SK280644B6 - Zariadenie na katalytickú redukciu nox - Google Patents

Description

Vynález sa týka zariadenia na katalytickú redukciu NO_X v splodinách, ktoré obsahujú kyslík, využitím močoviny, s redukčným katalyzátorom obsiahnutým v odťahu spalín a rovnako tak nádržou na močovinu, ktorá je spojená prostredníctvom prívodného zariadenia s prúdom splodín. Pritom prívodné zariadenie má rozprašovaciu dýzu, ktorou môže byť tekutý roztok močoviny jemne rozprášený na odpamík.

Doterajší stav techniky

Použitie močoviny ako redukovadla na selektívnu katalytickú redukciu oxidu dusnatého v splodinách obsahujúcich kyslík je známe napríklad z DE - OS 38 30 045, Held et ol. SAE páper 900 496 (1990), strany 13 až 19.

Močovinou sa minimalizuje použitie jedovatého a intenzívne pôsobiaceho amoniaku, a tým prevážanie amoniaku nákladnými autami a jeho skladovanie, ktoré vyžadujú vhodné bezpečnostné opatrenia.

Pri známych postupoch sa roztok močoviny predhreje za podmienky priameho rozprášenia do vedenia splodín pred redukčným katalyzátorom. Pri týchto postupoch vznikajú neočakávané redukčné produkty. Pri termolýze močoviny sa močovina rozpadá pri vzniku plynu, napríklad oxidu uhličitého a amoniaku, na netaviteľnú kyselinu kyanidovú, keď sa ohreje na teplotu vyššiu, ako je teplota tavenia, to znamená 133 °C. Pri ohriatí močoviny na 130 °C až 250 °C sublimuje za čiastočného rozpadu na amoniak a reaktívne kyseliny izokyanidové HNCO. Vo zvyšku zostáva biuret, kyselina kyanidová a amelid. Vytvorenie kyseliny kyanidovej, amelidu a iných látok je pre splyňovanie močoviny veľmi chybné, pretože z pevnej močoviny vzniká najprv tekutá močovina, potom však znovu pevné netaviteľné látky.

Podľa DE 40 38 054 riešenie spočíva v tom, že sa močovina jemne rozpráši dýzou na katalyzátor hydrolýzy. Tým sa dosiahne, že hydrolýzou nastane premena močoviny na amoniak a oxid uhličitý cez oblasť teploty 180 °C až 550 °C, dôležitú pre redukčnú katalýzu.

Podstata vynálezu

Vynález spočíva v úlohe ďalej vyvinúť zariadenie podľa DE 40 38 054, aby sa dosiahlo zmenšenia potreby priestoru zariadenia na spracovanie spalín, nutného pre vstavanie do vozidla, pozostávajúce z výparníka, hydrolýzy a redukčného katalyzátora, pričom je zaistený rozpad močoviny na čpavok a oxid uhličitý.

Za kvalitatívny rozpad sa rozumie stupeň účinnosti vyšší než 99,9 %, zmenšuje sa významne výskyt nasledujúcich neočakávaných vedľajších efektov:

- usadzovanie močoviny na vstupe na katalyzátor;

- povlak na riadenom redukčnom katalyzátore, t. j. nekontrolovateľné akumulačné efekty;

- prenikanie močoviny a generovanie častíc močoviny.

Úloha je vyriešená znakmi vynálezu podľa hlavného nároku.

Vynález spočíva na základe poznatku, že stupeň účinnosti rozpadu močoviny použitím výparníka alebo nasadením hydrolýzy v nepriamych kanáloch prekročí 99,9 % a tým sa môže zmenšiť výskyt uvedených vedľajších efektov.

Podľa vynálezu je výparník vyhotovený s tenkými nepriamymi kanálmi, ktoré sú navzájom prepojené cez drážky a malé otvory v prúdové spojenie. Týmto vytvorením sa hmlovina roztoku močoviny vystupujúca z dýzy rozdelí do množstva prúdových vlákien, ktoré sa vnútri výparníka obrátia, čiastočne spoja dohromady a znovu sa oddelia. Tým sa zaisťuje, že sa kvapôčky roztoku privedú rýchlo do kontaktu s teplovodnou stenou kanála. Spojením medzi kanálmi sú tiež umožnené čiastočne priečne prúdenia, ktoré sú spôsobené tlakovými rozdielmi vnútri susedných kanálov. Priečne prúdenie zabezpečuje rovnomerné rozdelenie prúdu roztoku, prípadne pary v celom priereze výparníka a pripojeného redukčného katalyzátora.

Toto rozdelenie sa môže podporiť rozčlenením výparníka v hlavnom smere prúdenia do dvoch alebo viacerých častí, keď sa tieto časti radia s odstupom za sebou. Odstupom medzi nimi sa môžu vyvolať intenzívne kolmé komponenty prúdenia, keď sa výparník v priereze pokryje rozdielne hrubo.

Týmto opísaným usporiadaním výparníka sa úspešne zabráni, aby kvapky roztoku močoviny stekali výparníkom bez kontaktu so stenami kanála a tým sa neodparovali.

Výparník pozostáva prednostne z kovu s vysokou tepelnou vodivosťou, pričom kanály sú navzájom oddelené veľmi tenkou kovovou stenou, ktorá má drážky alebo otvory na priečne prúdenie. Kovové steny dovoľujú rýchly prívod tepla k miestu rozdelenia roztoku a tým odparenie kvapiek. Zabraňuje sa studenému priechodu, aký sa vyskytuje pri keramike.

Takýto výparník sa nechá výhodne vyrobiť z vhodnej profilovanej, tenkej kovovej fólie, ktorá okrem iného má drážky alebo otvory. Fólia sa potom na vytvorenie výparníka špirálovité zroluje v jednom alebo pri väčších priemeroch vo viacerých závitoch a prekryje sa valcovým plášťom. Profily sú konštruované tak, že po zrolovaní tvoria v podstate axiálne kanály, ktoré ale neprebiehajú priamočiaro, ale majú otočky, ktoré nastávajú čo možno v krátkych vzdialenostiach 5 až 10 mm.

Kanály a takisto drážky alebo otvory majú výhodne priemer v oblasti niekoľkých milimetrov, zvlášť medzi 0,5 až 2 mm.

Podľa ďalšieho vyhotovenia vynálezu sú steny kanálov výparníka prevrstvené absorpčným materiálom, ktorý je kvôli zväčšeniu povrchu pórovitý. Takéto katalytický pôsobiace prevrstvenie zachytí kvapky roztoku a spôsobí kvantitatívnu premenu roztoku močoviny na čpavok a oxid uhličitý a zamedzí neočakávaným vedľajším efektom.

Dostatočným urýchlením odparenia s hydrolýzou a inhibíciou neočakávaných vedľajších produktov sa nanáša všetka vodná hmla močoviny na súčasti, s ktorými prichádza do styku, zvlášť na nosnú štruktúru katalyzátora z jemných anorganických oxidov. Anorganické oxidy musia byť pri teplote až 700 °C rezistentné proti spalinám z dieselových motorov a ich porézna štruktúra musí zostať stabilná mnoho tisíc pracovných hodín. Preto sa používajú zmesi oxidu hlinitého, oxidu titaničitého, oxidu kremičitého, oxidu zirkoničitéhu a/alebo H-zeoliténu v hmotnostnom pomere medzi oxidom hlinitým a inými oxidmi 90 : 10 až 10 = 90.

Použitie zmesi kovových oxidov obsahujúcich H-zeolit poskytuje katalyzátoru dostatočnú aktivitu na selektívnu katalytickú redukciu NO_X čpavkom a dovoľuje tak redukovať objem redukčného katalyzátora na 10 až 30 %. Ako H-zeolit rezistentný spalinám z dieselového motora sa osvedčil H-mordenit, H-ZSM5 a bezhliníkový krakovací katalyzátor obsahujúci kremík.

Kovové oxidy s jemnými časticami zavádzané v patentovom nároku sú zvlášť účinné, ale môžu sa ešte doplniť týmito nasledujúcimi nosičmi, samotnými alebo v zmesi: oxid niobičný, oxid tantalobičný, oxid volfrámový, kremi

SK 280644 Β6 čitan hlinitý a ďalšie zeolity ako bezhliníkové krakovacie katalyzátory.

Výparník, pripadne katalyzátor, je prednostne umiestnený v odvode spalín, kde sú fixované v smere prúdenia pred redukčným katalyzátorom. To má výhodu, že sa priamo využije teplo z prúdu spalín na odparenie a hydrolýzu. Spaliny, ktoré pritom takisto prúdia výparníkom, zabezpečujú dopravu močovinovej hmly. Výparník zaujíma prednostne celý prierez odvodu spalín. Je ale tiež možné, dimenzovať výparník menší, nechať okolo neho dodatočne obtekať čiastočný prúd spalín a tým dosiahnuť homogenizáciu teploty.

Na ďalšie zníženie škodlivín sa môže okrem redukčného katalyzátora do smeru prúdenia umiestniť ešte oxidačný katalyzátor. Výparník a katalyzátory sa môžu podľa ďalšieho uskutočnenia vynálezu zhrnúť do jedného puzdra, v ktorom je tiež aj integrovaný aspoň jeden absorpčný výparník. Absorpčný výparník sa môže technicky jednoducho vytvoriť navliekací a môže byť vybavený prestupom, ktorým môže plyn pri oscilácii spalín dospieť do expanzného priestoru vyplneného absorpčným materiálom, napríklad minerálnou vlnou alebo kovovou vlnou. Tento výparník je usporiadaný v smere prúdenia spalín za katalyzátory. Je výhodné, keď puzdro má už v oblasti vstupu spalín, to znamená pred zmiešaním spalín a roztoku močoviny, zmiešavacie zariadenie.

Pri umiestnení výparníka v celom priereze odvodu spalín sú z jednej strany vstupu spalín vytvorené na podporu pokiaľ možno rovnomerného rozdelenia hmly roztoku s močovinou v priereze výparníka točité kotúče. Točitý kotúč môže byť napríklad konštruovaný tak, že sa prúd spalín nanáša do prúdu roztoku močoviny vírivo, takže už pred výparníkom nastáva silné premiešanie a tým dobré rozdelenie kvapiek roztoku do výparníka.

Ako rozprašovacia dýza je navrhovaná tlaková rozprašovacia dýza, ktorá je pripojená na vstupné vedenie, na ktorého druhom konci ústi vedenie tlakového vzduchu a prívodné potrubie roztoku močoviny, to znamená, že vedenie tlakového vzduchu vyúsťuje do prívodného potrubia roztoku močoviny čo najbližšie pri zásobníkovej nádrži s roztokom. Tým sa môže dosiahnuť ďalej idúca zmes plyn/roztok ešte pred výstupom z dýzy, ktorá podporuje čo možno najjemnejšie rozptýlenie roztoku. Vstupným vedením, ktoré jc naplnené tlakovým vzduchom a roztokom močoviny, sa zrovnomemia nerovnomemosti v roztoku spôsobené dávkovaním, takže sa v tlakovej rozprašovacej dýze zaisťuje rovnomerný prúd roztoku.

Ako zásobníková nádrž na roztok močoviny slúži prednostne tlaková nádoba, ktorá sa môže pripojiť na tú istú sieť tlakového vzduchu. Pomocou pulzného magnetického ventilu sa môže presnejšie dávkovať v spojení s tlakovou nádržou prívod roztoku močoviny. Opatrenie proti kryštalizácii močoviny nie je nutné. Okrem toho nie je nutné nepriamo regulované čerpadlo. Riadenie magnetického ventilu na dávkovanie roztoku močoviny nastáva v závislosti od zaťaženia a otáčkach spaľovacieho stroja produkujúceho spaliny. Tým sa môže prispôsobiť potreba roztoku s močovinou pracovným podmienkam a koncentrácii NO_X v spalinách, takže sa zabraňuje hromadeniu amoniaku uvoľneného z roztoku močoviny na redukčnom katalyzátore a tým sa zaisťuje prevádzka redukčného katalyzátora bez ďalších podmienok.

Dávkovanie môže prebiehať za prítomnosti NO_X - senzora proporcionálne podľa hmotnostného prúdu v spalinách.

Roztok močoviny sa neúplne rozloží pri nizkej teplote, pod 160 °C, za tvorby vedľajších produktov na amoniak a oxid uhličitý. Preto sa odporúča regulácii dávkovania nadradiť reguláciu teploty, ktorá pri prekročení teploty spalín v oblasti katalyzátora nad stanovenú hodnotu celkom znemožňuje prívod roztoku močoviny.

Rozprašovacie dýzy sú takisto výhodne eventuálne integrované v puzdre na výparník. Kvôli zmenšovaniu usadzovania kryštálov močoviny vnútri puzdra a na tu sa nachádzajúcich súčastiach sa aspoň obvod prichádzajúci do styku s roztokom močoviny opatrí tepelne vodivým prekrytím zachycujúcim roztok. Kvapky prichádzajúce do styku so stenami rýchlo vyvolávajú odparenie a hydrolýzu.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Na výkresoch sú schematicky znázornené príklady uskutočnenia vynálezu. Tu znázorňuje:

obr. 1 systém spalín spaľovacieho stroja s prvým príkladom uskutočnenia, obr. 2 detail z obr. 1, obr. 3 ďalší príklad uskutočnenia, obr. 4 a 5 ďalší príklad uskutočnenia v priečnom, prípadne pozdĺžnom reze, obr. 6 a 7 ďalší príklad, obr. 6A, B detail podľa obr. 6, obr. 7A detail uskutočnenia vstupu.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Na obr. 1 je znázornený spaľovací stroj 1 s príslušným odvodom 2 spalín. Kvôli zmenšeniu škodlivín NO_X jc do odvodu 2 spalín zaradený redukčný katalyzátor 5.

Ako redukovadlo sa používa amoniak, ktorý sa získava rozpadom roztoku 6 močoviny. Roztok 6 močoviny sa nachádza v tlakovej nádrži 7 a transformuje sa vnútri odvodu 2 spalín s využitím tepla spalín 12, vyparením a hydrolýzou na amoniak a oxid uhličitý. Tento plyn dôjde zmiešaný so spalinami 12 do redukčného katalyzátora 5.

Na reakciu roztoku 6 močoviny je podľa obr. 1 v odvode 2 spalín v smere prúdenia pred redukčným katalyzátorom zaradený výparník 3 a hydrolytický katalyzátor 4. Výparník 3 je vytvorený z dvoch častí 3a, 3b, pričom obidve časti 3a, 3b výparníka sú pri dodržiavaní medzery 8 usporiadané za sebou. Časti 3a, 3b pozostávajú z teplovodivého plechu, ktorý je vytvarovaný na súčasné vytváranie prúdiacej zmesi, takže vnútri výparníka 3 sa môžu vyvolať cirkulácie a radiálne a/alebo točivé zložky prúdenia. Tým sa uskutoční čo možno najrýchlejší a najdokonalejší prenos tepla na roztok močoviny. Popritom sa musí docieliť s možnosťou priečneho prúdenia rovnaké rozdelenie roztoku močoviny a takisto z nej vznikajúcich plynov v celom priereze výparníka 3 a hydrolytickom katalyzátore. Príspevok k homogénnemu rozdeleniu poskytuje tiež medzera 8 medzi obidvoma časťami výparníka 3a a 3b.

Na obr. 2 je detailne znázornené vyhotovenie výparníka 3. Výparník 3 pozostáva z množstva v podstate pozdĺžne smerujúcich kanálov 20 s malým priemerom asi 1 alebo 2 mm. Ako je detailne ukázané v reze, neprebiehajú kanály 20 priamočiaro, ale s obrátkami 21, ktoré nasledujú v krátkych odstupoch. Steny 22 kanálov 20 pozostávajú z tenkých plechov, ktoré sú opatrené otvormi alebo vývrtmi 23, dovoľujúcimi čiastočné prúdenie z jedného kanála 20 do susedného kanála 20. Vývrty 23 znázornené podľa obr. 2 na priamom úseku kanálov 20 môžu byť tiež vytvorené v obrátke 21, čím môže byť oddelenie vlákien na jednom mieste a spojenie vlákien plynu na inom mieste ešte účinnejšie.

Skôr opísaným výparníkom 3 výhodne katalytický prevrstveným, sa musí zabrániť, že za prvé môžu do výparníka 3 vniknúť kvapôčky roztoku z neho neodparené a že za druhé nerovnomerné rozdelenie roztoku na vstupe výparníka 3 pokračuje celým výparníkom 3. Výparník 3 tohto typu sa môže vyrobiť napríklad zo zvinutého, profilovaného plechu, ktorý je vybavený vhodnými vývrtmi 23.

Premena začínajúca termolýzou močoviny vo výparníku 3 sa doplní na hydrolytickom katalyzátore 4. Hydrolytický katalyzátor 4 vytvorený s množstvom tenkých kanálov alebo vo vyhotovení výparníka 3 obsahuje ako aktívne komponenty zmesi s jemnými časticami z kovových oxidov, napríklad z oxidu hlinitého s oxidom titaničitým, oxidom kremičitým, oxidom zirkoličitým a/alebo H-zeolitu, pričom hmotnostný pomer medzi oxidom hlinitým a inými oxidmi sa môže meniť od 90 : 10 až 10 : 90, pričom sa dosahuje prevrstvenej nosnej štruktúry v koncentrácii 40 až 220 g/1 a prednostne 60 až 160 g/1 zmesi kovových oxidov na objem nosiča. Aktívny komponent sa nasadzuje pri priestorovej rýchlosti nad 30 000 h^-1 aspoň medzi 240 až 650 °C.

Kvôli zmenšeniu potreby miesta sa výparník 3 a hydrolytický katalyzátor 4 vyrobia výhodne ako stavebný diel 34, ako je znázornené na obr. 3. Na to bolo možné použiť výparník 3 vytvorený ako prúdový zmiešavač, ako ukazuje obr. 2, ktorého steny 22 kanálov sú opatrené katalytický aktívnym prevrstvením kovovými oxidmi, ako bolo uvedené skôr. Porézne prevrstvenie podporuje hydrolytický postup.

Pôsobenie oddelených alebo kombinovaných hydrolytických katalyzátorov 4 nastáva, keď vnikne do zariadenia roztok 6 močoviny ako temná hmla, to znamená s veľmi malými kvapôčkami. Na to je stavebný diel 34 vybavený tlakovou rozprašovacou dýzou 9, do ktorej vstupuje vstupným vedením 10 tlakový vzduch a roztok 6 močoviny. Vedenie 11 tlakového vzduchu ústi do vstupného vedenia 10 tak blízko k tlakovej nádrži 7, ako je to možné, čím zaisťuje dostatočné premiešanie tlakového vzduchu s roztokom 6 močoviny. Z vedenia 11 tlakového vzduchu sa oddeľuje druhé vedenie 11' tlakového vzduchu s tlakovým riadiacim ventilom 13 na tlakovú nádrž 7.

Podstatné na kvantitatívnu premenu roztoku 6 močoviny na amoniak a oxid uhličitý pri zmenšení tvorby vedľajších produktov je veľmi rýchle ohriatie roztoku 6 na teplotu cca 350 °C a rýchla hydrolýza. Toto sa môže popri opísaných opatreniach priaznivo zaistiť ďalšími opatreniami, a to vhodným zmiešaním spalín 12 do hmly z roztoku 6 močoviny.

Obr. 1 ukazuje jednoduché vyhotovenie, v ktorom je tlaková rozprašovacia dýza 9 usporiadaná uprostred v priamočiarom odvode 2 spalín a je obtekaná spalinami 12. Hmla roztoku je strhnutá prúdom spalín 12 a odnesená do výparníka 3.

Na obr. 3 je znázornené iné usporiadanie, ktoré umožňuje premiešanie spalín s hmlou roztoku pred vstupom do výparníka 13 alebo stavebného dielu 34. Stavebný diel 34 sa nachádza v plášti 30, z jeho čelnej strany 31 vyčnieva vstupné vedenie 10, z jeho tlakovej rozprašovacej dýzy 9 v predkomore 32 spaliny 12 sa v tomto prípade zavádzajú do predkomory 32 tangenciálne. Takto vyvolané prúdenie v spalinách 12 sa zosilní točivým kotúčom 33 v druhej oblasti predkomory 32. Spaliny 12 potom prúdia točivým kotúčom 33 v druhom obvode predkomory 32, v ktorom sa nachádza tlaková rozprašovacia dýza 9. Točivým pohybom spalín 12 sa čiastočne odparené kvapôčky hmly roztoku rozvíria a zmiešajú so spalinami 12. Táto zmes potom vstupuje do stavebného dielu 34.

V plášti 30 je umiestnený za stavebným dielom 34 redukčný katalyzátor 5 a takisto oxidačný katalyzátor 35, ktoré sú zaradené za sebou. Okrem toho je v plášti 30 integrovaný absorpčný výparník 366, ktorý je vytvorený ako lieviková vstupná rúrka 37, ktorá je opatrená otvormi 38, ktorými môžu pri vibráciách v spalinách vystupovať do expanzného priestoru 50 čiastočné prúdenia 39. Expanzný priestor 50, môže byť napríklad vyplnený oceľovým výpletom 51. Vyčistené spaliny 12 sa odvádzajú čistým úsekom 2 potrubia alebo sa voľne vypúšťajú. Prierez tohto čistého úseku 2 zodpovedá prierezu odvodu 2 spalín. Pred premiešaním spalín 12 s roztokom 6 močoviny sa môže tiež vykonať zvuková izolácia. Na tento účel sa predkomora 32 obloží zvukovo izolačným obkladom.

Spaliny 12 s amoniakom a oxidom uhličitým sa zavedú zo stavebného dielu 34 do redukčného katalyzátora 5, v ktorom sa NO_X známym spôsobom redukuje.

Na zaistenie prevádzkyschopnosti opísaného redukčného systému NO_X je nutné uvoľniť redukčný katalyzátor 5 od prebytočného amoniaku. Na to je systém opatrený regulátorom 15, ktorý magnetickým ventilom 16 reguluje dávkovanie prívodu roztoku 6 močoviny v závislosti nielen od otáčkach motora, ale tiež podľa jeho zaťaženia. Tým sa dávkuje prívod roztoku 6 močoviny zodpovedajúci potrebe, to znamená obsahu NO_X v spalinách 12, takže sa amoniak uvoľnený hydrolýzou celkom vnesie do redukčného procesu. Regulačný postup sa takisto zaisťuje signálmi z dvoch teplotných senzorov 17 a 18, ktoré sledujú teplotu spalín 12 v oblasti premeny škodlivín. Ak teplotné senzory 17, 18 signalizujú teplom pod stanovenú hodnotu, keď nie je možná úplná zmena roztoku močoviny, na amoniak, znemožní sa prívod roztoku 6 močoviny až nastane v systéme spalín opäť žiadaná teplota.

Ďalším opatrením, ktoré podporuje bezporuchovú prácu systému, je prevrstvenie predkomory 32, ktorá prichádza do styku s roztokom močoviny, materiálom, ktorý tepelnou vodivosťou a aktívnymi komponentmi podľa nárokov 9 a 10 zabraňuje usadzovaniu kryštálov močoviny ich včasným odparením a hydrolýzou. Takisto sa môžu na plášti 30 vytvoriť tepclncizolačné opatrenia a tlaková rozprašovacia dýza 9 a/alebo iný diel sa môžu ohrievať. Ohrev vstupného vedenia 10 a tlakovej rozprašovacej dýzy 9 zabraňuje, aby sa zvlášť v dýze 9 usadzovali malé kryštáliky močoviny.

Prieraz amoniaku redukčným katalyzátorom 5 je možný pri dlhšej prevádzke pod teplotou 300 “C, pretože sú takto preťažené aktívne centrá na uloženie amoniaku. Ako pomocné opatrenia sú:

1) Vyloženie celej konštrukcie katalyzátora, aby tiež krátkodobé fázy akcelerácie motora vysoko zahrievali redukčný katalyzátor 5 nad minimálnu teplotu žiaducu pre zapaľovanie.

2) Zastavenie dávkovania roztoku 6 močoviny riadením, kým bude dosiahnutá minimálna teplota dopravnej prevádzky.

Na obr. 4 a 5 je uvedené ďalšie uskutočnenie miešania plynov kužeľovým vodiacim plechom 40, na ktorého úzkej strane vyčnieva tlaková rozprašovacia dýza 9 a okolo ktorého prúdia spaliny 12. Vodiaci plech 40 má množstvo stenavých otvorov 41, ktorými vnikajú do vnútornej časti 42 vodiaceho plechu 40 spaliny 12, privádzané do plášťa 30 odvodom 2 spalín. Medzi vnútorným tlakom p₂ a vonkajším tlakom pj vzniká tlakový spád p = Pi - p₂, ktorý pohybuje lúčom spalín 12 rýchlosťou V_a spalín. Jednotlivé lúče spalín 12 vstupujú do rozprašovacieho kužeľa 44 močoviny so vzduchom a nastáva tu premiešanie. Voľbou priemeru a

SK 280644 Β6 vzdialenosti stenových otvorov a takisto rozdelením medzi tlakovú rozprašovaciu dýzu 9 a hydrolytický katalyzátor 4 sa môže riadiť premiešanie močoviny do spalín 12.

Variant na to je znázornený na obr. 6, na ktorom má zmiešavacie zariadenie 60 tri rady vodiacich drážok 61 až 63, ktoré sú pravidelne rozdelené na obvodoch oblastí m, n, o zmiešavacieho zariadenia 60. Vodiacimi drážkami 61, 63 získajú spaliny 12 točivý pohyb, ktorý v prvej oblasti m a v tretej oblasti o podporuje lúče 64, 65 častíc spalín v smere vstupnej rotácie, zatiaľ čo druhá vodiaca drážka 62 spôsobuje v druhej oblasti n zmiešavacieho zariadenia 60 obrátenie točivého pohybu. Na obr. 6A je ukázaný prierez druhou oblasťou n, v ktorej druhé vodiace drážky 62 rozmiestnené na obvode spôsobujú obrátenie prúdenia tretieho lúča 66 častíc spalín. V prvej a tretej oblasti m, o sú vodiace drážky 61, 63 nasmerované tak, aby si lúče 64, 65 častíc spalín ponechali svoj doterajší smer prúdenia.

Obrátením točivého pohybu sa spôsobí v oblasti medzi tlakovou rozprašovacou dýzou 9 a hydrolytickým katalyzátorom 4 silné turbulentné prúdenie. To vedie k primiešaniu hmly roztoku 6 močoviny do prúdu spalín 12. Viacnásobným obrátením točivého pohybu sa môže zmiešavací postup zosilniť.

Ďalší variant je znázornený na obr. 7, na ktorom je zmiešavač 70 v tvare lievika vybavený veľkým počtom vstupov 71, ktoré majú viac rozvádzacích plechov 72, ktoré zabezpečuje točivý pohyb vstupujúcich jednotlivých prúdov 73 spalín. Rozvádzacie plechy 72 sú usporiadané lúčovito, takže vo vnútornej oblasti 74 zmiešavača 70 prúdi množstvo jednotlivých prúdov 73 spalín a zaisťuje silné turbulentné prúdenie, ktoré spôsobuje dobré premiešanie spalín 12 a hmly roztoku 6 močoviny.

Pri rozvádzacích plechoch 72 ide o rozdelenie spalín v početné urýchlené a/alebo cirkulujúce čiastočné prúdy. Pritom sa môže tiež použiť kombinácia, pri ktorej niektoré čiastočné prúdy urýchlene vstupujú podľa obr. 5 a iné sa uvádzajú do točivého pohybu podľa obr. 7.

V nasledujúcom je bližšie opísaná reakcia roztoku močoviny na amoniak a oxid uhličitý pomocou dvoch príkladov uskutočnenia.

Príklad 1

V zohriatej kremennej rúrke sa kovová nosná voština drážkového typu s generovaním priečneho prúdenia podľa obr. 2. dĺžky 43 mm, prekrytá kovovými oxidmi so zložením A podľa tabuľky 1, postrieka z nastaviteľnej mikrodýzy poháňanej čerpadlom. 18,8 ml/h roztokom močoviny s koncentráciou 32,5 % hmotn., zatiaľ čo cez katalyzátor prúdi plynná zmes O₂, HC (200 ppm Cj, CO (100 ppm), CO₂ (20 ppm) a vodnej pary (5 %). Rýchlosť plynnej zmesi (2480 1/h) je 60 000 h'¹. Plynná zmes prúdi na analýzu na kyvete s dlhou dráhou (optická dĺžka dráhy 2 m) ohriatej na 110 °C. Spektrum ukazuje tvorbu amoniaku (2000 ppm) a oxidu uhličitého (1000 ppm) s mólovým pomerom 2:1, zodpovedajúcim úplnej hydrolýze močoviny podľa rovnice

CO(NH₂)₂ + H₂O -> 2NH₃ + CO₂ v oblasti teploty 160 °C až 600 °C. Pri dlhodobom pokuse po 8 h pri 200, 300 a 400 °C sa plynná zmes vedie po opustení katalyzátora cez chladič a sublimát na vstupe do chladiča a kondenzát sa kvantitatívne analyzuje. Sublimát pozostáva pri všetkých teplotách z 5 až 10 mg močoviny. Tým sa môže realizovať premena močoviny R 99,97 %.

Porovnávací príklad la

Príklad 1 sa opakuje. Použije sa kovová nosná voština bežného typu s rovnobežnými kanálmi, dĺžkou 43 mm, prevrstvená zmesami kovových oxidov, zloženia A v tabuľke 1 a opakujú sa za takmer zhodných podmienok experimenty na katalytickú hydrolýzu močoviny. Tiež sa tu pozoruje v rámci merania na spektrometri molový pomer NH₃/CO₂ 2:1. Naproti tomu pri dlhodobých skúškach sa pozoruje prienik močoviny. Znovu sa zrkadlí ľahko redukovaná močovina pri 200 °C 96,8 %, 300 °C 98,4 %, 400 °C 99,6 %.

Porovnávací príklad lb

Opakuje sa príklad 1. Použije sa neprevrstvená kovová vrstva voština bežného typu s rovnobežne prebiehajúcimi kanálmi, dĺžky 43 mm. Spektrum ukazuje ako dodatok k plynom NH₃ a CO₂ výskyt HNCO. Nastáva masívny spätný prechod na močovinu. Pri 200 °C 68 %, 300 °C 79 %, 400 °C 83 %.

Príklady 2 až 7

V ďalšom rade pokusov sa za takmer rovnakých podmienok k plynnej zmesi pridá 2000 ppm NO. Zatiaľ čo katalyzátory s prevrstvením A až C podľa príkladu 7 až 9 zaisťujú NO_X redukciu maximálne z 10 %, prinášajú katalyzátory s prekrytím D a E podľa príkladov 10 a 11 v závislosti od teploty NO redukciu medzi 15 % pri 300 °C a 35 % pri 500 °C.

Príklad 12

Na výrobu spalín slúži 12 litrový šesťvalec typu diesel s optimálne nastavenou spotrebou motorovej naňy s hmotnostným podielom síry 0,045 % a bežným obchodným motorovým olejom. Motor je prevádzkovaný v 13 stupňovom teste podľa 88/55/EWG. Cieľom pokusu bolo zmenšenie limitných škodlivín 11 g NO_x/kWh, 3,5 g CO/kWh a 1,1 g HC/kWh o aspoň 70 %. Ako redukčný prostriedok sa rozpráši 32,5 % roztok močoviny vo vode dávkovacím zariadením zobrazeným na obr. 1 na katalyzačný systém podľa obr. 3. Použili sa nasledujúce katalyzátory:

1) Hydrolyzačný katalyzátor, RG 90 000 h'¹, aktívne komponenty: zmes kovových oxidov so zložením A podľa tabuľky 1, nosič: kovová voština podľa obr. 2.

2) Redukčný katalyzátor, RG 30 000 h'¹, aktívne komponenty: V₂0₅/W0₃/Ti0₂ na kovovej voštine.

3) Oxidačný katalyzátor, RG 90 000 h'¹, aktívne komponenty: platina na kovovej voštine stabilizovanej oxidom hlinitým.

Ako výsledok spracovania spalín sa zistilo: 3,2 g NO_x/kWh (71 %), 0,9 CO/kWh (74 %), 0,22 g HC/kWh (80 %). Extrakcia častíc horúcim H₂O/izopropanolom a gravimetrické stanovenie močoviny ukazujú prienik 2 mg/kWh močoviny. Táto malá hodnota ukazuje, že prienik močoviny nemôže spôsobiť merateľné zvýšenie hmotnosti častíc. V oblasti vstupu katalyzátora neboli nájdené usadeniny močoviny alebo produktov močoviny. Rozprášenie redukčného prostriedku, ktorým je vodný roztok močoviny, nastáva nad teplotou spalín 250 °C, s množstvom roztoku močoviny zo 75 % ekvivalentným na odbúranie NO_X.

Príklad 13

Podmienky testu skúšky motora, opísané v príklade 12, sa opakovali s nasledujúcim katalyzátorom:

1) Hydrolytický katalyzátor, RG 90 000 h'^{* 1 2 3 4 5 6}, aktívne komponenty podľa zloženia D podľa tabuľky 1. Nosič: kovová voština podľa obr. 2.

2) Redukčný katalyzátor, RG 366 000 h’¹, aktívne komponenty a nosič ako podľa príkladu 12.

3) Oxidačný katalyzátor ako v príklade 12.

Ako výsledok spracovania spalín bolo zistené: 3,2 g NO.ýkWh (71 %), 0,9 g CO/kWh (74 %) a 0,24 g HC/kWh (22 %). Prienik močoviny bol 2,5 mg/kWh.

Tabuľka 1

Aktívne komponenty katalyzátorov hydrolýzy v g/1.

Hlítb T1O2 Sltte ZrOa H-aodemlt H-ZSM5

10

10 70 * 120B 9060

C 30110

B70

E 70Príklady uskutočnenia A až C zodpovedajú stavu technik}’, príklad D a E zodpovedá nároku 9.

Príklady výroby katalyzátora hydrolýzy

Kovová voština 0 35 mm. dĺžky 43 mm sa skráti vo vodnej suspenzii s 25 % hmotn. A1₂O₃ SiO₂ a ZrO₂, hmotnostný pomer 12:4:1, zloženie A a pretlakom sa odfukne prebytočný materiál prekrytia. Suší sa pri 120 °C a 5 h pri teplota 700 °C sa kalcinuje. Pri zložení B až E sa postupuje analogicky.

Claims (22)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Zariadenie na katalytickú redukciu NO_X v splodinách, ktoré obsahujú kyslík, použitím močoviny, s redukčným katalyzátorom obsiahnutým v odťahu spalín a takisto nádržou na močovinu, ktorá je spojená prostredníctvom vstupného zariadenia napríklad pozostávajúceho zo vstupného vedenia a magnetického ventilu s rozprašovacou dýzou, ktorou je tekutý roztok močoviny jemne rozprášený do výparníka, vyznačujúci sa tým, že výparník (3) je vytvorený ako zmiešavač prúdenia.
2. 2. Zariadenie podľa nároku 1, vyznačujúce sa t ý m , že výparník (3) je uspôsobený na rozdelenie prúdu roztoku (6) močoviny do prúdových vlákien, na ich obrátenie, delenie a spájanie.
3. 3. Zariadenie podľa nároku 1 alebo 2, vyznačujúce sa tým, že výparník (3, prípadne 3a, 36) je vytvorený v smere prúdenia dvoj alebo viacdiclny, pričom medzi dvoma za sebou ležiacimi časťami (3a, 3b) výparníka je vytvorená medzera (8).
4. 4. Zariadenie podľa niektorého z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúce sa tým, že výparník (3) je vytvorený z kovu a pozostáva z kanálov (20), prebiehajúcich v podstate v smere prúdenia, ktoré sú vnútri výparníka (3) navzájom prepojené.
5. 5. Zariadenie podľa nároku 4, vyznačujúce sa t ý m , že kanály (20) sú vybavené obrátkou (21) a steny (22) týchto kanálov (20) sú vybavené vývrtmi (23), ktoré sú vytvorené aspoň vo svojej časti kolmo na hlavný smer prúdenia.
6. 6. Zariadenie podľa nárokov 4 alebo 5, vyznačujúce sa tým, že kanály (20) majú vývrty (23) s priemerom v oblasti jednotiek milimetrov, zvlášť pod 2 mm.
7. 7. Zariadenie podľa niektorého z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúce sa tým, že steny (22) kanálov (20) výparníka (3) majú porézne prevrstvenie organickými oxidmi s jemnými časticami.
8. 8. Zariadenie podľa niektorého z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúce sa tým, že výparník (3) je vytvorený ako stavebný diel (34) s hydrokatalyzátorom.
9. 9. Zariadenie podľa nároku 7a 8, vyznačuj ú ce sa tým,že prevrstenie stavebného dielu (34) je uskutočnené zmesou oxidu hlinitého s oxidom titaničitým, oxidom kremičitým, oxidom zirkoničitým a/alebo H-zeolitom, pričom hmotnostný pomer medzi oxidom hlinitým a ostatnými zložkami je 90 : 10 až 10 : 90.
10. 10. Zariadenie podľa nároku 9, vyznačujúce sa t ý m , že prevrstvenie stavebného dielu (34) je uskutočnené v koncentrácii 40 až 220 g.ľ¹, prednostne 60 až 160 g.ľ¹, zmesi oxidov na objem dielu (34).
11. 11. Zariadenie podľa nároku 9, vyznačujúce sa t ý m , že prevrstvenie stavebného dielu (34) jc uskutočnené H-zeolitom obsahujúcim zmes oxidov.
12. 12. Zariadenie podľa niektorého z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúce sa tým, že výparník (3), prípadne stavebný diel (34), je umiestnený v odvode (2) spalín v smere prúdenia spalín (12) pred redukčným katalyzátorom (5).
13. 13. Zariadenie podľa nároku 9, vyznačujúce sa t ý m , že v smere prúdenia spalín (12) je za redukčným katalyzátorom (5) zaradený oxidačný katalyzátor (35).
14. 14. Zariadenie podľa nároku 10, vyznačujúce sa t ý m , že v plášti (30) na stavebný diel (35) je integrovaný redukčný katalyzátor (5) a eventuálne oxidačný katalyzátor (35) a takisto absorpčný výparník (36).
15. 15. Zariadenie podľa niektorého z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúce sa tým, že výparník (3) prípadne stavebný diel (34) vyplňuje prierez odvodu (2) spalín a z jednej strany prúdu pred výparníkom (3), prípadne stavebným dielom (34) sú vytvorené točivé kotúče (33).
16. 16. Zariadenie podľa niektorého z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúce sa tým, že rozprašovacia dýza (9) je vytvorená ako tlaková a je spojená vstupným vedením (10) a magnetickým ventilom (16) s nádržou (7), pričom vedenie (11) tlakového vzduchu vstupuje do vstupného vedenia (10) čo najbližšie k nádrži (7).
17. 17. Zariadenie podľa nároku 13, vyznačujúce sa t ý m , že magnetický ventil (16) je riadený pulzne.
18. 18. Zariadenie podľa nároku 14, vyznačujúce sa t ý m , že magnetický ventil (16) je pripojený k zariadeniu stanovenia záťaže a otáčok spaľovacieho stroja a prípadne senzora NO_X.
19. 19. Zariadenie podľa nárokov 14, vyznačujúce sa tým, že magnetický ventil (16) je pripojený cez regulátor (15) k tepelným senzorom (17, 18), umiestneným prednostne pred vstupom do výparníka (3) a na výstupe z redukčného katalyzátora (5).
20. 20. Zariadenie podľa niektorého z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúce sa tým, že rozprašovacia dýza (9) je integrovaná v plášti (30) výparníka (3), prípadne stavebného dielu (34), pričom vnútorné steny plášťa (30) sú vybavené aspoň v oblasti prichádzajúcej do styku s roztokom močoviny poréznym prevrstvením, výhodne z anorganických oxidov.
21. 21. Zariadenie podľa niektorého z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúce sa tým, že je vybavené zmiešavacím zariadením (33, 40, 60, 70) na rozdelenie spalín (12) do čiastočných prúdov (64, 65, 66, 73), ich urýchlenie, cirkuláciu a obrátenie, ktoré je umiestnené v

    SK 280644 Β6 odvode (2) spalín pred miestom primiešania hmly roztoku (66) močoviny do spalín (12).
22. 22. Zariadenie podľa niektorého z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúce sa tým, že katalyzátory (34, 5, 35) sú tepelne izolované vzduchovou medzerou (53).