HU216397B - Berendezés oxigéntartalmú füstgázok karbamid felhasználásával történő katalitikus NOx-redukciójához - Google Patents

Abstract

A találmány tárgya berendezés őxigéntartalmú füstgázők karbamidfelhasználásával történő katalitikűs NOx-redűkciójáhőz, füstgázcsőbe(2) épített redűkciós katalizátőrral (5), karbamidbe őgadó tartállyal(7), ahől a tartály (7) vezetéken (16, 10) keresztül a főlyékőnykarbamidőldatőt párőlőgtatóra (3) finőman permetezni képespőrlasztófúvókával (9) van összekötve. A találmány lényege hőgy apárőlőgtató (3) áramláskeverőként van kialakítva. ŕ

Description

A találmány tárgya katalitikus NO_x-redukció megvalósítására való berendezés. Az ilyen redukciót oxigéntartalmú füstgázokban karbamid alkalmazásával végezzük. Ehhez a berendezés füstgázcsövet tartalmazó redukciós katalizátorral, valamint olyan karbamidtartállyal van ellátva, amely tápvezetéken keresztül a füstgázárammal van összekötve. A tápvezeték porlasztófúvókával van ellátva, amelynek segítségével a folyékony karbamidoldat finom permetként párologtatóra fecskendezhető.

A karbamidnak nitrogén-oxidok oxigéntartalmú füstgázokban történő szelektív, katalitikus redukciójánál (SCR) redukálóanyagként való alkalmazása ismert (lásd például a 3 830 045 számú NSZK-beli szabadalmi közrebocsátási iratot, illetve Held és társai ilyen tárgyú dolgozatát, SAE PAPER 900496 (1990), 13-19. oldalak).

A karbamid alkalmazása révén a mérgező és intenzív szagú ammónia felhasználása, és ennélfogva az ammónia járművekben való szállítása és tárolása, valamint az ezzel kapcsolatos biztonsági intézkedések elhagyhatók.

Önmagában ismert módon a karbamidoldatot bizonyos körülmények között előmelegítik, és közvetlenül a füstgázvezetékbe fecskendezik a redukciós katalizátor (SCR-katalizátor) előtt. Az ilyen eljárásmódnál azonban nemkívánatos reakciótermékek keletkeznek. A karbamid hevítésekor ugyanis a karbamid gázfejlődés (NH₃, CO₂) mellett, nem olvadó cianursavra (CnS) bomlik, ha azt az olvadáspontja (133 °C) fölé hevítjük. A karbamid 130-205 °C közötti hőmérsékletre hevítésekor szublimál részbeni NH₃-ra és reaktív izocianursavra (HNCO) bomlás mellett. Ilyenkor visszamarad biurét, cianursav és ammelid. A cianursav, ammelid és más anyagok képződése a karbamid elgázosodását erősen akadályozza, mivel a szilárd karbamidból először folyékony karbamid, azután viszont újból szilárd, nem olvasztható anyagok keletkeznek.

A 4 038 054 számú német szabadalmi irat szerint ezt azzal kísérelték megoldani, hogy a karbamidoldatot porlasztó segítségével hidrolízises katalizátorra porlaszt] ák finoman. Ezzel elérik, hogy a karbamidot hidrolízis révén NH₃-má és CO₂-vé alakítják át mennyiségileg, mégpedig a katalitikus redukciós SCR-eljárásokhoz fontos 180-550 °C-os hőmérséklet-tartományban.

A jelen találmánnyal célunk a legutóbb említett megoldás olyan értelmű továbbfejlesztése, hogy a járművekbe beépítés miatt jelentősen csökkentsük a füstgáz-utókezelő berendezés beépítési térigényét, amely porlasztóból, hidrolízises és redukciós katalizátorból áll, továbbá amelynél biztosítjuk a karbamid NH₃-ra és CO₂-re történő mennyiségi felbontását.

„Mennyiségi felbontás” alatt 99,9%-nál nagyobb hatásfokot értünk, hogy az alábbi kedvezőtlen mellékhatások említésre méltó előfordulását kiküszöböljük:

- karbamidlerakódások a katalizátorbeömlésnél;

- lerakódások a katalitikus redukciós SCR-katalizátomál (ellenőrizhetetlen tárolóhatások);

- karbamid és karbamid eredetű anyagok (cianursav stb.) csúszása.

A kitűzött feladat megoldásához tehát a bevezetőben ismertetett berendezésből indultunk ki, amelynek füstgázvezetéket tartalmazó, redukciós katalizátora, valamint karbamidbefogadó tartálya van, amely porlasztófüvókával ellátott adagolószerkezettel van összekötve. A porlasztófúvókával a folyékony karbamidoldat finom permetként párologtatóra permetezhető. Ezt a jelen találmány szerint azzal fejlesztettük tovább, vagyis a találmány lényege, hogy a párologtató áramláskeverőként van kialakítva.

A találmány alapja az a felismerés, hogy a karbamid felbontásának hatásfoka párologtató- vagy hidrolízises egységek alkalmazásával 99,9% fölötti hatásfokon megoldható, ha nem egyenes vonalú csatornákat alkalmazunk, ezáltal ugyanis a fentebb említett mellékhatások is kiküszöbölhetők.

A találmány szerint a párologtató vékony, nem egyenes vonalú csatornákkal van ellátva, amelyek nyelvek vagy kis nyílások révén egymással áramlástechnikai kapcsolatban állnak. Ezzel a kialakítással a fúvókéból kiáramló karbamidoldatködöt részáramok sorozatára osztjuk, amelyeket azután a porlasztón belül eltérítünk, részben összevezetjük, majd újból elkülönítünk. Ily módon elérjük, hogy az oldat cseppecskéi a lehető leggyorsabban érintkezésbe kerülhetnek a csatornák hőátadó falával. A csatornák közötti összeköttetések révén olyan keresztirányú részáramok is lehetségesek, amelyek a szomszédos csatornákon belül nyomáskülönbségeket hoznak létre. A keresztáramok gondoskodnak arról, hogy az oldat-, illetve gőzáram a párologtató és az ahhoz csatlakozó redukciós katalizátor teljes keresztmetszetén egyenletesen legyen elosztva.

Célszerűen a párologtató a fő áramlásirányban tekintve két vagy több részre osztható, és ezek egy-egy közbenső hézaggal egymás után kapcsolhatók. Az ilyen közbenső hézaggal intenzivebb keresztirányú áramláskomponensek hozhatók létre, ha a párologtató a keresztmetszetében különböző mértékben van terhelve.

A párologtatónak a fentiekben részletezett kialakításával eredményesen megakadályozható, hogy a karbamidoldat cseppecskéi a párologtatón anélkül haladjanak át, hogy a csatomafalakkal érintkezésbe lépnének és elpárolognának.

A párologtató célszerűen nagy hővezető képességű fémből készülhet, amelynél a csatornák egymástól igen vékony fémfalakkal vannak elválasztva, és ezek bevágásokkal, illetőleg fúratokkal vannak ellátva a keresztirányú áramlásokhoz. A fémfalazat lehetővé teszi az oldatcseppecske felütközési pontjához való gyors hővezetést, és ezáltal annak gyors elpárologtatását. Ezáltal a kerámiáknál előforduló „hideg helyek” teljesen kiküszöbölhetők.

Az ilyen párologtató célszerűen megfelelő profilozással ellátott, vékony fémfóliából gyártható, amely bevágásokkal vagy nyílásokkal van ellátva. A fólia ezután spirál alakban feltekercselhető a párologtató kialakításához (egyszeres tekercsként vagy nagyobb átmérőkhöz több-bekezdésű spirálként), majd ezt hengeres palást veszi körül. A falprofilok úgy vannak kialakítva, hogy azok a feltekercselés után lényegében axiális helyzetű csatornákat képezzenek, ezek azonban a jelen találmány szerint nem egyenes vonalúak, hanem iránytörésekkel,

HU 216 397 Β azaz elterelésekkel rendelkeznek, amelyek lehetőleg kis távközökkel, például 5-10 mm-enként ciklikusan követik egymást.

A csatornák, valamint a bevágások, illetve nyelvek néhány mm méretűek, főleg 1/2-2 mm közöttiek.

A találmány szerinti berendezés további célszerű kivitelénél a párologtató csatomafalazata abszorbeálóanyaggal van bevonva, amely a felületnöveléshez célszerűen nyitott pólusú. Az ilyen katalitikus hatású bevonat felfogja az oldatcseppecskéket, és elősegíti a karbamidoldat NH₃-má és CO₂-vé történő mennyiségi átalakítását, a nemkívánatos mellékhatások kiküszöbölése mellett.

Az elpárologtatás/hidrolízis kellő meggyorsítása, valamint a nem kívánt melléktermékek képződésének megakadályozása érdekében a karbamid-víz köddel érintkezésbejövő valamennyi szerkezeti rész, főleg a katalizátor hordozószerkezetét finom szemcsés, szervetlen oxidokkal vonhatjuk be. A szervetlen oxidoknak 700 °C-os hőmérsékletekig ellenállóknak kell lenniük a dízelmotorok kipufogógázaival szemben, továbbá pórusszerkezetüknek több ezer üzemórán keresztül stabilnak kell lennie. Erre a célra az alábbi keverékek alkalmazhatók előnyösen: alumínium-oxid titán-dioxiddal, szilícium-dioxiddal, cirkónium-dioxiddal és/vagy H-zeolittal, ahol az alumíniumoxid és az egyéb oxidok közötti súlyarány a következő lehet: 90:10-től 10:90-ig.

A H-zeolitot tartalmazó fém-oxid-keverék alkalmazása a hidrolízises katalizátornak járulékos aktivitást kölcsönöz az NO_x-nak az NH₃-mal történő szelektív katalitikus redukciójához, továbbá lehetővé teszi, hogy a redukciós katalizátor térfogatát 10-30%-kal csökkentsük. A dízelmotorok kipufogógázaival szemben ellenálló H-zeolitként jól beváltak a kísérleteink során a H-mordenit, H-ZSMS, valamint az alumíniummentes, szilíciumban gazdag krakkolókatalizátorok.

Az igénypontban említésre kerülő „finom szemcsés fém-oxidok” különösen hatásosak, azonban ezekhez még a következő hordozóanyagok egyedül vagy adalékként adhatók: Nb₂O₅, Ta₂O₅, WO₃, alumínium-szilikát és további zeolitok, és ezek mint alumíniummentes krakk-katalizátorok alkalmazhatók.

A párologtató, illetve a hidrolízises katalizátor célszerűen a füstgázcsőben, azaz kipufogócsőben van elrendezve, ahol az áramlásirányban tekintve a redukciós katalizátor előtt van rögzítve. Ez az elrendezés azzal az előnnyel jár, hogy az elpárologtatáshoz és a hidrolízishez szükséges hő közvetlenül a füstgázáramból nyerhető. A füstgáz, illetve kipufogógáz, amelyet ugyancsak keresztüláramoltatunk a párologtatón, gondoskodik a karbamidköd szállításáról. A párologtató előnyösen a füstgázcső teljes keresztmetszetét elfoglalja. Olyan kivitel is lehetséges azonban, amelynél a párologtatót kisebbre méretezzük, hogy azon járulékosan a kipufogógáz egy részáramát is keresztüláramoltassuk, amivel a hőmérséklet homogenizálása érhető el.

A káros anyagok képződésének még hatásosabb megakadályozása céljából oxidációs katalizátor rendezhető el áramlásirányban tekintve a redukciós katalizátor után. A párologtató és a katalizátorok a találmány további célszerű kivitelénél akár egyetlen közös házba összeépíthetők, amelybe még legalább egy hangtompító is integrálható.

A hangtompító igen egyszerűen gyártható kivitele lehet közelítőleg tölcsér alakú, amely áttörésekkel van ellátva. Ezeken az áttöréseken keresztül a füstgázlengések esetén abszorpciós anyaggal, például kőgyapottal vagy acélgyapottal kitöltött expanziótérbe juthat a gáz. Ez a zaj csillapító a füstgázok áramlásirányában tekintve a katalizátorok után van elrendezve. Célszerű az olyan kivitel továbbá, amelynél a ház a gázbelépési körzetben, azaz a füstgáz és a karbamidoldat keverése előtt már zajtompítóval van ellátva.

A porlasztónak a füstgázcsőbe építésénél a beömlési oldalon terelőlemezekről gondoskodhatunk, amelyek biztosítják a karbamidoldatködnek a párologtató teljes keresztmetszetén történő egyenletes elosztását. Ezek a terelőlemezek kialakíthatók például úgy, hogy azok a füstgázáramot örvénylésbe hozzák, és így kerüljön kapcsolatba a füstgáz a karbamidoldat áramával. így már az elpárologtatás előtt hatásos keveredést és a párologtatóban az oldatcsöppecskék jó eloszlatását érjük el.

Porlasztófúvókaként főleg nyomóporlasztót javasolunk, amely hosszabb emulgálóvezetékre csatlakozik, annak másik végébe a sűrített levegő vezetéke és a karbamidoldat tápvezetéke torkollik. A nyomóvezeték a karbamidoldat készlettartályhoz legközelebb torkollik a karbamid tápvezetékébe. Ezáltal a lehető legtökéletesebb gáz/oldat keverék érhető el még a fúvókából kilépés előtt, ami segíti az oldal lehető legfinomabb, ködszerű porlasztását. Az emulgeálóvezeték révén - amelyet a sűrített levegővel és a karbamidoldattal táplálunk - az adagolószerkezet okozta egyenetlen oldatadagolást egyenletessé tehetjük, következésképpen a nyomás alatti porlasztófúvókáknál egyenletes oldatáramot biztosítunk.

A karbamidoldat számára célszerűen olyan nyomótartályt alkalmazunk, amely ugyanarra a sűrítettlevegőhálózatra csatlakoztatható. Impulzusokkal modulált mágnesszelep segítségével a karbamidoldat beadagolása - a nyomótartállyal kombinálva - a lehető legpontosabban történhet. A karbamidkristályokra érzékeny, és ezenkívül nem pontosan szabályozható szivattyúk alkalmazására ennélfogva nincs szükség. A mágnesszelep vezérlése a karbamidoldat adagolásához a belső égésű motor terhelésétől és fordulatszámától függően történik. A karbamidoldat mennyisége pontosan igazodhat az üzemviszonyokhoz és a füstgázban lévő NO_x-koncentrációhoz, ezáltal pedig a karbamidoldatból képződő ammónia összegyűlése a redukciós katalizátorba elkerülhető, következésképpen a redukciós katalizátor javított, azaz kifogástalan üzemét érjük el.

Az adagolás történhet a füstgázban lévő NO_x-tömegárammal arányosan, megfelelő NO_x-érzékelők alkalmazása esetén.

A karbamidoldatot alacsonyabb hőmérsékleteken, azaz 160 °C alatt csak melléktermékek képződése mellett tökéletlenül alakítható ammóniává és szén-dioxiddá. Ezért azt javasoljuk, hogy az adagolás szabályzásának a hőmérséklet szabályzását rendeljük fölé, amivel,

HU 216 397 Β ha a katalizátorok körzetében a kipufogógázok hőmérséklete az előre meghatározott értékeket túllépi, akkor a karbamidoldat beadagolását teljesen megszüntetjük.

A porlasztófüvókák és az esetleges terelőlemezek célszerűen a párologtató házába vannak beépítve. A házon belül a karbamidkristályok lerakódásának megakadályozása céljából legalább a karbamidoldattal érintkezésbe kerülő szerkezeti részek hővezető oldatcseppecskéket felfogó bevonattal láthatók el, hogy a falakkal érintkezésbe kerülő cseppecskéket gyorsan elpárologtassuk és hidrolízisbe hozzuk.

A találmányt részletesebben a csatolt rajz alapján ismertetjük, amelyen a találmány szerinti megoldás néhány példakénti kiviteli alakját tüntettük fel. A rajzon:

- az 1. ábrán a találmány szerinti berendezéssel ellátott belső égésű motor kipufogórendszerének vázlatos kapcsolási rajza látható;

- a 2. ábra az 1. ábra részletének viszonylag nagyobb léptékű képe, részben kitörve;

-a 3. ábrán a találmány szerinti berendezés másik példakénti kiviteli alakjának hosszmetszete látható;

- a 4. és 5. ábrán harmadik kiviteli változat keresztés hosszmetszetben látható;

- a 6. ábra negyedik kiviteli alak A-A és

B-B vonal mentén vett részmetszeteivel;

- a 7. ábrán ötödik példakénti alak látható kereszt- és hosszmetszetben.

Az 1. ábrán belső égésű 1 motor kipufogócsövét, azaz fiistgázcsövét 2-vel jelöltük. A 2 fustgázcsőbe az NO_X szennyező anyagok csökkentése céljából redukciós 5 katalizátort (SCR-katalizátort) iktattunk.

Redukciós anyagként ammóniát alkalmazunk, amelyet 6 karbamidoldat átalakításával nyerünk. A 6 karbamidoldat nyomás alatti 7 tartályban helyezkedik el, és a 2 fustgázcsövön belül 12 hivatkozási számmal jelölt füstgázok hőjének hasznosításával azt elpárologtatjuk, illetve hidrolízis révén ammóniává és szén-dioxiddá alakítjuk. Ezek a gázok a 12’ kipufogógázokkal összekeveredve jutnak a redukciós 5 katalizátorba.

Az 1. ábra szerint a 6 karbamidoldat átalakításához a 2 fustgázcsőbe 3 párologtató és hidrolízises 4 katalizátor van építve, áramlásirányban tekintve a redukciós 5 katalizátor elé. A 3 párologtató a jelen esetben kétrészes kialakítású, azaz 3a és 3b részekből áll, amelyek egymás után 8 hézag közbeiktatásával vannak elrendezve.

A 3 párologtató 3a és 3b részei hővezető lemezből készültek, amely lemez áramláskeverő képzéséhez megfelelően van kialakítva. így a 3 párologtatón belül örvényléseket, valamint radiális és/vagy tangenciális áramláskomponenseket hozhatunk létre. Ezáltal a karbamidoldatnak való hőátadás a lehető leggyorsabban és tökéletesebben megtörténik. Ezen túlmenően a keresztirányú gázáramok lehetőséget adnak arra is, hogy a karbamidoldat és az abból képződő gázok a 3 párologtató és a hidrolízises 4 katalizátor teljes keresztmetszete mentén egyenletesen legyenek elosztva. A homogén elosztást tovább segíti a 3 párologtató 3a és 3b részei között hagyott 8 hézag.

A 2. ábrán a párologtató példakénti kivitele részben kitörve látható, amelyet 3’-vel jelöltünk. Ez lényegében hosszirányú 20 csatornák sorozatából áll, amelyek viszonylag kis átmérőjűek, a jelen esetben 1 vagy mm-esek. A 2. ábra kitört helyén jól látható, hogy a 20 csatornák nem egyenes vonalúak, hanem áramláselterelő szakaszokként 21 irányváltozásokkal rendelkeznek, amelyek rövid távközökre ciklikusan ismétlődnek. A gázvezető 20 csatornák 22 csatomafalai vékony lemezből készülnek, amelyek áttörésként vagy furatként kialakított 23 nyílásokkal rendelkeznek, és ezek az egyik csatornából a szomszédos csatornába részáramok átlépését engedik.

A 2. ábrán a 20 csatornák egyenes szakaszainál jelölt 23 nyílások természetesen a 21 irányváltozások szakaszain is kialakíthatók, ezáltal a gázáramfonal szétválasztása az egyik helyen és gázáramfonalak (részáramok) egyesítése egy más helyen még hatékonyabb lehet.

A fentiekben részletezett, előnyösen katalitikus bevonattal ellátott 3’ párologtatónak meg kell akadályoznia, hogy egyrészt oldatcseppecskék elpárolgás nélkül a 3’ párologtatón keresztülhaladjanak, másrészt a 3’ párologtató beömlésénél az egyenetlen oldateloszlást ki kell küszöbölnie, és ugyanezt kell tennie a párologtató egészében is. A 3’ párologtató gyártható például feltekercselt, profilírozott és megfelelő áttörésekkel ellátott lemezből.

A 3, illetve 3’ párologtatóban termikus kezeléssel megkezdődött átalakítást a hidrolízises 4 katalizátorban fejezzük be. A nagyszámú, vékony csatornák vagy a párologtatóhoz hasonló csatornákkal ellátott 4 katalizátor aktív komponensként finom szemcsés keveréket tartalmaz fém-oxidokból, ez lehet például: alumíniumoxid titán-dioxiddal, szilícium-dioxiddal, cirkónium-dioxiddal vagy H-zeolitokkal. E keverékben az alumínium-oxid és az egyéb oxidok közötti súlyarány 90:10től 10:90-ig változhat. A hordozószerkezet rétegbevonata 40-220 g/1, előnyösen 60-160 g/1 fém-oxidkeverék koncentrációban történhet, a hordozó térfogatára vonatkoztatva. Az aktív komponensek alkalmazhatók 30000 1/h érték fölötti térsebességnél legalább 240-650 °C hőmérséklet-tartományban.

A beépítési helyigény csökkentése céljából a 3 párologtató és a hidrolízises 4 katalizátor egyetlen szerkezeti egységként is összeépíthető, amint azt a 3. ábrán példaként feltüntettük. Az egyesített párologtató-katalizátor szerkezetet itt egészében 34 hivatkozási számmal jelöltük. Ehhez alkalmazható a 2. ábra szerint kialakított párologtató, amelynek 22 csatomafalai katalitikusán aktív fém-oxid-réteggel van bevonva, amint azt már fentebb részleteztük. Ez a porózus bevonat segíti a hidrolízis folyamatát.

A különálló vagy kombinált hidrolízises katalizátor hatása akkor érvényesül, amikor a 6 karbamidoldat finom ködként, azaz parányi cseppecskékben jut a berendezésbe. Ehhez 9 porlasztófuvókát alkalmazunk, amelybe 10 vezetéken keresztül a sűrített levegőt és a 6 karba4

HU 216 397 Β midoldatot adagoljuk. A sűrített levegő 11 vezetéke olyan közel torkollik a karbamidoldatot befogadó 7 tartálynál a 10 vezetékbe, amilyen közel csak lehet, ezáltal viszonylag hosszú emulgeálási utat hozunk létre, amivel a sűrített levegőnek a 6 karbamidoldattal való jó keveredését érjük el. A 11 vezetékből 11’ ágvezeték ágazik le (1. ábra), amely 14 nyomásszabályzó szeleppel van ellátva, és amely a nyomótartályként kialakított, karbamidoldat-befogadó 7 tartályba torkollik.

Lényeges szempont a karbamidoldat ammóniává és szén-dioxiddá történő mennyiségi átalakításánál - melléktermékek képződésének kiküszöbölése mellett -, hogy a karbamidoldatot körülbelül 355 °C-ra igen gyorsan kell felhevíteni, továbbá gyors hidrolízisre van szükség. Ezt a fentiekben ismertetett intézkedéseken túlmenően további intézkedésekkel kedvezően befolyásolhatjuk, nevezetesen a 12 kipufogógáznak 13 karbamidoldat-permetbe való megfelelő bekeverésével.

Az 1. ábrán viszonylag egyszerű kivitelt tüntettünk fel, amelynél a 9 porlasztófúvóka az egyenes vonalú füstgázcsőben központosán van elrendezve, és e körül áramlik a 12 kipufogógáz. A füstgázáram közvetlenül magával ragadja a 13 karbamidoldat-permetet, és a párologtatóba továbbítja.

A 3. ábrán más elrendezés látható, amely a 12 kipufogógáznak a 13 karbamidoldat-permettel való összekeveredését teszi lehetővé, még az egyesített párologtatóhidrokatalizátor 34 szerkezetébe belépése előtt. Az egyesített 34 szerkezet hengeres 30 házban van elrendezve a jelen esetben, amelynek egyik 31 homlokoldalán a 10 vezeték a 9 porlasztófüvókával együtt 32 előkamrába nyúlik. A 12 kipufogógáz ebben az esetben tangenciálisan bán bevezetve a 32 előkamrába (3. ábra). A 12 kipufogógázban ezáltal létrehozott örvénylést 33 örvénytárcsa tovább erősíti, amely a 32 előkamrát valójában két részre osztja.

A 12 kipufogógáz a 32 előkamrának a 34 szerkezettől távolabbi részébe érkezik, majd onnan a 33 örvénytárcsán keresztül áramlik a 32 előkamra másik szakaszába, amelyben a 9 porlasztófúvóka helyezkedik el. A 12 kipufogógáz örvény lése révén a 13 karbamidoldat-permet részben elpárologtatott cseppecskéit örvénylő mozgásba hozzuk, és a 12 kipufogógázzal összekeverjük. Ez a keverék jut aztán be a párologtató-hidrolízises-katalizátoros 34 szerkezetbe.

A 30 házban a hidrolízíses katalizátorpárologtató egyesített 34 szerkezete után a redukciós 5 katalizátor és oxidációs 35 katalizátor van elrendezve, áramlásirányban tekintve egymás után. Továbbá, a 30 ház a jelen esetben 36 hangtompítóval is el van látva, amely tölcsérszerű 37 kiömlőcsőként van kialakítva, és nyílásokkal van ellátva. A 38 nyílásokon keresztül a 12 kipufogógázban lévő lengéseknél keresztirányú részáramok 50 expanziótérbe juthatnak, amely például 51 acélfonattal tölthető ki. A tisztított, 12”-vel jelölt kipufogógázt az újból szűkített 2” csőszakaszon keresztül vagy a szabadba vezetjük, vagy tovább elvezetjük. A 2” csőszakasz keresztmetszete a jelen esetben megegyezik a 12 kipufogógáz beömlési 2’ csőszakasz átmérőjével. A 12 kipufogógáznak a 13 karbamidoldatpermettel való összekeverése előtt is már alkalmazhatunk zajcsillapítást. Ehhez például a 32 előkamra megfelelő hangszigetelő betéttel látható el.

Az ammóniával és szén-dioxiddal kevert 12’ kipufogógáz a hidrolízíses katalizátort és párologtatót magában foglaló 34 szerkezetből a redukciós 5 katalizátorba kerül (3. ábra), amelyben annak NO_x-tartalmát önmagában ismert módon csökkentjük.

Az NO_x-redukáló rendszer üzemképességének fenntartása céljából a redukciós 5 katalizátort a fölösleges ammóniától mentesíteni kell. Ennek érdekében külön szabályzóegységről gondoskodtunk (1. ábra), amely mágnesszelepet úgy vezérli, hogy a karbamidoldat vezérelt adagolása ne csak az n motorfordulatszám, hanem a motorterhelés függvényében is történjék. Ezáltal a karbamidbetáplálás az igényeknek megfelelően, azaz a kipufogógázban lévő mindenkori NO_x-tartalomnak megfelelően történik. így tehát a hidrolízis során szabaddá váló ammónia a redukciós folyamatban teljes mértékben felhasználásra kerül.

A szabályzási folyamatot ezenkívül 17 és 18 hőérzékelők által adott jelek is befolyásolják, amelyek a kipufogógáz hőmérsékletet a károsanyag-átalakítás előtti és utáni körzetben érzékelik. Ha a 17 és 18 hőérzékelők egyike az előre meghatározott érték alatti hőmérsékletet érzékel, amely alatt a karbamidoldat ammóniává történő tökéletes átalakítása nem lehetséges, a 6 karbamidoldat betáplálását a 15 szabályzóegység megszakítja mindaddig, amíg a szükséges hőmérsékletet a kipufogórendszer el nem éri.

A 3. ábra szerinti berendezés kifogástalan üzemét elősegíti az a további intézkedés is, hogy a 32 előkamrának a karbamidoldattal érintkezésbe kerülő fala olyan bevonattal van ellátva, amely egyrészt jó hővezető tulajdonságú, másrészt aktív komponensei révén a 9 és 10 igénypontok szerint megakadályozza a karbamidkristályok lerakódását, azok azonnali elpárologtatása és hidrolízise révén. Továbbá, a 30 ház adott esetben ellátható hőszigeteléssel, a 9 porlasztófúvóka pedig, és/vagy más szerkezeti részek adott esetben fűtéssel szerelhetők fel. A 10 vezeték és a 9 porlasztófúvóka fűtésével megakadályozható, hogy a kisebb karbamidkristályok főleg a 9 porlasztófúvókában lerakodjanak.

Az ammóniának a redukciós 5 katalizátoron való áttörése a HC közelítőleg 300 °C-os kezdeti hőmérséklete alatti, hosszabb üzem esetén elvileg lehetséges, mivel ezáltal az ammónia lerakódására aktívabb központok alakulhatnak ki. Ennek kiküszöbölésére a teljes katalizátorkonstrukció úgy alakítandó ki, hogy rövid idejű motorgyorsítási időszakokban (figyelemmel a kipufogógázhőmérsékletekre) a redukciós 5 katalizátort a HC-gyújtáshoz szükséges középhőmérsékletre fűtjük fel, illetve a karbamidoldat adagolását a vezérlés révén mindaddig leállítjuk, amíg a HC-hez a középhőmérsékletet az adott üzemmódban el nem étjük.

A 4. és 5. ábrán a gázkeverés ismét további kiviteli példáját szemléltetjük. Itt a 34 szerkezetnek kúpos 40 vezetőlemeze van, amelynek szűkebb részébe nyúlik a 9 porlasztófúvóka, a 12 kipufogógáz árama pedig azt körülöleli. A 40 vezetőlemez 42 furatok sorozatával

HU 216 397 Β van ellátva, ezeken keresztül a 12 kipufogógáz a 40 vezetőlemez belső 42 körzetébe jut. Megjegyezzük, hogy a 12 kipufogógáz itt is a 2’ csőszakaszon keresztül áramlik be a 30 házba. A 40 vezetőlemez külső és belső tere között Δρ=ρ[-ρ₂ nyomáskülönbség jön létre, amely v_a részáramsebességet eredményez. A különálló kipufogógáz-áramok karbamid/porlasztólevegő 44 kúpban találkoznak, és összekeverednek a 12 kipufogógázzal. A 41 furatok a távközének és átmérőjének megválasztásával, valamint a 9 porlasztófüvóka és a 34 szerkezet közötti elosztás révén szabályozható a karbamidoldat és a 12 kipufogógáz keveredése.

A 6. ábrán olyan további kiviteli változatot tüntettünk fel, amelynél a kissé kúpos 60 keverőegység három sorban 61, 62 és 63 terelőnyelvekkel rendelkezik. Ezek a 60 keverőegység m, n és o szakaszainak kerülete mentén egyenletesen vannak elrendezve. A 61-63 terelőnyelvek révén a 12 füstgáz olyan örvény lést kap, amelynek következtében az első m körzetben és a harmadik o körzetben a kipufogógáz 64 és 65 részáramai a belépő örvényt erősítik, azaz azzal egyenirányúak, ugyanakkor a 62 terelőnyelv a középső n körzetben ellentétes értelmű örvénylést végző 66 részáramot hoz létre a 60 keverőegységben.

A 6. ábra Λ részletén a középső n körzet keresztmetszetét tüntettük fel, amelynek a kerület mentén elosztott 62 terelőnyelvei az ellentétes értelmű örvénylésben lévő 66 részáramot eredményeznek. A tn és o körzetekben a befelé irányuló 61, illetve 63 terelőnyelvek úgy helyezkednek el, hogy a kipufogógáz 64 és 65 részáramai megtartsák az eredeti áramlási irányt.

Az örvénylési irány megfordításával igen erős turbulenciát hozunk létre a 9 porlasztófüvóka és a 34 szerkezet közötti szakaszon. Ez pedig azzal jár, hogy a karbamidoldat-levegő köd még hatásosabban összekeveredik a 12 kipufogógázárammal. Az örvényáram forgásértékének többszöri változtatásával a keverési hatékonyság tovább javítható.

A 7. ábrán ismét további kiviteli változat látható, ahol a tölcsérszerű 70 keverőegység 71 beömlések sorozatával van ellátva, amelyek mindegyike több 72 terelőlemezzel vannak ellátva. Ezek a 72 terelőlemezek a belépő, különálló 73 fustgázáramokat örvénylésbe hozzák. A 72 terelőlemezek sugár alakban vannak elrendezve, így a 70 keverőegység belső terében a 73 fustgázáramok sorozata örvénylő mozgást végez, amivel igen erős turbulenciát érünk el, következésképpen a 12 kipufogógáz igen hatásosan keveredik a karbamidoldatköddel.

A 72 terelőlemezeknél tehát a 12 kipufogógázt számos felgyorsított és/vagy örvénylésbe hozott részáramra osztjuk. Ennek során alkalmazhatunk olyan kombinációt is, miszerint a részáramokat az 5. ábra szerinti módon felgyorsítjuk, más részáramokat viszont a 7. ábra szerinti módon örvénylésbe hozunk.

Az alábbiakban a karbamidoldat ammóniára és széndioxidra bomlási folyamatát példák kapcsán ismertetjük részletesebben.

1. példa

Fűthető kvarccsőben (névleges átmérő: 35 mm) fém-oxidok keverékével (összetétel: A, 1. táblázat) bevont fémhordozó méhsejt felhasított típusát (2. ábra szerinti kivitel, cellaosztás: 150 cpsi, hossz: 43 mm) keresztirányú áramlás létrehozásával állítható mikrofüvókából szivattyú révén szállított karbamid-víz oldattal (32,5 súly%) permetezzük, 18,8 ml/ó szállítási mennyiségben. Eközben O₂- (8%), HC- (200 ppm Cj, CO(100 ppm), SO₂- (20 ppm) gázok és vízgőz (5%) keverékét áramoltatjuk a katalizátoron keresztül. A gázkeverék (24801/h) együttes térsebessége 60 0001/h értékű.

Ez a gázkeverék az analízishez keresztüláramolt egy 110 °C-ra felhevített FTIR-küvettán (ennek optikai hossza 2 m volt). Az FTIR-spektrum NH₃ (2000 ppm) és CO₂ képződését (1000 ppm) képződését mutatta 2(71 mól arányban, a karbamidnak a következő képlet ( _f szerinti, teljes hidrolízisének megfelelően, 160-600 °C közötti hőmérséklet-tartományban:

CO(NH₂) ₂+H₂O—>2NH₃+CO₂

Nyolc órás, tartós kísérleteknél 200 °C, 300 °C és 400 °C-os hőmérsékleteknél a gázkeveréket a katalizátor elhagyása után 4°-os hűtőn vezettük keresztül, és a szublimátumot a hűtő beömlésénél, és a kondenzátumot mennyiségileg analizáltuk. A szublimátum mindegyik hőmérsékleten 5-10 mg karbamidot tartalmazott. Ezzel tehát realizálható a 99,97%-os vagy annál nagyobb hatásfokú karbamidátalakítás.

Összehasonlító példa: la

Az 1. példa szerint jártunk el itt is, kiegészítve azzal, hogy fém-oxidok (összetétel: A, 1. táblázat) keverékével bevont, szabad járatos, szabványos fémhordozóméhsejtet alkalmaztunk párhuzamos csatornákkal (sejtosztás: 200 cpsi, hossz: 43 mm). A kísérleteket a katalitikus karbamidhidrolízishez egyébként azonos kísérleti feltételekkel megismételtük. Itt is az FTIR-spektrométer méretpontosságán belül az NH₃/CO₂ mólarány 2:1 volt. Viszont a tartós kísérletek során karbamidcsúszás volt megfigyelhető, amit a könnyen redukált karbamidátalakítások tükröztek (200 °C: 96,8%; 300 °C: 98,4%; 400 °C: 99,8%).

V

Összehasonlító példa: lb

Az 1. példánál ismertetetteket megismételtük. Ennek során szabványos típusú, párhuzamos csatornákkal rendelkező, szabad csatornás, fémhordozó méhsejtet bevonat nélkül alkalmaztunk (sejtosztás: 200 cpsi, hossz:

mm). Az FTTR-spektrum az NH₃- és CO₂-gázokon túlmenően HNCO képződését is jelezte. A karbamidátalakítás itt igen erősen visszaesett (200 °C: 68%, 300 °C: 79%, 400 °C: 83%).

2-6. példák:

Az 1. példa szerinti kísérletet azonos feltételek mellett végeztük, azonban BEE összetételű bevonatokat (1. táblázat) alkalmaztunk. Valamennyi esetben a karbamidátalakítás 99,95%-os vagy ennél nagyobb értékű volt.

7—11. példák

Ennél a kísérletsorozatnál az egyébként azonos körülmények alkalmazása mellett (lásd 1-6. példák) a

HU 216 397 Β gázkeverékhez NO-t (2000 ppm) adagoltunk. A katalizátoroknál A-C bevonatok (7-9. példák) alkalmazása esetén maximum 10%-os NO_x-redukciót tapasztaltunk, viszont B és E bevonatok esetében (10. és 11. példa), a hőmérsékletfüggő NO-redukció értéke 15% (300 °C) és 35% (500 °C) közötti értékűre adódott.

12. példa:

A kipufogógázt 12 literes, hathengeres dízelmotor szolgáltatta, amelyet optimális fogyasztásúra állítottunk be, és üzemeltetéséhez 0,045%-os kéntartalmú dízelüzemanyagot és a kereskedelmi forgalomban szokásos motorolajat használtunk. A motort 13 órás tesztben a 88/77/EWG szerint üzemeltettük. A kísérleti cél volt a korlátozott káros anyagok (11 g NO_x/kWh; 3,5 g CO/kWh és 1,1 g HC/kWh) legalább 70%-kal való csökkentése volt. Redukálóanyagként 32,5%-os vizes karbamidoldatot alkalmaztunk, amelyet az 1. ábra szerinti adagolószerkezettel a 3. ábra szerinti katalizátorrendszerbe permeteztünk. Az alábbi katalizátorokat alkalmaztuk:

1. Hidrolíziskatalizátort (34), RG900001/h; aktív komponensek: fém-oxid-keverék A összetétel szerint (1. táblázat); hordozóanyag: fém méhsejt: 150 cpsi cellaosztású, a 2. ábra szerinti kivitelben;

2. SCR-katalizátor (5), RG300001/h; aktív komponensek: V₂O₅/WO₃/TiO₂ fém méhsejten, amelynél a cellaosztás: 200cpsi;

3. Oxidációs katalizátor (35), RG900001/h; aktív komponensek: platina promotált és stabilizált A1₂O₃on, fém méhsejthordozón, ahol a sejtosztás: 200 cpsi.

A kipufogógáz kezelésének eredménye a következő volt: 3,2 g NO_x/kWh (71%), 0,9 g CO/kWh (T4%), 0,22 g HC/kWh (80%). A forró H₂O/izopropanollal történő részecskekivonás és a karbamidnak a Xanthydrol5 módszerrel történő gravimetrikus meghatározása 2 mg/kWh értékű karbamidcsúszást mutatott. Ez a csekély mennyiség mutatja, hogy a karbamidcsúszás nem okozhat mérhető részecsketömeg-növekedést. A katalizátor beömlési körzetében semmiféle karbamid vagy annak átalakításával keletkező termék lerakódása nem volt észlelhető. Redukálóanyagként vizes karbamidoldat befecskendezése a minimális, 250 °C-os füstgázhőmérséklet fölött történt (17, 18), mégpedig 75%-os NO_x-lebontáshoz ekvivalens karbamid-víz mennyiség15 gél.

13. példa:

A 12. példánál ismertetett próbapadi motortesztet az alábbi katalizátorokkal ismételtük meg:

1. Hidrolíziskatalizátor (34), RG90000/h, aktív komponensek a D összetétel szerint (1. táblázat), hordozó: fémméhsejt a 2. ábra szerinti kivitelben, 150 cpsi cellaosztással;

2. SCR-katalizátor (5), RG36000/h, aktív kompo25 nensek és a hordozó megegyezik a 12. példánál alkalmazottakkal;

3. Oxidációs katalizátor (35), mint a 12. példánál.

A kipufogógáz utókezelése a következő eredményeket mutatta: 3,2 g NO_x/kWh (71%), 0,9 g CO/kWh (74%) és 0,24 g HC/kWh (22%). A karbamidcsúszás értéke 2,5 mg/kWh-ra adódott.

1. táblázat

Hidrolíziskatalizátorok aktív komponensei (g/: L):

	A12O3>)	TiO2 2)	SiO2 3)	ZrO2	H-mordenit	H-ZSM5
A	120	-	40	10	-	-
B	90	60	10	-	-	-
C	30	110	10	-	-	-
D	70	-	-	-	70	-
E	70	-	-	-	-	70

1) y-AljOj (120m²/g).

2) Degussa P25, 50 m²/g,

3) SiO₂ (170 m²/g).

A példakénti A—Cösszetételek megfelelnek a technika állásának. A D és E^összetételek viszont a 9. igénypont szerinti megoldásnak felelnek meg.

_t v< <^L A hidrolíziskatalizátor gyártására a következő példát adjuk: 35 mm-es átmérőjű és 43 mm-es hosszúságú fémhordozó méhsejtet (2. ábra, sejtosztás: 150 cpsi) A1₂O₃, A1₂SíO₂ és ZrO₂, 25%-os vizes szuszpenzióba mártjuk (súlyarány 12:4:1; összetétel A), majd a felesleges bevonóanyagot kifújva alakítjuk ki a bevonatot. Ezt 120 °C-os hőmérsékleten szárítjuk, majd 5 órás időtartamig 700 °C-os hőmérsékleten kalcináljuk. Ezzel analóg módon járhatunk el B-E összetételek alkalmazása esetén is.

Claims (22)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   50 1. Berendezés oxigéntartalmú füstgázok karbamid felhasználásával történő katalitikus NO_x-redukciójához, füstgázcsőbe (2) épített redukciós katalizátorral (5), karbamidbefogadó tartállyal (7), ahol a tartály (7) vezetéken (16, 10) keresztül a folyékony karbamidoldatot

   55 párologtatóra (3; 34) finoman permetezni képes porlasztófüvókával (9) van összekötve, azzal jellemezve, hogy a párologtató (3; 34) áramláskeverőként van kialakítva.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti berendezés, azzal jelle60 mezve, hogy a párologtató (3’) az oldatáramot részára7

   HU 216 397 Β mokra bontóan, ezeket a párologtatón (3’) belül elterelően, szétválasztóan és összevezetően van áramláskeverőként kialakítva.
3. 3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a párologtató (3) áramlásirányban tekintve legalább két részből (3a; 3b) áll, ezek egymás után helyezkednek el, és közöttük hézag (8) van hagyva.
4. 4. Az 1-3. igénypontok bármelyike szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a párologtató (3; 3’; 34) fémből készül, és lényegében áramlásirányú gázvezető csatornák (20) sorozatával rendelkezik, ezek a párologtatón (3; 3’; 34) belül egymással áramlástechnikai kapcsolatban vannak.
5. 5. A 4. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a párologtató (3; 3’; 34) csatornái (20) irányváltozásokat (21) tartalmazó szakaszokkal rendelkeznek, továbbá a csatomafalak (22) a fő áramlásirányra keresztirányú részáramokat lehetővé tevő nyílásokkal (23) vannak ellátva.
6. 6. A 4. vagy 5. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a párologtató (3’) csatornái (20) és nyílásai (23) mm nagyságrendű átmérőjűek, előnyösen 2 mm alattiak.
7. 7. Az 1-6. igénypontok bármelyike szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a párologtató (3 ’) csatornafalai (22) nyitott pórusú bevonattal vannak ellátva, amely finom szemcsés, szervetlen oxidokat tartalmaz.
8. 8. Az 1-7. igénypontok bármelyike szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a párologtató hidrolíziskatalizátorként (34) van kialakítva.
9. 9. A 7. vagy 8. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a hidrolíziskatalizátor (34) bevonata alumínium-oxidnak titán-dioxiddal, szilícium-dioxiddal, cirkónium-dioxiddal és/vagy H-zeolitokkal való keverékét tartalmazza, ahol a súlyarány az alumínium-oxid és az egyéb oxidok között 90:10 és 10:90 értékek közötti.
10. 10. A 9. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a hidrolíziskatalizátor (34) hordozószerkezetének bevonata hordozótérfogatonként 40-220 g/1, előnyösen 60-160 g/1 koncentrációjú fém-oxid-keveréket tartalmaz.
11. 11. A 9. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a hidrolíziskatalizátor (34) hordozószerkezetének bevonata H-zeolit-tartalmú oxidkeverékből áll, ezáltal az SCR-katalizátor (5) térfogata 10-30%-kal csökkentett.
12. 12. Az 1-11. igénypontok bármelyike szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a párologtató (3), illetve a hidrolíziskatalizátor (34) a füstgázcsőbe (2) áramlásirányban tekintve a redukciós katalizátor (5) elé van építve, és a kipufogógázzal (12) keresztül- és adott esetben körüláramlási kapcsolatban is van.
13. 13. A 9. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a kipufogógáz (12) áramlásirányába tekintve a redukciós katalizátor (5) után oxidációs katalizátor (35) van elrendezve.
14. 14. A 10. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a párologtatóként is szereplő hidrolíziskatalizátor (34), a redukciós katalizátor (5), adott esetben az oxidációs katalizátor (35) és hangtompító (36) közös házban (30) van egyesítve.
15. 15. Az 1-14. igénypontok bármelyike szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a párologtató (3), illetve a hidrolíziskatalizátor (34) a füstgázcsőben (2), annak teljes keresztmetszetét kitöltőén van elrendezve, továbbá a párologtató (3; 34) előtt terelőelemek, előnyösen örvénytárcsa (33) van elrendezve, amely, illetve amelyek a párologtatóba belépés előtt a kipufogógáz megfelelő terelésével a karbamidoldat-permet (13) megfelelő elosztását segítő kialakításúak.
16. 16. Az 1-15. igénypontok bármelyike szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a fúvóka nyomás alatti porlasztófúvókaként (9) van kialakítva, amely vezetéken (10) és mágnesszelepen (16) keresztül a karbamidbefogadó tartállyal (7) van összekötve, továbbá a préslevegő-vezetéke (11) az oldatbetápláló vezetékbe (10) a tartályhoz (7) a lehető legközelebb torkollik.
17. 17. A 13. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy karbamidoldatot adagoló mágnesszeleppel (16) van ellátva, amely impulzusmodulált vezérlésű.
18. 18. A 14. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a karbamidoldatot adagoló mágnesszelep (16) a kipufogógázt leadó, belső égésű motor terhelésétől és fordulatszámától függő, adott esetben NO_x-érzékelővel kombinált vezérlésű.
19. 19. A 14. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy szabályzószervekkel, előnyösen szabályzóegységgel (15) és hőérzékelőkkel (17, 18) van ellátva, ezek a karbamidoldat betáplálását - ha a párologtató, illetve hidrolíziskatalizátor (3, 34) körzetében a kipufogógáz hőmérséklete az előre megadott értéket nem éri el - megszakítani képes kialakításúak.
20. 20. Az 1-19. igénypontok bármelyike szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a porlasztófúvóka (9) a párologtató, illetve hidrolíziskatalizátor (3, 34) házában (30) van elrendezve, továbbá a ház (30) belső fala legalább a karbamidoldattal érintkező körzetekben nyitott pórusú bevonattal, előnyösen szervetlen oxidokból készült bevonattal van ellátva.
21. 21. Az 1-20. igénypontok bármelyike szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy keverőszerkezetként előnyösen örvénytárcsával (33), vezetőelemekkel (40), kúpos keverőegységgel (60) vagy tölcsérszerű keverőegységgel (70) van ellátva, ezek a kipufogógázt (12) a karbamidoldatköddel (13) való keveredése előtt több részáramra (43, 64,65, 73) osztó kialakítású, továbbá a nyomáskülönbségek révén a részáramok (43) gyorsítását biztosító, illetve terelőnyelvek (62, 63, 72) révén a részáramok (66, 73) örvénylését megfordító kialakítású.
22. 22. Az 1-21. igénypontok bármelyike szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a katalizátorok (34, 5, 35) légrés (53) révén hőszigetelt kialakításúak.