DE60032850T2

DE60032850T2 - Verfahren und Einrichtung zur Reinigung der Abgase von Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE60032850T2
Application number: DE60032850T
Authority: DE
Inventors: Jean-Marie Delpy; Eric Severin
Original assignee: TSO
Current assignee: TSO
Priority date: 1999-10-29
Filing date: 2000-10-27
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2020-10-28
Also published as: DE60032850D1; FR2800298A1; EP1095692A1; EP1095692B1; FR2800298B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anlage zur Reinigung der Abgase von Brennkraftmaschinen und insbesondere von Dieselmotoren, die in einer geschlossenen Atmosphäre arbeiten.
Die Erfindung kommt insbesondere bei der Reinigung der Abgase von Kleinlokomotiven von Arbeitszügen oder Maschinen zur Anwendung, die auf unterirdischen Gleisen oder in Tunneln arbeiten.
Ziel der Erfindung ist es, ein System zur Reinigung der Abgase bereitzustellen, das im Vergleich zu den gegenwärtigen Anlagen sehr stark verbesserte Leistungseigenschaften und geringe Betriebskosten aufweist.
Die Erfindung besteht in einem Verfahren, bei dem nacheinander folgende Schritte ausgeführt werden:

– Erwärmen der Abgase auf eine Temperatur im Bereich von 300 °C bis 450 °C und vorzugsweise in der Größenordnung von 350 °C bis 360 °C,
– Behandeln der Kohlenstoffoxide und der Kohlenwasserstoffe mittels katalytischer Oxidation,
– Zugabe eines Reagens, wie Harnstoff oder Ammoniak,
– Behandeln der Stickoxide mittels katalytischer Reduktion,
– Abkühlen des Gasstroms,
– Behandeln der Schwefeloxide durch Mischen des Gasstroms mit Wasser in einem Venturi-Wascher,
– Einblasen des Gasstroms in das Wasser,

Ein solches Reinigungssystem gestattet es, bei den Dieselmotorabgasen von Kleinlokomotiven in allen Betriebszuständen und insbesondere bei Leerlauf mit einem auf das Minimum reduzierten Leistungsverlust eine Effizienz in der Größenordnung von mindestens 80 bis 90 % für Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe, Stickoxide und Schwefeloxide zu erzielen. Es vermeidet das Zurückgreifen auf Aktivkohle, deren Nutzungskosten sehr hoch sind.
Gemäß anderen Merkmalen der Erfindung:

– erfolgt die Regulierung mittels eines Ausgangssignals, das durch einen Vergleich des momentanen Betriebszustandes des Motors mit der theoretischen Kurve der Stickoxidemissionen des Motors abhängig von dessen Drehzahl erhalten wird, um ein Ausgangssignal für einen Einspritzregler zu liefern;
– verwendet man zum Erwärmen einen Ölbrenner, zum Behandeln der Kohlenstoffoxide und der Kohlenwasserstoffe ein Reaktionsgefäß mit Bienenwabenstruktur und einem metallischen Träger, der Platin enthält, und zum Behandeln der Stickoxide ein Reaktionsgefäß mit Bienenwabenstruktur und einem metallischen Träger, der Vanadiumpentoxid enthält.

Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Reinigungsanlage, die insbesondere zur Durchführung des obigen Verfahrens vorgesehen ist, in Form eines an eine Kleinlokomotive ankoppelbaren Wagens, der mit Mitteln zur Steuerung zwischen dem Betriebszustand des Motors der Kleinlokomotive und der Versorgung mit Reagens sowie mit Mitteln zur automatischen Steuerung der Inbetriebnahme und der Abschaltung der Anlage vom Führerstand der Kleinlokomotive aus versehen ist.
Ziel der Erfindung ist insbesondere eine Anlage, bei der vom Einlaß der Abgase bis zu deren Abzug nacheinander angeordnet sind: Mittel zum Erwärmen des Gasstroms, ein Reaktionsgefäß zur katalytischen Oxidation der Kohlenstoffoxide und der Kohlenwasserstoffe, eine Vorrichtung zum Einspritzen von Reagens, ein Reaktionsgefäß zur katalytischen Reduktion der Stickoxide, ein Wärmetauscher, ein Venturi-Schwefeloxidwascher und ein Sprühwassertank, wobei die Anlage einen programmierten Automaten zum Regulieren des Einspritzens von Reagens aufgrund einer Datenfassung über den momentanen Drehzahlzustand des die zu reinigenden Gase abgebenden Motors umfaßt.
Gemäß weiteren Merkmalen der Erfindung:

– ist der programmierte Automat in der Lage, den momentanen Betriebszustand des Motors mit der theoretischen Kurve der Stickoxid-Emissionen des Motors abhängig von dessen Drehzahl zu vergleichen, um ein Ausgangssignal für einen Einspritzregler zu liefern;
– umfaßt die Anlage Bypass-Mittel, die am Einlaß der Abgase in die Anlage angeordnet sind;
– weist die Anlage von den Bypass-Mitteln beabstandete Steuermittel auf;
– ist die Anlage auf einem an eine Kleinlokomotive ankoppelbaren Eisenbahnwaggon angeordnet und umfaßt Mittel zur nachgiebigen Verbindung zwischen dem Auspuffrohr der Kleinlokomotive und dem Gaseinlaß der Anlage.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung einer solchen Anlage, aus der ihre Merkmale hervorgehen, und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen besser verständlich. Es zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht einer Kleinlokomotive, an die ein Waggon angekoppelt ist, der eine erfindungsgemäße Reinigungsanlage trägt, und
2 eine Draufsicht der in 1 gezeigten fahrbaren Anordnung.
In den Figuren ist eine Kleinlokomotive 1 zu sehen, die mit einem Dieselmotor eines üblicherweise bei Gleisbauarbeiten verwendeten Typs, wie z. B. dem unter der Bezeichnung 3512 der Marke Catapillar bekannten, versehen ist. An diese Kleinlokomotive 1 ist ein Plattformwaggon 2 angekoppelt, der die Reinigungsanlage trägt, welche noch genauer beschrieben werden wird.
An der Kleinlokomotive 1 werden die Abgase des Motors von einem steifen Rohr 3 aufgenommen, das oberhalb der Kleinlokomotive horizontal bis zu einem Arm 4 verläuft, der nahe dem Heck der Kleinlokomotive angeordnet ist. An seinem freien Ende ist das Rohr 3 mit einem elastischen Halter 5 verbunden, dessen anderes Ende mit einem Gehäuse 6 zum Einlassen der Gase in die Reinigungsanlage verbunden ist.
Aus 1 ist ersichtlich, daß das Gehäuse 6 eine Bypass-Vorrichtung in Form einer Klappe 7 umfaßt, deren Öffnung das Ausstoßen der Verbrennungsgase direkt ins Freie gestattet, wenn die Kleinlokomotive 1 an einem nicht geschlossenen Ort betrieben wird. Funksteuermittel, die im Führerstand der Kleinlokomotive 1 eingebaut sind, gestatten es dem Lokführer, die Inbetriebnahme der Anlage und insbesondere das Öffnen oder Schließen der Klappe 7 per Fernbedienung auszuführen, ohne seinen Fahrstand zu verlassen und ohne seinen Zug anzuhalten.
Nach ihrem Einlassen strömen die Abgase zunächst in einen Erwärmer 8, der mit einem Ölbrenner ausgestattet und mit einer Wärmesonde versehen ist, welche den Betrieb des Brenners steuert, um die Abgase bis auf eine Solltemperatur im Bereich von 300° bis 400 °C zu erwärmen.
Dieses Erwärmen dient dem Zweck, die Gase auf eine Temperatur zu bringen, die ausreicht, um die katalytischen Reaktionen zu ermöglichen, die sich anschließen.
In der Praxis werden die Abgase bei einer Temperatur von etwa 150° bis 170° in die Anlage eingelassen und vom Erwärmer auf eine Temperatur von etwa 350° bis 360 °C gebracht.
Der Erwärmer besteht üblicherweise aus einem Brenner, einer Pumpe, einem Verbrennungsluftgebläse, einem motorgesteuerten Luftregelventil und einem Schaltkasten. Alle diese Vorrichtungen sind hinlänglich bekannt und werden nicht im einzelnen beschrieben; wobei in den Zeichnungen lediglich die Aufbauten des Erwärmers 8 und seines Schaltkastens 9 angedeutet sind.
Am Auslaß des Erwärmers 8 treten die Gase in ein erstes Reaktionsgefäß 11 zur katalytischen Oxidation des Kohlenmonoxids und der Kohlenwasserstoffe ein.
Das Reaktionsgefäß besteht in an sich bekannter Weise aus einer metallischen Bienenwabenstruktur, die mit Platin imprägniert ist.
Bei der katalytischen Oxidation werden Kohlenmonoxid (CO), Aldehyde (R-CHO) und Kohlenwasserstoffe (HC) behandelt. Während die Gase durch das Reaktionsgefäß strömen, werden sie in folgender Weise zu Wasser und Kohlendioxid umgewandelt:

• Kohlenmonoxid: 2CO + O₂ = 2CO₂
• Aldehyde: HCHO + O₂ = CO₂ + H₂O
• Kohlenwasserstoffe: CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O.

Solche Reaktionsgefäße für die katalytische Oxidation sind auf dem Markt unter der Handelsmarke Johnson Mattey verfügbar.
Am Auslaß dieses ersten Reaktionsgefäßes werden die Gase einer Zerstäubung eines Reagenzes, wie Harnstoff oder Ammoniak, in einer Kammer 12 unterzogen, bevor sie in ein zweites Reaktionsgefäß 13 zur katalytischen Reduktion gelangen, in dem die Stickoxide (NO, NO₂) behandelt werden. Der Tank für das Reagens ist in den Figuren mit 20 bezeichnet.
Das zweite Reaktionsgefäß des unter der Handelsbezeichnung SCR (Selective Catalytic Reduction) von Johnson Mattey bekannten Typs, besteht aus einer metallischen Bienenwabenstruktur, die mit Vanadiumpentoxid imprägniert ist.
Die Abgase, die zuvor mit zerstäubtem Reagens, im vorliegenden Fall Harnstoff, vermischt wurden, werden beim Strömen in das Reaktionsgefäß in folgender Weise zu Stickstoff und Wasser umgewandelt:

• Stickstoffmonoxid: 6NO + 3NH₂-CO-NH₂ + 3/2O₂ = 6N₂ + 6H₂O + 3CO₂
• Stickstoffdioxid : 2NO₂ + 2NH₂-CO-NH₂ + O₂ = 3N₂ + 4H₂O + 2CO₂.

Als Variante kann als Reagens statt Harnstoff auch Ammoniak verwendet werden. In diesem Fall erfolgt die katalytische Reaktion folgendermaßen:

• Stickstoffmonoxid: 4NO + 4NH₃ + O₂ = 4N₂ + 6H₂O
• Stickstoffdioxid : 6NO₂ + 8NH₃ = 7N₂ + 12H₂O.

Die Reaktionen benötigen eine Temperatur im Bereich von 350 bis 450° in der katalytischen Anlage.
Die Erfindung sieht vor, das Einspritzen des Reagens abhängig vom Stickoxidgehalt der vom Dieselmotor erzeugten Abgase zu regulieren, um die Effizienz des Reaktionsgefäßes 13 bei der Behandlung der Stickoxide zu optimieren.
Zu diesem Zweck wird die Einspritzmenge des Reagens durch einen programmierten Automaten gesteuert, der den aktuellen Betriebszustand des Dieselmotors mit der theoretischen Kurve der Stickoxid-Emissionen des Motors abhängig von seiner Drehzahl vergleicht, um ein Ausgangssignal für den Einspritzregler zu liefern. Die Bezugszeichen 18 und 19 stehen jeweils für den Verdichter und die Luftreserve der Einspritzvorrichtung.
Es ist wichtig, daß das Reaktionsgefäß zur Behandlung der Stickoxide 13 in der katalytischen Anlage hinter dem Reaktionsgefäß 11 zur Behandlung der Kohlenstoffoxide und der Kohlenwasserstoffe angeordnet wird. Wenn diese Anordnung umgekehrt würde, bestünde sogar die Gefahr einer zufälligen Erzeugung von Stickoxiden durch das Reaktionsgefäß 11 im Fall einer Reglerverstellung der Harnstoffeinspritzung.
Am Auslaß des Reaktionsgefäßes 13 werden die Gase durch Einleiten in einen Wärmetauscher 14, der durch eine Anordnung von Rohren gebildet ist, welche durch eine Abstrahlanordnung in Bienenwabenform laufen und einer Zwangsbelüftung unterzogen sind, auf eine Temperatur von etwa 170 °C abgekühlt.
Am Auslaß des Tauschers 14 strömen die Gase in einen Venturi-Wascher 15, in dem sie einem sehr intensiven Vermischen mit aus einem Tank 16 stammendem Wasser unterzogen werden, wodurch die Schwefeloxide (SO_x) im Wasser gelöst werden.
Im dargestellten Beispiel ist aus 2 ersichtlich, daß der Venturi-Wascher 15 aus zwei miteinander gekoppelten Türmen gebildet ist, wobei diese Anordnung jedoch nicht einschränkend ist.
Im Tank 16 wird das Wasser durch Zugabe von aus einem Tank 10 stammendem Natriumcarbonat neutralisiert.
Nach dem Einblasen in den Behälter 16 werden die Abgase über den Abzugskanal 17 ins Freie abgezogen.
Die Erfindung ist nicht auf die soeben beschriebene Ausführungsform beschränkt; beispielsweise können die Heizmittel durch Ölbrenner mit Strom- oder Gasheizmitteln ersetzt werden.
Zudem ist die beschriebene Anlage zwar auf einem Waggon montiert, doch sie kann auch, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, gemäß ihren besonderen Anwendungen auf einem Transportanhänger oder Behälter angeordnet oder feststehend ausgebildet sein.

Claims

Verfahren zur Reinigung der Abgase von Brennkraftmaschinen, bei dem die folgenden Schritte nacheinander ausgeführt werden: – Erwärmen der Abgase auf eine Temperatur im Bereich von 300 °C bis 450 °C und vorzugsweise in der Größenordnung von 350 °C bis 360 °C, – Behandeln der Kohlenstoffoxide und der Kohlenwasserstoffe mittels katalytischer Oxidation, – Zugabe eines Reagens, wie Harnstoff oder Ammoniak, – Behandeln der Stickoxide mittels katalytischer Reduktion, – Abkühlen des Gasstroms, – Behandeln der Schwefeloxide durch Mischen des Gasstroms mit Wasser in einem Venturi-Wascher, – Einblasen des Gasstroms in das Wasser, wobei die Zugabe des Reagenzes abhängig vom Stickoxidgehalt der vom Motor erzeugten Abgase reguliert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regulierung mittels eines Ausgangssignals erfolgt, das durch einen Vergleich des momentanen Betriebszustandes des Motors mit der theoretischen Kurve der Stickoxidemissionen des Motors abhängig von dessen Drehzahl erhalten wird, um ein Ausgangssignal für einen Einpritzregler zu liefern.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man – zum Erwärmen einen Ölbrenner, – zum Behandeln der Kohlenstoffoxide und der Kohlenwasserstoffe ein Reaktionsgefäß mit Bienenwabenstruktur und einem metallischen Träger, der Platin enthält, und – zum Behandeln der Stickoxide ein Reaktionsgefäß mit Bienenwabenstruktur und einem metallischen Träger, der Vanadiumpentoxid enthält, verwendet.
Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der vom Einlaß der Abgase bis zu deren Abzug nacheinander angeordnet sind: Mittel zum Erwärmen des Gasstroms (8), ein Reaktionsgefäß (11) zur katalytischen Oxidation der Kohlenstoffoxide und der Kohlenwasserstoffe, eine Vorrichtung (12, 20) zum Einspritzen von Reagens, ein Reaktionsgefäß zur katalytischen Reduktion (13) der Stickoxide, ein Wärmetauscher (14), ein Venturi-Schwefeloxidwascher (15) und ein Sprühwassertank (16), wobei die Anlage einen programmierten Automaten zum Regulieren des Einspritzens von Reagens aufgrund einer Datenerfassung über den momentanen Drehzahlzustand des die zu reinigenden Gase abgebenden Motors umfaßt.
Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der programmierte Automat in der Lage ist, den momentanen Betriebszustand des Motors mit der theoretischen Kurve der Stickoxid-Emissionen des Motors abhängig von dessen Drehzahl zu vergleichen, um ein Ausgangssignal für einen Einspritzregler zu liefern.
Anlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie Bypass-Mittel (6, 7) umfaßt, die am Einlaß der Abgase in die Anlage angeordnet sind.
Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie von den Bypass-Mitteln (6, 7) beabstandete Steuermittel aufweist.
Anlage nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf einem an eine Kleinlokomotive (1) ankoppelbaren Eisenbahnwaggon angeordnet ist und Mittel zur nachgiebigen Verbindung zwischen dem Auspuffrohr (3) der Kleinlokomotive und dem Gaseinlaß der Anlage umfaßt.