SE518816C2

SE518816C2 - Förfarande för avgasrening jämte gasbrännare

Info

Publication number: SE518816C2
Application number: SE9800473A
Authority: SE
Inventors: Nils Lindskog
Original assignee: Kanthal Ab
Priority date: 1997-10-20
Filing date: 1998-02-18
Publication date: 2002-11-26
Also published as: JP2001520110A; EP1024884A1; SE9800473D0; AU9467398A; DE69831587D1; EP1024884B1; AU738681B2; DE69831587T2; ATE304403T1; SE9800473L; WO1999020375A1; US6425754B1

Description

518 816 nom öka brännarens effektkoncentration. Detta är i sig möj- ligt genom att utföra ytterröret i ett högtemperaturmaterial, såsom kiselkarbid (SiC) eller APM. APM är en förkortning av Advanced Powder Metallurgy, vilket material innefattar om- kring 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.

Det är känt att i laboratoriemiljö utföra katalytisk avgas- rening av rökgaserna från gasbrännare, där avgaserna bringats att passera en 3-vägs-katalysator innefattande keramisk mono- lit. Härvid har NOX -halterna nedbringats genom att lambda- värdet (L) bringats att vara något under värdet = 1. Emeller- tid har därvid istället halten CO ökat kraftigt i rökgasen.

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.

Föreliggande förfarande löser dessa problem och medför betyd- ligt lägre halter av både CO och NOX liksom HC än vad som uppnås med en konventionell katalytisk avgasrening.

Detta medför att en gasbrännare kan opereras vid en högre temperatur utan att miljöbelastningen ökar. Tvärtom ger före- liggande uppfinning vid hög temperatur halter av nämnda ämnen som ligger betydligt lägre än de halter som erhålles med en konventionell brännare vid en konventionellt lägre tempera- tur.

Det är väsentligt att föreliggande förfarande på motsvarande sätt kan användas för att sänka halterna av HC, CO och NOX i avgaser från förbränningsmotorer, såsom bilmotorer. 518 816 Föreliggande uppfinning hänför sig således till ett förfaran- de för att rena avgaser fràn kväveoxider (NOX) kolväten (HC) och kolmonoxid (CO), såsom avgaser frán brännare och för- bränningsmotorer, innefattande att avgaserna bringas att ledas genom en katalysator för katalytisk avgasrening, där och utmärkes av, att lambda-värdet (L) bringas att vara under ett värde = 1, av att avgasen bringas att ledas genom en första katalysator och därefter genom en andra katalysator och utmärkes av, att bränslet och förbränningsluften blandas före förbränningen av att i den första katalysatorn CO-halten bringas att vara tillräckligt hög för att NOX skall reduceras till N2 i sådan omfattning att NOX -halten nedbringas till ett förutbestämt värde och av att tillräckligt med syre (02) bringas att införas mellan den första och den andra katalysa- torn sä att såväl CO och HC oxideras till C02 och H20 i sådan omfattning att CO-halten nedbringas till ett förutbestämt värde samt av att den ena eller båda katalysatorerna bringas (11,12) belagts med skikt innefattande Rhodium, Platina och/eller att innefatta nät av vävd högtemeraturtràd, vilken Palladium, eller alternativt tunna veckade band av ett mot- svarande material, som katalysatorer.

Vidare hänför sig uppfinningen till en gasbrännare med kata- lytisk avgasrening av det slag och med de särdrag som anges i patentkravet 6.

Nedan beskrives uppfinningen närmare, delvis i samband med pà bifogade ritningar visade utföringsexempel av uppfinningen, där - figur 1 visar ett schematiskt tvärsnitt genom en gasbränna- re - figur 2 är en illustration till figur 3 - figur 3 visar ett schematiskt diagram över händelseförlop- pet för 02, HC, CO och NOX när föreliggande uppfinning till- lämpas - figur 4 visar ett diagram över halten NOX mot avgastempera- turen med och utan katalysator 1.0 518 816 - figur 5 är ett diagram över halten NOX mot temperaturdiffe- rensen över en katalysator - figur 6 visar ett blockschema över en reglerkrets - figur 7 visar ett schematiskt snitt genom en brännare en- ligt ett alternativt utförande.

I figur 1 visas en känd typ av gasbrännare för uppvärmning av ugnar. Gasbrännaren är av den typ där brännarhuvudet l är placerad i ena änden av ett innerrör 2 utanpå vilket ett ytt- re skyddsrör 3 är placerat. Skyddsröret 3 är tillslutet i dess botten 4. Detta medför att avgaserna fràn brännarhuvudet löper inuti innerröret 2 ned mot ytterrörets 3 botten 4 där 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 båge 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 var- andra. 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.

Enligt uppfinningen förefinns tvä katalysatorer 8, 9 placera- de i strömningsriktningen efter varandra. Den första 8 kata- 518 816 lysatorn är anordnad att vid en tillräckligt hög CO-halt i avgasen reducera NOX till N2 ske i sådan omfattning att NOX - halten nedbringas till ett förutbestämt värde. Vidare före- finns ett inlopp 10 för syre (02) mellan den första 8 och den andra 9 katalysatorn. Den andra katalysatorn är anordnad att vid tillförsel av syre genom nämnda inlopp 10 oxidera CO och HC till C02 och H20 i sådan omfattning att CO-halten ned- bringas till ett förutbestämt värde. Nämnda syre tillföres företrädesvis i form av luft.

Enligt föreliggande förfarande bringas lambda-värdet (L) att vara under ett värde = 1. Avgasen bringas således att ledas genom den första katalysatorn 8 och därefter genom den andra katalysatorn. I den första katalysatorn bringas CO-halten ge- nom det understökiometriska lambda-värdet att vara tillräck- ligt hög för att NOX skall reduceras till N2 i sådan omfatt- ning att NOX -halten nedbringas till ett förutbestämt värde.

Den reaktion som reducerar NOX kan tecknas NOX + CO -> 1/2 N2 + CO2. 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- nehåller väsentligen CO och kolväten (HC).

Vidare bringas tillräckligt med syre (02) att införas mellan den första 8 och den andra 9 katalysatorn så att såväl CO som HC oxideras till CO2 och H20 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 -> CO2 och HnCm + (m + n/2) O2 -> mCO2 + n/2 H20. Med en tillräcklig syretillförsel genom inloppet 10 kan båda dessa reaktioner drivas mycket långt åt höger.

Det förhåller sig således så att CO är bränslet för att redu- cera NOX. Försök har visat att halten CO före den första ka- 518 816 talysatorn bör vara så hög att halten CO efter den första ka- talysatorn är i storleksordningen 5000 ppm. Syrehalten efter den första katalysatorn är därvid omkring 0 ppm.

Enligt ett föredraget utförande bringas lambda-värdet att vara 0.940 till 0.995. Det är föredraget att operera vid ett lambda-värde av 0.970. Detta lambda-värde ger tillräckligt hög halt CO för att i den första katalysatorn 8 nedbringa NOX-halten till mycket låga värden.

Det är föredraget att lambda-värdet har ett värde sådant att NOX -halten efter den andra katalysatorn understiger 50 till 1 är att 100 ppm. Nackdelen med ett lägre lambda-värde än bränslet inte helt utnyttjas.

Det är vidare föredraget att syre införes mellan den första 8 och den andra 9 katalysatorn i sådan mängd att CO-halten ef- ter den andra 9 katalysatorn understiger 5 - 20 ppm. Härvid understiger även HC-halten 5 - 20 ppm.

Enligt en mycket föredragen utföringsform innefattar den ena eller bäda katalysatorerna 8, 9 nät av vävd högtemperaturtràd vilken belagts med skikt innefattande Rhodium, Platina och Palladium som katalysatorer. Dylik högtemperaturtràd tillver- kas av sökanden i detta patentärende och innehåller väsentli- gen samma beståndsdelar som det ovan nämnda APM-materialet.

I stället för nät kan tunna veckade band i motsvarande mate- rial användas. Sådana band tillhandahálles av Sandvik AB, Sverige.

I figur 1 betecknar siffran ll dylika ringformiga nät i den första katalysatorn 8 och siffran 12 skivformiga nät i den andra katalysatorn 9. Fördelen med dylika katalysatorer är att de tål en högre temperatur än katalysatorer med keramisk monolit. Vidare är strömningsmotsàndet lägre än i konventio- nella katalysatorer. 518 816 Enligt ett föredraget utförande vid den typ av gasbrännare som ovan beskrivits är den första katalysatorn 8 placerad mellan det inre 2 och det yttre röret 3 vid läget för rekupe- ratorn 13 och den andra katalysatorn 9 är placerad i avgaska- nalen.

Figur 2 är en illustration till figur 3 som illustrerar brännkammarens flamma 12, avgasströmmen 13 mot den första katalysatorn 8, avgasströmmen 14 mot den andra katalysatorn 9 och lufttillförsel 15 via inloppet 10 samt den slutliga rena- de avgasen 16.

Figur 3 visar ett schematiskt diagram över händelseförloppet för O2, HC, CO och NOX när föreliggande uppfinning tillämpas.

Y-axeln visar halt och X-axeln fysisk position hos avgasen.

Strecket 16 avser positionen efter förbränningen av bränslet, strecket 17 avser avgasens inträde i den första katalysatorn 8, strecket 18 avgasens inträde i den andra katalysatorn 9 och strecket 19 avgasens utträde ur den andra katalysatorn 9.

Av figur 3 framgår således att halten CO är hög efter för- bränningen och att NOX reduceras i den första katalysatorn under det att CO-halten fortfarande är hög liksom HC-halten.

Tillförseln av syre medför att CO och HC oxideras i den andra katalysatorn 9 så att avgasen ut ur systemet har mycket låga halter av HC, CO och NOX.

Fullskaleförsök har utförts med en s.k. WS 80 millimeterbrän- nare med ett ytterrör 3 av materialet APM vars ytterdiameter/ innerdiameter var 91/78 millimeter och vars innerrörs 2 mot- svarande dimensioner var 64/56 millimeter. Den första kataly- satorn 8 innefattade tio stycken nät av högtemperaturtràd och den andra katalysatorn 9 innefattade fem stycken dylika nät.

Som riktvärden tillfördes omkring 240 liter förbränningsluft per minut och omkring 30 liter luft per minut i inloppet 10.

Detta gav brännaren en effekt av omkring 10 kW. 518 816 Det är föredraget att tillföra luft mellan katalysatorerna motsvarande omkring 10 - 20% av den mängd förbränningsluft som tillföres brännaren.

I figur 4 visas resultat som erhölls vad gäller NOX -halten mot avgastemperaturen efter den andra katalysatorn med och utan katalysatorer. Kurvorna visar att de högsta NOX -hal- terna fàs utan katalysator och med ett lambda-värde under- stigande 1, se kurvan utmärkt med fyllda fyrkanter. Med ett lambda-värde =l.l5 erhålles en viss sänkning av NOX -halten, se kurvan markerad med öppna fyrkanter med en prick i mitten.

Utan katalysator stiger NOX -värdet med avgastemperaturen.

När emellertid föreliggande uppfinning tillämpas sker en dra- matisk sänkning av NOX. Detta visas med den nedersta kurvan med icke fyllda fyrkanter, där lambda-värdet är 0.950 - 0.995 och katalysatorerna 8, 9 används. Som framgår är NOX -värdet omkring 20 ppm relativt oberoende av avgastemperaturen. Vid nämnda försök var halten CO respektive HC väsentligen 0 ppm.

I figur 5 visas ett diagram över halten NOX mot temperatur- differensen över den andra katalysatorn 9. Temperaturen mäts med ett första termoelement 20 vid inloppet till den andra katalysatorn och med ett andra termoelement 21 vid katalysa- torns utlopp.

Kurvorna till vänster i figur 5 visar mätningar utan kataly- satorer vid lambda-värdet 1.15 respektive understigande vär- det 1. Därvid är NOX -halten mellan 100 och 250 ppm. Halten HC är härvid 350 ppm som medelvärde.

De reaktioner som sker i den andra katalysatorn är sammanta- get exoterma. Dessutom tillföres stora mängder luft via in- loppet 10. Det har visat sig temperaturdifferensen över den andra katalysatorn kan användas för att styra lambda-värdet genom att variera lufttillförseln till brännaren. Detta beror 518 816 på att vid ett lägre lambda-värde bildas mer CO som förbränns i den andra katalysatorn varvid temperaturdifferensen stiger, och vice versa.

Det har vidare visat sig att NOX -värdet är ungefär konstant och lågt inom ett visst intervall, i figur 5 vid en tempera- turdifferens av -lO°C till 40°C. Därefter ökar NOX -värdet något.

I figur 7 visas ett alternativt utförande av en brännare en- ligt figur l. Enligt detta alternativa utförande är innerrö- ret uppdelat i två efter varandra i axiell riktning liggande innerrör 25, 26. Det longitudinella avståndet mellan innerrö- ren 25, 26 kan vara 20 - 30 millimeter eller något större.

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

Härigenom uppnås en lägre avgastemperatur och en jämnare tem- peratur över ytterröret 3. Dessutom uppnås en fullständigare förbränning, vilket innebär att en mindre mängd oförbränd CO och HC inträder i avgaskanalen. Härigenom är det möjligt att samtidigt nå både lägre halt av NOX och läge halt CO.

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 att införas tillsam- mans med bränslet i inloppet 6 för bränsle, medan resterande förbränningsluft införes via inloppet 7. Detta gäller både för utförandet av brännaren enligt figur 1 och 7.

Enligt ett mycket föredraget utförande mäts temperaturdiffe- rensen över den andra katalysatorn 9 och lambda-värdet regle- ras så att temperaturdifferensen ligger inom ett förutbestàmt temperaturintervall. Det aktuella temperaturintervallet kan variera med flödena av avgaser och utformningen av katalysa- 518 816 torerna samt brännaren i övrigt. Emellertid har fackmannen ingen svårighet att genom mätningar av NOX -halten fastställa det aktuella temperaturintervall inom vilket temperaturdiffe- rensen över den andra katalysatorn skall ligga för att en låg NOX -halt skall erhållas.

I figur 6 visas ett schematiskt blockschema över ett styrsys- tem för denna reglering. Termoelementen 20, 21 avger en sig- nal till en mikroprocessor 22 eller motsvarande, vilken mikroprocessor är anordnad att utstyra exempelvis en stegmo- tor 23, vilken i sin tur är anordnad att manövrera en ventil 24 med vilken lufttillförseln till brännaren regleras.

Fördelen med denna reglering är att den är mycket enklare och billigare än att med en lambda-sond mäta lambda-värdet under drift.

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

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

Vad gäller specifikt bensinmotorer för bilar placeras den första katalysatorn nära motorns grenrör. Den andra katalysa- torn placeras lämpligen på kort avstånd från den första kata- lysatorn utmed avgasröret. Ett luftinlopp anordnas mellan katalysatorerna. Fackmannen har ingen svårighet i att dimen- sionera katalysatorerna, vilka lämpligen innefattar vävd högtemperaturtråd eller veckade tunna band, som ovan angi- vits, eller deras placering eller storleken av och utförandet 3sav luftinloppet.

Det är således uppenbart att uppfinningen kan modifieras och 518 816 ll anpassas till olika förutsättningar, såsom brännartyp, motor- typ etc., utan att uppfinningstanken, nämligen att genom ett understökiometriskt lambda-värde skapa tillräckligt med CO för att i en första katalysator reducera NOX och i en andra skatalysator genom tillskott av syre oxidera HC och CO så att avgaserna därefter huvudsakligen innehåller H20, C02 och 02.

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

Claims

10 15 20 25 30 518 816 12 Patentkrav

1. l. Förfarande för att rena avgaser från kväveoxider (NOX) kolväten (HC) och kolmonoxid (CO), såsom avgaser från bränna- re och förbränningsmotorer, innefattande att avgaserna bring- as att ledas genom en katalysator för katalytisk avgasrening, där lambda-värdet (L) bringas att vara under ett värde = l, av att avgasen bringas att ledas genom en första katalysator (8) och därefter genom en andra (9) katalysator, k ä n n e - t e c k n a t a v, att bränslet och förbränningsluften blan- das före förbränningen, av att i den första katalysatorn (8) CO-halten bringas att vara tillräckligt hög för att NOX skall reduceras till N2 i sådan omfattning att NOX -halten ned- bringas till ett förutbestämt värde och av att tillräckligt med syre (02) bringas att införas mellan den första (8) och den andra (9) katalysatorn så att såväl CO och HC oxideras till C02 och H20 i sådan omfattning att CO-halten nedbringas till ett förutbestämt värde samt av att den ena eller båda katalysatorerna (8,9) bringas att innefatta nät (ll,l2) av vävd högtemperaturtràd, vilken belagts med skikt innefattande Rhodium, Platina och/eller Palladium, eller alternativt tunna veckade band av ett motsvarande material, som katalysatorer.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av, att lambda-värdet bringas att vara 0.940 till 0.995.

3. Förfarande enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t a v, att lambda-värdet bringas att ha ett värde sådant att NOX -halten efter den andra katalysatorn (9) understiger 50 till 100 ppm.

4. n a t Förfarande enligt krav 1, 2 eller 3, k ä n n e t e c k - (8) andra (9) katalysatorn i sådan mängd att CO-halten efter den a v, att syre införes mellan den första och den 35andra (9) katalysatorn understiger 5 - 20 ppm.

5. Förfarande enligt krav 1, 2, 3 eller 4, k ä n n e - 10 15 20 25 30 35 518 816 13 t e c k n a t a v, att temperaturdifferensen över den andra katalysatorn (9) mäts och av att lambda-värdet regleras sä att temperaturdifferensen ligger inom ett förutbestämt tempe- raturintervall.

6. av den typ där brännarhuvudet är placerat i ena änden av ett Gasbrännare för uppvärmning av ugnar, där gasbrännaren är innerrör (2) utanpá vilket ett yttre skyddsrör (3) är place- rat, varvid rökgaserna fràn brännarhuvudet (1) löper inuti innerröret och inuti ytterröret och därefter in i en avgaska- nal (5) som leder till omgivningen, där det förefinns tvà katalysatorer (8,9) placerade i strömningsriktningen efter varandra, k ä n n e t e c k n a d a v, att ett inlopp (6) för bränsle och en viss mängd förbränningsluft förefinns, av att den första katalysatorn (8) är anordnad att vid en till- räckligt hög CO-halt i avgasen reducera NOX till N2 i sådan omfattning att NOX -halten nedbringas till ett förutbestämt värde av att ett inlopp (10) för syre (02) förefinns mellan den första (8) och den andra (9) katalysatorn och av att den andra (9) katalysatorn är anordnad att vid tillförsel av syre nämnda inlopp (10) oxidera CO och HC till C02 och H20 i omfattning att CO-halten nedbringas till ett förutbe- genom sàdan stämt (8,9) ken belagts med skikt innefattande Rhodium, Platina och/eller värde samt av att den ena eller bàda katalysatorerna innefattar nät (ll,l2) av vävd högtemperaturtràd, vil- Palladium, eller alternativt tunna veckade band av ett mot- svarande material, som katalysatorer.

7. Gasbrännare enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av, att brännaren är anordnad att operera vid ett lambda-värde i intervallet 0.940 till 0.995.

8. n a d Gasbrännare enligt krav 6 eller 7, k ä n n e t e c k - a v, att den första katalysatorn (8) är placerad mel- lan det inre (2) och det yttre (3) röret vid läget för reku- peratorn och av att den andra katalysatorn (9) är placerad i avgaskanalen. 518 816 14

9. Gasbrännare enligt krav 6, 7 eller 8, k ä n n e t e c k - n a d a v, att innerröret är uppdelat i tvà efter varandra i axiell riktning liggande innerrör (25, 26) där det longitudi- snella avståndet mellan innerrören (25, 26) är åtminstone 5 - 30 millimeter.