DE19934413A1 - Vorrichtung zum Einbringen eines Zuschlagstoffes in ein Abgas - Google Patents
Vorrichtung zum Einbringen eines Zuschlagstoffes in ein AbgasInfo
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Abstract
Zur chemischen Umwandlung von Bestandteilen, insbesondere Stickoxiden, im Abgas (A) von Motoren ist dem Abgas (A) häufig ein Reduktionsmittel oder ein dieses freisetzender Zuschlagstoff (R) zuzusetzen. Zur guten Durchmischung des Abgases (A) mit dem Reduktionsmittel oder Zuschlagstoff (R) auf einer kurzen Gaskanalstrecke sind mindestens ein Mischer (8, 9, 10) und mindestens eine Düse (12) zum Einbringen des Zuschlagstoffes (R) in das Abgas (A) zu einer konstruktiven und funktionellen miteinander kombiniert.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einbringen eines
Zuschlagstoffes in ein Abgas (Gasstrom), die in einen Gas
kanal, insbesondere in eine Abgasleitung eines Dieselmotors,
einbringbar ist, mit mindestens einer Düse und mit mindestens
einem Mischer. Der Zuschlagstoff kann ein Reduktionsmittel
oder eine dieses freisetzende Verbindung sein.
Bei der Umsetzung von fossilem oder von aus Pflanzen gewon
nenem Brennstoff in mechanische und/oder thermische Energie
werden hohe Wirkungsgrade angestrebt. Dabei liegen die Um
setzungstemperaturen häufig derart hoch, dass bei der Um
setzung (Verbrennung) in nennenswertem Umfang Stickoxide
(NOx) gebildet werden. Dies gilt besonders für Dieselmotoren,
die beispielsweise mit mineralischem Öl oder mit Rapsöl be
trieben werden.
Da eine Freisetzung der Stickoxide äußerst unerwünscht und
daher zu vermeiden ist, werden die Stickoxide üblicherweise
katalytisch reduziert. Dies erfordert jedoch die Anwesenheit
eines Reduktionsmittels im Abgas einer Energieumsetzungsan
lage, beispielsweise in einem Dieselmotor. Es hat sich als
zweckmäßig erwiesen, ein derartiges Reduktionsmittel oder
einen dieses freisetzenden Zuschlagstoff als Reduktionsmit
telträger, insbesondere Ammoniak bzw. (in Wasser gelösten)
Harnstoff, dem Abgas erst nach dem Austritt aus der Energie
umsetzungsanlage zuzumischen.
Beim Betrieb einer derartigen Vorrichtung oder einer Rauch
gasreinigungseinrichtung ist es häufig problematisch, eine
ausreichend gute Durchmischung des Abgases oder Gasstroms mit
dem Reduktionsmittel zu erreichen. Grund hierfür ist, dass
die dazu an sich erforderliche Länge des Gas- oder Abgas
kanals, die in der Größenordnung von etwa dem 50-fachen des
Kanaldurchmessers liegt, nicht realisierbar ist. Für ver
gleichsweise kleine Anlagen, wie z. B. Dieselmotoren bis zu
einigen 100 kW, besteht prinzipiell die Möglichkeit, einen
Reduktionsmittelträger über eine Eindüsvorrichtung, bei
spielsweise über eine einzelne Düse, und einen dicht hinter
dem Motor liegenden Reduktionsmittelgenerator in den Abgas
kanal einzuspeisen. Dies ist jedoch bei wachsender Nenn
leistung mit überproportional wachsenden Kosten verbunden.
Bei vergleichsweise großen Anlagen, beispielsweise bei einem
Blockheizkraftwerk oder einem Schiffsantrieb, mit Abgaskanal
durchmessern über 200 mm sind daher üblicherweise mindestens
zwei statische Mischer hinter einem eine komplexe Eindüsvor
richtung darstellenden Verdüsungssystem angeordnet. Dabei
sind die Abstände dieses Verdüsungssystems und der Mischer
voneinander jeweils mindestens gleich dem doppelten Abgas
kanaldurchmesser auszuführen. Der Raum für die sich daraus
ergebende Abgaskanallänge steht jedoch häufig nicht zur Ver
fügung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vor
richtung der oben genannten Art anzugeben, die den Einsatz
sowohl einer Eindüsvorrichtung oder mindestens einer Düse für
einen Zuschlagstoff als auch einer Anzahl von erforderlichen
Mischern in einem Abgaskanal bei gleichzeitig möglichst
geringer Kanallänge ermöglicht. Die Vorrichtung sollte dabei
insbesondere in einen runden Gaskanal einsetzbar sein, dessen
Durchmesser zwischen ca. 200 mm und ca. 1000 mm beträgt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale
des Anspruchs 1. Dazu sind der Mischer und die Düse zum
Versprühen des Zuschlagstoffes oder des Reduktionsmittels
selbst zu einer konstruktiven und funktionellen Baueinheit
kombiniert. Diese Kombination ist in den Gaskanal einbring
bar, d. h. beim bestimmungsgemäßen Betrieb dieser baulichen
Einheit in diesen eingesetzt. Dadurch entfällt in der Länge
schon der Abstand von der Düse zum Mischer einer ersten
Mischerstufe, so dass die Kanallänge vorzugsweise auf ledig
lich das zwei- bis vierfache des Kanaldurchmessers (zwei bis
vier Kanaldurchmesser) verkürzt werden kann. Dabei ist weder
die Wirkungsweise noch die Wirksamkeit jedes einzelnen
Funktionsteils, nämlich der Eindüsfunktion einerseits und der
statischen Mischerfunktion andererseits, beeinträchtigt.
Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung weist der Mischer einen
an beiden Enden offenen, strömungsparallelen und vorteilhaf
terweise im Einbauzustand zum Gaskanal koaxialen Rohrkörper
auf, der an einem Ende stromauf und am anderen Ende stromab
weisende Lamellen trägt. Dabei hat der Rohrkörper in einem im
Querschnitt kreisrunden Gaskanal selbst ebenfalls einen
kreisrunden Querschnitt. Der Durchmesser des Gaskanals, in
den die bauliche Einheit aus Mischer und Düse einsetzbar ist,
sollte zweckmäßigerweise nicht kleiner als ca. 200 mm und
nicht größer als ca. 1000 mm sein.
In vorteilhaften Ausgestaltungen des Rohrkörpers beträgt
dessen Durchmesser etwa den 0,5- bis 0,2-fachen Durchmesser
des Gaskanals. Die Länge des Rohrkörpers entspricht etwa dem
0,2- bis 0,5-fachen Durchmesser des Gaskanals. Dabei ist der
Rohrkörper zweckmäßigerweise von einem quer zum Gasstrom in
den Gaskanal hineinragenden Rohrstutzen getragen, durch den
sich ein als Zuleitung und als Träger für die Düse oder die
Eindüsvorrichtung dienendes Rohr bis zur Mittelachse des
Rohrkörpers erstreckt.
Die Düse ist vorteilhafterweise im Bereich der Mittelachse
des Rohrkörpers - und damit im Einbauzustand der dem Gaskanal
und dem Rohrkörper gemeinsamen Mittelachse - angeordnet. In
dieser Lage versprüht die Düse oder die Eindüsvorrichtung den
Zuschlagstoff, beispielsweise Ammoniak als Reduktionsmittel
oder Harnstofflösung als Zuschlagstoff, in Strömungsrichtung
des Gasstromes. Ein aus der Düse austretender Sprühkegel
schließt dabei an seiner Kegelspitze einen Winkel von 20° bis
60°, vorzugsweise einen Winkel von 30°, ein.
Von den Enden des Rohrkörpers getragene Lamellen bilden mit
der Achse des Rohrkörpers vorzugsweise einen Winkel von 30°
bis 60°, insbesondere einen Winkel von 45°. Die Lamellen sind
derart ausgerichtet, dass sie sich im Einbauzustand der Vor
richtung mit ihren freien Enden an der Innenseite von Wänden
des Gaskanals abstützen. Dabei sind die Lamellen an ihren
Freienden etwa doppelt so breit wie an ihren mit dem Rohrkör
per verbundenen Fußenden. Freie Räume zwischen einander
benachbarten Lamellen sind dabei etwa ebenso breit wie die
Lamellen selbst.
Zweckmäßigerweise sind stromauf weisende Lamellen gegenüber
stromab weisenden Lamellen auf Lücke gesetzt, so dass jeder
Teilstrom des Gasstromes verwirbelt ist, wobei jeweils gleich
viele stromauf und stromab weisende Lamellen vorgesehen sind.
Zweckmäßigerweise trägt der Rohrkörper beidendseitig jeweils
vier bis acht Lamellen, die vorzugsweise aus ebenen Blechen
bestehen.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson
dere darin, dass infolge der räumlichen und funktionellen
Kombination mindestens eines Mischers und einer Düse einer
diese Funktionsteile aufweisenden Vorrichtung zum Einbringen
eines Zuschlagstoffs, wie z. B. Ammoniak oder Harnstoff
lösung, in ein Abgas eine besonders kurze Bauweise eines die
Vorrichtung aufnehmenden Abgaskanals ohne Gefahr der Verkrus
tung des Mischers auch bei Verwendung von Harnstofflösung
möglich ist.
Grund hierfür ist, dass bei gleichzeitiger Gewährleistung
einer Vergleichmäßigung von Temperatur und Geschwindigkeit
über den gesamten Kanalquerschnitt nur eine kurze Nachlauf
strecke im Abgaskanal erforderlich ist. Außerdem ist infolge
der geringen Komponentenanzahl im Gesamtsystem eine Reduzie
rung der Fertigungskosten erreicht.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand
einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 in teilweise geschnittener Seitenansicht eine
Rauchgasreinigungseinrichtung mit einer
kombinierten Misch- und Eindüsvorrichtung,
Fig. 2 die Reinigungseinrichtung in teilweise geschnitte
ner Draufsicht,
Fig. 3 eine Vorderansicht der Reinigungseinrichtung,
Fig. 4 die Reinigungseinrichtung in einem Schnitt entlang
der Linie IV-IV in Fig. 1, und
Fig. 5 die Reinigungseinrichtung in einem Schnitt entlang
der Linie V-V in Fig. 1.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den
gleichen Bezugszeichen versehen.
Ein Gas- oder Abgaskanal 1 mit einem Durchmesser d1 (Fig. 5)
von beispielsweise 200 mm bis 1000 mm ist mit einem Flansch 2
an einen (nicht dargestellten) vorzugsweise stationären Die
selmotor angeschlossen und wird in Richtung des Pfeiles 3 von
Abgas A durchströmt. Ein Rohrstutzen 4 durchdringt die Wand
des Abgaskanals 1 und ragt quer zur Strömungsrichtung 3 des
Abgases A und damit rechtwinklig zur Kanalachse 5 in den Ab
gaskanal 1 hinein. Bei gemäß dem Ausführungsbeispiel kreis
rundem Kanalquerschnitt verläuft der Rohrstutzen 4 somit ra
dial. Außerhalb des Abgaskanals 1 trägt der Rohrstutzen 4
freiendseitig einen Flansch 6, auf dem eine Endscheibe 7
dicht aufliegt und somit den Innenraum des Rohrstutzens 4
nach außen abschließt.
Das im Abgaskanal 1 liegende Ende des Rohrstutzens 4 trägt
einen beidendseitig offenen Rohrkörper 8, der koaxial zum
Abgaskanal 1 angeordnet ist. Die Kanalachse 5 bildet somit
die Mittelachse sowohl des Abgaskanals 1 als auch des Rohr
körpers 8. Dieser weist einen Durchmesser d2 (Fig. 5) auf, der
dem 0,5- bis 0,2-fachen des Durchmessers d1 des Abgaskanals 1
entspricht. Der Rohrkörper 8 weist eine Länge etwa gleich dem
0,2- bis 0,5-fachen des Durchmessers d1 des Abgaskanals 1
auf.
Am anströmseitigen Ende des Rohrkörpers 8 sind eine Anzahl
von ersten Lamellen 9 befestigt, die bezüglich der Strömungs
richtung 3 des Abgases A stromauf weisen. Eine vorzugsweise
gleiche Anzahl zweiter Lamellen 10, die sich entsprechend
stromab erstrecken, sind am abströmseitigen Ende des Rohrkör
pers 4 befestigt. Die Lamellen 9 und die Lamellen 10 sind ge
genseitig auf Lücke gesetzt, d. h. jede der Lamellen 9 liegt
in Richtung der Kanalachse 5 gesehen jeweils zwischen zwei
Lamellen 10 und umgekehrt. Dies ist aus den Fig. 3 bis 5
vergleichsweise deutlich ersichtlich.
Die Lamellen 9 und 10 bilden mit der Kanalachse 5 jeweils ei
nen Winkel α von 30° bis 60°, vorzugsweise von α = 45°
(Fig. 1), und stützen sich mit ihren freien Enden 9a bzw. 10a
an der Innenseite oder Innenwand 1' des Abgaskanals 1 ab. Die
freien Enden oder Freienden 9a, 10a der Lamellen 9 und 10
sind etwa doppelt so breit wie ihre an dem Rohrkörper 8 be
festigten Fußenden 9b bzw. 10b. An jedem Ende des Rohrkör
pers 8 sind beispielsweise vier bis acht Lamellen 9, 10 be
festigt, wobei die Lamellen 9, 10 aus ebenen Blechen beste
hen. Sie verursachen dadurch besonders kräftige Wirbel im
strömenden Abgas A.
Der Rohrstutzen 4 umfasst ein von der Endscheibe 6 getragenes
Rohr 11, an dem freiendseitig in dem Rohrkörper 8 eine Düse
12 gehalten ist. Das Rohr 11 ist in nicht näher dargestellter
Art und Weise über eine Leitung an einen Vorratsbehälter für
einen ein Reduktionsmittel freisetzenden Zuschlagstoff oder
für einen Reduktionsmittelträger R, beispielsweise für eine
wässrige Harnstofflösung, sowie zweckmäßigerweise zusätzlich
an einen Luftanschluß zur Kühlung und Zerstäubung der bei
spielsweise wässrigen Harnstofflösung angeschlossen. Eine
(nicht dargestellte) Pumpe presst den Reduktionsmittelträ
ger R, z. B. die wässrige Harnstofflösung, oder ein entspre
chendes Reduktionsmittel, z. B. Ammoniak, durch das Rohr 11
und durch die Düse 12.
Die geometrischen Abmessungen der Düse 12 sind derart gestal
tet, dass bei dem erreichten Förderdruck des Reduktions
mittelträgers R von diesem beim Austritt aus der Düse 12 ein
Sprühkegel 13 gebildet ist, dessen Spitze einen Winkel β von
20° bis 60°, vorzugsweise von β = 30° bis 45°, einschließt.
Die Düse 12 und der Rohrkörper 8 mit den Lamellen 9 und 10
bilden dadurch eine konstruktive und funktionelle Einheit,
wobei der Rohrkörper 8 und die daran befestigten Lamellen 9,
10 funktional einen statischen Mischer oder eine Mischstufe
darstellen. Die Düse 12 liegt dabei auf der der Kanalachse 5
entsprechenden gemeinsamen Mittelachse des Abgaskanals 1 und
des Mischers 8, 9, 10.
Im Betrieb strömt heißes Abgas A aus dem Dieselmotor in Strö
mungsrichtung 3 durch den Abgaskanal 1. Dabei strömt ein ge
ringer Anteil des Abgases A und damit zumindest ein Abgas
teilstrom durch den Rohrkörper 8. Beim Erreichen eines vorge
gebenen Betriebszustandes wird der Reduktionsmittelträger R
durch die Düse 12 in das strömende Abgas A eingesprüht oder
eingedüst. Im strömenden Abgas A treten im Bereich des Rohr
körpers 8 durch die Lamellen 9 und 10 verursachte, starke
Verwirbelungen auf, die auch den Sprühkegel 13 erfassen und
so eine sehr gute Durchmischung des Abgases A mit dem Re
duktionsmittelträger R erzwingen.
Bei dem im Abgaskanal 1 herrschenden Zustand wird dann die
beispielsweise wässrige Harnstofflösung durch Hydrolyse in
Ammoniakgas und Wasser zersetzt, so dass im dadurch gebilde
ten Gasgemisch beim Erreichen eines dafür geeigneten und vor
gesehenen (nicht dargestellten) Katalysators im Abgas A ent
haltene Stickoxide praktisch vollständig zu Stickstoff redu
ziert werden.
Claims (14)
1. Vorrichtung zum Einbringen eines Zuschlagstoffes (R) in
ein Abgas (A), die in einen Gaskanal (1), insbesondere in
eine Abgasleitung eines Dieselmotors, einbringbar ist, mit
mindestens einer Düse (12) und mit mindestens einem Mischer
(8, 9, 10), dadurch gekennzeichnet,
dass der Mischer (8, 9, 10) und die Düse (12) zu einer
konstruktiven und funktionellen Baueinheit miteinander
kombiniert sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass der Mischer (8, 9, 10) ei
nen zumindest annähernd strömungsparallelen Rohrkörper (8)
aufweist, der beidendseitig offen ist und dort Lamellen (9
bzw. 10) trägt, die bezüglich der Strömungsrichtung (3) des
Abgases (A) am stromauf gelegenen Rohrkörperende stromauf und
am stromab gelegenen Rohrkörperende stromab weisen.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, dass der Rohrkörper (8) einen
kreisrunden Querschnitt aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der
Rohrkörper (8) im Durchmesser (d2) etwa gleich dem 0,5- bis
0,2-fachen Durchmesser (d1) des Gaskanals (1) ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass der
Rohrkörper (8) eine Länge von etwa dem 0,2- bis 0,5-fachen
Durchmesser (d1) des Gaskanal (1) aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass an den
Rohrkörper (8) ein in den Gaskanal (1) hineinragender Rohr
stutzen (4) geführt ist, durch den sich ein als Zuleitung und
als Träger für die Düse (12) dienendes Rohr (11) bis in den
Rohrkörper (8) hinein erstreckt.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die
Düse (12) derart auf der Mittelachse (5) des Mi
schers (8, 9, 10) liegt, dass der Zuschlagstoff (R) in
Strömungsrichtung (3) des Abgases (A) versprühbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die von
den Enden des Rohrkörpers (8) getragenen Lamellen (9, 10) mit
der Achse (5) des Rohrkörpers (8) einen Winkel (α) von 30°
bis 60°, vorzugsweise von α = 45°, bilden und zur Abstützung
freiendseitig gegen die Innenseite (1') des Gaskanals (1)
gerichtet sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die La
mellen (9, 10) an ihren freien Enden (9a, 10a) etwa doppelt so
breit sind wie an ihren mit dem Rohrkörper (8) verbundenen
Fußenden (9b, 10b)
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass freie
Räume zwischen benachbarten Lamellen (9 oder 10) etwa ebenso
breit sind wie die Lamellen (9, 10) selbst.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass stromauf
weisende Lamellen (9) gegenüber stromab weisenden Lamel
len (10) auf Lücke gesetzt sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass jeweils
gleich viele stromauf und stromab weisende Lamellen (9, 10)
vorgesehen sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass der
Rohrkörper (8) beidendseitig gleich viele, beispielsweise
vier bis acht, Lamellen (9, 10) trägt.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass die La
mellen (9, 10) aus ebenen Blechen bestehen.
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