DE2307819A1

DE2307819A1 - Katalytischer nachbrenner fuer verbrennungskraftmaschinen

Info

Publication number: DE2307819A1
Application number: DE19732307819
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dr Henkel; Christian Dipl-Ing Koch; De Bucs Eugen Dr Ing Szabo
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-02-16
Filing date: 1973-02-16
Publication date: 1974-08-22

Description

Katalytischer Nachbrenner für Verbrennungskraftmaschinen Die vorliegende Erfindung betrifft einen katalytischen Nachbrenner für Verbrennungskraftmaschinen.
Die Umwandlung von Kohlenwasserstoffen in Gasgemische, die Kohlenmonoxid, Methan und/oder Wasserstoff enthalten und zum schadstoffarmen Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen geeignet sind, ist beispielsweise in der Patentanmeldung P 22 32 506D vorges#sger# Bei diesem Verfahren wird der Brennstoff unter Zusatz von zur rußfreien Umwandlung erforderlichem sauerstoffhaltigem Gas bei erhöhter Temperatur über einen Katalysator geleitet und das #dieser Umwandlung erhaltene Gasgemisch unter Beimengung von Frischluft der Verbrennungskraftmaschine zugeführt und port verbrannt. Als Brennstoffe dienen dabei beispielsweisM einfache Destillatbenzine niederer Octanzahl. Als Katalysator für die Umwandlung des Brennstoffes wird Nickel, Platin oder ein Nickel/Platin-Gemisch verwendet. Der Katalysator ist dabei im allgemeinen auf einem als Sinterlochstein ausgeführten Katalysatorträger aufgebracht.
Eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens wird Spaltgasgenerator genannt. Das dabei hergestellte Gasgemisch, das Kohlenmonoxid, Methan und Wasserstoff enthalten kann, verbrennt in einer Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise einem Otto motor eines Kraftfahrzeuges, schneller und vollständiger als höhere Kohlenwasserstoffe. Die Schadstoffemission im Abgas kann dadurch beträchtlich gesenkt werden.
Der zur Umwandlung der höheren Kohlenwasserstoffe erforderliche Sauerstoff gelangt in Form von Luft zur Anwendung. Die Luft kann aber auch zumindest zum Teil durch die Abgase der Verbrennungskraftmasclme ersetzt werden, die Sauerstoff insbesondere in Form von Kohlendioxid (C02) und Wasserdampf (H20) enthalten. Die Zusammensetzung des bei der Umwandlung der höheren Kohlenwasserstoffe erhaltenen Gasgemisches kann mit der Katalysatortemperatur verändert werden. Unter höheren Kohlenwasserstoffen werden Kohlenwasserstoffe mit zwei und mehr Kohlenstoffatomen verstanden, insbesonders Kohlenwasserstoffe mit einer Kohlenstoffzahl größer 4.
Beim Betrieb von Spaltgasgeneratoren können Betriebszustände auftreten, beispielsweise bei Leistungserhöhung durch Volllastbetrieb oder Temperaturerniedrigung, bei denen bei einer Größe des Spaltvergasers, die für normale Betriebszustände eine gute und im Sinne der Verfahrensführung praktisch vollständige Umsetzung der Ausgangskomponenten gewährleistet, größere Mengen von nicht umgesetztem Ausgangsbrennstoff aus dem Reaktionsraum des Spaltvergasers austreten. Des weiteren ist es insbesondere bei Vollastbetrieb möglich, daß infolge unvollständiger Verbrennung der Spaltgase innehalb des Verbrennungsraumes der Verbrennungskraftmaschine in den Abgasen erheblich größere Mengen an Kohlenwasserstoffen, CO und NO auftreten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die in den Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen noch vorhandenen Schadstoffe, wie Kohlenwasserstoffe, CO und NO, mittels eines katalytischen Nachbrenners restlos zu beseitigen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß der Nachbrenner aus mindestens zwei Vermischungsräumen und mindestens zwei Reaktionsräumen, in denen mit Katalysatoren versehene Sinterlochsteine zur mehrstufigen Oxidation der unverbrannten Schadstoffe angeordnet sind, besteht, und daß er Mittel zur wahlweisen Zuführung von Frischluft zu sämtlichen Vermischungsräumen aufweist.
Vorzugsweise sind in den Vermischungsräumen mit Öffnungen versehene Rohre sowie Gasleitflächen angeordnet.
Die Katalysatoren können aus Co, La, Ni und/oder U bestehen.
Der Nachbrenner weist vorteilhafterweise einen Verteilungsraum auf, der dem in Strömungsrichtung gesehen ersten Reaktionsraum vorgeschaltet ist und mit Gasleitflächen derart versehen ist, daß der erste Reaktionsraum gleichmäßig mit den eintretenden Abgasen beaufschlagt wird.
Besonders günstig ist es, wenn zwischen dem Verteilungsraum und dem ersten Vermischungsraum ein weiterer Reaktionsraum angeordnet ist, in dem Stickoxide umgesetzt werden.
Der Nachbrenner kann weiterhin Mittel zur Vorwärmung der zugeführten Frischluft aufweisen.
Im folgenden soll die Erfindung anhand einer Figur näher erläutert werden, die schematisch einen erfindungsgemäßen Nachbrenner zeigt.
In der Figur ist mit 1 der als Spaltgasgenerator ausgebildete Nachbrenner bezeichnet, in dem drei Reaktionsräume 2, 3, 4 angeordnet sind. Die Reaktionsräume 2, 3 und 4 weisen jeweils einen mit Katalysatormaterial versehenen Katalysatorträger auf, vorzugsweise in Form von porösen Sintersteinen. Die Sintersteine sind vorteilhaft mit einer Vielzahl von annähernd parallel zueinander angeordneten Durchtrittskanälen für die Gase versehen. Sie können aus hochporösem Material, wie beispielsweise Aluminiumoxid und/oder Magnesiumoxid bzw. aus Magnesium-Aluminium-Silicat bestehen.
Der in Strömungsrichtung gesehen erste Katalysatorträger 2 enthält vorzugsweise einen Katalysator, der die Reduktion der Stickoxide, beispielsweise zu NH3, N2 und 02 durchführt. Dazu eignen sich beispielsweise Nickeloxid, Ceroxid, Natriumwolframat sowie Edelmetall- und Schwermetalloxide, wie Kupfer-Aluminium-Oxid. Die in Strömungsrichtung danach angeordneten Katalysatorträger 3 und 4 enthalten vorzugsweise jeweils einen Katalysator für die Umsetzung der Kohlenwasserstoffe und des CO. Geeignet dafür sind beispielsweise die Oxide der Metalle Lanthan, Kobalt, Nickel und Uran, wie sie in der Patentanmeldung P 22 10 365.7 (VPA 72/7514) näher beschrieben sind. Mit 15 ist ein Verteilungsraum für die eintretenden Abgase bezeichnet, der vorteilhafterweise so mit Leitblechen 16 versehen ist, daß eine gleichmäßige Beaufschlagung des Katalysators erreicht wird.
Die von der Verbrennungskraftmaschine stammenden heißen Abgase treten bei 5 in den Nachbrenner ein, durchsetzen die mit den Katalysatoren versehenen Sinterlochsteine 2, 3, 4 sowie die zwischen ihnen angeordneten Vermischungsräume 10 und 11 und treten bei 6 aus dem Nachbrenner wieder aus. Die Vermischungsräume 10 und 11 weisen mit Austrittsöffnungen 8 versehene Rohre 7 auf. Die Rohre 7 sind parallel zueinander angeordnet und dienen zur Zuführung eines als Sauerstoffträger dienenden Gases zu den Vermischungsräumen 10 und 11.
Zur Zuführung dieses Gases sind die Rohre der beiden Vermischungsräume mit den Rohrleitungen 13 und 14 sowie einer regelbaren Absperrvorrichtung 12 verbunden. Die Austrittsöffnungen 8 verteilen das als Sauerstoffträger dienende Gas, z.B. Luft, über den gesamten Strömungsquerschnitt des die Vermischungsräume durchströmenden Abgas-Luft-Gemisches. Im Anschluß an die Austrittsöffnungen 8 sind an den Rohren Gasleitflächen 9 angeordnet, die sich jeweils bis in die Nähe der nachfolgenden Sinterlochsteine 3 und 4 erstrecken. Die Gasleitflächen 9 sind von der Rohrwandung der Rohre 7 gebildet und als ebene Flächen ausgestaltet; sie erweitern den durch die Rohre 7 verengten freien Strömungsquerschnitt in den Vermischungsräumen stetig. Durch die Rohre 7 samt den Austrittsöffnungen 8 und die Gasleitflächen 9 wird eine gleichmäßige Vermischung des den Sinterlochsteinen 3 und 4 zuzuführende? Abgas-Luf t-Gemi sches erreicht und darüber hinaus eine laminare Strömung mit geringen Turbulenzen geschaffen. Die Vorrichtung 12, die die Luftzufuhr zu den Vermischungsräumen 10 oder 11 zu- oder abschaltet, kann von der Verbrennungskraftmaschine derart geregelt werden, daß sie nur dann die Luftzufuhr einschaltet, wenn ein erhöhter Schadstoffgehalt in den Abgasen auftritt, wie dies z.B. bei Vollastbetrieb der Fall sein kann.
Ein Vorteil der mehrstufigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Nachbrenners für Verbrennungskraftmaschinen liegt darin, daß die Luft in mehreren Stufen dosiert zugeführt werden kann. Dadurch wird erreicht, daß die Umsetzung der restlichen Schadstoffe mit dem Oxidatinnsmittel in mehreren aufeinanderfolgenden Schritten erfolgt, wodurch eine Uberhitzung des vorderen Teiles des Nachbrenners vermieden und gleichzeitig eine gleichmäßige Temperaturverteilung über das gesamte Katalysatorbett erreicht wird.
Der erfindungsgemäße Nachbrenner eignet sich nicht nur für Verbrennungskraftmaschinen, die mit einem Spaltgasgenerator betrieben werden, sondern auch für Verbrennungskraftmaschinen, die mit konventionellen Vergasern ausgerüstet sind.
In beiden Fällen treten die heißen Abgase der Verbrennungskraftmaschine kontinuierlich durch den Nachbrenner hindurch.
Handelt es sich um eine mit dem Spaltgasgenerator versehene Verbrennungskraftmaschine, so sorgt die Luftreguliereinrichtung 12 dafür, daß der Nachbrenner nur dann eingeschaltet wird, d.h. daß nur dann Luft zu den Vermischungskammern 10 und 11 beigemischt wird, wenn ein erhöhter-Schadstoffgehalt in den Abgasen auftritt. Handelt es sich dagegen um eine ohne Spaltgasgenerator betriebene Verbrennungskraftmaschine, so ist eine Luftreguliereinrichtung 12 nicht erforderlich, -da in diesem Fall der Nachbrenner kontinuierlich eingeschaltet ist und demzufolge den Vermischungskammern 10 und 11 kontinuierlich Luft zugeführt wird.
6 Patentansprüche 1 Figur

Claims

Patentansprüche 1. Katalytischer Nachbrenner für Verbrennungskraftmaschinen, durch gekennzeichnet, daß er aus mindestens zwei Vermischungsräumen und mindestens zwei Reaktionsräumen, in denen mit Katalysatoren versehene Sinterlochsteine zur mehrstufigen Oxidation der unverbrannten Schadstoffe angeordnet sind, besteht, und daß er Mittel zur wahlweisen Zuführung von Frischluft zu sämtlichen Vermischungsräumen aufweist.
2. Nachbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Vermischungsräumen mit Öffnungen versehene Rohre sowie Gasleitflächen angeordnet sind.
3. Nachbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatoren aus Co, La, Ni und/oder U bestehen.
4. Nachbrenner nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Verteilungsraum aufweist, der dem in Strömungsrichtung gesehen ersten Reaktionsraum vorgeschaltet ist und mit Gasleitflächen derart versehen ist, daß der erste Reaktionsraum gleichmäßig mit den eintretenden Abgasen beaufschlagt wird.
5. Nachbrenner nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Verteilungsraum und ersten Vermischungsraum ein weiterer Reaktionsraum angeordnet ist, in dem Stickoxide umgesetzt werden.
6. Nachbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er Mittel zur Vorwärmung der zugeführten Frischluft aufweist.

L e e r s e i t e