DE3541685A1 - Process for purifying exhaust gases of a combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von rußbeladenen Abgasen eines Verbrennungsmotors, insbesondere Dieselmotors, die durch einen Filter aus Aktivkohle, insbesondere Koks, geleitet werden.The invention relates to a method for cleaning soot-laden exhaust gases from an internal combustion engine, in particular Diesel engine through a filter made of activated carbon, especially coke.
Der Ausstoß an unvollständig verbrannten Teilen des Kraftstoffs bei Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, ist ein Problem, dem die besondere Aufmerksamkeit der Verbrennungstechnik gilt, da die überwiegend als Ruß in die Atmosphäre entlassenen Teile des Kraftstoffs die Umwelt belasten. Eine vollständige Unterdrückung dieser Art der Schadstoffemission ist technisch nicht möglich, jedoch sorgt eine gut eingestellte Verbrennung im Motor dafür, daß die Schadstoffemission in Grenzen bleibt. Eine regelmäßige und sorgfältige Einstellung des Dieselmotors ist deshalb Voraussetzung für dessen ordnungsgemäßen und emissionsarmen Betrieb. An dieser Voraussetzung fehlt es häufig. Die Verbrennung innerhalb des Dieselmotors ist dann unvollständig. Dies äußert sich durch eine sichtbare schmutzige Rußwolke, welche der Motor ausstößt. Neben der geforderten Sorgfalt zur Einstellung der Verbrennung am Dieselmotor hat es deshalb nicht an Versuchen gefehlt, das Abgas des Dieselmotors durch Filterung zu säubern. In diesem Zusammenhang wurden vermutlich bereits Filteranlagen unterschiedlicher Art und darunter auch solche vorgeschlagen, die mit Aktivkohle betrieben werden, da die Absorptionsfähigkeit der Aktivkohle für Schmutzstoffe groß ist.The emission of incompletely burned parts of the fuel in internal combustion engines, especially diesel engines, is a problem that requires special attention from the Combustion technology applies because the predominantly as soot in the Atmosphere released parts of the fuel the environment strain. A complete suppression of this kind of Pollutant emissions are not technically possible, however A well-set combustion in the engine ensures that pollutant emissions remain limited. A regular one and careful adjustment of the diesel engine is therefore A prerequisite for its proper and low-emission Business. This requirement is often lacking. The Combustion within the diesel engine is then incomplete. This is manifested by a visible dirty Soot cloud, which the engine emits. In addition to the required Care to adjust the combustion of the diesel engine there is therefore no lack of attempts to exhaust the Clean diesel engine by filtering. In this context filter systems were probably already different Kind and including those suggested which are operated with activated carbon because of the absorbency the activated carbon is large for pollutants.
Die Herstellung von Aktivkohle ist jedoch aufwendig. Daraus folgt die Aufgabe für die Erfindung, einen Abgasfilter für Dieselmaschinen auf der Basis von Aktivkohle zu schaffen, dessen filteraktiven Kohleteilchen preisgünstig zu beschaffen und in großen Mengen verfügbar sind. Gleichzeitig soll es möglich sein, die Filtereinrichtung so auszubilden, daß sie nach Ablauf einer bestimmten Gebrauchsdauer problemlos mit frischem Filtermaterial gefüllt werden kann.However, the production of activated carbon is complex. From that follows the task for the invention, an exhaust filter for To create diesel engines based on activated carbon, its filter-active carbon particles inexpensively procured and available in large quantities. At the same time should it be possible to filter the device like this to train them after a certain period of use can be easily filled with fresh filter material.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß man das Abgas der Dieselmaschine vor dem Auspuff während einer Zeitspanne zwischen 0,01 und 1 s durch eine lose Schüttung oder ein Bett aus Herdofenkoks leitet, der aus Braunkohle gewonnen wurde. According to the invention, this object is achieved in that the exhaust of the diesel engine before the exhaust during a Time between 0.01 and 1 s due to a loose bed or leads a bed of hearth coke that is made of brown coal was won.
Die Herstellung von Braunkohlenkoks auf dem Herdofen ist bekannt und in einer Reihe von Veröffentlichungen ausführlich beschrieben worden. Die wichtigsten dieser Veröffentlichungen sind:The production of brown coal coke on the hearth furnace is known and described in detail in a number of publications been. The most important of these publications are:
1. H. B. Königs: "Feinkokserzeugung aus Braunkohle", Energiewirtschaftliche Tagesfragen, 27. Jahrgang (1977), Heft 8/9, S. 596-599,1. H. B. Königs: "Fine coke production from brown coal", Daily energy issues, 27th year (1977), Issue 8/9, pp. 596-599,
2. E. Scherrer: "Herstellung von Braunkohlenkoks im Salem-Lurgi-Herdofen" Braunkohle, Heft 7, Juli 1981, S 242-2462. E. Scherrer: "Production of brown coal coke in the Salem-Lurgi hearth furnace "brown coal, issue 7, July 1981, S 242-246
3. D. Boecker: "Edle Körner", Energie, Jahrgang 35, Heft 3, 1983, S. 35-37.3. D. Boecker: "Noble Grains", Energy, Volume 35, Issue 3, 1983, pp. 35-37.
Diese Veröffentlichungen enthalten alle für die Erfindung erforderlichen Informationen in Bezug auf Herdofenkoks.These publications all contain for the invention required information regarding stove coke.
Der nach dem Herdofenverfahren hergestellte "Herdofenkoks" aus Rheinischer Braunkohle besitzt die überraschende Eigenschaft einer hohen Adsorptionsfähigkeit von Schmutzstoffen, insbesondere von Ruß. Es eignet sich vorteilhaft zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe und erfüllt alle Bedingungen hinsichtlich der Preiswürdigkeit, der Verfügbarkeit und der einfachen Handhabung. The "hearth furnace coke" produced by the hearth furnace process from Rhenish brown coal has the surprising Property of a high adsorption capacity of pollutants, especially soot. It is useful to solve the problem underlying the invention and fulfills all conditions regarding the value for money, availability and ease of use.
Darüber hinaus eignet sich der mit den Schadstoffen beladene Herdofenkoks weiterhin als Energie- oder Kohlenstoffträger in weiteren Verfahren, beispielsweise zur Verbrennung im Kessel. Den besonderen Eigenschaften des Herdofenkokses ist es dabei zu verdanken, daß die Verbrennung des beladenen Kokses unter die Umwelt schonenden Bedingungen stattfinden kann. Damit wird eine nahezu vollständige Beseitigung der Schmutzstoffe möglich, die beim Dieselprozeß anfallen. Der Herdofenkoks als konzentrierter Kohlenstoffträger ermöglicht eine Verbrennungsführung im Kessel bei relativ günstigen Flammentemperaturen, und zwar so vollständig, daß die mitgeführten Schadstoffe, insbesondere höhere Kohlenwasserstoffe, verbrannt werden und somit nicht in die Umwelt gelangen.In addition, the one with the pollutants is suitable loaded oven coke still as an energy or carbon carrier in further processes, for example for Burning in the boiler. The special properties of the Herdofenkokses owe it to the fact that the combustion of the loaded coke protecting the environment Conditions can take place. This is almost a complete removal of contaminants possible incurred in the diesel process. The oven coke as more concentrated Carbon carrier enables combustion control in the boiler at relatively favorable flame temperatures, and so completely that the contaminants carried along, especially higher hydrocarbons are burned and therefore do not get into the environment.
Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem Anschluß zum Durchleiten des Abgases durch einen Filter aus Aktivkohle, der sich in einem im wesentlichen geschlossenen Behälter in beliebiger Einbaulage an geeigneter Stelle innerhalb des Abgassystems eines Dieselmotors befindet, weist der Behälter bzw. die darin befindliche Schüttung aus Herdofenkoks eine Erstreckung auf, zu deren Durchströmung das Abgas bei gegebener Strömungsgeschwindigkeit aus Abgasmenge und Strömungsquerschnitt eine Zeitspanne zwischen 0,01 und 1 s benötigt. Die Schüttung des Herdofenkokses befindet sich lose in dem Behälter, der erfindungsgemäß innerhalb des Abgassystems, z. B. am Ende des Auspuffrohres des Dieselmotors, angeordnet wird.In a device for implementation according to the invention of the method with a connection for passing the Exhaust gas through a filter made of activated carbon, which is in a substantially closed container in any Installation position at a suitable point within the exhaust system a diesel engine is located, the container or the the bed of hearth furnace coke contained therein an extension the flow of the exhaust gas given flow rate from the amount of exhaust gas and Flow cross-section a period between 0.01 and 1 s needed. The bed of the hearth furnace coke is located loose in the container, which according to the invention within the Exhaust system, e.g. B. at the end of the exhaust pipe of the diesel engine, is arranged.
Von dem in unterschiedlichen Fraktionen angelieferten Herdofenkoks ist die gröbste Fraktion, nämlich der Feinkoks mit Korngrößen zwischen 1 und 4 mm, für die Erfindung besonders gut geeignet.Of that delivered in different fractions Oven coke is the coarsest fraction, namely the fine coke with grain sizes between 1 and 4 mm, for the invention particularly well suited.
Ein erfindungsgemäß in beliebiger Einbaulage, insbesondere waagerechter Lage, verwendbarer Behälter, weist ein erstes, inneres Verteilerrohr für das Abgas, ein zweites um das erste Rohr konzentrisch angeordnetes Zwischenrohr zur Aufnahme des Betts aus Herdofenkoks im Ringraum zwischen dem ersten und dem zweiten Rohr und ein drittes, das zweite Rohr konzentrisch umgebendes Sammelrohr auf, in welchem das gereinigte Abgas gesammelt wird, bevor es durch den Auspuff ausgestossen wird. Durchgänge auf den zylindrischen Wänden zwischen den innenliegenden Rohren leiten das Abgas durch die Schüttung des Herdofenkokses. Der Behälter weist mindestens einen äußeren Anschluß auf, mit dem er auf einfache Weise an das Abgassystem des Dieselmotors angeschlossen werden kann. Neben der reinigenden Wirkung des Herdofenkokses auf das Abgas übt die Schüttung gleichzeitig auch eine schalldämpfende Wirkung aus, so daß mit dem erfindungsgemäßen Behälter eine Vereinfachung des im Abgassystem ohne vorhandenen Schalldämpfers möglich ist, dieser ggf. ganz fortfallen kann.One according to the invention in any installation position, in particular horizontal position, usable container, has a first, inner manifold for the exhaust gas, a second one around the first tube concentrically arranged intermediate tube for Inclusion of the oven coke bed in the annular space between the first and the second tube and a third, the second Pipe concentrically surrounding collector pipe, in which the cleaned exhaust gas is collected before passing through the exhaust is expelled. Passages on the cylindrical walls the exhaust gas conducts between the inner tubes the filling of the hearth coke. The container points at least one external connection with which it is open simply connected to the exhaust system of the diesel engine can be. In addition to the cleaning effect of Oven coke on the flue gas exercises the bed at the same time also a sound absorbing effect, so that with the Container according to the invention a simplification of the Exhaust system possible without an existing silencer is, this can possibly be completely eliminated.
Insbesondere für die Verwendung in waagerechter Einbaulage sind die Durchgänge für das Abgas jeweils auf den innenliegenden zylindrischen Wänden der Rohre nach der Art von Siebrohren vorgesehen. Auf diese Weise wird das Abgas gezwungen, jeweils eine größtmögliche Menge der Schüttung des Herdofenkokses zu durchströmen, bevor es ins Freie abgegeben wird.Especially for use in a horizontal installation position the passages for the exhaust gas are each on the inside cylindrical walls of the type of pipes Sieve tubes provided. This way the exhaust gas forced each to the largest possible amount of the fill to flow through the oven coke before going outside is delivered.
Vorteilhaft sind der Behälter, der die Schüttung des Herdofenkokses enthält, oder Teile des Behälters innerhalb des Abgassystems eines Dieselmotors so angeordnet, daß eine einfache Auswechselbarkeit möglich ist. So ist beispielsweise eine Anordnung am Ende des Abgassystems von PKWn günstig, die mit Dieselmotoren betrieben werden. Diese Anordnung macht es möglich, daß der Benutzer des Fahrzeuges den erfindungsgemäßen Behälter mit Ablauf von dessen Benutzungsdauer selbst erneuert. Bei Lastkraftwagen und großen oder stationären Dieselmotoren sind entsprechend modifizierte Anordnungen vorgesehen, die eine ähnliche einfache Handhabung ermöglichen, wie sie heute bei der Erneuerung von Kraftstoff- oder Ölfiltern an Verbrennungsmotoren üblich ist. The container that holds the fill of the Oven coke contains, or parts of the container within the exhaust system of a diesel engine arranged so that a easy interchangeability is possible. For example an arrangement at the end of the exhaust system of cars cheap, which are operated with diesel engines. These The arrangement makes it possible for the user of the vehicle the container according to the invention with its expiration Renewed period of use itself. For trucks and large or stationary diesel engines are appropriate modified arrangements provided a similar enable easy handling, as is the case with the Renewal of fuel or oil filters on internal combustion engines is common.
Zur Verwirklichung einer leichten Austauschbarkeit des Filters oder von Teilen ist der Behälter so ausgebildet, daß er geöffnet werden kann. Auf diese Weise wird es möglich, die Schüttung aus beladenem Herdofenkoks nach Öffnung des Behälters daraus zu entfernen und durch frischen Herdofenkoks zu ersetzen. Vorgesehen ist, daß frischer Herdofenkoks als handelsübliches Ersatzteil bevoratet wird.To achieve an easy interchangeability of the Filter or parts of the container is designed so that it can be opened. In this way it becomes possible the bed of loaded hearth coke Remove the opening of the container from it and add fresh To replace stove coke. It is intended to be fresher Oven coke is prepared as a commercially available spare part.
Eine hohe Lebensdauer mit vielen Erneuerungszyklen des erfindungsgemäßen Filters kann erreicht werden, wenn dieser aus einem korrosionsfesten Metall wie beispielsweise Chromstahl oder Edelmetall hergestellt wird.A long service life with many renewal cycles of the Filters according to the invention can be achieved if this made of a corrosion-resistant metal such as Chrome steel or precious metal is produced.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen jeweils in schematischer, nicht maßstäblicher Darstellung dieThe invention is illustrated by an embodiment described. They each show in schematic, not scale representation of the
Fig. 1 das Abgassystem eines Dieselmotors, Fig. 1, the exhaust system of a diesel engine,
Fig. 2 den Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Behälter und Fig. 2 shows the longitudinal section through a container according to the invention and
Fig. 3 einen Querschnitt durch den Behälter nach Fig. 2 entlang der Linie III-III. Fig. 3 shows a cross section through the container of FIG. 2 along the line III-III.
Ein Dieselmotor 1 weist abgasseitig einen Sammler 2 für das Abgas 3 auf, welches üblicherweise einen Schalldämpfer 4 durchströmt, bevor es über den Auspuff 5 das Abgassystem verläßt. Zwischen dem Schalldämpfer 4 und dem Auspuff 5 ist ein Behälter 6 angeordnet, der erfindungsgemäß zur Reinigung des Abgases 3 vorgesehen ist, so daß gereinigtes Abgas 7 in Freie gegeben werden kann. Der Behälter 6 besteht aus einem ersten zylindrischen Rohr 8 mit einem Anschluß 9, mit dem er an dem Schalldämpfer 4 angeschlossen ist.A diesel engine 1 has a collector 2 for the exhaust gas 3 on the exhaust side, which usually flows through a silencer 4 before it leaves the exhaust system via the exhaust 5 . Between the muffler 4 and the exhaust 5 , a container 6 is arranged, which is provided according to the invention for cleaning the exhaust gas 3 , so that cleaned exhaust gas 7 can be released into the open. The container 6 consists of a first cylindrical tube 8 with a connection 9 , with which it is connected to the silencer 4 .
Koaxial zur Längsachse 10 des zylindrischen Behälters 6 und konzentrisch zum inneren Rohr 8 ist ein Zwischenrohr 11 angeordnet, welches außen wiederum konzentrisch von einem Sammelrohr 12 umgeben wird. Im Ringraum 13 zwischen dem inneren Rohr 8 und dem Zwischenrohr 11 befindet sich eine lose Schüttung 14 aus Herdofenkoks, die den Ringraum 13 vollständig ausfüllt. Die mittlere Korngröße der Schüttung des Herdofenkokses beträgt 1 bis 4 mm. Der Herdofenkoks selbst hat die folgenden charakteristischen Eigenschaften: An intermediate tube 11 is arranged coaxially to the longitudinal axis 10 of the cylindrical container 6 and concentrically to the inner tube 8 , which in turn is concentrically surrounded on the outside by a header tube 12 . In the annular space 13 between the inner tube 8 and the intermediate tube 11 there is a loose bed 14 of hearth furnace coke which completely fills the annular space 13 . The average grain size of the bed of the hearth furnace coke is 1 to 4 mm. The oven coke itself has the following characteristics:
KurzanalyseBrief analysis
Wassergehalt1,0 Gew.% Aschegehalt9,0 Gew.% flüchtige Bestandteile3,5 Gew.% fixer Kohlenstoff86,5 Gew.% Heizwert (Hu)29 700 kJ/kgWater content 1.0% by weight Ash content9.0% by weight volatile constituents 3.5% by weight fixed carbon86.5% by weight Calorific value (Hu) 29 700 kJ / kg
Physikalische Kennziffern:Physical indicators:
Dichte1,90 g/cm3 scheinbare Dichte0,95 g/cm3 größte Schüttdichte0,735 g/cm3 spez. Oberfläche250 m3/g Zündpunkt300°CDensity 1.90 g / cm 3 apparent density 0.95 g / cm 3 highest bulk density 0.735 g / cm 3 spec. Surface 250 m 3 / g ignition point 300 ° C
Das innere Rohr 8 und das äußere Rohr 12 sind jeweils an einer ihrer Stirnseiten geschlossen. Das Zwischenrohr 11 ist an beiden Stirnseiten geschlossen. Im Bereich ihrer jeweils konzentrisch zueinander angeordneten Teile haben das innere Rohr 8 und das Zwischenrohr 11 Durchbrüche 15 bzw. 16 für den Durchtritt des Abgases 3.The inner tube 8 and the outer tube 12 are each closed on one of their end faces. The intermediate tube 11 is closed on both ends. In the area of their parts which are arranged concentrically to one another, the inner tube 8 and the intermediate tube 11 have openings 15 and 16 for the passage of the exhaust gas 3 .
Das ungereinigte Abgas 3 tritt am Abschluß 9 in das innere Rohr 8 und an den Durchbrüchen 15 in den Ringraum 13 ein. Es durchströmt mit einer Temperatur von etwa 100-300°C die Schüttung 14 und tritt über die Öffnungen 16 als gereinigtes Abgas 7 in den Ringraum 17 des Sammelrohres 12 ein, den es am Auspuff 5 schließlich verläßt.The unpurified exhaust gas 3 enters the inner tube 8 at the end 9 and the annular space 13 at the openings 15 . It flows through the bed 14 at a temperature of about 100-300 ° C. and enters through openings 16 as cleaned exhaust gas 7 into the annular space 17 of the collecting pipe 12 , which it finally leaves at the exhaust 5 .
Die Stirnwände 18 und 19 können abnehmbar ausgeführt sein, so daß der Behälter 6 nach Lösen des Anschlusses 9 auseinandergenommen werden kann. Dabei wird die Schüttung 14 freigelegt. Der verbrauchte Herdofenkoks kann aus dem Ringraum 13 durch Ausschütten entfernt und durch frischen Herdofenkoks ersetzt werden. Anschließend werden die Stirnwände 18 und 19 nach Ineinanderfügen des Rohrsystems wieder verschlossen. Der Behälter 6 steht für einen erneuten Einsatz bereit. Da die Schüttung 14 des Herdofenkokses gleichzeitig eine schalldämpfende Wirkung hat, ist es möglich, zumindest auf Teile des Schalldämpfers 4 des Abgassystems zu verzichten. An seiner Stelle tritt dann ein Behälter 6 mit einer Schüttung 14 aus Herdofenkoks, der, sofern der Behälter geöffnet werden kann und aus korrosionsfestem Material hergestellt ist, nach Erneuerung der Schüttung 14 wieder verwendet werden kann. Erfindungsgemäß ist der Behälter 6 in einem Bereich des Abgassystems hinter dem Dieselmotor 1 angeordnet, in dem die Temperaturen des Abgases 3 nach oberhalb von 100°C liegen. Filterung und Reinigung des Abgases erfolgen vermutlich durch die in großer Zahl vorhandenen Makroporen des Herdofenkokses 14. Durch die Belastung mit Ruß wird der Herdofenkoks nicht verbraucht. Er kann gegebenenfalls nach thermischer Behandlung zurückgewonnen werden. Noch einfacher aber ist die Verbrennung des verbrauchten Herdofenkokses im Kessel, wobei er gleichzeitig als Energieträger dient. Da ein nennenswerter Verbrauch der Substanz des Herdofenkokses bei der Reinigung des Abgases 3 nicht eintritt, ist der gsamte Ringraum 13 stets nahezu vollständig von der Schüttung 14 des Herdofenkokses ausgefüllt.The end walls 18 and 19 can be designed to be removable, so that the container 6 can be taken apart after the connection 9 has been released . The bed 14 is exposed. The used stove coke can be removed from the annular space 13 by pouring it out and replaced by fresh stove coke. The end walls 18 and 19 are then closed again after the pipe system has been joined together. The container 6 is ready for a new use. Since the bed 14 of the oven coke also has a sound-absorbing effect, it is possible to dispense with at least parts of the silencer 4 of the exhaust system. A container 6 with a bed 14 of hearth furnace coke then takes its place, which, if the container can be opened and is made of corrosion-resistant material, can be used again after the bed 14 has been renewed. According to the invention, the container 6 is arranged in an area of the exhaust system behind the diesel engine 1 in which the temperatures of the exhaust gas 3 are above 100 ° C. Filtering and purification of the exhaust gas are presumably carried out by the large number of macropores in the oven coke 14 . The oven coke is not consumed by the soot. If necessary, it can be recovered after thermal treatment. Burning the used stove coke in the boiler is even simpler, whereby it also serves as an energy source. Since there is no significant consumption of the substance of the hearth coke during the cleaning of the exhaust gas 3 , the entire annular space 13 is always almost completely filled by the bed 14 of the hearth coke.
Ein ausgeführter Behälter zur Verwendung in einem Dieselmotor in einem Kraftfahrzeug hatte etwa die folgenden Abmessungen: Die axiale Länge des Behälters betrug 30 cm bei einem Durchmesser von 15 cm. Die Menge der Schüttung 14 betrug 1 kg. Entsprechend der Nennleistung des Dieselmotors 1 von 60 PS wurden im Vollastbetrieb bei vorschriftsmäßig eingestellter Verbrennung mit einer einzigen Füllung der Schüttung 200 Betriebsstunden erreicht. Dabei wurde eine Rußmenge zwischen 100 und 400 g zurückgehalten, bevor die Schüttung erneuert werden mußte. Die Abgastemperaturen lagen im Mittel bei 120°C. Die durchströmende Menge an Abgas betrug ca. 40 m3/h, was einer Verweilzeit des Abgases in der Schüttung von etwa 0,1 s entsprach.An embodiment of a container for use in a diesel engine in a motor vehicle had the following dimensions: The axial length of the container was 30 cm with a diameter of 15 cm. The amount of the bed 14 was 1 kg. Corresponding to the nominal power of the diesel engine 1 of 60 hp, 200 operating hours were achieved in full load operation with properly set combustion with a single filling of the bed. A quantity of soot of between 100 and 400 g was retained before the bed had to be replaced. The exhaust gas temperatures averaged 120 ° C. The amount of exhaust gas flowing through was about 40 m 3 / h, which corresponded to a residence time of the exhaust gas in the bed of about 0.1 s.
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