DE19929935A1 - Einrichtung zur Entstickung von Abgas - Google Patents

Abstract

Bei einer mit einer Entstickungsanlage für Abgas versehenen Brennkraftmaschine (1) ist der Einsatz eines Reduktionsmittelgenerators und eines Katalysators vorgesehen, wobei dem strömungstechnisch von der Brennkraftmaschine (1) entfernten Katalysator (11) ein zweckmäßigerweise diesem gegenüber weniger voluminöser Zusatzkatalysator (6) vorgeschaltet ist. Dieser gleichzeitig als Reduktionsmittelgenerator dienende Zusatzkatalysator (6) ist vorzugsweise in den vordersten Abschnitt einer Abgasleitung (5) der Brennkraftmaschine (1) eingebaut.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Entstickung von Abgas aus einer Brennkraftmaschine, insbesondere aus einem Dieselmotor oder einer Gasturbine, unter Einsatz eines Reduk­ tionsmittelgenerators und eines Katalysators.

Im Hinblick auf wachsende Anforderungen an einen möglichst umweltschonenden Betrieb von Brennkraftmaschinen werden auch für Dieselmotoren und Gasturbinen Abgasbehandlungsanlagen entwickelt, in denen mehr oder weniger schädliche Abgasbe­ standteile in harmlose Gase umsetzbar sind.

Durch die EP 0 577 853 B1 ist beispielsweise zur Entstickung des Abgases eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Die­ selmotors, eine Einrichtung bekannt geworden, bei der zur ka­ talytischen Umsetzung der Stickoxide eine wässrige Harn­ stofflösung von einer Reduktionsmittelzuführung durch eine Düse direkt in einen durch das Abgas aufgeheizten Reduktions­ mittelgenerator eingespritzt wird. Bei der im Reduktionsmit­ telgenerator herrschenden Temperatur zersetzt sich die Harn­ stofflösung durch Hydrolyse in Ammoniakgas und Wasser­ (-dampf). Das dabei gebildete Ammoniakgas strömt zusammen mit dem dadurch geringfügig abgekühlten Abgas und dem bei der Hy­ drolyse gebildeten Wasserdampf zu einem Katalysator. Dort wird das Ammoniakgas mit in dem Abgas befindlichen Stickoxi­ den katalytisch zu Stickstoff und Wasser umgesetzt.

Leider kann jedoch bei dieser Lösung ein Teil der Harnstoff­ lösung im Reduktionsmittelgenerator auf eine eventuell kalte innere Oberfläche treffen. Weiterhin kann es beim Aufprall größerer Mengen von Tropfen auf eine Wand zu Unterkühlungen kommen, möglicherweise in Verbindung mit einer Bildung größe­ rer Tropfen. Diese Vorgänge können durch unvollständige Hy­ drolyse zur Formierung von Ablagerungen führen. Dadurch wird die Funktionssicherheit des Reduktionsmittelgenerators minde­ stens beeinträchtigt.

Durch die WO 96/08639 ist zwar schon bekannt, Harnstofflösung vor einem Katalysator direkt in eine Abgasleitung einzusprit­ zen. Jedoch ist auch bei dieser Lösung die Bildung von Abla­ gerungen auf Wandungen nicht mit ausreichender Sicherheit auszuschließen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrich­ tung der eingangs genannten Art so zu ertüchtigen, dass eine Bildung von Tropfen aus einer in einen Reduktionsmittelgene­ rator eingesprühten Flüssigkeit auch bei unterschiedlichen Betriebszuständen der Anlage vermieden ist, so dass die Be­ triebssicherheit der Einrichtung für jeden Betriebszustand gewährleistet ist, unter Wegfall einer durch Druckluft unter­ stützten sehr feinen Zerstäubung.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass einem strömungstechnisch von einer Brennkraftmaschine entfernten Katalysator ein vorzugsweise diesem gegenüber weniger volumi­ nöser Zusatzkatalysator vorgeschaltet ist, der gleichzeitig als Reduktionsmittelgenerator dient sowie zweckmäßigerweise in den vordersten Abschnitt einer Abgasleitung der Brenn­ kraftmaschine und somit möglichst maschinen- oder motornah eingebaut ist. Dadurch ist eine für jeden Betriebszustand ausreichende Aufheizung des Zusatzkatalysators gewährleistet, weil dieser von noch sehr heißem Abgas durchströmt ist und weil auch durch eine bereits hier einsetzende katalytische Wirkung die Bildung von Ablagerungen auch bei vermehrtem Auf­ prall von Tröpfchen auf den Katalysator unabhängig von deren Größe sicher verhindert ist.

Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass dem Zusatzkatalysator ein druckluftfreies, vorzugsweise flüs­ siges, Reduktionsmittel zuführbar ist. D. h., dass das Reduk­ tionsmittel dem Zusatzkatalysator ohne Druckluftunterstützung zugeführt werden kann. Alternativ kann auch ein ein Redukti­ onsmittel freisetzender Zuschlagstoff, z. B. wässrige Harn­ stofflösung oder auch ein Feststoff oder ein Granulat, dem Zusatzkatalysator zugeführt oder in diesen eingespritzt bzw. dosiert in diesen eingebracht werden. Die Zuführung des Re­ duktionsmittels zum Zusatzkatalysator erfolgt beispielsweise mit dem Abgasstrom oder eines Teilstroms des Abgases.

Außerdem ist der Zusatzkatalysator vorzugsweise ein schwamm­ artiger Zwischenspeicher für den Zuschlagstoff bzw. für das Reduktionsmittel, das im Zusatzkatalysator verdampft und durch Hydrolyse in Wasserdampf und Ammoniakgas zerlegt wird. Der Zusatzkatalysator hat vorteilhafterweise ein Volumen von bis zu 25% des Katalysators, wobei der Zusatzkatalysator we­ niger als 2 m, vorzugsweise 0,1 bis 0,6 m, von einem Abgas­ flansch der Brennkraftmaschine entfernt sein sollte. Auch ist es von Vorteil, wenn der Abgasstrom und die Eindüsrichtung in dem Zusatzkatalysator eine starke vertikale Komponente haben.

Zweckmäßigerweise ist der Abgasstrom im Bereich der Einsprit­ zung von Harnstofflösung durch eine Kanalverengung beschleu­ nigt. Dabei ist eine maximal einspritzbare Menge flüssigen Reduktionsmittels durch eine maximal zulässige Abkühlung des Abgases bestimmt, die wiederum vom Temperaturniveau des Abga­ ses abhängig ist.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist ein katalytisch wirksamer Einsatz im Zusatzkatalysator in einem doppelwandi­ gen Gehäuse angeordnet und ein Teil des Abgasstroms durch­ strömt diesen Einsatz. Ein anderer Teil dieses Abgasstromes dagegen umströmt diesen Einsatz durch einen von der Doppel­ wand gebildeten Kanal. Dabei ist zweckmäßig der Einsatz im Zusatzkatalysator ähnlich aufgebaut wie ein entsprechender Einsatz im Katalysator, beispielsweise aus Vollextrudat oder aus beschichteten Trägern.

Eine feine Verteilung des eingespritzten Reduktionsmittels - bzw. des Zuschlagstoffs (Harnstofflösung) zur Freisetzung des Reduktionsmittels - kann dadurch unterstützt werden, dass der Abgasstrom tangential in den Zusatzkatalysator mündet und/oder dass dem Abgasstrom durch Leitschaufeln oder Leit­ bleche im Zusatzkatalysator und/oder im Abgaskanal eine Drallbewegung aufgezwungen ist.

Eine Verbesserung der Durchmischung des Abgases mit im Reduk­ tionsmittelgenerator erzeugtem Ammoniakgas wird erzwungen, weil durch eine räumliche Entkopplung von Zusatzkatalysator und (Haupt-)Katalysator eine lange Mischstrecke entsteht, so dass das Gemisch aus Abgas, Ammoniakgas und Wasserdampf zu einem annähernd homogenen Gasgemisch verwirbelt wird, mögli­ cherweise unter Zuhilfenahme von Mischelementen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson­ dere darin, dass durch die Nähe zur Brennkraftmaschine oder zum Motor auf einfache Weise sichergestellt ist, dass der eingesetzte Reduktionsmittelgenerator ausreichend mit Wärme­ energie versorgt ist. Dadurch ist eine gewünschte hydrolyti­ sche Umwandlung des eingespritzten Zuschlagstoffs (Harnstoff­ lösung) bzw. des Reduktionsmittels sicher gewährleistet und es tritt ein gut durchmischter homogenisierter Gasstrom in den eigentlichen Katalysator ein.

Weitere Vorteile bestehen darin, dass auch bei großen Quer­ schnitten der Abgasleitungen und großen Abgasmassenströmungen keine Druckluft zum Zerstäuben des flüssigen Reduktionsmit­ tels, insbesondere der Harnstofflösung, erforderlich ist, und dass die Einrichtung infolge ihrer Schwammwirkung auch bei sehr unterschiedlich großen Tröpfchen bei der Zerstäubung zu­ verlässig arbeitet. Der Zusatzkatalysator schafft durch seine räumliche Entkopplung vom (Haupt-) Katalysator die Möglich­ keit, eine nachfolgende Mischstrecke hinsichtlich ihrer Län­ ge, ihrer Form und ihrer Einbauten beliebig zu gestalten. Da­ durch können ein erhöhter Abgasgegendruck und für die Kata­ lyse ungünstige thermische Effekte vermieden werden.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 einen prinzipiellen Aufbau einer Brennkraftanlage mit einem Zusatzkatalysator,

Fig. 2 einen Schnitt durch einen vertikalen Zusatzkatalysa­ tor mit einem Bypasskanal,

Fig. 3 einen Schnitt durch einen horizontalen Zusatzkataly­ sator mit einer Beschleunigungsstrecke für Abgas, und

Fig. 4 einen Schnitt durch einen Zusatzkatalysator in einem stark aufgeweiteten Kanalabschnitt.

Einander entsprechende Bauteile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Ein Dieselmotor 1 ist über ein Ansaugrohr 2 mit Frischluft 3 versorgt und presst sein Abgas 4 in eine Abgasleitung 5. In die Abgasleitung 5 ist in deren vordersten Abschnitt sehr na­ he am Dieselmotor 1 ein Zusatzkatalysator 6 eingeschaltet, der höchstens 2 m, vorzugsweise jedoch nur 0,1 bis 0,6 m, vom Dieselmotor 1 entfernt angeordnet ist.

Der Zusatzkatalysator 6 ist über eine Leitung 7 zusätzlich mit einer Flüssigkeit 8 beaufschlagt, in der ein Reduktions­ mittel für Stickoxide chemisch gebunden oder in Lösung ent­ halten ist. Eine derartige Flüssigkeit ist beispielsweise ei­ ne wässrige Lösung von Harnstoff. Auch kann hier ein anderes flüssiges Reduktionsmittel eingesetzt werden. Die Flüssig­ keit 8 wird einem Behälter 9 entnommen und durch eine Pum­ pe 10 mit dem erforderlichen Druck in den Zusatzkatalysator 6 gefördert und über ein Ventil auf einen Einsatz 12 im Zusatz­ katalysator 6 gespritzt.

Zweckmäßigerweise deutlich weiter entfernt vom Dieselmotor 1 als der Zusatzkatalysator 6 befindet sich ein Katalysator 11 in der Abgasleitung 5. Das Volumen dieses Katalysators 11 ist jedoch mindestens vier mal so groß wie das Volumen des Zu­ satzkatalysators 6. Der Zusatzkatalysator 6 hat also ein Vo­ lumen von bis zu 25% des Volumens des Katalysators 11.

Das in den Zusatzkatalysator 6 mündende Ende der Leitung 7 trägt ein (nicht dargestelltes) Ventil, das die Flüssig­ keit 8, beim Ausführungsbeispiel eine wässrige Lösung von Harnstoff, in den Strom des Abgases 4 am Eingang des Zusatz­ katalysators 6 sprüht. Der dabei gebildete Sprühnebel aus der wässrigen Harnstofflösung bildet zusammen mit heißem Abgas 5 ein in einem Einsatz 12 des Zusatzkatalysators 6 einströmen­ des Gemisch. Der Einsatz 12 ist beispielsweise ein Vollextru­ dat aus katalytisch wirkendem Werkstoff oder besteht aus mit katalytisch wirksamem Werkstoff beschichteten Trägern.

Der Einsatz 12 wirkt aufgrund seiner Porosität wie eine Art Schwamm und Zwischenspeicher für die Flüssigkeit 8. Auf der Oberfläche des auf bis zu 600°C und höher aufgeheizten Ein­ satzes 12 wird die Harnstofflösung durch Hydrolyse in Ammoni­ akgas und Wasser zersetzt, das jedoch gleichzeitig zu Wasser­ dampf verdampft. Ebenfalls gleichzeitig setzt infolge der An­ wesenheit von Ammoniakgas eine katalytische Umsetzung von Stickoxiden in Stickstoff und Wasser ein.

Im Zusatzkatalysator 6 bildet sich aus Abgas, Ammoniakgas und Wasserdampf ein Gasgemisch 13, das nach dem Verlassen des Zu­ satzkatalysators 6 durch die Abgasleitung 5 zum Katalysa­ tor 11 strömt. Dort werden die Stickoxide mit dem Ammoniakgas katalytisch zu Stickstoff und Wasser umgesetzt.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 wird der Zusatzkataly­ sator 6 von oben nach unten vertikal von Abgas 4 durchströmt und wird auch die wässrige Harnstofflösung, d. h. die Flüs­ sigkeit 8 oder jedes andere flüssige Reduktionsmittel, senk­ recht von oben nach unten eingespritzt. Dabei sind die nicht näher bezeichnete Einströmöffnung für Abgas 4 und die eben­ falls nicht näher bezeichnete Auslassöffnung für das Gasge­ misch 13 bei diesem Ausführungsbeispiel seitlich gegeneinan­ der versetzt. Der Einsatz 12 stützt sich auf Streben 15 ab und ist allseitig von Abgas 4 umströmt und beheizt. Dabei bildet ein im Querschnitt ringförmiger Kanal 17 einen Bypass für den Gasstrom aus Abgas 4.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist der Zusatzkataly­ sator 6 zwar horizontal liegend dargestellt. Er wird jedoch auch in dieser Form vorzugsweise vertikal in eine Abgasanlage eingebaut. Auch bei dieser Form ist der Einsatz 12 von einem Kanal 17 umgeben, so dass er wiederum allseitig aufgeheizt ist und keine kalten Flächen aufweist. Der Einsatz 12 kann an mehreren Stellen oder sogar durch in Längsrichtung durchge­ hende achsparallele Bleche 15 abgestützt sein. Zur Erzielung einer besonders guten Vermischung des Abgases 4 mit der Flüs­ sigkeit 8 ist die Abgasleitung 5 bei dieser Ausführung im Be­ reich der Eindüsung verengt, so dass in diesem Bereich die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases 4 erhöht ist.

Fig. 4 zeigt einen Zusatzkatalysator 6 in einer besonders großen Aufweitung der Abgasleitung 5. Dabei ist der Zusatzka­ talysator 6 zur Minimierung von Wärmeverlusten nur punktuell mit der Wand der Abgasleitung 5 mechanisch verbunden.

Claims (14)

1. Einrichtung zur Entstickung von Abgas (4) aus einer Brenn­ kraftmaschine (1), insbesondere aus einem Dieselmotor oder einer Gasturbine, unter Einsatz eines Reduktionsmittelgenera­ tors und eines Katalysators, dadurch gekennzeichnet, dass dem der Brennkraftmaschine (1) nachgeschalteten Katalysator (11) strömungstechnisch ein Zusatzkatalysator (6) vorgeschaltet ist, der gleichzeitig als Reduktionsmittelgenerator dient.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zu­ satzkatalysator (6) in eine Abgasleitung (5) der Brennkraft­ maschine (1) möglichst maschinennah eingebaut ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Zu­ satzkatalysator (6) ein Reduktionsmittel (8) druckluftfrei zuführbar ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zu­ satzkatalysator (6) einen schwammartigen Zwischenspeicher für ein Reduktionsmittel (8) oder Bestandteilen desselben dar­ stellt.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Re­ duktionsmittel oder ein dieses freisetzender Zuschlag­ stoff (8), insbesondere Harnstofflösung, im Zusatzkatalysa­ tor (6) verdampft und gleichzeitig durch Hydrolyse eine Zer­ legung in Wasserdampf und Ammoniakgas erfolgt.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zu­ satzkatalysator (6) ein Volumen von bis zu 25% des Katalysa­ tors (11) hat.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zu­ satzkatalysator (6) weniger als 2 m, vorzugsweise 0,1 bis 0,6 m, von der Brennkraftmaschine (1) entfernt ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ab­ gas (4) im Bereich der Eindüsung eines Reduktionsmittels oder eines dieses freisetzenden Zuschlagstoffs (8), insbesondere Harnstofflösung, durch eine Kanalverengung (16) beschleunigt ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine ma­ ximal einspritzbare Menge flüssigen Reduktionsmittels oder dieses freisetzenden Zuschlagstoffs (8) durch eine - in Ab­ hängigkeit vom Temperaturniveau des Abgases (4) - maximal zu­ lässige Abkühlung des Abgases (4) bestimmt ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein kata­ lytisch wirksamer Einsatz (12) im Zusatzkatalysator (6) ange­ ordnet ist, wobei ein Teil des Abgases (4) diesen Einsatz (12) durchströmt, und wobei ein anderer Teil des Abgases (4) den Einsatz (12) in einem diesen umgebenden Kanal (17) um­ strömt.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ein­ satz (12) im Zusatzkatalysator (6) aus Vollextrudat oder aus beschichteten Trägern aufgebaut ist.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ab­ gas (4) tangential in den Zusatzkatalysator (6) mündet.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ab­ gas (4) im Zusatzkatalysator (6) und/oder im Abgaskanal (5) eine Drallbewegung aufgezwungen ist.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ver­ mischung von Abgas, Ammoniakgas und Wasserdampf zwischen dem Zusatzkatalysator (6) und dem Katalysator (11) in der Abgas­ leitung (5) zu einem annähernd homogenen Gasgemisch (13) er­ folgt.