DE4032085A1 - Katalysatoranordnung zur reduktion von stickoxiden - Google Patents

Katalysatoranordnung zur reduktion von stickoxiden

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Description

Die Erfindung betrifft eine Katalysatoranordnung zur Reduktion von Stickoxiden in einem Abgas, das in einem weiten Abgastemperaturbereich anfällt.
Bei Verbrennungsmotoren, die der Stromerzeugung dienen, ist die Drehzahl meist konstant, so daß sich auch der Abgasvolumenstrom kaum ändert. In Abhängigkeit von der Belastung des Motors ändert sich jedoch die Abgastemperatur und dementsprechend der NOx-Gehalt. Der Abgastemperaturbereich liegt beispielsweise zwischen 290°C und 460°C.
In der Zeitschrift "Staub-Reinhaltung der Luft" 49 (1989), Seiten 37 bis 43, sind verschiedene Katalysatormaterialen beschrieben, die sich bei höheren Abgastemperaturen bzw. bei niedrigeren Abgastemperaturen einsetzen lassen.
Weitere Katalysatormaterialen sind in der DE 35 05 648 C2 und in der EP 01 68 811 B1 beschrieben.
Beim Stand der Technik ist davon ausgegangen, daß für den Katalysator jeweils ein einziges Katalysatormaterial verwendet wird, das den Abgastemperaturbereich abdeckt. Dies ist in der Praxis schwer zu verwirklichen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Katalysatoranordnung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, die in einem weiten Abgastemperaturbereich eine ausreichende Entstickungsleistung aufweist und die an den jeweiligen Abgastemperaturbereich anpaßbar ist.
Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe dadurch gelöst, daß in Strömungsrichtung des Abgases hintereinander wenigstens zwei Katalysatorbetten aus unterschiedlichen Katalysatormaterialien zur Reduktion von Stickoxiden angeordnet sind und daß die unterschiedlichen Katalysatormaterialien ihre stärkste katalytische Wirkung in unterschiedlichen, benachbarten Teilbereichen des Abgastemperaturbereichs aufweisen.
Dadurch, daß wenigstens zwei unterschiedliche Katalysatormaterialien im Abgasstrom liegen, können diese im Hinblick auf eine optimale Wirkung in einem Teilbereich des Abgastemperaturbereichs des Motors ausgewählt werden. Die Katalysatoranordnung läßt sich damit auf einfache Weise an die Charakteristik des Abgasstromes des jeweiligen Motors anpassen. Wenn bei höheren Temperaturen eine größere Menge von Stickoxiden reduziert werden muß als bei niedrigeren Abgastemperaturen, dann läßt sich das Katalysatorbett, das bei höheren Temperaturen hauptsächlich wirksam ist, entsprechend auslegen.
Insgesamt läßt sich die notwendige Entstickungsleistung im gesamten Abgastemperaturbereich sicherstellen, ohne daß hierfür ein einziges, speziell auf den jeweiligen Abgastemperaturbereich ausgelegtes Katalysatormaterial vorzusehen ist. Es kann genügen, zwei Katalysatorbetten vorzusehen, deren eines bei niedrigen Temperaturen und deren anderes bei höheren Temperaturen des Abgastemperaturbereichs wirksam ist. Es können jedoch auch für mittlere Temperaturbereiche weitere Katalysatorbetten mit entsprechend ausgewählten Katalysatormaterialien vorgesehen sein.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Katalysatoranordnung im Schnitt und
Fig. 2 ein Abgas/Temperatur-Diagramm.
Eine Katalysatoranordnung weist einen Einlaß 1 für einen Abgasstrom eines Verbrennungsmotors auf. In einem Gehäuse 2 sind in Strömungsrichtung des Abgases hintereinander ein Rußpartikelfilter 3, ein Temperaturspitzenpuffer 4, eine Eindüsvorrichtung 5 für Ammoniak, ein Strömungsmischer 6, ein erstes Denox-Katalysatorbett 7, ein zweites Denox- Katalysatorbett 8 und ein Oxidations-Katalysatorbett 9 angeordnet. Letzterem folgt ein Auslaß 10.
Der Rußpartikelfilter 3 filtert Rußpartikel aus dem Abgas. Beim Abbrennen der angelagerten Rußpartikelfilter treten Temperaturspitzen auf. Diese werden im Temperaturspitzenpuffer 4 ausgeglichen, so daß die nachfolgenden Bauteile nicht geschädigt werden.
In den gefilterten Abgasstrom wird mittels der Eindüsvorrichtung 5 Ammoniak verteilt eingedüst. Der mit Ammoniak geladene Abgasstrom wird im Strömungsmischer 6 ausgerichtet und homogenisiert.
Das erste Katalysatorbett 7 enthält ein Katalysatormaterial, dessen Wirkungsoptimum in einem höheren Temperaturbereich liegt als das Katalysatormaterial des zweiten Katalysatorbettes 8. Das Katalysatormaterial des ersten Katalysatorbettes 7 ist beispielsweise auf der Basis von Eisensulfat Fe2(SO4)3 oder eines Molekularsiebes (Zeolith) aufgebaut. Das Katalysatormaterial des zweiten Katalysatorbettes 8 arbeitet beispielsweise mit einem Gemisch aus Titanoxid (TiO2) und Vanadiumpentoxid (V2O5) oder einem Gemisch aus Eisenoxid (Fe2O3) und Chromoxid (Cr2O3).
In Fig. 2 ist strichliert für einen Anwendungsfall die NOx- Belastung des Abgases am Einlaß 1 in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur dargestellt. Dabei ist davon ausgegangen, daß in diesem Einsatzfall der Abgastemperaturbereich etwa zwischen 290°C und 460°C liegt. Die NOx-Belastung des Abgasstromes steigt von der Temperatur von 300°C bis zur Temperatur von 450°C praktisch linear von 1000 ppm auf über 2000 ppm.
Die strichpunktierte Linie in Fig. 2 zeigt die temperaturabhängige Wirkung des Katalysatormaterials des ersten Katalysatorbettes 7. Ersichtlich ist die Wirkung dieses Katalysatormaterials in dem niedrigen Temperaturbereich zwischen 300°C und 400°C geringer als im Bereich zwischen 400°C und 460°C. Die punktierte Linie in Fig. 2 zeigt die katalytische Wirkung des Katalysatormaterials des zweiten Katalysatorbettes 8. Ersichtlich nimmt dessen Wirkung ab etwa 400°C ab.
Die durchgezogene Linie in Fig. 2 zeigt den auslaßseitigen NOx-Gehalt des Abgases im Abgastemperaturbereich. Bis etwa 430°C liegt der NOx-Gehalt am Ausgang unter 100 ppm. Danach steigt bis etwa 460°C der NOx-Gehalt wenig über 100 ppm, ohne jedoch 200 ppm zu erreichen.
Bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen bis etwa 400°C wird NOx des Abgases im Katalysatorbett 7 nur wenig umgesetzt. Die überwiegende Umsetzung erfolgt im Katalysatorbett 8 nach der Formel:
4 NO + 4 NH3 + 02 → 4 N2 + 6 H2O.
Bei vergleichsweise höheren Temperaturen erfolgt die Umsetzung gleichfalls nach der genannten Gleichung, jedoch überwiegend nicht im Katalysatorbett 8, sondern überwiegend im Katalysatorbett 7. Im Katalysatorbett 8 werden lediglich die im Katalysatorbett 7 nicht umgesetzten Mengen an NH3 und NOx weiter zur Reaktion gebracht.
Im Oxidations-Katalysatorbett 9 werden Kohlenwasserstoffe aufoxidiert und CO zu CO2 konvertiert.

Claims (7)

1. Katalysatoranordnung zur Reduktion von Stickoxiden in einem Abgas, das in einem weiten Abgastemperaturbereich anfällt, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung des Abgases hintereinander wenigstens zwei Katalysatorbetten (7, 8) aus unterschiedlichen Katalysatormaterialien zur Reduktion von Stickoxiden angeordnet sind und daß die unterschiedlichen Katalysatormaterialien ihre stärkste katalytische Wirkung in unterschiedlichen, benachbarten Teilbereichen des Abgastemperaturbereichs aufweisen.
2. Katalysatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ammoniakzufuhr vor dem in Strömungsrichtung des Abgases vorderen Katalysatorbett (7) angeordnet ist.
3. Katalysatoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatorbett (7), dessen Wirkungsoptimum in einem höheren Temperaturbereich liegt, in Strömungsrichtung vor dem anderen Katalysatorbett (8) angeordnet ist.
4. Katalysatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatormaterial für den höheren Teilbereich der Abgastemperatur auf der Basis von Eisensulfat besteht.
5. Katalysatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatormaterial für den niedrigeren Temperaturbereich aus einer Mischung aus Titanoxid und Vanadiumpentoxid oder Eisenoxid und Chromoxid basiert.
6. Katalysatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem in Strömungsrichtung vorderen Katalysatorbett (7) ein Rußpartikelfilter (3) mit Temperaturspitzenpuffer (4) vorgeschaltet ist.
7. Katalysatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem in Strömungsrichtung hinteren Katalysatorbett (8) ein Oxidations-Katalysatorbett (9) nachgeordnet ist.
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