DE3733501A1 - Verfahren zur verminderung von emissionen beim betrieb von stationaeren verbrennungsmotoren - Google Patents
Verfahren zur verminderung von emissionen beim betrieb von stationaeren verbrennungsmotorenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verminderung
der Stickoxid-, Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxid-Emissio
nen beim Betrieb von Verbrennungsmotoren, insbesondere statio
nären Verbrennungsmotoren, mit Luftzahlen größer als 1.
Infolge sich ständig verstärkender Bemühungen im Umweltschutz
bereich ist es wünschenswert, die Schadstoffemissionen von
Verbrennungsmotoren auf ein Minimum zu reduzieren. Insbesonde
re wird es notwendig, die drei Schadstoffhauptgruppen: Stick
oxide, Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid gleichzeitig so
gering wie möglich halten zu können.
Aus Fig. 1 lassen sich die relativen Verhältnisse der Schad
stoffrestemissionen im Abgas eines Verbrennungsmotors an
NO x , CO und CH x in Abhängigkeit von der Luftzahl λ entneh
men. Um alle drei in Fig. 1 repräsentierten Schadstoffgruppen
weitgehend zu entfernen, werden häufig Drei-Wege-Katalysatoren
eingesetzt. Diese Katalysatoren haben den entscheidenden Nach
teil, daß sie nur in einem sehr engen Luftzahlbereich (in Fig.
1 Bereich 1) - einem sogenannten λ-Fenster - nahe der Luftzahl
λ = 1 einsetzbar sind. Werden Motoren bei Luftzahlen größer als
1 betrieben, läßt sich ein Drei-Wege-Katalysator zur Ent
fernung der Schadstoffkomponenten nicht sinnvoll einsetzen, da
besonders ein höherer Sauerstoffgehalt die Katalysatorwirkung
stark beeinträchtigt.
Eine weitere bekannte Möglichkeit zur Verminderung der Schad
stoffe im Abgas besteht darin, eine Schadstoffart durch geeig
netes Einstellen der Betriebswerte, insbesondere der Luftzahl,
von vornherein klein zu halten und sich bei der katalytischen
Schadstoffverminderung auf die selektive Entfernung einzelner
anderer Schadstoffarten zu beschränken. So ist es unter Um
ständen möglich, die Luftzahl λ so einzustellen, daß die Koh
lenmonoxid- und Kohlenwasserstoffkonzentrationen bereits im
unbehandelten Abgas unter den Grenzwerten der TA-Luft liegen,
so daß nur noch die Stickoxidemission durch Nachbehandeln
beispielsweise mit selektiver katalytischer Reduktion (SCR)
vermindert werden muß. Bei den in Fig. 1 wiedergegebenen Ver
hältnissen ist dieses Verfahren etwa bei Luftzahlen um 1,2 (in
Fig. 1 Bereich 2) sinnvoll anwendbar.
Eine weitere bekannte Verfahrensweise besteht darin, die
Stickoxidkonzentration im Abgas durch Einstellen des λ-Wertes
bei entsprechenden Betriebsbedingungen so gering zu halten,
daß nur noch Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe katalytisch
oxidativ behandelt zu werden brauchen. Ein für dieses Verfah
ren geeigneter Bereich 3 beginnt gemäß Darstellung in Fig. 1
an einem Punkt 8, bei dem die Stickoxidkonzentration unter dem
zulässigen TA-Luft Grenzwert liegt.
Die letztgenannten Verfahren lassen sich jedoch nur anwenden,
wenn unter sinnvollen Betriebsbedingungen die erforderlichen
λ-Werte eingestellt werden können und wenn der Gesetzgeber die
Emissionsgrenzwerte in Zukunft nicht zu sehr senkt, da unver
meidlich bestimmte Mengen der jeweils unbehandelten Schad
stoffkomponenten durchgelassen werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein insbesondere für
größere stationäre Motoren geeignetes Verfahren anzugeben, bei
dem die Emissionen sowohl an Stickoxiden als auch an Kohlen
wasserstoffen und an Kohlenmonoxid selbst bei Luftzahlen
größer als 1 gering und zuverlässig unter den Grenzwerten der
TA-Luft gehalten werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung ein gattungsge
mäßes Verfahren vor, das in zwei Stufen durchgeführt wird,
wobei in der ersten Stufe Stickoxide mit Ammoniak so an einem
Katalysator (Reduktionskontakt) reduziert werden, daß aus
reichend Sauerstoff für die zweite Verfahrensstufe verbleibt,
und in der zweiten Stufe Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid
sowie überschüssiger Ammoniak an einem weiteren Katalysator
(Oxidationskontakt) mit dem im Abgas vorhandenen Restsauer
stoff oxidiert werden.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, daß es prinzipiell bei allen Luftzahlen größer
als 1 anwendbar ist und dabei gleichzeitig alle drei Schad
stoffarten, nämlich Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und Kohlen
monoxid weitgehend abbaut. Dadurch daß der Oxidationskatalysa
tor dem Reduktionskatalysator nachgeschaltet ist, kann zusätz
lich der Ammoniakschlupf aus der Reduktionsstufe kontrolliert
werden.
Vorzugsweise wird die Reduktion über einem Vanadinpentoxid-
Kontakt durchgeführt, und der Ammoniak wird dem Abgas zudo
siert, bevor dieses den Katalysator erreicht.
In zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung werden beide Kata
lysatoren hintereinander in einem Reaktor derart eingesetzt,
daß das Abgas des Motors zuerst den Reduktionskontakt und
danach den Oxidationskontakt passiert.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung
schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben. Es
zeigt.
Fig. 1 ein Schadstoffdiagramm, das ein Beispiel für die
Abhängigkeit des Gehalts an NO x , CO und CH x
von der Luftzahl λ veranschaulicht; und
Fig. 2 eine Prinzipskizze einer Katalysatoranordnung
und der zugehörigen Abgasströme bei dem be
schriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Aus Fig. 1 entnimmt man die relativen Verhältnisse der Schad
stoffrestemissionen an NO x , CO und CH x in Abhängigkeit von
der Luftzahl λ. Die von gestrichelten Linien eingegrenzten
Bereiche 1-3 geben die bislang vom Stande der Technik abge
deckten Arbeitsgebiete für die Abgasreinigung an. Das enge
λ-Fenster um λ = 1 (in Fig. 1 Bereich 1) gibt den Arbeitsbe
reich eines Dreiwegekatalysators an, der nur in diesem engen
Luftzahlbereich in effektiver Weise bewirkt, daß alle drei
Hauptschadstoffgruppen abgebaut werden. Bei höheren Sauer
stoffkonzentrationen werden die Stickoxide meist selektiv
katalytisch reduziert, beispielsweise über einen Vanadinpent
oxidkontakt, da dabei der Sauerstoff nicht stört. Diese selek
tiven Reduktionskatalysatoren können jedoch weder Kohlenwas
serstoffe noch Kohlenmonoxid abbauen. Die selektive katalyti
sche Reduktion (SCR) allein eignet sich daher in einem Bereich
2 zur Abgasreinigung, in dem die CO-Werte (Kohlenmonoxidwerte)
zwischen 5 und 6 und die CH x -Werte (Kohlenwasserstoffwerte)
zwischen 4 und 7 die zulässigen Emissionshöchstwerte nicht
überschreiten. Werden Motoren bei noch höheren Luftzahlen
betrieben, steigen die Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxid
werte im Abgas wieder beträchtlich an, während die Stickoxid
werte zurückgehen. In einem Bereich 3, in dem der Stickoxidge
halt im Abgas unter den Grenzwert der TA-Luft abgesunken ist -
d. h. in dem die NO x -Konzentration kleiner oder gleich der
jenigen in Punkt 8 des Diagramms ist - kann sich die Abgas
reinigung auf die Entfernung von Kohlenwasserstoffen und Koh
lenmonoxid beschränken. Hierzu können verschiedene Oxidations
katalysatoren eingesetzt werden. Das erfindungsgemäße Verfah
ren erlaubt es nun, die Abgasreinigung sowohl in den Bereichen
1, 2 und 3 als auch zwischen diesen Bereichen durchzuführen.
Dabei werden stets alle drei Schadstoffkomponenten abgebaut.
Die durch die Kurven CO und CH x in Bereich 2 und die Kurve
NO x in Bereich 3 bestimmten und durch die zuvor genannten
Verfahren unbeeinflußbaren Restemissionen können mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren weiter unterschritten werden.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem Reaktor 10, in
dem zwei unterschiedliche Katalysatoren 30 und 40 hintereinan
der eingesetzt sind. Das ungereinigte Abgas wird über den Weg
20 von einem in der Zeichnung nicht gezeigten Verbrennungsmo
tor aus dem Reaktor 10 zugeführt und passiert nacheinander den
als Reduktionskontakt ausgebildeten Katalysator 30 und der als
Oxidationskontakt ausgebildeten Katalysator 40. Das gereinigte
Abgas wird über Weg 60 vom Reaktor abgeführt. Der zur NO x -
Reduktion in der ersten Katalysatorstufe benötigte Ammoniak
wird dem ungereinigten Abgas über Weg 50 zudosiert, bevor das
Abgas den Reduktionskontakt 30 erreicht. Entlang des Redukti
onskontaktes 30 werden die Stickoxide weitgehend durch Ammoniak
unter zusätzlichem Verbrauch von Sauerstoff zu Stickstoff und
Wasser reduziert. Das von Stickoxiden weitgehend befreite
Abgas passiert daraufhin den Oxidationskontakt 40, über dem
mit Hilfe des im Abgas vorhandenen Restsauerstoffs Kohlenmon
oxid, Kohlenwasserstoffe sowie überschüssiger Ammoniak oxi
diert werden. Als Reaktionsprodukte entstehen in der zweiten
katalytischen Stufe über Oxidationskontakt 40 Wasser, Kohlen
dioxid, Stickstoff und geringe Mengen rückgebildeter Stickoxi
de. Ein Ammoniakschlupf aus der ersten katalytischen Stufe
über Reduktionskontakt 30 wird durch die nachgeschaltete Oxi
dationsstufe vermindert, wobei auf unerwünschte Nebenreaktio
nen zu Stickoxiden geachtet werden sollte.
Claims (4)
1. Verfahren zur Verminderung der Stickoxid-, Kohlenwasser
stoff- und Kohlenmonoxid-Emissionen beim Betrieb von Verbren
nungsmotoren, insbesondere stationären Verbrennungsmotoren,
mit Luftzahlen größer als 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Verfahren in zwei Stufen durchgeführt wird, wobei in
der ersten Stufe Stickoxide mit Ammoniak so an einem Katalysa
tor (Reduktionskontakt (30)) reduziert werden, daß ausreichend
Sauerstoff für die zweite Verfahrensstufe verbleibt, und in
der zweiten Stufe Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid sowie
überschüssiger Ammoniak an einem weiteren Katalysator (Oxida
tionskontakt (40)) mit dem im Abgas vorhandenen Restsauerstoff
oxidiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
Ammoniak zum Abgas zudosiert wird, bevor das Abgas den Kataly
sator erreicht (50).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß als Reduktions-Katalysator (30) ein Vanadinpentoxid-Kon
takt eingesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, da beide Katalysatoren hintereinander in einem
Reaktor (10) derart eingesetzt werden, daß das Abgas des Mo
tors zuerst den Reduktionskontakt und danach den Oxidations
kontakt passiert.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873733501 DE3733501A1 (de) | 1987-10-03 | 1987-10-03 | Verfahren zur verminderung von emissionen beim betrieb von stationaeren verbrennungsmotoren |
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DE3733501A1 true DE3733501A1 (de) | 1989-04-13 |
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