EP2947290B1 - Verfahren zur abgasnachbehandlung - Google Patents

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EP2947290B1
EP2947290B1 EP15167318.3A EP15167318A EP2947290B1 EP 2947290 B1 EP2947290 B1 EP 2947290B1 EP 15167318 A EP15167318 A EP 15167318A EP 2947290 B1 EP2947290 B1 EP 2947290B1
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EP
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reaction zone
thermal
thermoreactor
storage mass
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Friedhelm Hillen
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Innio Jenbacher GmbH and Co OG
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GE Jenbacher GmbH and Co OHG
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Definitions

  • the invention relates to an exhaust aftertreatment device having the features of the preamble of claim 1.
  • exhaust aftertreatment processes are often used.
  • a known from the field of exhaust aftertreatment of caloric power plants process is the regenerative thermal oxidation (RTO), in which unburned hydrocarbons and other oxidizable exhaust gas constituents are thermally oxidized.
  • RTO regenerative thermal oxidation
  • the exhaust gas In the regenerative thermal oxidation of the exhaust gas is first passed through a, usually made of ceramic bulk material or honeycomb bodies, heat storage to finally reach the reaction chamber. In the reaction chamber, the exhaust gas can be further heated by additional heaters until a thermal oxidation of the undesirable exhaust gas constituents can take place.
  • the exhaust gas flows through another heat storage to the exhaust and is released into the environment.
  • the flow direction is changed alternately, whereby the exhaust gas is preheated before reaching the reaction chamber, whereby an energy saving in the further heating of the exhaust gas sets.
  • the additional heating can be set up by gas injection or burner (so-called support gas) or an additional electric heater.
  • the reaction chamber usually has a free flow cross-section, whereby the residence time of the exhaust gas is increased in the reaction chamber and the oxidation can proceed in the form of a gas phase reaction.
  • Particularly relevant among the species to be oxidized in the exhaust gas are carbon monoxide (CO) and methane (CH 4 ).
  • CO carbon monoxide
  • CH 4 methane
  • CL.AIR ® thermal reactor is constructed as a regenerative heat exchanger and consists of two storage masses, a reaction chamber and a switching mechanism.
  • the exhaust gas flows at a temperature of about 530 ° C from the engine via a switching mechanism in a first storage mass, where it is heated to about 800 ° C.
  • the exhaust gas reacts with the existing oxygen, whereby carbon monoxide and unburned hydrocarbons are oxidized to carbon dioxide and water.
  • thermoreactors previously described are designed to oxidize both methane and carbon monoxide. This brings some disadvantages in operation. In order to reduce carbon monoxide, a relatively high temperature and a relatively long residence time are required in the thermoreactor.
  • thermoreactor preferably catalytically oxidized in the thermoreactor.
  • the Parameters in the thermoreactor may be selected to allow for partial oxidation of methane to produce carbon monoxide, instead of being reduced as conventionally provided in thermoreactors.
  • the resulting pretreated exhaust gas thus contains a larger amount of carbon monoxide than in the original exhaust gas while unburned hydrocarbons, especially methane, are already oxidized.
  • a catalytic oxidizer This can be provided, for example, as an oxidation catalyst consisting of a catalyst support medium, as is known, for example, for exhaust aftertreatment from the automotive sector.
  • the oxidation catalyst may be configured by catalytic coating of volume portions of the thermal oxidation catalyst. This can be achieved, for example, by providing volume sections of the ceramic storage material present in the thermal oxidation catalyst with a catalytically active surface or introducing other catalytically active materials.
  • the exhaust gas pretreated in the thermoreactor which is rich in carbon monoxide, strikes the oxidation catalyst for the decomposition of carbon monoxide and there the carbon monoxide is decomposed by catalytic oxidation.
  • the thermal reaction zone and the at least one catalytic reaction zone are arranged in a common housing. This can be realized, for example, by integrating a volume section with catalytically active material into the reaction zone of the thermoreactor.
  • the catalytically active region is formed in the ceramic storage mass of the thermoreactor. This describes the case where a catalytically active region is formed by catalytic coating of part of the surface of the ceramic bulk material of the thermoreactor.
  • the catalytic reaction zone of the thermal reaction zone is connected downstream of the exhaust gas aftertreatment device in a housing separate from the thermal reaction zone in the flow direction of the exhaust gas.
  • This embodiment describes the case where the thermoreactor and the oxidation catalyst are realized as separate components.
  • a thermoreactor is provided which corresponds in terms of its design to the prior art and downstream of which an oxidation catalytic converter is connected downstream.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an internal combustion engine 1, which is connected via the exhaust manifold 2 with the exhaust gas aftertreatment device 3.
  • the flow direction of the exhaust gas through the thermoreactor 11 can be changed.
  • the flow direction of the exhaust gases can first be carried out alternately by the storage mass 5, the thermal reaction zone 7 and the storage mass 6.
  • the exhaust gas flows first through storage mass 6, then through the thermal reaction zone 7 and finally through storage mass 5.
  • the exhaust gas leaves the system via line 8 and becomes a chimney or a waste heat recovery (both not shown). fed.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an internal combustion engine 1, which is connected via the exhaust manifold 2 with the exhaust gas aftertreatment device 3.
  • the reaction chamber 7 facing volume sections 9 of the storage masses 5 and 6 provided with a catalytic coating or a catalytically active material.
  • the control / regulating device 12 which on the one hand can receive signals from the internal combustion engine 1 and the exhaust gas aftertreatment device 3, on the other hand also commands Can send actuators of the exhaust aftertreatment device 3.
  • the fuel line 13 via which the internal combustion engine 1 with fuel, such as propellant, is supplied.
  • a branch can be provided, via which the thermoreactor 11, if necessary supporting gas can be supplied to the additional heating.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an internal combustion engine 1 with an exhaust aftertreatment device 3 analog FIG. 1
  • the exhaust aftertreatment device 3 from a thermoreactor 11, consisting of storage masses 5 and 6, and a thermal reaction zone 7 and a downstream of the thermoreactor provided in line 8 oxidation catalyst 10 is formed.
  • the flow direction can be changed by the thermoreactor 11 alternately.
  • the thermoreactor 11 has no catalytically coated volume sections in this embodiment.
  • the pretreated in the thermoreactor 11 exhaust gas flows through the oxidation catalyst 10 and is directed from there to a chimney or exhaust gas heat recovery (both not shown).
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an internal combustion engine 1 with an exhaust aftertreatment device according to the prior art. Here, a thermoreactor without catalytically coated zones is formed.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. Zur Einhaltung der Emissionsgrenzwerte von Verbrennungskraftmaschinen werden häufig Verfahren zur Abgasnachbehandlung eingesetzt. Ein auch aus dem Bereich der Abgasnachbehandlung von kalorischen Kraftwerken bekanntes Verfahren ist die regenerative thermische Oxidation (RTO), in welcher unverbrannte Kohlenwasserstoffe und andere oxidierbare Abgasbestandteile thermisch oxidiert werden. Bei der regenerativen thermischen Oxidation wird das Abgas zunächst über einen, meist aus keramischem Schüttgut oder Wabenkörpern bestehenden, Wärmespeicher geleitet, um schließlich in die Reaktionskammer zu gelangen. In der Reaktionskammer kann das Abgas durch zusätzliche Heizeinrichtungen weiter erwärmt werden, bis eine thermische Oxidation der unerwünschten Abgasbestandteile stattfinden kann. Anschließend strömt das Abgas durch einen weiteren Wärmespeicher zum Auspuff und wird in die Umgebung entlassen. Im Betrieb wird die Strömungsrichtung alternierend geändert, wodurch das Abgas vor Erreichen der Reaktionskammer vorgewärmt wird, wodurch sich eine Energieersparnis in der weiteren Erwärmung des Abgases einstellt. Die Zusatzheizung kann durch Gasinjektion oder Brenner (sogenanntes Stützgas) oder eine elektrische Zusatzheizung eingerichtet sein. Die Reaktionskammer weist meistens einen freien Strömungsquerschnitt auf, wodurch die Verweildauer des Abgases in der Reaktionskammer erhöht wird und die Oxidation in Form einer Gasphasenreaktion ablaufen kann. Besonders relevant unter den zu oxidierenden Spezies im Abgas sind Kohlenmonoxid (CO) und Methan (CH4). Eine solche Einrichtung ist z. B. unter dem Markennamen CL.AIR® von GE Jenbacher bekannt. In diesem Verfahren wird Abgas auf ca. 700-800 °C aufgeheizt und es erfolgt die Oxidation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und des Kohlenmonoxids zu Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid. Der CL.AIR®-Thermoreaktor ist als regenerativer Wärmetauscher aufgebaut und besteht aus zwei Speichermassen, einer Reaktionskammer sowie einem Umschaltmechanismus. Das Abgas strömt mit einer Temperatur von etwa 530 °C vom Motor kommend über einen Umschaltmechanismus in eine erste Speichermasse, wo es auf ungefähr 800 °C aufgeheizt wird. In der Reaktionskammer reagiert das Abgas mit dem vorhandenen Sauerstoff, wobei Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert werden. Beim Durchströmen der zweiten Speichermasse gibt das Abgas wieder Wärme ab und erreicht mit einer Temperatur von 550 bis 570 °C den Umschaltmechanismus, der es dem Kamin oder einer nachgeschalteten Abwärmerückgewinnung zuleitet.
    Die regenerative thermische Oxidation bietet ein robustes Verfahren, mit dem auch große Abgasmassenströme wirtschaftlich nachbehandelt werden können. Hierzu zeigt das US Patent 3,826,089 A eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einem Thermoreaktor und einem stromab des Thermoreaktors angeordneten Katalysator. Im Thermoreaktor werden vorrangig Kohlenwasserstoffe verbrannt, der Katalysator setzt vorrangig Kohlenmonoxid um.
  • Bisher beschriebene Thermoreaktoren sind darauf ausgerichtet, sowohl Methan als auch Kohlenmonoxid zu oxidieren. Dies bringt im Betrieb einige Nachteile mit sich. Um Kohlenmonoxid abbauen zu können, sind im Thermoreaktor eine relativ hohe Temperatur und eine relativ lange Verweildauer erforderlich.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine geeignete Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung anzugeben, wobei die Temperaturen im Thermoreaktor und die erforderliche Verweilzeit verringert werden können. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Abgasnachbehandlungseinrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Es hat sich überraschend herausgestellt, dass es günstiger ist, die Oxidation von Methan und die Oxidation von Kohlenmonoxid gesondert durchzuführen. Dadurch, dass das vom Thermoreaktor vorbehandelte Abgas katalytisch oxidiert wird, vorzugsweise im Thermoreaktor katalytisch oxidiert wird, wird also erreicht, dass der Thermoreaktor für geringere Temperaturen und eine geringere Verweildauer des Abgases ausgelegt werden muss, und dennoch das Kohlenmonoxid in zufriedenstellendem Ausmaß reduziert werden kann. Durch thermische Oxidation kann zunächst Methan reduziert werden. Die Parameter im Thermoreaktor können so gewählt werden dass eine partielle Oxidation von Methan zugelassen wird, bei der Kohlenmonoxid entsteht, anstelle, dass es - wie üblicherweise in Thermoreaktoren vorgesehen - verringert wird. Das entstehende vorbehandelte Abgas enthält also eine größere Mengen an Kohlenmonoxid als im ursprünglichen Abgasstrom, während unverbrannte Kohlenwasserstoffe, insbesondere Methan, bereits oxidiert sind. Nachfolgend wird das solchermaßen vorbehandelte Abgas einer katalytischen Oxidationseinrichtung zugeführt. Diese kann beispielsweise als Oxidationskatalysator, bestehend aus einem Katalysatorträgermedium, wie es beispielsweise zur Abgasnachbehandlung aus dem Automobilbereich bekannt ist, vorgesehen sein. Der Oxidationskatalysator kann durch katalytische Beschichtung von Volumensabschnitten des thermischen Oxidationskatalysators eingerichtet sein. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass Volumensabschnitte der im thermischen Oxidationskatalysator vorhandenen keramischen Speichermasse mit einer katalytisch aktiven Oberfläche versehen oder andere, katalytisch wirksame Materialien eingebracht werden. Eine Abgasnachbehandlungseinrichtung gemäß der Erfindung ist durch Anspruch 1 definiert. Durch diese Anordnung wird erreicht, dass das im Thermoreaktor vorbehandelte Abgas, welches reich an Kohlenmonoxid ist, zum Abbau von Kohlenmonoxid auf den Oxidationskatalysator trifft und dort das Kohlenmonoxid durch katalytische Oxidation abgebaut wird.
    Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die thermische Reaktionszone und die wenigstens eine katalytische Reaktionszone in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass in die Reaktionszone des Thermoreaktors ein Volumensabschnitt mit katalytisch aktivem Material integriert ist. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der katalytisch aktive Bereich in der keramischen Speichermasse des Thermoreaktors ausgebildet ist. Dies beschreibt den Fall, wo durch katalytische Beschichtung eines Teils der Oberfläche des keramischen Schüttgutes des Thermoreaktors ein katalytisch aktiver Bereich gebildet wird.
  • Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die katalytische Reaktionszone der thermischen Reaktionszone in einem von der thermischen Reaktionszone gesonderten Gehäuse in Strömungsrichtung des Abgases durch die Abgasnachbehandlungseinrichtung nachgeschaltet ist. Dieses Ausführungsbeispiel beschreibt den Fall, wo der Thermoreaktor und der Oxidationskatalysator als separate Komponenten realisiert sind. Es ist also in diesem Fall ein Thermoreaktor vorgesehen, der bezüglich seiner Ausgestaltung dem Stand der Technik entspricht und dem stromabwärts ein Oxidationskatalysator nachgeschaltet ist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend durch die Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung,
    Fig. 2
    eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung in einer alternativen Ausführungsform,
    Fig. 3
    schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit Abgasnachbehandlung nach Stand der Technik.
  • Es folgt die detaillierte Figurenbeschreibung. Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Verbrennungskraftmaschine 1, die über die Abgassammelleitung 2 mit der Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 verbunden ist. Über den Umschaltmechanismus 4 kann die Strömungsrichtung des Abgases durch den Thermoreaktor 11 verändert werden. So kann im Betrieb alternierend die Strömungsrichtung der Abgase zuerst durch die Speichermasse 5, die thermische Reaktionszone 7 und Speichermasse 6 erfolgen. Bei Umkehr der Strömungsrichtung strömt das Abgas zuerst durch Speichermasse 6, anschließend durch die thermische Reaktionszone 7 und schließlich durch Speichermasse 5. Nach Durchströmen der Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 verlässt das Abgas über die Leitung 8 die Anlage und wird einem Kamin oder einer Abwärmerückgewinnung (beides nicht gezeigt) zugeführt. Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 sind die der Reaktionskammer 7 zugewandten Volumensabschnitte 9 der Speichermassen 5 bzw. 6 mit einer katalytischen Beschichtung oder einem katalytisch aktiven Material versehen. Die Volumensabschnitte 9 übernehmen also im Betrieb der Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 die Aufgabe der katalytischen Oxidation des in der thermischen Reaktionszone 7 des Thermoreaktors vorbehandelten Abgases.
    Der Vollständigkeit halber eingezeichnet ist die Steuer- / Regelungseinrichtung 12, die einerseits Signale von der Verbrennungskraftmaschine 1 und der Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 empfangen kann, anderseits auch Befehle an Stellglieder der Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 senden kann. Ebenso gezeigt ist die Kraftstoffleitung 13, über welche die Verbrennungskraftmaschine 1 mit Kraftstoff, beispielsweise Treibgas, versorgt wird. An der Kraftstoffleitung 13 kann eine Abzweigung vorgesehen sein, über welche dem Thermoreaktor 11 bei Bedarf Stützgas zur Zusatzheizung zugeführt werden kann.
  • Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine 1 mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 analog Figur 1, wobei hier aber die Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 aus einem Thermoreaktor 11, bestehend aus Speichermassen 5 und 6, sowie einer thermischen Reaktionszone 7 und einem stromabwärts des Thermoreaktors in Leitung 8 vorgesehenen Oxidationskatalysators 10 ausgebildet ist. Wieder kann über den Umschaltmechanismus 4 die Strömungsrichtung durch den Thermoreaktor 11 alternierend verändert werden. Der Thermoreaktor 11 weist in diesem Ausführungsbeispiel keine katalytisch beschichteten Volumensabschnitte auf. Das im Thermoreaktor 11 vorbehandelte Abgas strömt durch den Oxidationskatalysator 10 und wird von dort zu einem Kamin oder einer Abgaswärmenutzung geleitet (beides nicht gezeigt).
  • Figur 3 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Verbrennungskraftmaschine 1 mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung nach Stand der Technik. Hier ist ein Thermoreaktor ohne katalytisch beschichtete Zonen ausgebildet.
    • Liste der verwendeten Bezugszeichen:
    • 1
    Verbrennungskraftmaschine
    2
    Abgassammelleitung
    3
    Abgasnachbehandlungseinrichtung
    4
    Umschaltmechanismus
    5, 6
    thermische Speichermassen
    7
    Thermische Reaktionszone
    8
    Abgasleitung
    9
    katalytisch beschichtete / katalytisch aktive Zone(n)
    10
    Oxidationskatalysator
    11
    Thermoreaktor
    12
    Steuer- / Regelungseinrichtung
    13
    Kraftstoffleitung

Claims (3)

  1. Abgasnachbehandlungseinrichtung (3) für eine Verbrennungskraftmaschine (1), mit
    - einem Eingang für Abgas,
    - einem Thermoreaktor (11) mit einer thermischen Reaktionszone (7), einer ersten thermischen Speichermasse (5) und einer zweiten thermischen Speichermasse (6), wobei die thermische Reaktionszone (7) dazu ausgebildet ist, eine partielle Oxidation von Methan, bei der Kohlenmonoxid entsteht, vorzunehmen
    - wenigstens einer katalytischen Reaktionszone (9), wobei in Strömungsrichtung des Abgases durch die Abgasnachbehandlungseinrichtung (3) die wenigstens eine katalytische Reaktionszone (9) der thermischen Reaktionszone (7) nachgeschaltet ist und dass von der katalytischen Reaktionszone (9) durch katalytische Oxidation Kohlenmonoxid abbaubar ist
    dadurch gekennzeichnet, dass ein Umschaltmechanismus (4) vorgesehen ist, durch welchen eine Strömungsrichtung des Abgases durch den Thermoreaktor (11) verändert werden kann, sodass das Abgas in einer ersten Stellung zuerst die erste thermische Speichermasse (5), anschließend die thermische Reaktionszone (7) und schließlich die zweite thermische Speichermasse (6) durchströmt oder in einer zweiten Stellung zuerst die zweite thermische Speichermasse (6), anschließend die thermische Reaktionszone (7) und schließlich die erste thermische Speichermasse (5) durchströmt.
  2. Abgasnachbehandlungseinrichtung (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Reaktionszone (7) und die wenigstens eine katalytische Reaktionszone (9) in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.
  3. Abgasnachbehandlungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Reaktionszone (9) der thermischen Reaktionszone (7) in einem von der thermischen Reaktionszone (7) gesonderten Gehäuse in Strömungsrichtung des Abgases durch die Abgasnachbehandlungseinrichtung (3) nachgeschaltet ist.
EP15167318.3A 2014-05-20 2015-05-12 Verfahren zur abgasnachbehandlung Active EP2947290B1 (de)

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