DE2119798A1

DE2119798A1 - Verfahren und Vorrichtung, die Menge schädlicher Bestandteile in einem Abgasstrom zu reduzieren

Info

Publication number: DE2119798A1
Application number: DE19712119798
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Lindström, Olle B., Prof., Täby (Schweden)
Priority date: 1970-04-30
Filing date: 1971-04-23
Publication date: 1971-12-02
Also published as: GB1328294A; SE349549B; JPS5124044B1; CA950296A; FR2090966A5

Description

Verfahren und Vorrichtung, die Menge schädlicher Bestandteile in einem Abgasstrom zu reduzieren

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, die Menge schädlicher Bestandteile in dem Abgasstrom zu reduzieren, der von einem Verbrennungsmotor dadurch abgegeben wird, daß der Brennstoff, ehe er im gasförmigen Zustand in die Zylinder des Verbrennungsmotors geleitet wird, durch einen Reformierungsreaktor mit einem darin angeordneten Katalysator bei einer Temperatur von 250 bis 1000° C passieren muß, zu welchem Reformierungsreaktor auch Wasser und evtl. Zusatzluft geleitet wird, wobei im Reformierungsreaktor mindestens ein Teil des Brennstoffs zu Kohlenoxyd und Wasserstoffgas durch Reaktion mit Wasserdampf umgewandelt wird sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Das bekannte Personenauto mit Ottomotor ist zu einem überwiegenden Teil für die Luftverunreinigung in den Industrieländern verantwortlich. Mehrere hundert Komponenten sind in

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den Abgasen des Ottomotors festgestellt worden. Die gefährlichsten in ihrer Wirkung sind im allgemeinen Kohlenoxyd, leichte und schwere unverbrannte Kohlenwasserstoffe, nitrose Gase, Staubpartikel sowie Bleiverbindungen (wenn Benzin mit organischen Bleiverbindungen als Kraftstoff verwendet wird).

Wegen der großen Gesundheitsgefährdung, die diese Luftverunreinigungen durch das Personenauto darstellen, werden k immer strengere 'Bestimmungen in Hinblick auf den zulässigen Ausstoß erlassen. Ein solcher Ausstoß kann als Volumenprozent der Abgase angegeben werden, oder, was nunmehr immer üblicher wird, in Gramm verunreinigte Stoffe pro zurückgelegtem Kilometer bezeichnet werden. Die Anforderungen sind ständig verschärft worden und werden bald so hoch sein, daß konstruktive Eingriffe allein in bezug auf eine besser kontrollierte Kraftstoffzufuhr, Rezirkulation der Abgase, Nachverbrennung der unverbrannten Stoffe in den Abgasen usw. nicht mehr ausreichend sein werden.

Daher wird man zu katalytischen Endmaßnahmen greifen müssen, wobei die Abgase vor allem von ihrem Kohlenoxydgehalt und dem Gehalt an unverbrannten Kohlenwasserstoffen befreit werden. Die nitrosen Abgase sind mit katalytischen Mitteln nur schwer zu verhindern. Dieses versucht man dadurch zu regeln, daß die Temperaturen in den Verbrennungsräumen durch Rezirkulation der Abgase, durch Wassereinspritzung usw. so niedrig wie möglich gehalten werden. Die vorauszusehende Entwicklung zur

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katalytischer! EndmaBnahme führt indirekt zu einer Lösung des ~">leinroblems. Die Katalysatoren, die in-frarc.e kommen können, v/erden durch Blei vergiftet. Die Autohersteller haben daher beschlossen, das Kompressionsverhältnis bei den Automotoren so 3u reduzieren, daß -sis mit 91-Oktan-Benzin ohne Bleizugefahren werden können.

^Tls erscheint ,ledoeh nicht sicher, da£ die oben angedeuteten, dem Fachmann bekannten Maßnahmen, auf lan^e Sicht ausreichend sein werden, um die Verunreinigungen in den Abgasen auf einem annehmbaren Niveau zu halten, und zwar teils in Hinblick auf die Tevölkerunrcszunahme, teils in Hinblick auf den steinenden materiellen Lebensstandard mit der ^ol^.e, da¹³» die Anzahl der Autos, relativ betrachtet, noch ^iehr zuninmt als die Bevölkerung .

hat dnher begonnen über andere Kraftstoffe als Benzin- !"ohlenwassersto-f^e zu diskutieren, wie z.B. Ammoniak, '.iassersto^f^as, '"ethanol oder die Wassersto^fkohlenoxydmischunEc, die man bei dem sogenannten deformieren von Methanol erhalt, d.h. der katalytischen Spaltung von Tiethanol und Wasserdampf. ITischun<ren von Kohlenoxyd und Wasserstoff?,as, die durch Reformieren von Methanol gebildet ""»erden, können nach verhSltnis m'ißir: einfachen Modifikationen als Treibstoff für die herkömmlichen Ottomotoren verwendet werden. Dabei hat sich e;ecrt, daß die Abgase sehr gerinne Mengen Kohlenoxyd und

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Kohlenwasserstoff enthalten.

Daher lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die obengenannten Nachteile zu beseitigen und ein Verfahren zu schaffen, bei dem unterschiedliche Treibstoffe durch Reformieren in Gasmischungen mit einer solchen Zusammensetzung umgewandelt werden, daß die in den Abgasen vorhandenen Gehalte an Kohlenwasserstoffen, Kohlenoxyd und nitrosen Gasen auf sehr niedrige und annehmbare Werte heruntergebracht werden. Ebenso betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Das Verfahren gemäß der Erfindung, die Menge schädlicher Bestandteile in dem Abgasstrom zu reduzieren, der von einem Verbrennungsmotor dadurch abgegeben wird, daß der Brennstoff, ehe er im gasförmigen Zustand in die Zylinder des Verbrennungsmotors geleitet wird, durch einen Reformierungsreaktor mit einem darin angeordneten Katalysator bei einer Temperatur von 250 bis 1000° C passieren muß, zu welchem Reformierungsreaktor auch Wasser und evtl. Zusatzluft geleitet wird, wobei im Reformierungsreaktor mindestens ein Teil des Brennstoffs zu Kohlenoxyd und Wasserstoffgas durch Reaktion mit Wasserdampf umgewandelt wird, zeichnet sich dadurch aus, dal?· zwischen 5 % und 50 % des Abgasstromes vom Verbrennungsmotor in den Reformierungsreaktor geleitet und dort mit dem zum Reformierungsreaktor eingeführten Brennstoff vermischt wird.

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Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens besteht erfindungsgemäß aus einem an den Treibstofftank und Verbrennungsmotor angeschlossenen Reformierungsreaktor mit einem für die Umwandlung des Brennstoffs zu Wasserstoffes und Kohlenoxyd wirkenden Katalysator, wofür der Reformierungs-, reaktor mit einer Erwärmungsvorrichtung versehen ist, derart, daß der Reformierungsreaktor bei Betrieb bei einer Temperatur im Bereich von 250 bis 1000° C haltbar ist, sowie -ggf. Vorrichtungen für einen Wärmeaustausch zwischen den vorkommenden gasförmigen Medien und zeichnet sich dadurch aus, daß eine Leitung mit einem Ventil zur Ableitung eines Teils des Abgases vom Motor zum Reformierungsreaktor angebracht ist.

Der Wasserge hit im Abgas wird für den Energiebedarf des Reformierungsreaktors genutzt. Eine gewisse Verbrennung von Treibstoffen und/oder Reaktionsprodukten kann auch im Reaktor erfolgen, wobei im Bedarfsfall gleichzeitig Luft in den Reformierungsreaktor geleitet wird. Diese Verbrennung von Treibstoffen und Reformierungsprodukten wird so angepaßt, daß die Reformierungsreaktion isotherm verläuft, und zwar bei geeigneter Temperatur, welche nach Katalysatortyp und Treibstoff zwischen 200 bis 300° C für Methanol, bis zu ca. 1000° C für Kohlenwasserstoffe und darüber variiert. Der Reaktor kann auch durch Zufuhr von Verbrennungsgasen von einem besonderen Brenner oder dadurch erwärmt werden, daß der Reaktor in einem umgebenden Verbrennungsraum angebracht wird. Die zusätzliche

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Wärmezufuhr kann auch auf andere Weise erfolgen, z.B. mit Hilfe von im Katalysatorraum des Reaktors angebrachten Verbrennungsrohren durch elektrische Wärmeelemente oder auf andere Weise.

D.ie prinzipielle Form eines Verbrennungssystems gemäß der Erfindung ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Die ^ip-ur zeigt schematisch den Reformierungsreaktor 1, zu welchem Treibstoff über die Leitung 2 mit der Dosierungsvorrichtung aus dem Treibstofftank 4 geleitet wird. Der Abgasstrom aus dem Verbrennungsmotor 5 geht über die Leitung 6 und verteilt sich dann auf zwei Leitungen 7 und 8. Der Strom in der Leitung 7 wird über die Reguliervorrichtung 9, die eine Klappe, ein Ventil o.a. sein kann, zum Reformierungsreaktor geleitet.

Der zweite Abgasstrom geht über die Leitung R, die die Wärmeumschalter 10 und 11 sowie den Geräuschdämpfer 19 enthält, ins Freie. Der Wärmeumsehalter 10 wärmt die Ansaugluft vor, die zum Verbrennungsmotor in die Leitung 2 führt. Eventuelle Zusatzluft für den Verbrennungsmotor in der Leitung 13 mit der Reguliervorrichtung l4 wird im Wärmeumschalter 11 vorgewärmt. (Weitere Wärme-Rückgewinnung kann beispielsweise aus dem Brennstoffgas erfolgen, das vom Reformierungsreaktor zum Verbrennungsmotor geleitet wird).

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Zusatzwasser für den Reformierungsreaktor wird vom Wassertank 15 über die Leitung 16 mit der Reguliervorrichtung 17 zum Reformierungsreaktor geführt. Vom Reformierungsreaktor absehendes Brennstoffgas, welches Reaktionsprodukte sowie evtl. unreagierten Treibstoff enthält, wird zum Verbrennungsmotor 5, nach evtl. erforderlicher Abkühlung, über die Leitung 18 creführt. Die Mettoproduktion an Reaktionsprodukten und nicht reagierten Komponenten, beispielsweise Stickstoff, geht durch den Schalldämpfer 19 ins ^reie.

Die konstruktive Form sowie die Dimensionierung des Systems nach dem Prinzip, welches schematisch in Fig. 1 dargestellt ist, hängt natürlich in hohem Grad von Typ und Größe des Verbrennungsmotors, Art des Treibstoffes sowie der zulässigen Emission ab.

Die in der ^igur angedeuteten Reguliervorrichtungen 3> 9, I^ und 17, die die Verfahrensstrome zum Reformierungsreaktor steuern, können zweckmä.eigerweise elektrisch mit Steuerimpulsen von einem elektronischen Kontrollorgan betrieben werden, welches die Ströme sowohl im Hinblick auf den Verbrennungsmotor als auch den Bedarf des Reformierungsreaktors und die Reaktionsbedingungen anpaßt.

Der Reformierungsreaktor wird nach bekannter Technik und aus bekanntem Konstruktionsmaterial hergestellt (die heutige Technik auf diesen Gebiet ist z.B. behandelt in Kirk-Otlyner

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Encyklopedia of Chem. Techn. Second Ed.,Vol. 10, S. 426, vgl. auch die angeführte schwedische Patentschrift Nr. 324 629). Zweckmäßigerweise wird er wärmeisoliert hergestellt, wobei als Isolierung z.B. Vielschichtenisolierung verwendet werden kann. Als Katalysator wird bekanntes Katalysatormaterial aus der Petrochemie verwendet, z.B. Edelmetalle und Übergangsmetalle auf keramischen Trägern, Oxydkatalysatoren usw. Die Katalysatorbelastung kann evtl. auch mit Katalysatoren komplettiert werden, die bei Konvertierung von Kohlenoxyd mit Wasserdampf zu Kohlendioxyd und Wasserstoffgas wirksam sind, wodurch der Gehalt des Brennstoffgases an Wasserstoffgas auf Kosten des Kohlenoxydgehalts erhöht wird.

Wie oben erwähnt, besteht in der Wahl der Verfahrensbedingungen große Freiheit. Es ist jedoch zweckmäßig, zum Heformierungsreaktor einen Abgasstrom zu führen, der zwischen J) 5 % und 50 % des Abp-.asstromes vom Verbrennungsmotor beträft, was in vielerlei Zusammenhang einen akzeptablen Koirroromiß zwischen den verschiedenen Wünschen bezüglich Brennstoffwirtschaftlichkeit, Emissionen usw., die berücksichtigt werden sollen, ermöglicht. Ein oft besonders zweckmäßiges Stromverhältnis liegt bei 10 - 25 %. Wenn eine bestimmte Emission toleriert werden kann, kann man den Umsetzungs^rad im Reaktor bei voller Leistungsentnahme bei verhältnis^'^i"; niedrigen Vierten bis herunter zu ca. 10 % halten. In solchen fä ist es auch bisweilen mö°-lich, die Extra zufuhr von

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zum Reformierungsreaktor ganz wegzulassen, was ein einfacheres Verfahren ergibt. Dieses führt zu einer beträchtlichen Verminderung des Volumens des Reformierungsreaktors.

Ein erhöhter Rückfluß von Abgas zum Reformierungsreaktor hat deutlich zur Folge, daß der Gehalt an inerten Gasen im Verbrennungsmotorraum bei einer niedrigeren Verbrennungstemperatur ansteigt und oft einen niedrigeren Wirkungsgrad zur Folge hat. Die Anforderung an den Umsetzungsgrad im Reformierungsreaktor und die gewünschten Werte des rückgeführten Abgasstromes bestimmen, wie oben erwähnt, den Extrabedarf an Wasser, der erforderlich ist.

Ein großer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das System mit vielen verschiedenen Arten von Treibstoff und . Mischungen davon, Methanol, Äthylalkohol, verschiedene Petroleumfraktionen usw. arbeiten kann. Dem Gas, welches dem Verbrennungsmotor zugeführt wird, kann im allgemeinen, unabhängig von der Zusammensetzung des Treibstoffes, eine einigermaßen konstante Zusammensetzung gegeben werden, und enthält sehr oft beträchtliche Mengen Wasserstoffgas.

Ein besonderer Vorteil des Systems, der nicht sofort erkannt wird, ist der, daß es einen sehr hohen Grad an Betriebswirtschaftlichkeit aufweist, und im Vergleich zu anderen Verfahren zur Reduktion von Emissionen mit den Abgasen eine große Lebensdauer hat.

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Auch kann man feststellen, daß das bekannte System mit dem katalytischem Reaktor hinter dem Verbrennungsmotor in der Reaktionskette ein Abgas annehmen muß, welches eine woRe Anzahl von Verbindungen enthält, die sich bei den komplizierten Verbrennungsprozessen im Verbrennungsmotor gebildet haben. Dieses führt u.a. zu einer- gewissen Produktion von Teer und anderen Produkten,, was den Betrieb des Katalysators auch bei NichtVorhandensein von Bleizusatz zum Benzin verschlechtert.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung sind die Abgase, die den Verbrennungsmotor sehr rein verlassen (was unter anderem auch eine längere Lebensdauer des Verbrennungsmotors zur Wolge hat) so, daß die Reaktion im Reformierungsreaktor unter gut kontrollierten und reinen Bedingungen erfolgt und das Aufkommen von reaktionshemmenden Belägen auf ein Minimum herabgesetzt wird. Es scheint sich auch so zu verhalten, daß das Brennstoffgas₉ das zum Verbrennungsmotor geht, reaktiver ist als nichtbehandelte Treibstoffe (vielleicht als Folge eines Restes reaktiver intermediärer Produkte). In gleicher Weise scheint es, daß die Reformierungsreaktion von reaktiven Produkten im Abgas des Verbrennungsmotors beschleunigt wird.

Ein Problem, verglichen mit dem bekannten System, ist der Start. Man kann beim Start vorübergehend den Reformierungsreaktor umsteuern und den Treibstoff auf konventionelle Weise direkt in den Verbrennungsmotor gehen lassen, solange, bis

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der Reformierungsreaktor Betriebstemperatur angenommen hat. dieses kann dadurch beschleunigt werden, daß eine gewisse Verbrennung von Treibstoff mit extra zügeführter Luft im Reformierungsreaktor bewirkt wird. (Eine solche Verbrennung kann auch für die Regenerierung des Katalysators im Reformierungsreaktor und zum ^T*Jegbrennen von Ruß angewendet werden, so wie es in petrochemischen Verfahren erfolgt.) Auf diese Weise kann beim Start die Emission des Systems etwas höher als normal liegen_s aber dieses ist ,ja auch bei einem katalytischen Abgasreaktor der "Fall, der Ja nicht wirksam wird, ehe er Betriebstemperatur angenommen hat.

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Claims

- 12 Patentansprüche

( 1.) Verfahren, die Menge schädlicher Bestandteile in dem Abgasstrom zu reduzieren, der von einem Verbrennungsmotor dadurch abgegeben wird, daß der Brennstoff, ehe er im gasförmigen Zustand in die Zylinder des Verbrennungsmotors geleitet wird, durch einen Reformierungsreaktor mit einem darin angeordneten Katalysator bei einer Temperatur von 250 bis 1000° C passieren muß, zu welchem Reformierungsreaktor auch Wasser und evtl. Zusatzluft geleitet wird, wobei im Reformierungsreaktor mindestens ein Teil des Brennstoffs zu Kohlenoxyd und Wasserstoffgas durch Reaktion mit Wasserdampf umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daft zwischen 5 % und 50 % des Abpcasstrome's vom Verbrennungsmotor in den Reformierungsreaktor geleitet und dort mit dem zum Reformierungsreaktor eingeführten Brennstoff vermischt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, der zum Reformierungsreaktor geführte Abgasstrom zwischen 10 % und 25 % des Abgasstroms des Verbrennungsmotors betrat,
3. Verfahren nach lnspruch 1, dadurch gekennzeichnet, cia^ die Menge des Brennstoffs, die zu Xohlenoxyd und Wa gas umgewandelt wird, 10 % der '"!enge des Brennstoffs Mher steigt, die zum Reformierungsreaktor geführt wird.

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4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von einem besonderen Wassertank dem Reformierungsreaktor Wasser zugeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff aus einer Petioleumfraktion besteht.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, bestehend aus einem an den Treibstofftank und Verbrennungsmotor angeschlossenen Reformierungsreaktor mit einem für die Umwandlung des Brennstoffs zu Wasserstoffgas und Kohlenoxyd wirkenden Katalysator, wofür der Reformierungsreaktor mit einer Erwärmungsvorrichtung versehen ist, derart, daß der Reformierungsreaktor bei Betrieb bei einer Temperatur im Bereich von 250 bis 1000° C haltbar ist, sowie ggf. Vorrichtungen für einen Wärmeaustausch zwischen den vorkommenden gasförmigen Medien, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leitung mit einem Ventil zur Ableitung eines Teils des Abgases vom Motor zum Reformierungsreaktor angebracht ist.

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