DE19738737A1 - Katalysator und Abgasleitung zur Reinigung eines Abgases aus einem mit Luftüberschuß betriebenen Verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Katalysator und eine Abgaslei­ tung zur katalytischen Entfernung von Stickoxiden aus einem Abgas eines mit Luftüberschuß betriebenen Verbrennungsmotors, beispielsweise eines Dieselmotors oder eines Magermix-Benzin­ motors.

Bei dem Betrieb eines Verbrennungsmotors können in nicht un­ erheblichem Umfang die genannten Stickoxide entstehen, welche über das Abgas an die Umwelt abgegeben werden und dort Schä­ den anrichten können. Auch ein Verbrennungsmotor, der mit Luftüberschuß arbeitet, beispielsweise ein Dieselmotor oder ein Magermix-Benzinmotor, gibt bei der Verbrennung eines Treibstoffes Stickoxide an die Umwelt ab.

Zur Verringerung von Stickoxiden im Abgas eines derartigen Verbrennungsmotors ist die Verwendung eines sogenannten DeNOx-Katalysators bekannt, welcher nach dem Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) die Stickoxide mit einem geeigneten Reduktionsmittel, meist Ammoniak, zu umwelt­ freundlichem Stickstoff und Wasser umsetzt.

In der EP 0 487 866 B1 und der DE 43 08 542 A1 sind SCR-Ver­ fahren zur Stickoxidminderung angegeben, bei denen ein stick­ stoffhaltiges Reduktionsmittel einem Abgasstrom zudosiert wird, der zuerst einen Hydrolyse-Katalysator passiert, in dem das Reduktionsmittel in Ammoniak umgewandelt wird, bevor der Abgasstrom einen Katalysator zur Stickoxidminderung nach dem SCR-Verfahren durchströmt. Dabei wird beschrieben, den Hydro­ lyse-Katalysator als eine kombinierte Verdampfer-/Katalysa­ tor-Kombination auszuführen, die Durchbrüche, Schlitze oder Umlenkungen zur innigen Vermischung und Aufheizung des im Ab­ gasstrom enthaltenen Reduktionsmittels besitzt, um eine hohe Umwandlungsrate des Reduktionsmittels in Ammoniak zu errei­ chen.

Die genannten Verfahren zur Stickoxidminderung besitzen den Nachteil, daß der Hydrolyse-Katalysator ein mit Durchbrüchen, Schlitzen oder Umlenkungen versehener Formkörper ist, dessen Herstellungskosten aufgrund der besonderen Formgebung sehr hoch sind. Desweiteren bewirkt der so gestaltete Formkörper des Hydrolyse-Katalysators einen hohen Druckverlust im Abgas­ weg, was zu einer Minderung der Motorleistung und damit zu einem Anstieg des Kraftstoffverbrauchs führt. Das beschrie­ bene Katalysatorsystem, bestehend aus dem Hydrolyse- und dem DeNOx-Katalysator, beansprucht zudem erheblichen Bauraum, was besonders bei nichtstationären Anwendungen, z. B. im Automo­ bilbau, von großem Nachteil ist.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, einen vielseitig verwendbaren Katalysator und eine Abgasleitung zur Verringe­ rung der im Abgas eines mit Luftüberschuß betriebenen Ver­ brennungsmotors enthaltenen Sickoxide anzugeben, womit sich ein geringer Druckverlust erzielen läßt, wodurch ein kleiner Bauraum beansprucht wird und niedrige Herstellungskosten er­ reicht werden.

Die Aufgabe bezüglich des Katalysators wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das katalytisch aktive Material des Kata­ lysators sowohl eine Hydrolyse-Aktivität zur Umwandlung eines Reduktionsmittels zu Ammoniak, als auch eine SCR-Aktivität zum Abbau von Stickoxiden nach dem SCR-Verfahren besitzt.

Beim Durchströmen des einstückigen Katalysators wird das Re­ duktionsmittel dabei von dem eine Hydrolyse-Aktivität aufwei­ senden, katalytisch aktiven Material zu Ammoniak umgewandelt.

Gleichzeitig werden über die SCR-Aktivität die im Abgasstrom enthaltenen Stickoxide mit Hilfe des entstandenen Ammoniaks zu unbedenklichem Stickstoff und Wasser umgesetzt. Auf einen separaten Hydrolyse-Katalysator kann vollständig verzichtet werden. Durch die Zusammenfassung des Hydrolyse- und des SCR- Katalysators zu einem einzigen Bauteil kann der insbesondere bei einem instationären Verbrennungsmotor zur Traktion eines LKW oder eines PKW sehr begrenzte Bauraum effektiv ausgenutzt werden. Der Druckverlust wird gegenüber einem herkömmlichen System deutlich verringert.

Das katalytisch aktive Material für die simultane Hydrolyse des stickstoffhaltigen Reduktionsmittels zu Ammoniak und Stickoxidminderung nach dem SCR-Verfahren umfaßt vorzugsweise 70-95 Gew.-% Titandioxid (TiO₂), 2-10 Gew.-% Wolframtri­ oxid (WO₃), 0-10 Gew.-% Molybdäntrioxid (MoO₃), 0-5 Gew.­ % Vanadiumpentoxid (V₂O₅), 0.1-6 Gew.-% Aluminiumoxid (Al₂O₃) und 0.1-6 Gew.-% Siliziumdioxid (SiO₂). Das kataly­ tisch aktive Material wird durch Mischen, Vermahlen und Ver­ kneten der Oxide oder ihrer Vorläuferverbindungen, gegeben­ enfalls unter Zusatz von üblichen keramischen Hilfs- und Füllstoffen, hergestellt. Anschließend wird das katalytisch aktive Material gegebenenfalls bei 20-100°C getrocknet und abschließend bei 200-800°C calciniert.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist der Kata­ lysator eine BET-Oberfläche von 30-150 m²/g und ein Poren­ volumen, gemessen nach dem Quecksilber-Eindringverfahren, von 100-1000 ml/g mit mono- oder polymodaler Porenradienvertei­ lung auf. Dabei wird beim Quecksilber-Eindringverfahren die Menge des die Poren erfüllenden Quecksilbers gemessen.

Der Katalysator besteht vorteilhaft aus einem metallischen oder keramischen Träger, der mit dem katalytisch aktiven Ma­ terial beschichtet ist. Ebenso kann der Katalysatorkörper in seiner Gesamtheit aus katalytisch aktivem Material bestehen und als Vollextrudat hergestellt sein.

Die zweitgenannte Aufgabe wird durch eine Abgasleitung mit einer Zuführungsvorrichtung für Reduktionsmittel, welches ka­ talytisch unter Bildung von Ammoniak zersetzbar ist, und ei­ ner nachgeschalteten katalytischen Vorrichtung zur Verminde­ rung der im Abgas enthaltenen Stickoxide erfindungsgemäß da­ durch gelöst, daß die katalytische Vorrichtung einen SCR-Ka­ talysator umfaßt, welcher zugleich für die Hydrolyse des stickstoffhaltigen Reduktionsmittels aktiv ist.

Für die Zuführung des Reduktionsmittels, insbesondere in flüssiger Form, kann z. B. eine entsprechend ausgelegte steuer- oder regelbare Düse vorgesehen sein.

Zur Verbesserung der Hydrolyse-Aktivität des Katalysators, insbesondere bei niedrigen Abgastemperaturen, ist dem ein­ stückigen Katalysator vorteilhaft eine Heizeinrichtung, z. B. in Form einer elektrischen Heizeinrichtung oder eines Blau­ brenners, zugeordnet. Insbesondere bei einem "Kaltstart" ei­ nes Verbrennungsmotors kann dadurch der Katalysator schnell auf eine günstige Betriebstemperatur erhitzt werden. Auf diese Weise kann ein unnötig erhöhter Schadstoffausstoß bei kalten Abgastemperaturen vermieden werden.

Von Vorteil ist es dabei, wenn die Heizeinrichtung eine elek­ trische Heizeinrichtung ist. Dadurch kann die eingebrachte Heizleistung der jeweils vorherrschenden Temperatur des Abga­ ses leicht durch eine Strom- oder Spannungsänderung angepaßt werden. Die elektrische Heizeinrichtung kann dabei indirekt an oder neben dem einstückigen Katalysator in Form einer Heizwendel oder in Form einer die umgebende Abgasführung um­ spannende Heizspule oder auch direkt durch Einschalten des einstückigen Katalysators als Heizwiderstand in einem elek­ trischen Stromkreis ausgeführt sein.

Es können auch mehrere, einstückige Katalysatoren mit gleich­ zeitiger Hydrolyse- und SCR-Aktivität hintereinander geschal­ tet werden. Durch die dadurch erzielte verbesserte Durchmi­ schung des Abgas es läßt sich auch bei stark schwankendem Stickoxidgehalt im Abgas erreichen, daß kein nennenswerter Schlupf des Reduktionsmittels auftritt.

Durch den Wegfall des bislang notwendigen, separaten Hydro­ lyse-Katalysators verringert sich der Druckverlust in der Ab­ gasleitung und damit auch der Kraftstoffmehrverbrauch.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Figur näher erläutert. Die Figur zeigt hierzu schema­ tisch einen Dieselmotor mit einer Abgasleitung mit darin in­ tegriertem Katalysator.

In der Figur ist als ein mit Luftüberschuß arbeitender Ver­ brennungsmotor 1 ein Dieselmotor gezeigt, welcher über eine Abgasleitung 2 mit einem plattenförmigen, einstückigen Kata­ lysator 7 verbunden ist, welcher gleichzeitig eine Hydrolyse- Aktivität und eine SCR-Aktivität besitzt.

Der Katalysator 7 ist als beschichteter Plattenkatalysator ausgeführt und umfaßt als katalytisch aktive Substanzen [80 Gew.-% TiO₂, 5 Gew.-% WO₃, 5 Gew.-% MoO₃, 3 Gew.-% V₂O₅, 3,5 Gew.-% Al₂O₃ und 3,5 Gew.-% SiO₂] . Die spezifische Oberfläche beträgt 120 m²/g; der Porenradius der katalytischen Masse be­ trägt 620 ml/g.

Dem einstückigen Katalysator 7 ist weiterhin eine elektrische Heizeinrichtung 9 zugeordnet. Dabei ist der Katalysator 7 an eine Spannungsquelle 10 mittels der Anschlußdrähte 11 ange­ schlossen. Die Anschlußdrähte 11 sind dabei jeweils mit dem metallischen Träger des einstückigen Katalysators 7 kontak­ tiert. Die Spannungsquelle 10 ist als eine steuerbare Wech­ selspannungsquelle ausgeführt.

Der Abgasleitung 2 ist eine Zuführungsvorrichtung 4 für Re­ duktionsmittel zugeordnet, die sich in Strömungsrichtung 6 des Abgas es vor dem Katalysator 7 befindet und die dem vom Dieselmotor 1 erzeugten Abgasstrom eine wäßrige Harnstofflö­ sung zumischt. Die Zuführungsvorrichtung 4 umfaßt einen Harn­ stofftank 4A, der an eine steuerbare Düse 4B angeschlossen ist, die in die Abgasleitung 2 mündet.

Claims (9)

1. Katalysator (7) zur Reinigung eines Abgases eines mit Luftüberschuß betriebenen Verbrennungsmotors (1), dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysa­ tor (7) sowohl eine Hydrolyse-Aktivität zur Umwandlung eines Reduktionsmittels zu Ammoniak, als auch eine SCR-Aktivität zum Abbau von Stickoxiden nach dem SCR-Verfahren besitzt.

2. Katalysator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein katalytisch ak­ tives Material, das 70-95 Gew.-% TiO₂, 2-10 Gew.-% WO₃, 0-10 Gew.-% MoO₃, 0-5 Gew.-% V₂0₅, 0.1-6 Gew.-% Al₂O₃ und 0.1-6 Gew.-% SiO₂ enthält.

3. Katalysator (7) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine katalytisch ak­ tive Oberfläche von 30-150 m²/g und einen Porenradius gemäß dem Quecksilber-Eindringverfahren von 100-1000 ml/g.

4. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht aus katalytisch aktivem Material auf einem keramischen oder metallischen Träger aufgebracht ist.

5. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ausgeführt als Plattenkatalysator.

6. Katalysator (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ausge­ führt als Wabenkatalysator.

7. Katalysator (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ausgeführt als vollextrudierter Katalysatorkörper.

8. Abgasleitung (2) eines mit Luftüberschuß betriebenen Ver­ brennungsmotors (1) mit einer Zuführungsvorrichtung (4) von Reduktionsmittel, das katalytisch unter Bildung von Ammoniak zersetzbar ist, und einer nachgeschalteten katalytischen Vor­ richtung zur Verminderung der im Abgas enthaltenen Stick­ oxide, dadurch gekennzeichnet, daß die kataly­ tische Vorrichtung einen Katalysator (7) nach einem der An­ sprüche 1 bis 7 enthält.

9. Abgasleitung (2) nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Heizeinrichtung für den Katalysator (7).