die Vorrichtung nach der Erfindung wird direkt nach dem Abgas erzeuger in die Abgasleitung 1 eingebaut und sie setzt sich im wesentlichen aus folgenden Anlageteilen zusammen:

- Einer Gasmischkammer 2 mit integrierter Gaslanze zur Ein düsung gasförmiger Hilfsbrennstoffe in den Abgasstrom,
- einem Katalytbrenner bestehend aus einem bekannten Oxida tionskatalysator 4,
- einem bekannten Partikelfilter 5,
- einem nach der Gasmischkammer 2 in die Abgasleitung 1 ein geflanschten Gehäuse 6 mit bedienungsfreundlicher (nicht dargestellter) Revisionsöffnung zur gemeinsamen Aufnahme von Oxidationskatalysator 4 und Partikelfilter 5 und
- einer Brennstoff-Regelstrecke 7 zum Eindüsen des Brennga ses, gegendruck- und/oder temperaturgesteuert.

Zusätzlich kann es von Vorteil sein, eine (nicht näher darge stellte) Sicherheitseinrichtung zur Verhinderung von unkontrol lierten Zündvorgängen vorzusehen. Eine solche Sicherheitsein richtung arbeitet über die Überwachung von Fließdruck, Tempera turveränderung und des Betriebszustandes des Abgaserzeugers.

Wie in Fig. 2 für den Partikelfilter 5 herausgezeichnet, er folgt die erforderliche Abdichtung sowohl des Oxidationsfilters 4 als auch des Partikelfilters 5 gegenüber dem Gehäuse 6 durch einen umlaufenden Dichtrahmen 8. Der erforderliche Anpreßdruck der Dichtflächen erfolgt hier z. B. für Dieselmotoren im statio nären Einsatz dauerhaft über das Eigengewicht der eingesetzten Elemente 4, 5, d. h. es sind keine zusätzlichen Spannelemente und damit auch keine betriebsbedingte Nachjustierung notwendig.

Die erfindungsgemäße Konstruktion erlaubt einen einfachen Ein- und Ausbau der relevanten Teile für Wartungs- und Revisions zwecke. Durch den selbsttragenden modularen Aufbau ist die Vor richtung als kompakte Gesamteinheit problemlos einsetzbar, auch in bestehende Anlagen, ohne das Erfordernis von speziellem Fachpersonal.

Claims

1. Verfahren zur Behandlung von Abgasen, die brennbare Parti kel wie z. B. Rußpartikel enthalten, durch Abscheiden dieser brennbaren Partikel auf Filterflächen und Regenerieren der Filterflächen durch Abbrennen der abgeschiedenen Partikel, gekennzeichnet durch die katalytische Verbrennung von Hilfsbrennstoffen im Abgas strom unter Ausnutzung des Restsauerstoffs im Abgasstrom und im wesentlichen ohne zusätzliche Verbrennungsluftzufuhr zur Ein leitung der Regeneration.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Hilfsbrennstoffe ein Brenngas, z. B. Flüssiggas, gegen druck- und/oder temperaturgesteuert mit dem Abgasstrom ver mischt und das Brenngas/Abgasgemisch in einen vom Abgas auf eine Mindest-Reaktionstemperatur vorgewärmten Oxidationskataly sator eingeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Ausnutzung der Restenergie im zugeführten Abgasstrom durch katalytische Verbrennung von Abgasinhaltsstoffen wie von Koh lenwasserstoffen und/oder von Kohlenmonoxid zum Erreichen der Regenerationstemperatur der Filterflächen und/oder zum Errei chen hoher Abgastemperaturen für nachgeschaltete Anlagen mit Nutzung des Wärmegehalts der Abgase.

4. Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen, die brennbare Par tikel wie z. B. Rußpartikel enthalten, mit einem Partikelab scheider/-filter (5) zum Einbau in die Abgasleitung (1) und mit einem Brenner zum Entzünden der angesammelten Partikel zwecks Regenerierung des Abscheiders bzw. Filters, gekennzeichnet durch einen dem Partikelabscheider/-filter (5) vorgeschalteten Oxida tionskatalysator/Katalytbrenner (4) und eine davor angeordnete Gasmischkammer (2) mit einer Einrichtung (3) zum Eindüsen von Hilfsbrennstoffen in den Abgasstrom.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Gasmischkammer (2) mit integrierter Gaslanze (3) zur Ein düsung eines Brenngases wie z. B. Flüssiggases.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch ein gemeinsames Gehäuse (6) mit je einer Dichtrahmenkonstruk tion (8) zur Aufnahme des partikelabscheiders/-filters (5) und des Oxidationskatalysators/Katalytbrenners (4).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erforderliche Anpreßdruck der Dichtflächen (8) ohne zu sätzliche Spannelemente dauerhaft durch das Eigengewicht der eingesetzten Elemente (4, 5) sichergestellt ist, und daß durch eine Revisionsöffnung im Gehäuse ein einfacher Ein- und Ausbau der relevanten Elemente für Wartungs- und Revisionszwecke gege ben ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, gekennzeichnet durch Meß-, Steuer- und Regeleinrichtungen (7) für die Einleitung der Hilfsbrennstoffe in Abhängigkeit vom Abgas-Gegendruck und/oder der Abgastemperatur und/oder sonstiger Prozeßparameter wie Ab gaszusammensetzung.

9. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, zweckmäßig in Verbindung mit Wärmetauschern zur Erzeugung von Prozeßwärme z. B. zur Aufheizung von Thermoölen oder zur Erzeugung von Heißdampf u. a. als Wärmeerzeuger, auch unabhängig von einer Partikelabscheidung.

10. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9 für die Abgasreinigung und/oder Wärmegewinnung bei Dieselmotoren insbe sondere im stationären Einsatz wie z. B. in Blockheizkraftwerken.