DE2755317C3 - Verfahren zur Reinigung der von Dieselverbrennungsmotoren abgegebenen Auspuffgase - Google Patents
Verfahren zur Reinigung der von Dieselverbrennungsmotoren abgegebenen AuspuffgaseInfo
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Description
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur 2»
Reinigung der von den Dieselverbrennungsmotoren abgegebenen Auspuffgase durch Hindurchleiten durch
eine regellose Anordnung von Metalldrähten, die mit aus einer Alkaliluminatlösung abgeschiedenem und
kalziniertem Aluminiumoxid überzogen sind. η
Es ist bekannt, daß es zwischen den von den Benzinmotoren und den Dieselmotoren abgegebenen
Auspuffgasen erhebliche Unterschiede der Art und Zusammensetzung gibt.
Im ersten Fall findet man außer dem Stickstoff jo Kohlendioxid und Wasserdampf, die von der Verbrennung
der Kohlenwasserstoffe stammen, Kohlenoxid (4 bis 6°/u), Stickstoffoxide (500 bis 2000 ppm), unverbrannte
Kohlenwasserstoffe (500 bis 2000 ppm), oxydierte Schwefelderivate und Blei, wobei dieses letztere aus π
dem als Klopffestzusatz zugesetzten Bleitetraäthyl stammt.
Im zweiten Fall findet man in den Auspuffgasen außer
dem Stickstoff Kohlendioxid und Wasserdampf, die ebenfalls von der Verbrennung der Kohlenwasserstoffe w
stammen, einen sehr geringen Anteil an Kohlenmonoxid (500 bis 800 ppm, d. h. fast hundertmal weniger als im
ersten Fall), Stickstoffoxide (500 bis 2000 ppm), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (100 bis 500 ppm), Sauerstoff
(7 bis 15%) aufgrund der Talsache, daß man in die c>
Verbrennungskammern stets einen großen Luftüberschuß einführt, und sehr feine Rußleilchen in einer
Menge von etwa 40 bis 70 mg je Liter des in den Motor eingespritzten Brennstoffes, die für die charakteristische
Farbe und die Undurchsichtigkeit der vom Auspuff v> abgegebenen Rauchgase verantwortlich sind.
Die Auspuffgase von Dieselmotoren stellen für die Umgebung ein schweren Übel aufgrund der erheblichen
und rasch ansteigenden Zahl von mit Dieselmotoren ausgerüsteten Fahrzeugen (Waren- und Fahrgasltransport)
und der häufigen Verwendung von in geschlossenen Gebäuden oder unterirdischen Kanälen eingesctz-(en,
von Dieselmotoren angetriebenen Luftkompressoren oder Stromerzeugeraggregaten dar.
Und es machen, obwohl wegen ihres geringen wi
Kohlcnmonoxidgchaltcs und der Abwesenheit von Blei ihre Gifligkeil verhältnismäßig gering ist, ihr unangenehmer
Geruch aufgrund insbesondere von Aldehyden, die Anwesenheit von aromatischen polyzyklischen
Derivaten, von denen einige vermutlich ciincerogen μ
sind, und die Anwesenheit von kohlehaltigen Teilchen, die die Atmosphäre, wenn das Entweichen der Gase in
einem begrenzten Raum erfolgt, schnell undurchsichtig
machen, Vorrichtungen zur Reinigung dieser Auspuffgaseunerläßlich.
Die Anmelderin hat festgestellt, daß es unter bestimmten Bedingungen möglich ist, die Eigenschaften
von auf einem metallischen Substrat abgeschiedenem Aluminiumoxid mit einer großen Oberfläche auszunutzen,
um die Auspuffgase von Dieselmotoren zu reinigen, indem der größte Teil der unverbrannten Kohlenwasserstoffe
und der kohlenstoffhaltigen Teilchen entfernt wird, die die beiden störenden Bestandteile sind.
Es ist bekannt, daß die wäßrigen Alkalialuminatlösungen sich unter bestimmten Bedingungen zu Aluminiumoxid,
das in Form von Trihydrat, AI2O3 - 3HjO, ausfällt,
und zu Alkalihydroxid entweder spontan oder durch Zusatz von Keimkristallen zersetzen, die als Auslöser
für die Zersetzungsreaktion dienen. Diese Reaktionen werden beispielsweise im Bayer-Verfahren verwirklicht,
das, ausgehend von Bauxit, das Erhalten von reinem, zur
Erzeugung von Aluminium durch Schmelzflußelektrolyse bestimmtem Aluminiumoxid ermöglicht
Es ist ebenfalls bekannt, daß bestimmte physikalische
Formen von Aluminiumoxid katalytische und adsorbierende Eigenschaften aufweisen, die bei zahlreichen
industriellen Verfahrensgängen ausgenutzt werden.
In neuerer Zeit wurde im Verlauf von die Verringerung des Verunreinigungsgrades durch die Auspuffgase
der Verbrennungsmotoren anstrebenden Arbeiten gefunden, daß bestimmte Aluminiumoxidformen nicht nur
eine Rolle als Katalysator spielen, sondern auch den größten Teil des in Form von flüchtigen Verbindungen
in den Auspuffgasen mitgerissenen Bleis adsorbieren können, das von der Zersetzung der Derivate von dem
Brennstoff zur Verbesserung seiner Oktanzahl, d.h. seiner Klopffestigkeit zugesetzten Bleitetraalkylen in
den Verbrennungskammern des Motors stammt.
Es wurde gefunden, wie die US-PS 32 27 659, 32 31520, 34 95 950 und 33 62 783 zeigen, daß die
katalytischcn und adsorbierenden Eigenschaften des Aluminiumoxids besonders wirkungsvoll sind, wenn es
auf einem metallischen, aus einem Gewirr, also einer regellosen Anordnung von feinen Drähten gebildeten
Substrat, wie z. B. der »Metallwolle« oder dem »Metallstroh« abgeschieden ist, wobei das Gefüge
dieses Gewirrs derart ist, daß es dem Durchstrom der Auspuffgase nur einen geringen Widerstand entgegensetzt
und die Motorleistung nur unbedeutend verringert.
In der DE-OS 26 56 478 hat die Anmeldcrin eine
Verbesserung der Verfahren zum Abscheiden von Aluminiumoxid auf einem metallischen Substrat vorgeschlagen,
das das kontinuierliche Erhalten von sehr gut haftenden Aluminiumoxidabscheidungen mit ausgezeichneten
adsorbierenden Eigenschaften bei gleichzeitiger Regenerierung der Aluminatflüssigkeit ermöglicht.
Jedoch stellt man, wenn man versucht, diese Abscheidungen zum Reinigen der Auspuffgase der
Dieselmotoren zu verwenden, fest, daß der Wirkungsgrad der Reinigung sehr niedrig liegt und insbesondere
der unangenehme Geruch und die Undurchsichtigkcil der Rauchgase zum großen Teil erhalten bleiben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren derart zu verbessern, daß
der Reinigungswirkungsgrad erheblich gesteigert wird und insbesondere der unangenehme Geruch und die
Undurchsichtigkeil der Aiispuffpase weitcstgchcnd
beseitigt werden.
Es wurde nun gefunden, daß es möglich ist, die von den Dieselmotoren abgegebenen Auspuffgase wirksam
zu reinigen, wenn das auf der regellosen Anordnung von
Metalldrähten abgeschiedene Aluminiumoxid eine spezifische
Oberfläche von wenigstens 120 m2/g (nach der
klassischen B.E-T.-Methode der Absorption von Stickstoff bei niedriger Temperatur nach der französischen
Norm AFNOR χ 11.621 gemessen) aufweist, seine Temperatur wenigstens 250°C ist und die Kontaktdauer
zwischen den Abgasen und dem Aluminiumoxid wenigstens 0,3 s beträgt
Die genannte Aufgabe wird daher erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für die spezifische Oberfläche des I()
Aluminiumoxidüberzugs wenigstens 120 m2/g, für die
Temperatur der Anordnung wenigstens 2500C und für die Kontaktdauer zwischen Abgas und Aluminiumoxidüberzug
wenigstens 03 s eingehalten werden.
Ein die Metalldrähte aufnehmender Metallbehälter ,5
kann wärmeisoliert verwendet werden, um die Temperatur der Anordnung im Betrieb auf wenigstens 250°C
zu halten.
Wenn die genannten Bedingungen eingehalten werden, steiit man fest, daß einerseits die unverbrannten >o
Kohlenwasserstoffe, die mit dem stets in den Auspuffgasen vorhandenen Luflüberschuß gemischt sind, eine fast
völlige und in allen Fällen ausreichende Nachverbrennung durchmachen, um jeden wahrnehmbaren Geruch
zu unterdrücken, und daß andererseits die für die >-,
Undurchsichtigkeit der Rauchgase verantwortlichen Kohlenstoffteilchen in einem Anteil von wenigstens
70% und häufig bis zu 80% zurückgehalten werden.
Es erscheint, daß diese Nachverbrennung in völlig überraschender Wei-e in der Abwesenheit jedes jo
metallischen Katalysatorelements ablä"ft, während es
bei den bekannten Verfahren, insbesondere denen nach den FR-PS 10 47 802 und 14 00 504 sovip den US-PS
32 31 520 und 34 95 950 nötig war, in das Aluminiumoxid metallische Katalysatorelemente, wie z. B. Kupfer, ^,
Vanadin, Chrom, Mangan, Platin oder Palladium einzuführen, die allmählich ihre Wirksamkeit durch die
»Vergiftung« genannte Erscheinung verloren, was die Betriebslebensdauer in wirtschaftlich unannehmbarer
Weise begrenzte.
Die Temperatur von wenigstens 2500C, die zur
Erzielung der Nachverbrennung der unverbrannten Kohlenwasserstoffe erforderlich ist, erhält man nach
Ingangsetzung des Motors ohne Schwierigkeit, da die Temperatur der Auspuffgase normalerweise über 4·-,
5000C ist, was den Auspufftopf auf eine Temperatur bringt, die etwa 3800C erreichen kann, wenn der Motor
mil voller Leistung arbeitet.
Falls die Umgebungsbedingungen eine empfindliche Abkühlung der Reinigungsvorrichtung herbeiführen V)
könnten, ist es möglich, eine Wärmeisolation mit jedem bekannten Mittel vorzusehen.
Die spezifische Oberfläche des Aluininiumoxids, die
wenigstens 120 m2/g sein muß, wird in bekannter Weise
durch eine geeignete Wahl der Bedingungen der ■-,·-, Trocknung und der Kalzinierung des Trihyclrats,
AI2OJ · 3H2O erhalten, das sich auf einem metallischen
Substrat aus der Alkalialuminallösung abscheidet.
Ein fortlaufender Temperaturanstieg von der Umgebungstemperatur auf 530-550"C ermöglicht das hn
Erhalten einer solchen spezifischen Oberfläche.
Es ist ebenfalls wesentlich, daß clic Kontaktdauer /wischen den Auspuffgasen und der Reinigungsvorrichtung
ausreichend und in allen Fällen wenigstens OJ s ist. damit der doppelte Prozeß des Zurückhaltcns der h".
Kohlenslofftcilchen und der Nachverbrennung der unverbrannlen Kohlenwasserstoffe vollständig ablaufen
kann. In der Praxis erreicht man diese Dauer, indem man der Reinigungsvorrichtung eir Volumen in bestimmten
Verhältnis zum Volumen der je Sekunde abgegebenen Auspuffgase gibt.
Man stellte eine Vorrichtung zur Reinigung der ν .in
einem Dieselmotor mit 6 Zylindern einer Leistung von 149 kW (etwa 202 PS) abgegebenen Auspuffgase, der
auf einer festen Versuchsbank montiert war, her, die aus einem Zylinder von 350 mm Durchmesser und 880 mm
Länge bestand, in den man 8500 g Wolle von nichioxydierendem ferritischen Stahl mit 17% Chrom
einführte, die aus Elementardrähtchen mit im wesentlichen
rechteckigem Querschnitt von 0,1 χ 0,4 mm bestand, auf denen man aus einer Alkalialuminatlösiing
in bekannter Weise 17 000 g Aluminiumoxid abschied, das nach Kalzinierung eine spezifische Oberfläche
gemäß B.E.T. von etwa 140m2/g aufwies. Dieser
Zylinder wurde an seinen beiden Enden durch zwei Elemente aus ausgebreitetem Metall mit weiten
Maschen geschlossen, die nur den Zweck hatten, die Metallwolle festzuhalten, und in den Auspuffkreis des
Dieselmotors eingeschaltet
Verschiedene Versuche wurden entsprechend unterschiedlichen Motorlasten bei Leistungen von 42, 79 und
149 kW durchgeführt. Der Verbrauch des Motors war in
der Größenordnung von 270 g Treibstoff je kW und je h. Im Maximalbereich von 149 kW war der Durchsatz der
Auspuffgase 530 NmVh, und die Temperatur des Auspufftopfes war etwa 380° C.
Die Durchstromdauer der Gase in der Reinigungsvorrichtung war, als Funktion ihres Durchsatzes und des
Volumens dieser Vorrichtung berechnet, etwa 0,46 s.
Die aus der Reinigungsvorrichtung austretenden Auspuffgase wiesen, welche auch immer die Motorlast
war, keinen Geruch und auch keine merkliche Undurchsichtigkeit mehr auf. Die Analyse zeigte, daß
der Gehalt an unverbrannten Kohlenwasserstoffen von 200 ppm stromauf der Filtriervorrichtung auf unter
20 ppm stromab zurückgegangen war und daß 77% der Kohlenstoffteilchen zurückgehalten wurden.
Die Betriebsdauer, während deren die Reinigungsvorrichtung ihre Wirksamkeit bewahrt, liegt in der
Größenordnung von mehreren 1000 Stunden. Am Ende dieser Zeil hat sich der Druckverlust in dem
Auspuffkreis, der in der Größenordnung von 100 mm Wassersäule für den Fall des Beipiels ist, nicht merklich
erhöht.
Man stellte eine Reinigungsvorrichtung der von einem Dieselmotor von 150 kW abgegebenen Auspuffgase,
der auf einer Lokomotive zum Betrieb in unterirdischen Abbaustrecken montiert war, her, die aus
einer Reihenschaltung von zwei Zylindern mit 350 mm Durchmesser von 920 mm Gesamtlänge bestand, in die
man 8900 g Wolle von nichtrostendem ferrilischen Stahl
mit 17% Chrom einführte, die aus elementaren Ein/elfiiscrn mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt
von 0,1 χ 0.4 mm bestand, auf denen man aus
einer Alkalialuminatlösung in bekannter Weise 17 000 g
Aluminiumoxid abschied, das nach Kal/inicrung eine
spezifische Oberfläche B. ET. von etwa 14Om-Vg aufwies. Dieser Zylinder wurde ein seinen beiden Enden
durch zwei Elemente von ausgebreitetem Metall mit weilen Maschen geschlossen, die nur den /weck hatten,
die Metallwolle festzuhalten, und wurde in den
Auspuffkreis des Dieselmotors mit einem erweiterten Diffusor am Eingang zwecks Begrenzung der Druckverluste
eingesetzt
Die Durchstromdauer der Auspuffgase in dieser Reinigungsvorrichtung war im Mittel 0,6 s.
Unter den normalen Anwendungsbedingungen der Diesellokomotive analysierte man die Auspuffgase am
Eingang und am Ausgang der Reinigungsvorrichtung, die Ergebnisse waren die folgenden:
(Sie sind in Teilen je Million angegeben)
Eingang | Ausgang | |
Kohlenmonoxid | 183 | 150 |
Stickstoffoxide | 400 | 270 |
Aldehyde | 20 | 3 bis 4 |
Im BOSCH-Apparat | 3 bis 4 | 0,5 |
gemessener Undurchsichtig- | ||
keitsindex |
Man stellt eine leichte Verringerung des Gehalts an CO aufgrund einer teilweisen Oxydation zu CO2 sowie
des Gehalts an Stickstoffoxiden und eine Verringerung
der Undurchsichtigkeit um etwa 85% nach Messung im BOSCH-Apparat fest, die einer Verringerung des
Gehalts an undurchsichtigmachenden Kohlenstoffteilchen in einem identischen Anteii entspricht
Der Gehalt der vor allem für den unangenehmen Geruch der Abgase verantwortlichen Aldehyde wurde in einem Anteil von 80 bis 85% verringert
Der Gehalt der vor allem für den unangenehmen Geruch der Abgase verantwortlichen Aldehyde wurde in einem Anteil von 80 bis 85% verringert
Claims (1)
- Patentanspruch:Verfahren zur Reinigung von Dieselmotorabgasen durch Hindurchleiten durch eine regellose Anordnung von Metalidrähten, die mit aus einer Alkalialuminatlösung abgeschiedenem und kalziniertem Aluminiumoxid überzogen sind, dadurch gekennzeichnet, daß für die spezifische Oberfläche des Aluminiumoxidüberzugs wenigstens 120m2/g, für die Temperatur der Anordnung wenigstens 2500C und für die Kontaktdauer zwischen Abgas und Aluminiumoxidüberzug wenigstens 0,3 s eingehalten werden.IO
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