DE19882658B3

DE19882658B3 - Verfahren zur katalytischen Zersetzung von Produkten aus unvollständigen Verbrennungsprozessen

Info

Publication number: DE19882658B3
Application number: DE19882658.3T
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-12-04
Filing date: 1998-11-23
Publication date: 2014-04-03
Anticipated expiration: 2018-11-24
Also published as: AU1468499A; JP2001524375A; DE19882658T1; WO1999028016A1; US5928618A; JP3513109B2

Abstract

Verfahren zur katalytischen Zersetzung von Produkten aus unvollständigen Verbrennungsprozessen von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen, umfassend die Schritte: – Suspendieren eines katalytisch reaktiven Mediums in einer Reaktionskammer, wobei das Medium aus einer Vielzahl von Partikeln aus der Gruppe Quarz, Alaunerde und Mischungen hiervon besteht, wobei die Reaktionskammer bei einer Temperatur zwischen 200°C bis 500°C gehalten wird, so dass die Mediumpartikel mit entsprechender Feuchtigkeit in der Reaktionskammer katalytisch reaktiv werden und Hydroxyl-Radikale bilden; und – Einführen von Produkten aus unvollständigen Verbrennungsprozessen von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen, die aus der Gruppe Reste unverbrannter Kohlenwasserstoffpartikel, Kohlenstoffruß, Kohlenmonoxid, doppelatomiger Wasserstoff und Mischungen hiervon ausgewählt werden, in die Reaktionskammer unter Aufrechterhaltung der Temperatur zwischen 200°C bis 500°C, damit die katalytisch reaktiven Mediumpartikel in Kontakt oder enge Nähe der Produkte aus unvollständigen Verbrennungsprozessen von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen kommen und diese Produkte katalytisch zersetzen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung liegt im Bereich der katalytischen Zersetzung von Produkten aus unvollständigen Verbrennungsprozessen von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen, vor allem von Ruß in Abgasen von Dieselmotoren und anderen Fossilbrennstoffquellen.
2. Übersicht der entsprechenden Technologien
Ein Problem der modernen Gesellschaft sind die Schadstoffe, die in Verbrennungsmotoren erzeugt werden. Dieselmotoren werden zum Beispiel in vielen industriellen Anwendungen, in Lastwagen und in Pkws eingesetzt. Dieselmotoren haben einen großen Anteil an der Wirtschaft, sind aber auch erheblich an der Luftverschmutzung beteiligt. Verbrennungsprodukte aus Dieselmotoren durch die Verbrennung von Dieseltreibstoff gelangen normalerweise in die Luft. Einige der schädlichsten Stoffe aus Dieselmotoren und anderen Systemen, die mit kohlenstoffhaltigem Treibstoff angetrieben werden, sind Kohlenstoffruß und andere Schadstoffe, die durch unvollständige Verbrennung entstehen. Kohlenstoffruß enthält Partikel unverbrannter Kohlenwasserstoffe und andere kohlenstoffhaltige Partikel. Diese feinen Partikel tragen zu Atemwegsbeschwerden und zur Luftverschmutzung in Städten bei.
Als Reaktion auf die Verschmutzung durch benzingetriebene Verbrennungsmotoren wurden Katalysatoren entwickelt, um die Schadstoffe durch unvollständige Verbrennung, die in die Umwelt gelangen, zu reduzieren. Katalysatoren werden üblicherweise im Auspuffsystem eines Verbrennungsmotors angebracht, um zumindest einen Teil der Auspuffgase voll zu oxidieren. Die Produkte einer vollständigen Verbrennung, vor allem Kohlendioxid und Wasser, werden als umweltfreundlicher angesehen als Stoffe aus unvollständiger Verbrennung. Herkömmliche Katalysatoren enthalten Palladium oder Platin, die die Oxidierung von Abgasen fördern. Diese Metalle sind aber sehr selten und teuer. Noch dazu werden Katalysatoren leicht beschädigt und ein defekter Katalysator ist ohne Abgasmessung nur schwer zu identifizieren.
Katalysatoren konnten zur Reduzierung von Schadstoffen aus unvollständiger Verbrennung in benzingetriebenen Motoren beitragen. Dieselmotoren wurden zum großen Teil aus wirtschaftlichen Gründen von den immer strengeren Schadstoffvorschriften für benzingetriebene Fahrzeuge ausgenommen. Dieses öffentliche Problem setzte sich in zunehmenden politischen Druck und Aktivität um, die Emissionsvorschriften für Dieselmotoren zu verschärfen. Es ist möglich, dass Emissionsvorschriften in einigen Staaten verhängt werden, die so streng sind, dass sie das Transportieren von Ware mit Lastwagen auf langen Strecken zu kostenintensiv machen oder dass ein Erfüllen mit herkömmlichen Schadstoffregelungen nicht mehr möglich ist.
Es wäre darüber hinaus ein technischer Fortschritt, Verfahren für die Oxidierung von Produkten aus unvollständigen Verbrennungsprozessen in Dieselmotoren und anderen Systemen, die fossile Treibstoffe verbrennen, zu entwickeln und dadurch herkömmliche Katalysatoren mit Palladium, Platin oder anderen teuren katalytischen Materialien zu ersetzen.
Aus der US 5 676 070 A ist die Zersetzung von medizinischen Abfällen und anderen organischen Stoffen bekannt, wobei solche Abfälle Wasser als Hauptbestandteil aufweisen, so dass diese in einem entsprechenden Reaktionsumfeld zersetzt werden können. In der Fachzeitschrift „Energy”, Vol. 17, No. 4, S. 331–338, 1992, wird ein Verfahren beschrieben, mit dem Produkte aus unvollständiger Verbrennung von Kohle, Koks und anderen Brennstoffen mit einem Wirbelschicht-Reaktor unter Zusatz von Quarzsand bei hohen Temperaturen von ca. 650°C zersetzt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf verbesserte Verfahren für die vollständige und zuverlässige Zersetzung von Ruß und anderen nicht verbrannten Stoffen in Abgasen von Dieselmotoren und Abgasen anderer fossiler Brennstoffe. Die Erfindung verwendet eine Reaktionskammer mit einem hochreaktiven Medium wie Quarz, Alaunerde u. ähnl., das bei Temperaturen unterhalb der Verbrennungstemperatur unter Feuchtigkeit aktiviert wurde, um hochreaktive Hydroxylteilchen zu erhalten.
Die Technologie zur Bereitstellung eines Wirbelschichtmediums zur Pyrolyse oder zum Cracken bestimmter organischer Stoffe ist bekannt. Aber bisher war nicht bekannt, dass eine Reaktionskammer mit einem entsprechenden Medium zur vollständigen und kostengünstigen Zersetzung hochgefährlicher Abgaspartikel aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe verwendet werden kann. Ein Beispiel für ein Wirbelschichtverfahren findet sich in der EP 0 176 123 A1 (nachfolgend EU 123 genannt), das ein ”Wirbelbett” mit einer Metallkammer, einem Wirbelschichtmedium wie Quarz, Vorrichtungen zum Einführen warmer Gase durch Wirbelschichtmedien und einen Nachbrenner zum Verbrennen von Gasen, die bei der Pyrolyse entstehen, beschreibt. Der Zweck des Wirbelbetts der EU 123 ist die Reinigung von Metallteilen, auf denen Farbe, Gummi oder andere schwer zu entfernende Substanzen haften. Die EU 123 scheint aber vor allem auf der Kombination der abrasiven Wirkung des Sandmediums und einer ausreichend hohen Temperatur (vorzugsweise 650°C) zu beruhen, um die haftenden organischen Substanzen mechanisch und durch Pyrolyse von den Metallteilen zu entfernen. Die EU 123 beschreibt nicht, dass bei niedrigeren Temperaturen und bei Feuchtigkeit Abgaspartikel schnell und effizient zersetzt und vollständig durch Katalyse abgebaut werden können.
Im Gegensatz zur EU 123 und anderen Patenten, die die Wirbelschichttechnologie einsetzen, entdeckten die Erfinder der hier beschriebenen Technologie, dass eine hohe Menge sehr reaktiver Hydroxylradikale und anderer reaktiver Wasserstoffoxidarten (und möglicherweise andere Oxide) durch die Wechselwirkung von Wasserdampf und den scheinbar ansonsten inaktiven Quarz- oder Alaunerdepartikeln des suspendierten Mediums bei relativ niedrigen Temperaturen unterhalb der Verbrennungstemperatur entstehen kann. Das Medium ist in einem relativ stabilen Zustand durch Luftströme nach oben durch das Medium suspendiert. Quarzsand besteht vor allem aus monolithischen Siliziumdioxidpartikeln. Man fand heraus, dass die Oberfläche der Siliziumdioxidpartikel in einem suspendierten Zustand bei erhöhten Temperaturen, die aber unterhalb der Verbrennungstemperatur liegen, mit Wasserdampf reagieren können, wobei eine hochreaktive Schicht von Quarzpartikeln entsteht.
In einer Umgebung, die vom suspendierten Medium gebildet wird, scheint die reaktive Quarzoberfläche hochreaktive Hydroxylradikale oder andere reaktive Stoffe zu erzeugen, auszustoßen oder anderweitig bereitzustellen. Auch Alaunerde scheint unter den gleichen Bedingungen sehr reaktive Oxidantien zu erzeugen. Die exakte chemische Reaktion konnte noch nicht vollständig erforscht werden. Es wurde auch herausgefunden, dass die gleiche Umgebung die katalytische Oxidation von Rußpartikeln und anderen unverbrannten kohlenstoffhaltigen Komponenten in Dieselabgasen und anderen Abgasen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Kohle bewirken kann.
Als Ergebnis der neu entdeckten Wechselwirkung zwischen dem suspendierten Medium bei den erwähnten Temperaturen unter Feuchtigkeit zur Erzeugung einer hochoxidativen Umgebung und da eine so hohe Förderung der Oxidation wie möglich wünschenswert ist, ist es im allgemeinen vorzuziehen, kein Methan oder andere brennbare Gase in das suspendierte Medium einzuleiten. In der EU 123 wird Methangas durch das Medium geleitet. Die Erfinder erachten es als sinnvoller, einfach warme Luft, vorzugsweise sauerstoffreiche Luft, durch das suspendierte Medium zu leiten. Es kann aber Methangas in die Gase, die aus der Reaktionskammer kommen, eingeleitet werden, um eine vollständige Verbrennung, zum Beispiel in einem Nachbrenner, zu gewährleisten.
Ein Vorzug der vorliegenden Erfindung ist die Nutzung der hochreaktiven Eigenschaften des hydroxylierten Mediums statt der enormen Energiemengen, die zur Erzeugung eines ausreichend heißen Verbrennungsofens zur effizienten Zersetzung durch Verbrennung aufgebracht werden müssen. Dieser Vorzug wird besonders klar bei den extrem niedrigen Kosten für typische Medien wie Quarz oder Alaunerde, die problemlos zur Verfügung stehen, zum großen Teil inert sind, bis sie den reaktiven Bedingungen ausgesetzt werden, und in großen Mengen vorkommen. Sensoren können in der Reaktionskammer angebracht werden, um die Einleitung von Wasserdampf, Sauerstoff, Wärme usw. zu regulieren.
Wenn entflammbare Gase in erheblichen Mengen in der Reaktionskammer entstehen, kann es sinnvoll sein, diese Gase in einem Nachbrenner zu entzünden. Die in der Reaktionskammer entstehende Wärme und die Wärme von einem optionalen Nachbrenner kann zum Erzeugen der gewünschten Temperatur in der Reaktionskammer genutzt werden. Die Wärme in den Abgasen kann beispielsweise durch einen Wärmetauscher oder einfache Wiedereinleitung aller oder eines Teils der Gase in der Reaktionskammer wieder zugeführt werden. Im letzteren Fall kann es sinnvoll sein, die verbrannten Gase mit Sauerstoff anzureichern, bevor man sie wieder in die Reaktionskammer einleitet. Durch die katalytische Natur des Reaktionsprozesses werden die Zwischengase gründlicher zersetzt, als dies möglicherweise in einer herkömmlichen Verbrennung geschehen würde. Die Erzeugung gesundheitsschädlicher Abgase wird erheblich reduziert oder ganz vermieden.
Die Anwendung der Erfindung findet sich für Systeme und Verfahren zur katalytischen Oxidation von Produkten aus unvollständiger Verbrennung, die von Dieselmotoren, anderen Verbrennungsmotoren und anderen Systemen, die fossile Brennstoffe verbrennen, wie beispielsweise Fabriken, stammen. Die Systeme und Verfahren senken erheblich die Menge bestimmter Schadstoffe, die sonst in die Atmosphäre gelangen würden. Die Erfindung beschreibt ein verbessertes System, das sehr kostengünstigen Quarz und/oder Alaunerde als Katalysator statt der relativ teuren Metalle Palladium oder Platin verwendet. Das System kann in ein Fahrzeug eingebaut werden, das von einem Dieselmotor angetrieben wird.
Abgase und suspendierte Partikel, die bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehen, durchlaufen eine modifizierte Reaktionskammer, die in Größe und Konfiguration an die Verwendung in Fahrzeugen oder anderen Anwendungen mit fossilen Brennstoffen angepasst ist. Abgase beinhalten normalerweise Produkte aus unvollständigen Verbrennungsprozessen, unter anderem Kohlenstoffruß, Kohlenmonoxid und doppelatomigen Wasserstoff. Das Freisetzen von Produkten aus unvollständigen Verbrennungsprozessen in die Umwelt ist im allgemeinen aus Umweltschutzgründen nicht erwünscht. Zumindest ein Teil des Kohlenstoffrußes in den Abgasen wird in erheblichen Maßen oxidiert. Dadurch werden erheblich geringer umweltschädliche Abgasprodukte wie Kohlendioxid und Wasser in der Umwelt freigesetzt.
Die Reaktionskammer, die die Abgase passieren, beinhaltet ein entsprechendes Medium wie Quarzsand, Kieselgel oder Alaunerde. Das Medium weist vorzugsweise eine relativ hochspezifische Oberfläche auf, so dass das Gewicht des Reaktionsmediums gering bleibt. Die Reaktionskammer beinhaltet auch Vorrichtungen, um die Temperatur in der Reaktionskammer innerhalb des gewünschten Temperaturbereiches zu halten, um die Feuchtigkeit im entsprechenden Sollbereich zu halten, damit eine kontinuierliche Produktion von Hydroxyl-Partikeln gewährleistet ist, und um die Gase, die im Reaktionsprozess entstehen, abzuleiten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Um die oben genannten und weitere Vorteile der Erfindung zu illustrieren, wird im Anschluss eine genaue Beschreibung der oben kurz beschriebenen Erfindung unter Bezugnahme auf eine spezielle Ausführung geboten, die in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist. Diese Zeichnungen stellen nur eine spezielle Ausführung der Erfindung dar und schränken daher den Anwendungsbereich nicht ein. Die Erfindung wird genauer an Hand der beigefügten Zeichnungen beschrieben und erläutert.
1 ist ein Querschnitt einer bevorzugten Reaktionskammer in Kombination mit einem Dieselmotor zur Oxidation von Produkten aus unvollständigen Verbrennungsprozessen.
2 ist ein Querschnitt einer Reaktionskammer in Kombination mit einem Fabrikschlot.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
In einer bevorzugten Ausführung bezieht sich die Erfindung auf optimierte Verfahren für die katalytische Oxidation von Produkten aus unvollständigen Verbrennungsprozessen in Abgasen, die bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen wie bei Fabrikschloten und Dieselmotoren entstehen. Die Abgase mit unverbrannten oder teilweise verbrannten Verbrennungsprodukten passieren eine Reaktionskammer mit einem suspendierten Medium wie Quarz oder Alaunerde. Die organischen Verbrennungsprodukte in den Abgasen werden im Prinzip vollständig zu CO₂ oxidiert. Dadurch entstehen Emissionen, die umweltverträglicher sind als die unbehandelten Abgase.
Die Begriffe ”zersetzen” oder ”Zersetzung” in der Beschreibung und in den Ansprüchen im Anhang beziehen sich auf das Zersetzen von größeren Molekülen in kleinere Moleküle, vor allem durch katalytische Spaltung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen. Die Begriffe beziehen sich auch auf die Spaltung anderer molekularer Bindungen während der Vergasung und Oxidation. Die Begriffe umfassen auch die vollständige Oxidation von Gasen oder Partikeln zu Kohlendioxid, Wasser und/oder anderen vollständig oxidierten Verbindungen.
Der Begriff ”Produkte aus unvollständigen Verbrennungsprozessen” in der Beschreibung und in den Ansprüchen im Anhang bezieht sich auf unvollständig oxidierte Reaktionsprodukte, die sich bei einer Verbrennung oder anderen schnell verlaufenden Oxidationsprozessen bilden. Die Produkte aus unvollständigen Verbrennungsprozessen können gasförmig, fest, partikelförmig, flüssig oder eine Kombination daraus sein. Der Begriff ”Kohlenstoffruß” ist ein Unterbegriff von ”Produkte aus unvollständigen Verbrennungsprozessen” und beinhaltet unverbrannte Kohlenwasserstoffpartikel, Reste davon und andere kohlenstoffhaltige Partikel.
Der Begriff ”kohlenstoffhaltiger Brennstoff” bezieht sich auf Material, das verbrannt wird, um Energie zu erzeugen oder freizusetzen. Der Begriff ”fossiler Brennstoff” ist ein Unterbegriff von ”kohlenstoffhaltiger Brennstoff” und beinhaltet Kohle, Öl, Erdgas und Erdöl-Derivate.
Die richtige Feuchtigkeit, die richtige Temperatur und der richtige Sauerstoffgehalt kann durch Sensoreinrichtungen (nicht dargestellt) in der Reaktionskammer gesteuert werden. Mit dem jetzigen Stand der Technik bei Sensoreinrichtungen lassen sich diese in die erfindungsgemäßen Verfahren, die hier dargelegt werden, integrieren. Die Sensoreinrichtungen können mit einer CPU verknüpft werden, die Ventile in Leitungen betätigt, um Wasser-, Dampf-, Sauerstoff- und Wärmemengen zu steuern, die in die Reaktionskammer eingeleitet werden. Das genaue Verfahren zur Regelung der Zuleitungen entspricht dem bekannten Stand der Technik.
In 1 ist beispielsweise eine Reaktionsvorrichtung 40 dargestellt, die in Kombination mit einem Verbrennungsmotor verwendet werden kann. Dieser Verbrennungsmotor kann zum Beispiel ein Dieselmotor 42 oder ein anderer Verbrennungsmotor oder andere Geräte, die fossile Brennstoffe verbrennen, sein. Die Reaktionsvorrichtung 40 bewirkt eine vollständigere Oxidierung der Abgasprodukte eines Verbrennungsmotors, als dies normalerweise der Fall wäre, und funktioniert ähnlich wie ein herkömmlicher Katalysator.
Ein typischer Dieselmotor 42 beinhaltet eine Ansaugung 44, eine Verbrennungskammer 46 und eine Abgasleitung 48. Ein Turbolader 50 dient zum Komprimieren der angesaugten Luft/Treibstoff-Mischung 52, die in die Verbrennungskammer gelangt. Die Effizienz des Dieselmotors 42 wird durch Bereitstellen von mehr Verbrennungsluft gesteigert.
Die Abgasprodukte 54 passieren eine Vorrichtung, um die Produkte aus unvollständigen Verbrennungsprozessen in die Reaktionsvorrichtung 40 einzuleiten. Ein Beispiel für solch eine Vorrichtung ist der Abgaskanal 48. Die meisten Abgasprodukte 54 bestehen aus inertem, gasförmigen Stickstoff, Kohlendioxid, Wasser und sogar gasförmigem Sauerstoff. Wegen nicht idealer Luft/Treibstoff-Verhältnisse, unvollständiger Vermischung, inhärenter Ineffizienzen bei der Beschleunigung oder aus anderen Gründen kann es vorkommen, dass ein Teil des Dieseltreibstoffs, der im Dieselmotor 42 verwendet wird, nicht vollständig verbrannt wird. Daher werden Produkte aus unvollständigen Verbrennungsprozeduren, darunter Kohlenstoffruß und unverbrannte Gase, vom Dieselmotor 42 ausgestoßen. Diese unverbrannten kohlenstoffhaltigen Komponenten sind normalerweise sichtbar, vor allem bei der Beschleunigung eines Dieselfahrzeuges.
Die Produkte aus unvollständigen Verbrennungsprozessen sind umweltschädlich und tragen zu Umwelt- und Gesundheitsproblemen wie Luftverschmutzung in der Stadt und Atemwegserkrankungen bei. Die vollständige Oxidation zumindest von einigen Produkten aus unvollständigen Verbrennungsprozessen mit der Reaktionsvorrichtung 40 gemäß der vorliegenden Veröffentlichung würde die Umweltschäden reduzieren, die auftreten, wenn unverbrannter Ruß und andere kohlenstoffhaltige Produkte in die Umwelt gelangen.
Abgasprodukte 54 halten den Dieselmotor 42 normalerweise auf Temperaturen von etwa 400°C bis 550°C. Nach dem Verlassen des Dieselmotors 42 und bei Eintritt in den Abgaskanal 48 kühlen diese Abgasprodukte 48 normalerweise ab. Im allgemeinen ist es empfehlenswert, die Reaktionsvorrichtung 40 relativ nah am Dieselmotor 42 anzubringen, so dass die Abgasprodukte 54 auf Temperaturen abkühlen, die unter den bevorzugten Temperaturen der Reaktionsvorrichtung 40 liegen.
Die Temperatur, bei der die Reaktionsvorrichtung 40 betrieben werden sollte, um die katalytische Oxidation von unverbrannten Abgaskomponenten zu optimieren, liegt zwischen 200°C und 500°C, vorzugsweise aber zwischen 250°C und 400°C und am besten zwischen 300°C und 375°C.
Da Abgasprodukte normalerweise unter nicht ausreichendem Druck stehen, um zu gewährleisten, dass das Katalysemedium 58 in der Reaktionsvorrichtung 40 suspendiert wird, kann ein Kompressor 56 verwendet werden, um den Druck der Abgasprodukte bei Eintritt in die Reaktionsvorrichtung zu erhöhen. Entsprechend dient der Kompressor 56 als Suspensionsvorrichtung zum Suspendieren der Partikel, die das Katalysemedium 58 bilden. Alternativ kann die Vorrichtung zum Suspendieren der Partikel Luftdüsen oder ähnl. beinhalten, die zumindest teilweise in der Reaktionsvorrichtung liegen. Wichtig ist, dass die Gase, einschließlich der Abgasprodukte 54, die die Reaktionskammer 40 passieren, ausreichend Kraft haben, um zumindest einen Teil des Katalysemediums 58 für eine optimale Reaktivität des Mediums 58 zu suspendieren. Die Reaktivität des Mediums 58 wird auch bei fehlender Suspension teilweise durch die inhärente Porosität zwischen den Mediumspartikeln gewährleistet, die eine gute Diffusion der unverbrannten Abgasprodukte im Medium 58 ermöglichen.
Das System zur katalytischen Oxidation von Produkten aus unvollständigen Verbrennungsprozessen beinhaltet außerdem eine Vorrichtung, um die Reaktionsvorrichtung auf einer Temperatur innerhalb des gewünschten Temperaturbereichs zu halten. Diese Vorrichtung kann eine Konstruktion oder ein System zur Kühlung der Abgasprodukte 54 auf die gewünschte Temperatur beinhalten. In diesem Fall umfasst die Vorrichtung beispielsweise einen Lufteinlass und einen Kompressor 56 und/oder bedeutet eine Montage der Reaktionsvorrichtung in ausreichendem Abstand vom Dieselmotor 42. Unter bestimmten Umständen, wenn die Reaktionsvorrichtung 40 nicht nah genug am Dieselmotor 42 eingebaut werden kann, um ausreichend hohe Abgastemperaturen zu erreichen, kann die Vorrichtung, um die Reaktionsvorrichtung auf gewünschter Temperatur zu halten, eine Heizung umfassen, um die Temperatur der Abgasprodukte 54 auf die gewünschte Betriebstemperatur zu bringen. Diese Heizung kann, muss aber nicht, eine elektrische Heizung oder eine Strahlungsheizung sein, die mit einem Brennstoff wie Erdgas, Heizöl oder Kohle betrieben wird.
Die komprimierten Abgasprodukte 54 werden in die Reaktionsvorrichtung 40 durch ein Lüftungssystem 57 oder andere entsprechende Konstruktionen eingeleitet. Die Produkte aus unvollständigen Verbrennungsprozessen werden hierdurch in Kontakt oder in enge Nähe mit dem zumindest teilweise suspendierten Katalysemedium 58 in der Reaktionsvorrichtung 40 gebracht. Das Katalysemedium 58 der Reaktionsvorrichtung 40 beinhaltet vorzugsweise sandartige Partikel entsprechenden Materials wie Quarzsand, Kieselgel, Alaunerde und ähnliches. Bei Bedarf kann der Reaktionskammer 40 mit z. B. einem Befeuchtungssystem 59 Feuchtigkeit zugeführt werden.
Auch ein Katalysemedium 58, in dem die Partikel eine relativ große spezifische Oberfläche aufweisen, ist vorteilhaft. Es wird angenommen, dass die Oberfläche der reaktiven Partikel die reaktiven Hydroxyl-Partikel in der Reaktionsvorrichtung 40 erzeugt. Entsprechend ermöglicht die Vergrößerung der Oberfläche der Mediumspartikel ohne Zunahme des Gewichts die Verwendung einer geringeren Masse von reaktiven Medien bei Beibehalten einer ausreichenden Reaktivität. Das geringere Gewicht ist vor allem in der vorliegenden Ausführung vorteilhaft, da die Reaktionsvorrichtung 40 vor allem in Dieselfahrzeugen eingebaut wird. Die benötigte Menge der Quarzpartikel kann erheblich gesenkt werden, wenn die Korngröße reduziert und/oder die Oberfläche der Partikel unregelmäßiger gemacht wird. Beide Faktoren erhöhen die spezifische Oberfläche der Mediumspartikel. Aber die Reduzierung der Quarzmenge oder eines anderen reaktiven Mediums senkt normalerweise auch den Anteil von Kohlenstoffruß und anderer Produkte aus unvollständigen Verbrennungsprozessen, die aus den Abgasprodukten 54 entfernt werden. Daher wird die bevorzugte Menge von reaktivem Medium durch eine Abwägung des Reaktorgewichts mit der Reaktoreffizienz festgelegt.
Das Katalysemedium erleichtert die Oxidation der Produkte aus unvollständigen Verbrennungsprozessen in Abgasprodukten 54. Insbesondere werden zumindest Kohlenstoffruß und unverbrannte organische Gase in Kohlendioxid und Wasser zerlegt. Andere Produkte aus unvollständigen Verbrennungsprozessen können in die entsprechenden voll oxidierten Reaktionsprodukte umgewandelt werden. Die oxidierten Produkte werden dann als Emissionen 60 durch die Entlüftung 62 ausgestoßen.
In 2 ist beispielsweise eine Reaktionskammer 80 zur katalytischen Oxidierung unverbrannter kohlenstoffhaltiger Abgaskomponenten aus einem Industriebrenner 70 dargestellt. Industriebrenner verbrennen im allgemeinen Kohle oder Heizöl. Beide erzeugen bekanntermaßen unverbrannte Stoffe wie Ruß und unverbrannte Gase. Die Abgase werden vom Brenner 70 über eine Abgasleitung 72 in die Reaktionskammer 80 geleitet. Ein Kompressor 74 gewährleistet einen ausreichenden Druck in den unverbrannten Gasen, die in die Reaktionskammer 80 geleitet werden. Ein Befeuchter 76 kann verwendet werden, um eine ausreichende Produktion von reaktiven Hydroxyl-Partikeln zu gewährleisten. Die Temperatur der Reaktionskammer 80 kann durch eine der bereits in der Anwendung beschriebenen Vorrichtungen oder andere Verfahren auf den heutigen Stand der Technik geregelt werden. Es werden im Anschluss einige Ausführungen der Erfindung dargestellt, um die Anwendbarkeit und Nützlichkeit der Erfindung zu demonstrieren.
Beispiel 1
Eine Reaktionskammer des vorliegend beschriebenen Typs zur Verwendung mit Verbrennungsmotoren wurde in Kombination mit einem herkömmlichen Dieselmotor getestet, der normalerweise bei Lastwagen verwendet wird. Handelsüblicher kristalliner Quarz wurde als Katalysemedium in der Reaktionskammer verwendet. Eine Reaktionskammer, die unter den hier beschriebenen Bedingungen mit einer Menge von 771,1 kg (1700 Pfund) Quarz betrieben wurde, reichte aus, um bis zu etwa 98% des Kohlenstoffrußes zu oxidieren und zu eliminieren, der vom Dieselmotor ausgestoßen wird, wenn das reaktive Quarzmedium auf einer Temperatur zwischen etwa 300°C und 375°C gehalten wird.
Beispiel 2
Der im Beispiel durchgeführte Test wurde mit nur 113,4 kg (250 Pfund) Quarz statt 771,1 kg (1700 Pfund) durchgeführt. Es stellte sich heraus, dass die Reaktionskammer mit 250 Pfund Quarz bis zu etwa 60% Kohlenstoffruß des Dieselmotors entfernt.
Beispiel 3
Eine Reaktionskammer mit Quarz wird zur Entfernung von bis zu 98% Ruß und anderer unverbrannter kohlenstoffhaltiger Stoffe verwendet, die von einem Industriebrenner, der Kohle oder Heizöl verbrennt, durch den Kamin ausgestoßen werden. Da eine Fabrik stationär und Quarz sehr billig ist, wird eine entsprechende Menge von Quarz zur Oxidierung der unverbrannten Komponenten aus Industriebrennern verwendet. Die Temperatur wird bei einer Temperatur zwischen etwa 300°C und 375°C durch entsprechende Vorrichtungen gehalten und die Feuchtigkeit der Gase in der Reaktionskammer wird durch entsprechende Vorrichtungen wie beispielsweise einen Befeuchter gehalten.

Claims

Verfahren zur katalytischen Zersetzung von Produkten aus unvollständigen Verbrennungsprozessen von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen, umfassend die Schritte: – Suspendieren eines katalytisch reaktiven Mediums in einer Reaktionskammer, wobei das Medium aus einer Vielzahl von Partikeln aus der Gruppe Quarz, Alaunerde und Mischungen hiervon besteht, wobei die Reaktionskammer bei einer Temperatur zwischen 200°C bis 500°C gehalten wird, so dass die Mediumpartikel mit entsprechender Feuchtigkeit in der Reaktionskammer katalytisch reaktiv werden und Hydroxyl-Radikale bilden; und – Einführen von Produkten aus unvollständigen Verbrennungsprozessen von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen, die aus der Gruppe Reste unverbrannter Kohlenwasserstoffpartikel, Kohlenstoffruß, Kohlenmonoxid, doppelatomiger Wasserstoff und Mischungen hiervon ausgewählt werden, in die Reaktionskammer unter Aufrechterhaltung der Temperatur zwischen 200°C bis 500°C, damit die katalytisch reaktiven Mediumpartikel in Kontakt oder enge Nähe der Produkte aus unvollständigen Verbrennungsprozessen von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen kommen und diese Produkte katalytisch zersetzen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Reaktionskammer in einem Temperaturbereich zwischen 250°C und 400°C gehalten wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Reaktionskammer in einem Temperaturbereich zwischen 300°C und 375°C gehalten wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, ferner einschließend den Schritt Zuführen von zusätzlicher Feuchtigkeit in die Reaktionskammer.
Verfahren gemäß Anspruch 1, ferner einschließend den Schritt Zuführen von zusätzlichem Sauerstoff in die Reaktionskammer.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Produkte aus unvollständigen Verbrennungsprozessen von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen in einem Verbrennungsmotor stammen.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei der Verbrennungsmotor ein Dieselmotor ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Produkte aus unvollständigen Verbrennungsprozessen aus der Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen in einem Industriebrenner stammen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der kohlenstoffhaltige Brennstoff ein fossiler Brennstoff ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der fossile Brennstoff aus der Gruppe Kohle, Öl, Erdgas und Erdölderivate ausgewählt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, ferner einschließend die Erhöhung des Drucks in den Produkten aus unvollständigen Verbrennungsprozessen bei Eintritt in die Reaktionskammer.