DE2059053A1

DE2059053A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von Maschinenabgasen

Info

Publication number: DE2059053A1
Application number: DE19702059053
Authority: DE
Inventors: Hardison Leslie Claire
Original assignee: Universal Oil Products Co
Current assignee: Universal Oil Products Co
Priority date: 1968-09-25
Filing date: 1970-12-01
Publication date: 1972-06-08
Also published as: US3544264A; GB1323608A; FR2115702A5

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von Maschinenabgasen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von Maschinenabgasen, insbes. der Auspuffgase von Brennkraftmaschinen.

Wie heute allgemein bekannt, ist es notwendig, schädliche Bestandteile von Fahrzeugabgasen zu beseitigen oder umzuwandeln, um der allgemein zunehmenden Luftverschmutzung und den Nebelproblemen in bestimmten geographischen Gebieten entgegenzutreten. Es erscheint weiterhin notwendig, katalytische oder thermische Nachbrenner-Vorrichtungen zu haben, die eine angemessene Beseitigung von schädlichen Bestandteilen von Abgasen gewährleisten. Dabei ist es bekannt, daß es viele Arten von erprobten Konvertern gibt, die hierfür geeignet sind. Das Ηαυρίτ problem bestand jedoch in der Beseitigung von Stickstoffoxyden, welche in den Abgasen von Brennkraftmaschinen enthalten sind und welche durch einen Konverter gewähnlich ohne Umwandlung oder Beseitigung ausströmen.

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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Zweistufen-Katalysator-Umwandlungssystem zu schaffen, welches die in den Abgasen vorhandenen Stickstoffoxyde, Kohlenmonoxyde, sowohl als auch Kohlenwasserstoffe umwandelt.

Erfindungsgemäß wird ein neues Zweistufen-Verfahren und eine Apparate-Anordnung geschaffen, derart, daß in einer ersten Zone der Vorgang der Reduktion von Stickstoff oxyden ausgeführt wird mit einem Minimum von Hitzeverlust vom Konverter, während eine zweite Zone als katalytische Oxydierungszone die erste Zone umgibt.

Brennkraftmaschinen sind so eingerichtet, daß sie nahe bei einem stöchiometrischen Brennstoffverhältnis arbeiten. Durch nicht gleichmäßige Bedingungen, einschl. Geschwindigkeitsveränderungen, automatische Drosselung und falsche Zündzeitpunkte, entsteht in der Maschine eine relativ hohe Produktion von Stickstoffoxyden. Diese Stickstoffoxyde können durch eine Reaktion, wie nachstehend aufgeführt, reduziert oder beseitigt werden:

2 CO+ NO -^N₂ +2CO

Es ist anzustreben, daß die Abgase ein mittleres Gemisch bilden, so daß genügend

>CO vorhanden ist, um eine Reduktion von NO zu erlauben. Der verbleibende x

Sauerstoff würde dann mit CO reagieren, vorzugsweise zu NO bei Vorhandensein eines Reduktionskatalysators.

Ganz allgemein gewährleistet die vorliegende Erfindung durch eine katalytische Umwandlung der Abgase eine Reduzierung des Anteils von Stickstoff oxyden, was erfindungsgemäß dadurch erreicht wird, daß der Abgasstrom ohne Abkühlung und ohne Luftzufuhr in eine erste Zone, die den Reduktions-Katalysator enthält, einströmt und dort katalytisch Stickstoffoxyde reduziert, werden und anschließend Luft zugeführt und das Gemisch in eine zweite Zone weiterleitet wird, die den Oxydations-Katalysator enthält. Dabei wird ein indirektes Hitzeaustauschverhältnis mit der genannten ersten Zone beibehalten, um den Hitzeverlust von der genannten ersten Zone zu verringern und um in der erwähnten zweiten Zone eine wesent-

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ORIGINAL INSPECTFn

lieh bessere Oxydation von Kohlenmonoxyden und Kohlenwasserstoff zu erreichen.

Eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines solchen zweistufigen Konverters kennzeichnet sich durch ein längliches, im wesentlichen zylindrisches Gehäuse, welches der Länge nach durch eine im Abstand von der Außenwand verlaufende undurchlässige Trennwand in zwei zentrisch ineinander liegende Katalysatorkammern unterteilt ist und eine in einem Ende des Gehäuses untergebrachte, mit einem Lufteinlaß versehene Mischkammer, über die der aus der ersten innenliegenden Katalysatorkammer austretende Gasstrom in die zweite außenliegende Katalysatorkammer geleitet wird, wobei die zweite Katalysatorkammer in eine Auslaßkammer mündet, die einen nach außen offenen Austritt für die behandelten Abgase aufweist.

Vorzugsweise kann die Ausbildung so getroffen sein, daß die Abgaszuleitung das Gehäuse der Länge nach zentral durchsetzt und die erste Katalysatorkammer im Querschnitt kreisringförmig ausgebildet und auf der Abgaszuleitung angeordnet und dabei von der zweiten Katalysatorkammer umschlossen ist, wobei die Abgaszuleitung in eine Umkehrkammer einmündet, die von dem Ende der ersten Katalysatorkammer durch eine gasdurchlässige Wand getrennt ist, und daß andererseits beide Katalysatorkammern durch eine weitere durchlässige Wand von der Luftbeimischkammer derart getrennt sind, daß der aus der Abgaszuleitung austretende Gasstrom in der Umkehrkammer umgelenkt und in die erste Katalysatorkammer geleitet und nach deren Durchlauf erneut in der Luftbeimischkammer umgelenkt und durch die äußere Katalysatorkammer geführt wird.

Andererseits ist es aber auch vorteilhaft, wenn die erste Katalysatorkammer in einem das Gehäuse der Länge nach durchsetzenden sich an den Abgaseinlaß anschließenden Rohr gebildet ist, auf dem zum Zwecke des besseren Wärmeüberganges unmittel bar die zweite Katalysatorkammer angeordnet ist und daß beide ineinanderiiegenden Kammern über eine luftdurchlässige Wand in eine Luftbeimischkammer münden,

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während die Austrittskammer am anderen Gehäuseende, den Abgaseintritt umschließend und nur mit der äußeren zweiten Katalysatorkammer in Verbindung stehend, angeordnet ist.

Der Reduktions-Katalysator in der ersten Zone besteht aus einem hochtemperaturbeständigen Stoff, der geeignet ist, für die Reduzierung von Stickstoffoxyden in Stickstoff z. B. kann der Katalysator Kupferoxyde verwenden, die auf ein hitzebeständiges Trägermaterial, wie beispielsweise Aluminiumoxyd, aufgebracht sind. Metallische Oxyde von Eisengruppen können ebenfalls in der ersten Stufe P Anwendung finden. Ein katalytisch aktiver Bestandteil kann allein oder in Verbindung

mit einem anderen bzw. mehreren Katalysatorbestandteilen verwendet werden. Aktive Bestandteile können mit anorganischen, hitzebeständigen Oxyden zusammengesetzt werden, wie Alaunerde oder Silicium-Alaunerde, Silicium-Alaunerde-Zirkonium, Silicium-Thorium, Silicium-Bor und ähnlichen.

Der Katalysator kann in Form von Fäden, Schalen, Zylindern oder Kugeln verwendet werden, die in einem bestimmten Behälter gehalten werden oder aus imprägnierten Glasfasern bestehen, die in Mattenähnlichen Formen angewendet werden. Die Katalysatorteilchen oder Kugeln haben die typischen Maße von etwa

t 1.6 - 6.4 mm (1/16 "- 1/4")

und werden vollständig eingeschlossen in einer durch perforierte Wände begrenzten Kammer.

Der in der zweiten Zone verwendete Oxydationskatalysator ist nicht auf eine besondere Type beschränkt, sowiet katalytische Oxydierungsmaterialien der Metallgruppen I, V, Vl +VIII der periodischen Tabelle verwendet werden, insbes. Kupfer, Silber, Vanadium, Chrom, Eisen, Kobalt, Nickel und Platin oder Palladium für sich allen

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oder in Verbindung mit anderen Bestandteilen oder in Verbindung mit einem oder mehreren aktiven Komponenten. Der (die) aktive-(n) Komponenten können zusammengesetzt sein mit oder aufgetragen sein auf entsprechenden hitzebeständigen anorganischen Oxyden wie Alaunerde oder anderen bekannten anorganischen Oxyden, oder in Verbindung mit dem Reduzierungskatalysator-Trägermatei al. Ähnlich kann der Katalysator schalen- oder kugelförmige Beschaffenheit bzw. von glasfaserartiger Beschaffenheit sein und Mattenähnlicher Anordnung verwendet werden. Er kann beliebige physikalische Formen aufweisen oder eine Ausdehnung haben, die sich für eine Unterbringung innerhalb der perforierten Katalysatorkammer eignet.

Vorzugsweise befindet sich Reduktions-Katalysatorteil gegenüber dem Oxydationskatalysator in einer Lage, daß ein guter Wärmeübergang vorhanden ist. Reduktionskatalysatorteil ist von dem ringförmigen Oxydierungskatalysatorteil umgeben. Dabei findet für den Durchlauf der Abgase ein Gegenstromprinzip Anwendung. Die Abgase durchströmen den ersten Katalysator in einer Richtung und anschließend den zweiten Katalysator in umgekehrter Richtung, derart, daß zwischen beiden ein guter Wärmeaustausch gegeben ist. Vor der zweiten Stufe wird, um die katalytische Oxydation zu erhöhen, Luft hinzugefügt, und zwar in einer am Ende der ersten Reduktionszone angeordneten Mischkammer, so daß die Luft mit den älteren Abgasen gleichmäßig gemischt wird, um in die zweite Stufenzone einzutreten.

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Die beiliegende Zeichnung und die Beschreibung derselben dient zum besseren Verständnis der Erfindung und stellen die'damit zusammenhängenden Vorteile klar heraus und zwar zeigen:

Figur 1 eine schematische Teilansicht eines zweistufigen Konvertors und Figur 2 eine andere Ausführungsform eines vereinfachten Konvertors .

Bei der Ausführungsform gemäß Figur 1 gelangt ein Gehäuse 1 zur Anwendung, ^ das an seinen Enden durch Einsätze 2 und 3 abgeschlossen ist. An dem Einlaßende

dieser Einheit ist ein Rohr 4 durch den Einsatz 2 axial bis in den Hauptteil des Gehäuses 1 eingeführt. Es endet vor einer perforierten Trennwand 5 und in einer räumlichen Entfernung vor einer weiteren, nicht perforierten Wand 6. Auf der Eintrittsseite ist ebenfalls eine perforierte Platte 7 vorgesehen, die das Rohr 4 umgibt und nach innen um die Breite der Luftzuführungskammer 8 von der Endwand entfernt ist. In die Kammer 8 mündet der Frischlufteinlaß 10, Die Kammer 8 dient eigentlich einer Doppelfunktion, indem sie für die Luftzufuhr in das Innere des Konverters sorgt, und gleichzeitig eine Neuverteilung von Luft und Brennstoff im zweistufigen Katalysator teil bewirkt. Ein undurchlässiger zylindrischer Mantel 12, der sich zwischen den Platten 6 und 7 erstreckt, trennt die innere Katalysatorauf- ^ nahmekammer 13 von der äußeren Katalysatorkammer 14. Der behandelte Abgas-

strom tritt durch einen in dem Einsatz 3 vorgesehenen Auslaßstutzen 11 ins Freie.

Erfindungsgemäß ist die innere ringförmige Katalysatorkammer 13 dazu bestimmt, eine hochtemperaturbeständige Katalysatormasse, wie z. B. Kupferoxyd auf Alaunerde (copper oxid on alumina) aufzunehmen, während sich in der ringförmigen Katalysatorkammer 14ein hochtemperaturfestes oxydierendes Material, wie z. B.

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Chromoxyd, Vanadiumoxyd, Platin, Palladium oder ähnliches auf einem entsprechenden Trägermaterial. Demgemäß wird der Abgdsstrom zunächst im Konverter axial durch das nicht perforierte Rohr 4 in die Verteilerkammer 15 geleitet und von da zurück durch die perforierte Wand 5 in den Reduktionsteil 13. Von hier gelangen die Gase durch Öffnungen 16 in der Wand 7 in die Kammer 8, in der eine Beimischung von Luft erfolgt, die durch den Einlaß 10 zuströmt. Anschließend gelangen die reduzierten Abgase vermischt mit Frischluft durch die Öffnungen 17 in der Trennwand 7 in die Kammer 14 und durchströmen der Länge nach den äußeren ringförmigen Katalysator, um schließlich über die Sammelkammer durch den Auslaßstutzen auszutreten.

Wie ersichtlich, ermöglicht der innere Katalysator 13 einen guten Wärmeaustausch mit dem heißen Abgasstrony der durch das Rohr 4 führt, als auch durch die direkte Verbindung mit der Zylinderwand 12 in einen Wärmeaustausch mit dem äußeren Oxydationsteil 14, um eine maximale Temperatur in der Kammer 13 aufrechtzuerhalten. Vorzugsweise ist sieh-die gesamte Einheit unmittelbar an den Auspuff Jer Maschine angeschlossen, so daß die Auspuffgase einer hohen Temperatur in den Konvertor eingeführt werden, was besonders günstig ist, weil sich Stickstoffoxyde bei einer hohen Temperatur leichter reduzieren lassen. Es wird auch keine Luft vor dem Konverter hinzugefügt, so daß der Reduktionsvorgang im Teil 13 unter den denkbar besten Bedingungen stattfinden kann.

Nach einerimaximalen Reduktion wird in der Kammer 8 Luft hinzugefügt und in den Rückstrom der Gase durch den Oxydations-Katalysator 14 geleitet. Aus der vorliegenden Darstellung ist ersichtlich, daß zusätzliche Prallbleche 19 innerhalb der Kammer 8 vorgesehen sind, um den gewünschten Abgasrückfluß zu unterstützen, wenn die heißen Gase die Kammer 13 verlassen, um in die Kammer 14 einzutreten. Gleichzeitig ergibt die Platte 19 eine ausreichende 360 -Verteilung des Frischluftstromes aus der Einlaßöffnung 10.

Die Ausführungsform des Gerätes nach Figur 1 ist im wesentlichen zylindrisch oder oval und von genügender Länge, um eine ausreichende Menge Von Katalysatormasse zur Erlangung einer zufriedenstellenden katalytischen Reduktion und katalytischen Oxydation der Abgasströme unterzubringen. Es kann jedoch auch eine

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quadratische oder andere, ζ. B. mehreckige oder sich überschneidende, Form verwendet werden, wenn es für einen besonderen Verwendungszweck wünschenswert erscheint und im Bereich der vorliegenden Erfindung bleibt. Auch wenn es nicht dargestellt ist, so können selbstverständlich zusätzliche im Innern der Kammern 13, 14 vorgesehene Prall- oder Leitorgane angebracht werden, um die Gase besser zu verteilen und daran zu hindern, Kanäle zu bilden.

Bei der Ausführungsform der Einrichtung gemäß Figur 2 weist das äußere Gehäuse 20, Endplatten 21 und 22 auf, ebenso eine innere durchgehende Unterteilung 23, um auf diese Weise einen inneren Katalysatorteil 24 von einen äußeren ringförmigen Katalysatorteil 25 zu trennen. Der Abgaseinlaß 26 geht in das innere Rohr 23 über, welches den Katalysator 24 enthält. In Längsrichtung wird der Katalysator 24 durch eine den Zustrom durchlassende perforierte Platte 27 und durch eine weitere den Ausstrom durchlassende perforierte Platte 28 gehalten. Letztere ist am Ende des Gehäuses 22 angebracht und begrenzt eine Verteilerkammer 29, durch die hindurch ein Rückfluß der Abgasströme über die durchlässige Wand 28 in den Katalysator teil 25 erfolgt. Es ist auch eine Vorkehrung getroffen für die Zuführung von Frischluft durch die öffnung 30, die in die Kammer 29 mündet, so daß die Frischluft gleichmäßig mit dem Abgasstrom in die Zone 25 eintritt. Der vollständig behandelte Abgasstrom verläßt am Austrittsende den Katalysatorteil 25 durch eine durchlässige Abdeckung 31, um in die Auslaßkammer 32 einzutreten und dann durch die Auslaßöffnung 33 auszuströmen.

Diese in Figur 2 dargestellte Ausführungsform mindert den Hitzeverlust in der Reduktionszone, da diese von der oxydierenden Katalysatorzone 25 umgeben ist. Es erfolgt keine Luftzufuhr in den ersten Katalysatorteil. Das Vorhandensein von Luft würde die Entwicklung von Stickstoffoxyden begünstigen und das Fehlen von Luft die Reduktion von Stickstoffoxyden (NO ) erhöhen. Luft wird erst hinter der Reduktionszone

hinzugeführt, um zu gewährleisten, daß genügend Sauerstoff vorhanden ist für die Oxydation von CO und zu unschädlichen Produkten, die anschließend unverbrannten Kohlenwasserstoffen über die Kammer 32 und den Auslaß 33 ins Freie gelangen können.

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Vorzugsweise sind das Gehäuse und die Kontaktzonen von zylindrischer oder ovaler Formgestaltung. Wie aber bereits vorher erwähnt, können das Gehäuse und die Zonen vieleckig geformt sein, wenn es für die Anbringung des Gerätes oder räumliche Zwecke erforderlich ist. Es kann weiterhin, obwohl in der Zeichnung nicht dargestellt, ein geeignet erscheinendes Isolierungsmaterial hinzugefügt werden, als Umhüllung für das den Konvertor aufnehmende Gehäuse. Dadurch läßt sich die Hitze in den Katalysatorkammern festhalten und auch eine Hitzeausstrahlung auf empfindliche oder gefährdete Teile des jeweiligen Fahrzeuges vermeiden.

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Claims

Pa fentansprüch e:

,/Verfahren zur katalytischen Behandlung der Abgase von Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, <k£ dem aus der Maschine austretenden Abgasstrom ohne abzukühlen und Vermischung mit Frischluft in einer ersten Behandiungszone durch katalytische Reduktion Sfickstoffoxyde entzogen werden, worauf eine Beimischung von Frischluft und in einer zweiten Behandlungszone eine kafalytische Oxydation erfolgen, und daß dabei ein indirekter Wärmeaustausch zwischen den Zonen aufrechterhalten wird, um den Wärmeverlust in der ersten Behandlungszone gering zu halten und in der zweiten Behandiungszone vorzugsweise die Oxydation von Kohienmonoxyd und Kohlenwasserstoff zu begünstigen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasstrom durch eine erste im Querschnitt ringförmige Behandiungszone, die einen reduzierenden Katalysator enthält, hindurchgefuhrt und das austretende Gas mit Luft vermischt und anschließend durch eine zweite, die erste Zone umschließende Behandlungszone, die einen Katalysator für Oxydation enthält, hindurchgeführt wird, wobei ein Wärmeaustausch bzw. Wärmeübergang zwischen den beiden Zonen aufrechterhalten wird.
3. Verfahren nach Anspiuch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasstrom durch eine im Querschnitt kreisförmige Behandlungszone Jhnit einem reduzierenden

) Katalysator, die von einer sie umgebenden zweiten Behandlungszone mit einem

Oxydations-Katalysator umschlossen ist, hindurchgeführt,wird, wobei das Gas nach dem Durchgang aurch die erste Zone mit Luft vermischt und der Wärmeaustausch zwischen den beiden Zonen aufrechterhalten wird.
4. Verfahren zur kafalyfischen Behandlung von Abgasen von Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß die kafalytische Umwandlung von Stickstoff oxy den, Kohlenmonoxyden und Kohlenwasserstoff in der in Anspruch 1 bis 3 beschriebenen Weise unmittelbar in dem aus der Maschine austretenden Abgasstrom erfolgt.

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5. Zweistufiger Konverter zur Behandlung der Abgase von Brennkraftmaschinen, gekennzeichnet durch ein längliches, im wesentlichen zylindrisches Gehäuse, welches der Länge nach durch eine im Abstand von der Außenwand verlaufende undurchlässige Trennwand in zwei zentrisch ineinanderiiegende Katalysatorkammern unterteilt ist und eine in einem Ende des Gehäuses untergebrachte, mit einem Lufteinlaß versehene Mischkammer, über die der aus der ersten innenliegenden Katalysatorkammer austretende Gassirom in die zweite außen liegende Katalysatorkammer geleitet wird, wobei die zweite Katalysatorkammer in eine Auslaßkammer mündet, die einen nach außen offenen Austritt fUr die behandelten Abgase aufweist.
6. Konverter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgaszuleitung das Gehäuse der Länge nach zentral durchsetzt und die erste Katalysatorkammer im Querschnitt kreisringförmig ausgebildet und auf der Abgaszuleitung angeordnet und dabei von der zweiten Katalysatorkammer umschlossen ist, wobei die Abgaszuleitung in eine Umkehrkammer einmündet, die von dem Ende der ersten Katalysatorkammer durch eine gasdurchlässige Wand getrennt ist, und daß andererseits beide Katalysatorkammern durch eine weitere durchlässige Wand von der Luftbeimischkammer derart getrennt sind, daß der aus der Abgaszuleitung austretende Gasstrom in der Umkehrkammer umgelenkt und in die erste Katalysatorkammer geleitet und nach deren Durchlauf erneut in der Luftbeimischkammer umgelenkt und durch Sie äußere Katalysatorkammer gefuhrt wird.
7. Konverter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Katalysatorkammer in einem das Gehäuse der Länge nach durchsetzenden sich an den Abgaseinlaß anschließenden Rohr gebildet ist, auf dem zum Zwecke des besseren Wärmeüberganges unmittelbar die zweite Katalysatorkammer angeordnet ist und daß beide ineinanderIlegenden Kammern Über eine luftdurchlässige Wand in eine Luftbeimischkammer münden, während die Austrittskammer am anderen Gehäuseende, den Abgaseintritt umschließend und nur mit der äußeren zweiten Katalysatorkammer in Verbindung stehend, angeordnet ist.

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L e e r s e i t e