SE518794C2 - Förfarande för att styra halten kväveoxider, kolväten och kolmonoxid vid avgasrening - Google Patents

Description

70 518 794 Det är önskvärt att hålla ytterröret vid en temperatur av upp till 1150 - 1200 °C för att därigenom öka brännarens effekt- koncentration. Detta är i sig möjligt genom att utföra ytter- röret i ett högtemperaturmaterial, såsom kiselkarbid (SiC) eller APM. APM är en förkortning av Advanced Powder Metallur- gy, vilket material innefattar omkring 73% Fe, 22% Cr och 5% Al. Pulvermaterialet extruderas till ett rör.

Emellertid inträffar vid dylika högre temperaturer att halten av NOX i avgaserna ökar väsentligt.

Ett problem som uppstår vid högre temperaturer är att kataly- satorn utsätts för stora termiska påfrestningar, varför en konventionell katalysator med keramisk monolit kan förstöras om inte denna kyls.

Nämnda patent löser dessa problem och medför betydligt lägre halter av både CO och NOX liksom HC än vad som uppnås med en konventionell katalytisk avgasrening.

Nämnda patent avser ett förfarande för att rena avgaser från kväveoxider (NOm kolväten (HC) och kolmonoxid (CO), såsom avgaser från brännare och förbränningsmotorer, innefattande att avgaserna bringas att ledas genom en katalysator för katalytisk avgasrening. Enligt patentet bringas lambda-vär- det att vara under ett värde = 1. Avgasen bringas att ledas genom en första katalysator och därefter genom en andra kata- lysator, där i den första katalysatorn CO-halten bringas att vara tillräckligt hög för att NOX skall reduceras till N¿ i sådan omfattning att NOX-halten nedbringas till ett förutbe- stämt värde och där tillräckligt med syre bringas att införas mellan den första och den andra katalysatorn så att såväl CO och HC oxideras till C02 och Hg) i sådan omfattning att CO- halten nedbringas till ett förutbestämt värde. 75 518 794 Ett stort problem vid utövandet av uppfinningen enligt paten- tet är att lambda-värdet inte kan mätas direkt, utan mäste mätas indirekt.

Föreliggande uppfinning löser detta problem och medför att en aktiv reglering kan ske under drift.

Föreliggande uppfinning hänför sig således till förfarande (NOX), (HC) sàsom avgaser frän brännare och för att styra halten kväveoxider kolväten och kolmonoxid (CO) i avgaser, förbränningsmotorer, innefattande att avgaserna bringas att ledas genom en katalysator för katalytisk avgasrening, där ett första lambda-värde (Ä1) för tillförd bränsleblandning bringas att vara under ett värde = 1 och där avgasen bringas att ledas genom en första katalysator och därefter genom en andra katalysator, varvid i den första katalysatorn CO-hal- ten bringas att vara tillräckligt hög för att Nmä skall redu- ceras till N¿ ske i sådan omfattning att NOX-halten nedbringas till ett förutbestämt värde och varvid tillräckligt med syre (Oz) bringas att införas mellan den första (8) och den andra (9) katalysatorn så att såväl CO och HC oxideras till C02 och E50 i sådan omfattning att CO-halten nedbringas till ett för- att ett andra lambda-värde utbestämt värde, och utmärkes av, (Ä2) i avgasen bringas att mätas efter nämnda andra katalysa- tor medelst ett mätorgan anordnat att avge en signal till en mikroprocessor eller motsvarande med ett tillhörande minne och av att en ventil för reglering av tillförd syremängd i förhållande till tillförd bränslemängd bringas att utstyras av nämnda mikroprocessor så att nämnda andra lambda-värde (Ä2) bringas att ligga inom ett förutbestämt intervall vars nedre gräns överstiger ett värde = 1.

Nedan beskrives uppfinningen närmare, delvis i samband med pä bifogade ritningar visade utföringsexempel av uppfinningen, där - figur 1 visar ett schematiskt tvärsnitt genom en gasbränna- re enligt ett första utförande 70 75 518 794 - figur 2 visar ett schematiskt snitt genom en brännare en- ligt ett alternativt utförande - figur 3 schematiskt visar ett reglersystem enligt förelig- gande uppfinning - figur 4 visar ett diagram över halten av NOK och CO som funktion av lambda-värdet för tillförd bränsleblandning - figur 5 visar ett diagram över halten av NOX och CO som funktion av lambda-värdet efter en andra katalysator vid en brännare med en effekt av 12 KW.

I figur l visas en känd typ av gasbrännare för uppvärmning av ugnar. Gasbrännaren är av den typ där brännarhuvudet 1 är placerad i ena änden av ett innerrör 2 utanpå vilket ett yttre skyddsrör 3 är placerat. Skyddsröret 3 är tillslutet i dess botten 4. löper inuti innerröret 2 ned mot ytterrörets 3 botten 4 där Detta medför att avgaserna från brännarhuvudet de vänder för att strömma mellan ytterröret och innerröret i motsatt riktning och därefter in i en avgaskanal 5 som leder till omgivningen.

Uppfinningen är inte begränsad till någon särskild gasbränna- re, eller annan brännare, utan kunde likaväl ha beskrivits i samband med den ovan nämnda brännartyp som också har ett inre rör utanpå vilket ett yttre skyddsrör är placerat, men där skyddsrörets botten inte är tillsluten, utan där skyddsröret löper i en bàge och där dess fria ände är ansluten till en avgaskanal.

En rekuperator utgöres av den del av innerröret 2 som omger brännarhuvudet eller alternativt av ett särskilt rör som om- ger brännarhuvudet och där ett separat innerrör förefinns i det särskilda rörets förlängning. Det särskilda röret och det separata innerröret ligger således axiellt i linje med varan- dra. Det separata innerröret börjar vid det särskilda rörets öppna ände.

Bränsle i form av gas införes i ett inlopp 6 och luft till- föres i ett inlopp 7. 518 794 Två katalysatorer 8, 9 är placerade i strömningsriktningen efter varandra. Den första 8 katalysatorn är anordnad att vid en tillräckligt hög CO-halt i avgasen reducera NOX till NZ ske i sådan omfattning att NOX-halten nedbringas till ett förut- bestämt värde. Vidare förefinns ett inlopp 10 för syre (Og mellan den första 8 och den andra 9 katalysatorn. Den andra katalysatorn är anordnad att vid tillförsel av syre genom nämnda inlopp 10 oxidera C0 och HC till C02 och Hg) i sådan omfattning att C0-halten nedbringas till ett förutbestämt värde. Nämnda syre tillföres företrädesvis i form av luft.

Enligt nämnda patent bringas lambda-värdet (Ä) att vara under ett värde = 1. Lämpligen bringas lambda-värdet att vara 0.940 till 0.995. Avgasen bringas således att ledas genom den förs- ta katalysatorn 8 och därefter genom den andra katalysatorn.

I den första katalysatorn bringas CO-halten genom det under- stökiometriska lambda-värdet att vara tillräckligt hög för att NOX skall reduceras till N2 i sådan omfattning att NOX- halten nedbringas till ett förutbestämt värde. Den reaktion som reducerar NOX kan tecknas NOX + CO -> 1/2 N¿ + C02. En ökning av CO-halten i avgasen driver den nämnda reaktionen längre åt höger.

Den avgas som strömmar ut ur den första katalysatorn 8 in- nehäller väsentligen CO och kolväten (HC).

Vidare bringas tillräckligt med syre (02) att införes mellan den första 8 och den andra 9 katalysatorn så att såväl C0 som HC oxideras till CO2cxfl1}gO i sådan omfattning att CO-halten nedbringas till ett förutbestämt värde. Syret tillföres före- trädesvis genom att luft bringas att inströmma genom inloppet . De reaktioner som sker i den andra katalysatorn 9 kan tecknas CO + 1/2 02 -> C02 och.}gCm + (m + n/2) 02 -> mC02 + n/2 PQO. Med en tillräcklig syretillförsel genom inloppet 10 kan båda dessa reaktioner drivas mycket långt ät höger. 70 75 518 794 Det förhäller sig säledes sä att CO är bränslet för att redu- cera NO? Den ena eller bàda katalysatorerna 8, 9 kan vara nät av vävd högtemperaturträd vilken belagts med skikt innefattande Rho- dium, Platina och Palladium som katalysatorer, eller vara andra typer av katalysatorer.

I figur l betecknar siffran ll dylika ringformiga nät i den första katalysatorn 8 och siffran 12 skivformiga nät i den andra katalysatorn 9. Den första katalysatorn 8 placerad mel- lan det inre 2 och det yttre röret 3 vid läget för rekupera- torn 13 och den andra katalysatorn 9 är placerad i avgaska- nalen.

Det är föredraget att tillföra luft mellan katalysatorerna motsvarande omkring 10 - 20% av den mängd förbränningsluft som tillföres brännaren.

I figur 2 visas ett alternativt utförande av en brännare en- ligt figur l. Enligt detta alternativa utförande är innerrö- ret uppdelat i tvä efter varandra i axiell riktning liggande innerrör 25, 26. Det longitudinella avståndet mellan innerrö- ren 25, 26 kan vara 20 - 30 millimeter eller nägot större.

Vid detta utförande bringas rökgaserna att delvis recirkulera kring det nedre innerröret 25, såsom pilarna 27,28 indikerar.

Ovan nämndes att bränsle i form av gas införes i inloppet 6 och luft tillföres i ett inloppet 7. Det har visat sig att förbränningen blir mer fullständig om bränslet är väl blandat med förbränningsluften. Av detta skäl bringas enligt en före- dragen utföringsform en viss mängd luft införas tillsammans med bränslet i inloppet 6 för bränsle, medan resterande för- bränningsluft införes via inloppet 7. Detta gäller både för utförandet av brännaren enligt figur 1 eller 2.

Det ovan nämnda framgår av det inledningsvis nämnda patentet. 70 75 518 794 I figur 3 visas en brännare av samma slag som den i figur l visade.

Enligt föreliggande uppfinning bringas ett andra lambda-värde (X2) i avgasen att mätas efter nämnda andra katalysator me- delst ett mätorgan 29. Mätorganet 29 är föredraget en lambda- sond. Denna är anordnad att avge en signal till en mikropro- cessor 30 eller motsvarande med ett tillhörande minne. I nämnda minne finns börvärden lagrade.

Vidare förefinns en ventil 31 för reglering av tillförd syre- mängd i förhållande till tillförd bränslemängd. Denna ventil bringas att utstyras av mikroprocessorn 30 sà att nämnda and- ra lambda-värde (X2) bringas att ligga inom ett förutbestâmt intervall lagrat i mikroprocessorns minne. En ytterligare ventil 32 kan förekomma i bränsleledningen 6, vilken ventil också utstyres av mikroprocessorn 30. Styrning av bränsle- blandningen som tillföres brännaren kan ske med den ena eller båda ventilerna.

Det andra lambda-värdet är alltid större än 1, vilket gör att det är lätt att mäta med känd teknik.

Föreliggande uppfinning bygger pà insikten att det råder en mycket god korrelation mellan det andra lambdavärdet och hal- ten NOK och CO efter den andra katalysatorn 9.

Enligt en föredragen utföringsform bringas det första lambda- värdet att ligga i ett intervall om 0.92 - 0.96. Detta fram- gär av figur 4 som visar halterna av NOX och CO efter den andra katalysatorn 9 för olika värden pà det första lambda- värdet kl. Av diagrammet framgår att det finns ett föredraget operationsfönster, visat som en rektangel, inom vilket hal- terna av NOx«och CO är läga. Inom detta fönster understiger halterna 50 ppm. 70 75 518 794 I figur 5 visas ett motsvarande diagram för det andra lambda- värdet Ä2. Härvid ligger motsvarande fönster i ett intervall om 1.09 och 1.16 för X2.

I figur 3 betecknar siffran 33 en ledning för tillförsel av en viss mängd förblandningsluft till bränslet i ledningen 6.

Mängden luft genom ledningen 6 ställs in sä att svartrök inte bildas. Svartrök uppträder om flödet av förblandningsluft är för làgt och kl understiger 1. Om flödet är för lågt stiger också CO-halten. Om à andra sidan flödet är för högt stiger halten NOX vid alla värden för Kl. Normalt är mängden för- blandningsluft ungefär 5 - 15 f av förbränningsluften i led- ningen 7.

Vad gäller flödet av den sekundära luft som tillföres via ledningen 10 mäste detta vara tillräckligt högt för att över- skottet av CO, efter reaktionen med NOL skall oxideras. Om flödet är för stort kommer temperaturen i den andra katalysa- torn att bli för högt och NOK att bildas.

Flödet av förblandningsluft och sekundär luft måste anpassas för aktuell typ av brännare så att ett minimum av NOX och Co erhålles vid de bästa lambda-värdena. När detta är gjort kan regleringen ske medelst värdet pà Ä2.

I figur 5 visas ett inramat intervall för X2. Det har emel- lertid visat sig att intervallet varierar något beroende pà typ av brännare och dess effekt. Av detta skäl mäste inter- vallet bestämmas för varje typ av brännare för sig. Därefter kan regleringen ske medelst X2 i aktuellt intervall.

Nedan ges exempel på intervall för olika brännare.

Brännare(KW) Ä-värde NOK-halt(ppm) CO-ha1t(ppm) 1.03-1.17 < 60 < 40 70 518 794 9 12 1.08-1.16 < 50 < 50 14 1.02-l.l4 < 50 < 20 1.05-l.l3 < 50 < 50 För det fall lambda-värdet X2 är för lågt skall tillförseln av förbränningsluft öka eller tillförseln av gas minska. Om lambda-värdet är för högt skall tillförseln av förbrännings- luft minska eller tillförseln av gas öka.

Ovan har föreliggande uppfinning beskrivits i samband med rening av avgaser vid gasbrånnare. Emellertid är förfarandet enligt uppfinningen lika tillämpbart för avgaser från andra typer av brännare liksom vid avgasrening av avgaser från förbränningsmotorer, såsom diselmotorer och bensinmotorer.

Det är uppenbart att föreliggande uppfinning löser de in- ledningsvis nämnda problemen.

Det är således uppenbart att uppfinningen kan modifieras och anpassas till olika förutsättningar, såsom brännartyp, motor- typ etc. utan att uppfinningstanken, nämligen att reglera bränsle-luftblandningen utgående från lambda-värdet efter den andra katalysatorn frångås.

Föreliggande uppfinning skall därför inte anses begränsad till de ovan angivna utföringsformerna, utan kan varieras inom dess av bifogade patentkrav angivna ram.

Claims (5)

70 75 20 25 30 35 518 794 10 Patentkrav kol- såsom avgaser fràn

1. Förfarande för att styra halten kväveoxider (NOQ, (HC) och kolmonoxid (CO) brännare och förbränningsmotorer, innefattande att avgaserna väten i avgaser, bringas att ledas genom en katalysator för katalytisk avgas- (Kl) leblandning bringas att vara under ett värde = rening, där ett första lambda-värde för tillförd bräns- 1 och där av- gasen bringas att ledas genom en första katalysator (8) och därefter genom en andra (9) katalysator, varvid i den första katalysatorn (8) CO-halten bringas att vara tillräckligt hög för att NOK skall reduceras till N¿ ske i sådan omfattning att NOX-halten nedbringas till ett förutbestämt värde och varvid (OJ och den andra (9) tillräckligt med syre bringas att införas mellan den första (8) HC oxideras till CO2 katalysatorn så att sàväl CO och nedbringas till ett förutbestämt värde, k ä n n e t e c k - n a t a v, att ett andra lambda-värde (Ä2) i avgasen bringas att mätas efter nämnda andra katalysator medelst ett mätorgan (29) anordnat att avge en signal till en mikroprocessor (30), eller motsvarande, med ett tillhörande minne och av att en (3l;32) lande till tillförd bränslemängd bringas att utstyras av ventil för reglering av tillförd syremängd i förhål- nämnda mikroprocessor så att nämnda andra lambda-värde (X2) bringas att ligga inom ett förutbestämt intervall vars nedre gräns överstiger ett värde = l.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av, att det första lambda-värdet 0.96. (kl) bringas vara 0.92 till

3. Förfarande enligt krav 1 eller 2, k à n n e t e c k n a t a v, att det andra lambda-värdet (X2) bringas att regleras genom att nämnda ventil reglerar flödet av förbränningsluft. 518 794 ll

4. Förfarande enligt krav l eller 2, k ä n n e t e c k n a t a v, att det andra lambda-värdet (Ä2) bringas att regleras genom att nämnda ventil reglerar flödet av bränsle för för- bränning.

5. Förfarande enligt krav 1, 2, 3 eller 4, k ä n n e - t e c k n a t a v, att nämnda förutbestämda intervall för det andra lambda-värdet (X2) bringas att fastställas genom att mäta halten av NOX, HC och CO efter den andra kataly- satorn för olika värden pà det andra lambda-värdet (X2).