DE60020712T2

DE60020712T2 - System zur neutralisation von gasförmigen verunreinigungen durch pyrolyse

Info

Publication number: DE60020712T2
Application number: DE60020712T
Authority: DE
Inventors: Claude Roux
Original assignee: Browston Trading S A; BROWSTON TRADING SA
Current assignee: Browston Trading S A; BROWSTON TRADING SA
Priority date: 1999-01-19
Filing date: 2000-01-19
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2020-01-20
Also published as: EA002866B1; CN1344177A; DE60020712D1; CN1134284C; US6919049B1; WO2000043094A2; EP1200177A2; WO2000043094A3; ATE297246T1; FR2788448B1; JP2002535540A; MXPA01007342A; BR0007605A; EP1200177B1; AU3055800A; FR2788448A1; CA2359044A1; EA200100995A1; AU767023B2

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Neutralisierung von gasförmigen Verunreinigungen durch Pyrolyse von Schwebeteilchen und -russ, die insbesondere von Benzin- oder Dieselverbrennungsmotoren oder von allen Arten industrieller Feuerungen wie Abfallverbrennungsanlagen, die schädliche Rauchgase erzeugen, ausgestossen werden.
Es ist bekannt, dass insbesondere die Verbrennung der Treibstoffe, mit denen Benzin- und Dieselverbrennungsmotoren versorgt werden, nie ausgeglichen und vollständig sein kann, und zwar insbesondere wegen eines Mangels an Luft zum Zeitpunkt von Übergängen und wegen des Vorhandenseins hauptsächlich von Schadstoffen wie Kohlenmonoxid CO, nicht oder nur teilweise verbrannten Kohlenwasserstoffen HC, Stickoxiden NO_x und festen Stoffen wie Teilchen und Russ im Auspuff. Das Auftreten von Teilchen oder Russ ist das Ergebnis einer Vergasung mit zu wenig Luft. Es wird insbesondere bei Übergängen wie dem Anfahren bei Umschalten der Ampeln auf Grün, den Geschwindigkeitsänderungen auf flacher Strecke, auf Steigungen und bei Beschleunigungen beobachtet.
Man kennt bereits Systeme zur Behandlung dieser Verunreinigungen wie die „Katalysatortöpfe" der Personenwagen und in jüngerer Zeit der Diesellastwagen, die Katalysatoren einsetzen, die dafür bestimmt sind, hauptsächlich das Kohlenmonoxid, die nicht oder nur teilweise verbrannten Kohlenwasserstoffreste und die Stickoxide NO_x zu oxidieren. Die bei diesem Typ von Systemen vorhandenen Nachteile liegen insbesondere in der Schwierigkeit, ein Metall oder Metalloxid auszuwählen, das als Katalysator diese Reaktionen wirksam beschleunigen kann. Ein Katalysator, der NO_x über N₂ hinaus zu N₃H reduziert, ist unzweckmässig, weil sich das in die Atmosphäre freigesetzte Ammoniak wieder zu NO_x oxidiert. Ein weiterer wichtiger Nachteil dieses System zeigt sich beim Kaltstart des Verbrennungsmotors und bis zu dem Zeitpunkt, da der Abgaskatalysator seine optimale Arbeitstemperatur erreicht hat. Während dieser Zeit sind die Schadstoffemissionen nicht nur nicht verringert, sondern erhöht. Dieser Nachteil zwingt zur Wahl von teuren Edelmetallen wie zum Beispiel dem Platin, das bei tieferer Temperatur wirkt. Ausserdem wird der im Benzin vorhandene Schwefel SO₂ durch die Katalyse zu SO₃ oxidiert, woraus Schwefelsäure entsteht. Allgemein sind die Abgaskatalysatoren sehr teuer, verringern die Motorenleistung, erhöhen den Treibstoffverbrauch und das Leergewicht der Fahrzeuge, neutralisieren nur einen Teil der Verunreinigungen und sind von begrenzter Wirkung. Was die „Gaswaschverfahren" betrifft, so sind sie übermässig teuer.
Systeme sind ebenfalls bekannt, die dafür bestimmt sind, durch Verbrennung die Teilchen zu zerstören, die in den von Dieselmotoren ausgestossenen Verunreinigungen enthalten sind. Diese Verbrennung hinterlässt giftige kohlenstoffhaltige Rückstände. Man kennt auch Teilchenfilter, aber diese sind sehr rasch verstopft und müssen entweder ausgetauscht oder mit einem Regeneriersystem ergänzt werden, was die Kosten erhöht.
Im Dokument WO 92/14042 A wird ein System zur Neutralisierung von gasförmigen Verunreinigungen beschrieben, das einen Pyrolyseofen umfasst, der so eingerichtet ist, dass er die Rückstände aus der unvollständigen Verbrennung durch Organe, die eine grosse Austauschoberfläche aufweisen, zurückhält und zerstört. Im Dokument FR-A-2 702 004 wird erwähnt, dass bei der thermischen Zerstörung von Rückständen aus der unvollständigen Verbrennung durch Pyrolyse diese Rückstände nur teilweise oxidiert werden, was Staub liefert. Weiter wird ein Schalldämpfer bei der Pyrolyse von Rückständen aus der unvollständigen Verbrennung erwähnt. Im Dokument DE 14 76 627 A wird eine Filtervorrichtung offenbart, in der Filtereinheiten (37, 44, 46) und Schalldämpfereinheiten kombiniert sind. Im Dokument GB-A-1 396 607 wird ein System zur Neutralisierung von gasförmigen Verunreinigungen beschrieben, das einen Pyrolyseofen umfasst, der aus einem Satz linearer, austauschbarer elektrischer Widerstände 26a bis 26e besteht, die zwischen isolierenden Platten 45 quer durch den Ofen aufgehängt sind. Die Austauschfläche dieser Widerstände für die den Ofen durchströmenden Verunreinigungen ist gering und wenig wirksam. Im Dokument WO 90/04707 A wird ein System zur Neutralisierung von gasförmigen Verunreinigungen beschrieben, das einen Stapel von Metallplatten umfasst, deren jede auf ihrer ganzen Oberfläche eine Mehrzahl von Protuberanzen trägt, wobei die Platten spiralförmig aufgerollt und in die Kammer eines zylindrischen Pyrolyseofens eingesetzt sind. Diese Platten können so eingerichtet werden, dass sie als elektrische Widerstände wirken.
Das zu lösende Problem besteht insbesondere darin,

– ein einfaches und robustes System zur Verfügung zu stellen, das die Emissionen von Verunreinigungen der Auspuffgase von Verbrennungsmotoren und die Emissionen unterschiedlicher Anlagen beträchtlich verringert, und zwar auf ein weit unter das durch bereits bekannte Systeme erreichte Niveau und den schärfsten Normen entsprechend;
– dieses System bei gleicher Leistung zum gleichen und bevorzugt zu einem geringeren Preis als dem der herkömmlichen Mittel zur Verfügung zu stellen;
– zu vermeiden, dass ein Druckabfall entsteht, der bei Verbrennungsmotoren den Treibstoffverbrauch erhöht und die Leistung verringert;
– die Lebensdauer des Systems bedeutend zu verlängern.

Einer ersten Ausführungsform zufolge besteht die Austausch- und Pyrolyseoberfläche aus einem Satz von Kugeln, deren jede über die ganze Oberfläche hinweg eine Mehrzahl von Protuberanzen (1, 2, 3) zum Beispiel vom Typ der Diamantspitzen oder dergleichen aufweist. Die Kugeln, deren jede eine Mehrzahl von Protuberanzen aufweist, sind aus Kalkstein oder einem Stein beliebiger Natur gearbeitet. Die Kugeln können auch durch Guss aus Mineralienpulver, bevorzugt Kalkpulver, geformt werden.
Die Kugeln mit ihren Protuberanzen können in zwei verschweissten Teilen aus einem Metall mit einer guten Wärmeleitfähigkeit in Gestalt sehr dünner Folie gezogen werden. Diese Kugeln werden in geeigneter Abmessung verpackt und in einen Pyrolyseofen entsprechender Abmessungen eingesetzt.
Einer zweiten Ausführungsform zufolge bestehen die Mittel zur Neutralisierung der gasförmigen Verunreinigungen, die eine sehr grosse Austauschoberfläche aufweisen, aus einem Stapel sehr dünner Metallplatten mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, deren jede über die ganze Oberfläche hinweg eine Mehrzahl von bevorzugt identischen Protuberanzen aufweist, die bezüglich der Richtung der Gasströmung versetzt ausgetrieben sind. Diese Pyrolyseplatten werden in einen thermisch isolierten Ofen von rechteckigem oder quadratischem Querschnitt eingesetzt.
Einer dritten Ausführungsform zufolge bestehen die Mittel zur Neutralisierung der gasförmigen Verunreinigungen, die eine sehr grosse Austauschoberfläche aufweisen, aus einer einzigen Pyrolyseplatte, die spiralförmig aufgerollt und in die Kammer eines thermisch isolierten zylindrischen Ofens eingesetzt wird. Das Aufheizen dieser aufgerollten Platte erfolgt durch Anlegen von Spannung gerade vor dem Anlassen des Motors, indem sie als ein elektrischer Widerstand genutzt wird.
Einer vierten Ausführungsform zufolge bestehen die Mittel zur Neutralisierung der gasförmigen Verunreinigungen aus einem Satz austauschbarer elektrischer Widerstände, die zu einer Flachspirale aufgerollt und in einer thermisch isolierten Kammer gestapelt werden. Das Aufheizen der Pyrolyseaustauschoberfläche erfolgt beim Anlassen des Motors durch eine Entladung von Kondensatoren geeigneter Kapazität. Der Pyrolyseofen wird so nahe wie möglich am Motor angeordnet und ist ebenso wie das Gasauspuffrohr zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Pyrolyseofen gänzlich thermisch isoliert, um Wärmeverluste zu vermeiden.
Das erfindungsgemässe System besteht aus Moduln, die zusammengesetzt oder integriert werden und die je nach dem Gesamtstrom und der Natur der gasförmigen Verunreinigungen aus allen oder einem Teil der folgenden Moduln ausgewählt werden: Pyrolyseofenmodul, Modul für die Filterung von Teilchen und HC und für die Reinigung der gasförmigen Verunreinigungen, Modul für die Schalldämpfung und Gastemperaturverringerung.
Bei grossen oder sehr grossen Strömen von gasförmigen Verunreinigungen wird die Pyrolysefunktion durch eine Batterie von Öfen sichergestellt, die am Eintritt und Austritt ein Sammelrohr aufweist und wenn erforderlich mit einer Rauchgasabsaugung zusammenwirkt.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind die folgenden:

– sehr bedeutende Verringerung der gasförmigen Verunreinigungen;
– verlängerte Lebensdauer gegenüber den klassischen Abgaskatalysatoren durch das Fehlen von Feuchtigkeit und die kontinuierliche Regeneration des Pyrolyseofens durch Vibrationen;
– die Möglichkeit, extra flache und sehr kompakte Systeme für alle Motorleistungen zu realisieren;
– kein Leistungsverlust der Motoren;
– kein Treibstoffmehrverbrauch;
– wenig zusätzliches Gewicht im Vergleich zu den klassischen Abgaskatalysatoren;
– vom Starten des Motors an funktionsfähig;
– für alle fest installierten Motoren geeignet;
– einsetzbar für die Verringerung der Industrieabgase und der Abgase von Gebäudeölheizanlagen.

Die Erfindung wird im folgenden Text eingehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die beispielhaft und nicht einschränkend gegeben werden und in denen:
1 bis 4 schematische Beispiele der Mittel für eine Realisierung von pseudokugelförmigen Austausch- und Pyrolyseoberflächen des erfindungsgemässen Systems für einen Diesel- oder Benzinmotor zeigen;
5 schematisch in einer Schnittansicht von vorn ein Beispiel für die Realisierung der Austausch- und Brennoberfläche zeigt, die aus einem Satz von hohlen Metallkugeln besteht, die Protuberanzen tragen, eingesetzt in eine dichte, thermisch isolierte Kammer;
6 schematisch in einer Schnittansicht von vorn ein Beispiel für die Realisierung der Austausch- und Pyrolyseoberfläche zeigt, die aus einem Satz von Mineralienkugeln besteht, die Protuberanzen tragen, eingesetzt in eine dichte, thermisch isolierte Kammer, nachdem ein Metallstrumpf und Scheiben, die aus Spänen aus nichtrostendem Stahl bestehen, dazwischengefügt wurden;
7 schematisch in. einer Ansicht von vorn ein Beispiel für einen Abgaskatalysator des bekannten Typs zeigt;
8 schematisch in einer Ansicht von vorn ein Beispiel für einen kompletten erfindungsgemässen Pyrolysetopf für Lastwagen, Autobusse, Baustellenfahrzeuge usw. zeigt.
Wie in 1 bis 3 dargestellt, besteht das erfindungsgemässe Beispiel einer grossen Austausch- und Pyrolyseoberfläche zur Trocknung der Auspuffgase, Zurückhaltung und raschen Pyrolyse der Teilchen und der nicht oder nur teilweise verbrannten HC aus Protuberanzen, die aus der Oberfläche von Mineralienkugeln gearbeitet sind. Die Gestalt dieser identischen Protuberanzen ist bevorzugt diejenige, die die grösste Oberfläche für den Austausch mit den Gasen bietet. Sie können zum Beispiel eine diamantspitzenartige (2), spitzere (1) (gleichschenklige Pyramiden), halbkugelförmige (3) oder noch andere Gestalt besitzen, die durch Bearbeitung oder Formen von Mineralienstaub 1 (wie Kalkstaub) unter Druck leicht gewonnen werden kann. Durch Gussformen können auch andere Gestalten als Kugeln erhalten werden, die diese Protuberanzen tragen, aber Kugeln werden bevorzugt, weil sie bei gleichem Volumen die grösste Austauschoberfläche bieten und die Gaszirkulation erleichtern.
In 4 ist das Beispiel einer hohlen Kugel aus dünnem Blech von ungefähr 0,4 mm Dicke dargestellt, die diamantspitzenartige Protuberanzen trägt und die als Hälften 6 und 7 getrieben und zum Beispiel elektrisch oder mit Ultraschall verschweisst wurde. Das Material wird unter Stoffen ausgewählt, die die beste Wärmeleitfähigkeit bieten und gut der Korrosion durch Auspuffgase oder andere giftige Abgase widerstehen. Beispielsweise beträgt der Durchmesser der Kugeln etwa 20 mm für leichte Fahrzeuge, 50 mm für Busse und 60 mm für Lastwagen. Die Menge der Kugeln hängt vom Gesamtstrom der zu neutralisierenden Verunreinigungen ab.
Die Protuberanzen haben als erste Funktion die Verringerung der thermischen Trägheit der Kugeloberflächen, indem sie praktisch augenblicklich nach Anlassen des Verbrennungsmotors die Temperatur der Auspuffgase annehmen und die Kugeln nicht durch und durch erhitzt werden müssen, um wirksam zu sein. Sie stellen eine Masse für die Wärmeakkumulation dar. Die Protuberanzen haben als zweite Funktion die Vervielfachung der Oberfläche des Austauschs mit den Gasen und die Zurückhaltung der Teilchen und der nicht oder nur teilweise verbrannten Rückstände. Diese bleiben umso leichter an den Protuberanzen hängen, als ihre Abmessungen klein sind, und brennen sehr rasch. Die Protuberanzen haben als dritte Funktion die Erleichterung des Gasdurchgangs, indem sie keinen Druckabfall hervorrufen, der die Motorenleistung verringert.
Durch die Pyrolyse der Teilchen und des Russes wird deren Volumen beträchtlich verringert bzw. verschwinden diese praktisch vollkommen. Nach der Pyrolyse enthalten die Rückstände der Teilchen keinen giftigen Kohlenstoff CO mehr. Dieser wird in ungiftiges CO₂ umgewandelt. Die HC werden ebenfalls durch die Pyrolyse umgewandelt und unschädlich gemacht. Die Feuchtigkeit H₂O, die durch die Verbrennung des Treibstoffs erzeugt wird, wird beim Durchgang durch die Kugeln eliminiert. Die sehr geringen Rückstände der Teilchen und der HC werden schliesslich durch vom Fahren und vom Gasdurchgang hervorgerufene Vibrationen abgestreift, was die Austauschflächen dauernd regeniert. Dieses sehr geringe Rückstandsvolumen wird durch den Gasdruck in die nachfolgende Filtersektion weggeführt.
Die Mineralien- oder hohlen Metallkugeln stellen eine erste Möglichkeit für die Realisierung der Austausch- und Pyrolyseoberfläche dar. Insbesondere im Falle von Kugeln grossen Durchmessers sind die Durchgangsbereiche zwischen den Kugeln gross und ermöglichen den Durchgang von Teilchen und Russ, die nicht oder ungenügend neutralisiert sind.
5 zeigt schematisch in einer Schnittansicht von vorn ein Beispiel eines zylindrischen Pyrolyseofens 38 mit einer von einer Wärmedämmung 40 umgebenen zylindrischen Wandung 39, dessen Austauschoberfläche aus einem Satz von hohlen Metallkugeln 7 besteht, die Protuberanzen tragen und im Voraus in einem Netz aus nichtrostendem Stahl auf das Volumen des Ofens verpackt und vor Einbau der Abschlusswand 41 oder 42 eingesetzt worden sind. Die Anzahl und der Durchmesser der Kugeln sowie der Durchmesser und die Länge des Ofens hängen vom Gesamtstrom der Gase und ihrer Natur ab (Benzin, Diesel oder in Nichtfahrzeuganwendungen noch andere).
6 zeigt schematisch in einer Schnittansicht von vorn ein Beispiel eines zylindrischen Pyrolyseofens 44 mit einer von einer Wärmedämmung 46 umgebenen dichten Wand 45, dessen Austauschoberfläche aus einem Satz von Mineralienkugeln 1, 2 oder 3 besteht, die Protuberanzen tragen und im Voraus in einem Netz aus nichtrostendem Stahl auf das Volumen des Ofens verpackt, in einen Strumpf 47 eingesetzt und vor Einbau der Abschlusswand 48 oder 49 an Ort und Stelle gebracht worden sind, nachdem Scheiben 50, 51 dazwischen eingefügt worden sind, die aus einem geflochtenem Draht aus nichtrostendem Stahl bestehen, im Schnitt drei sehr scharfe Kanten aufweisen und ebenfalls im Voraus in ein Netz aus nichtrostendem Stahl gepackt worden sind. Die Teilchen und der Russ werden durch Auftreffen auf diesen Draht und seine in der Scheibe infolge der Verflechtung hintereinanderliegenden Kanten fragmentiert. Dieser Draht kann in Gestalt eines kontinuerlichen Drehspans gewonnen werden. Danach wird er verflochten. Durch ihre Natur wirkt diese Scheibe als Schalldämpfer, um den Schallpegel der Auspuffgase abzusenken.
Die Anzahl und der Durchmesser der Kugeln sowie der Durchmesser und die Länge des Ofens hängen vom Gesamtstrom der Gase und ihrer Natur ab (Benzin, Diesel oder in Nichtfahrzeuganwendungen noch andere).
7 zeigt eine Konfiguration des klassischen Abgaskatalysators mit einem Katalysemodul 65, einem Filterzwischenmodul 66 und einem Schalldämpfermodul 67.
8 zeigt schematisch die vollständigste Konfiguration des erfindungsgemässen Systems für Motoren grosser Leistung. Diese Konfiguration besteht aus Moduln, die durch Einsetzen ihrer Eintrittsrohre und ihrer Austrittsrohre zusammengefügt worden sind. Ein gleicher Modultyp kann in einer Auswahl von verschiedenen Längen und/oder Querschnitten realisiert werden, wodurch in Abhängigkeit vom Gesamtstrom und der Natur der Gase und von der Dichte ihrer Belastung mit zu verbrennenden Teilchen oder Russ Systeme für vorbestimmte Leistungsbereiche zusammengestellt werden können, indem unter allen oder einem Teil der folgenden Moduln ausgewählt wird: ein Modul 70 für die Neutralisierung durch Pyrolyse. Diese Funktion könnte beispielsweise auch durch ein ziehharmonikaartig gefaltetes Kohlefilterpaper, ebenfalls in ein Metallnetz verpackt, sichergestellt werden. Dieses Volumen von Filterkohle hat die Funktion, die sehr feinen Pyrolyserückstände aus den vorangehenden Organen zurückzuhalten, die Reduktion der verbleibenden gasförmigen Bestandteile fortzusetzen, die darin noch enthalten sein könnten, und beim Durchgang die verbleibenden gasförmigen Verunreinigungen durch Fortsetzung ihrer Neutralisierung zu reinigen; ein Modul 72 für das Einspritzen eines desodorierenden und neutralisierenden Gases.

Claims

System zur Neutralisierung von Verunreinigungen, die in den insbesondere von Verbrennungsmotoren ausgestossenen Gasen enthalten sind, wobei das System einen Pyrolyseofen umfasst, der, um die Verunreinigungen zurückzuhalten und zu zerstören, mit Kugeln ausgestattet ist, die eine Fläche des Austausches mit diesen Verunreinigungen bei Pyrolysetemperatur aufweisen; dadurch gekennzeichnet, dass jede dieser Kugeln über ihre gesamte Oberfläche hinweg eine Mehrzahl von Protuberanzen (1, 2, 3) umfasst.
System zur Neutralisierung von Verunreinigungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Protuberanzen diamantspitzenartig sind.
System zur Neutralisierung von Verunreinigungen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln aus einem Stein irgendeiner Art gearbeitet sind.
System zur Neutralisierung von Verunreinigungen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln aus Kalkstein gearbeitet sind.
System zur Neutralisierung von Verunreinigungen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln durch Gussformen aus Kalkmineralienpulver hergestellt sind.
System zur Neutralisierung von Verunreinigungen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln als Hälften (6, 7) aus einer Blechtafel mit einer Dicke in der Grössenordnung von 0,4 mm getrieben und dann miteinander verschweisst sind.
System zur Neutralisierung von gasförmigen Verunreinigungen nach einem der Ansprüche 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln hohle Metallkugeln (7) sind und die Kammer (39) des Pyrolyseofens ausfüllen.
System zur Neutralisierung von Verunreinigungen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln Mineralienkugeln sind, die, in ein Netz aus nichtrostendem Stahl gepackt, das in einen Strumpf (47) aus nichtrostendem Stahl eingesteckt ist, nach Dazwischenfügen von Scheiben (50, 51), bestehend aus einem Geflecht von Spänen aus nichtrostendem Stahl, dazu bestimmt, durch Stoss die grossen Teilchen oder nicht bzw. nur teilweise verbrannte Kohlenwasserstoffe zu zerkleinern, und bevorzugt stromaufwärts von den Pyrolysekugeln angeordnet, in die Kammer (45) des Ofens eingeführt werden.