AT526414B1 - Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen mit einem selektiven katalytischen Reduktionskatalysator - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen mit einem selektiven katalytischen Reduktionskatalysator (2), dem eingangsseitig ein Ammoniakdosiersystem (1) für das Eindosieren von Ammoniak in das unbehandelte Abgas vor- und ausgangsseitig ein Ammoniakschlupfkatalysator (3) nachgelagert ist, beschrieben. Um eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass nach einem Abgasreinigungsprozess durch eine Katalysatoranordnung verbliebenes Restammoniak mit technisch einfachen Mitteln aus dem Abgas entfernt und so nachbehandelt werden kann, dass dessen Umwelteinwirkungen möglichst verringert werden, wird vorgeschlagen, dass dem Ammoniakschlupfkatalysator (3) ausgangsseitig eine Nachbehandlungskammer (4) für das behandelte Abgas nachgelagert ist, die eine Wassereinspritzung (7) zum Lösen von Restammoniak im behandelten Abgas und eine Einspritzdüse (9) zum Einspritzen von Säure zum Neutralisieren der von Wasser und Restammoniak gebildeten Lösung umfasst.

Description

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen mit einem selektiven katalytischen Reduktionskatalysator, dem eingangsseitig ein Ammoniakdosiersystem für das Eindosieren von Ammoniak in das unbehandelte Abgas vor- und ausgangsseitig ein Ammoniakschlupfkatalysator nachgelagert ist.

[0002] Aus dem Stand der Technik sind Katalysatoranordnungen bekannt, bei denen einem selektiven katalytischen Reduktionskatalysator ein Ammoniakschlupfkatalysator nachgelagert ist (US20210324775A1). Dabei reagieren im selektiven katalytischen Reduktionskatalysator Stickstoffoxid- und Ammoniakanteile des Abgases unter Anwesenheit von Sauerstoff zu Stickstoff und Wasser. Das Abgas gelangt anschließend in den Ammoniakschlupfkatalysator, in dem weitere Ammoniakanteile zu Stickstoff und Wasser reagieren. Dem selektiven katalytischen Reduktionskatalysator ist ein Ammoniakdosiersystem vorgelagert, mit dem dem Abgas vor der Katalysatoranordnung Ammoniak eindosiert werden kann, um die stöchiometrischen Verhältnisse bei der Reaktion zu begünstigen.

[0003] Aus der WO2020251194A1 sind Vorrichtungen und Verfahren bekannt, wobei eine Entfernung von sowohl Schwefeldioxid als auch Stickoxiden aus dem Abgas von schwerölbetriebenen Schiffsmotoren erfolgt. Dabei wird das Abgas bereits zweifach vorbehandelt, bevor es in einen selektiven katalytischen Reduktionskatalysator eingeleitet wird, nämlich einerseits durch Zugabe eines Oxidationsmittels über eine Oxidationsmittelzugabeeinrichtung und anschließend in einer Einrichtung zur Beseitigung von Schwefeldioxid.

[0004] Aus der WO2008111254A1 ist es ferner bekannt, eine Reduktionsmittelzugabeeinheit zur Zugabe einer Harnstoff-Lösung vorzusehen. Darüber hinaus wird das Abgas vor der eigentlichen selektiven katalytischen Reduktion mithilfe eines ersten Oxidationskatalysators so vorbehandelt, dass unverbrannter Treibstoff und Carbonmonoxid im Abgas oxidiert werden.

[0005] Nachteilig am Stand der Technik ist allerdings, dass sich trotz der genannten Abgasreinigungsprozesse nach wie vor Restammoniak im Abgas befindet, welches als Schadstoff mit dem Abgas in die Umwelt gelangt und eine potentielle Gefahr für Mensch und Umwelt darstellt bzw. dass zur Verringerung von Restammoniak im Abgas eine mitunter technisch aufwändige Vorbehandlung vor der selektiven katalytischen Reduktion erforderlich ist.

[0006] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, nach einem Abgasreinigungsprozess durch eine Katalysatoranordnung verbliebenes Restammoniak mit technisch einfachen Mitteln aus dem Abgas zu entfernen und so nachzubehandeln, dass dessen Umwelteinwirkungen möglichst verringert werden.

[0007] Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass dem Ammoniakschlupfkatalysator ausgangsseitig eine Nachbehandlungskammer für das behandelte Abgas nachgelagert ist, die eine Wassereinspritzung zum Lösen von Restammoniak im behandelten Abgas und eine Einspritzdüse zum Einspritzen von Säure zum Neutralisieren der von Wasser und Restammoniak gebildeten Lösung umfasst. Zufolge dieser Maßnahmen wird das Abgas nach dem Durchlaufen des Reinigungsprozesses in der Katalysatoranordnung in die Nachbehandlungskammer geleitet. Da realistischer Weise nicht das gesamte Ammoniak im Abgas durch die chemische Reaktion mit Sauerstoff in der Katalysatoranordnung in Stickstoff und Wasser umgewandelt werden kann, befindet sich nach dem Verlassen des Ammoniakschlupfkatalysators nach wie vor Restammoniak im verbleibenden Abgas. Dieses wird nun erfindungsgemäß nicht mittels chemischer Reaktionen wie in den Katalysatoren, sondern mit mechanischen Methoden entfernt, indem das verbleibende Abgas dem Spülwasser einer Wassereinspritzung ausgesetzt wird. Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, dass sich Ammoniak im Vergleich zu anderen Gasen bereits mit technisch einfachen Mitteln leicht in Wasser lösen lässt, da sich Wasserstoffbrückenbindungen zwischen dem Ammoniak und dem Wasser bilden. Dazu kann die Nachbehandlungskammer im einfachsten Fall einen dafür vorgesehenen Abschnitt aufweisen, der vom verbleibenden Abgas nach Passieren der Katalysatoranordnung durchströmt wird, während es dem Spülwasser ausgesetzt wird.

Das verbleibende, nun gespülte Abgas kann nach dem Spülvorgang die Vorrichtung verlassen und in die Atmosphäre geleitet oder weiterbehandelt werden. Das ausgespülte Ammoniak liegt nun in gelöster Form im Spülwasser vor. Da allerdings der Dampfdruck von Ammoniak höher als der von Wasser ist, verdunstet dieses schneller als Wasser und könnte so wieder in die Umwelt gelangen. Weiters ist die nun vorliegende Lösung basisch und damit weiterhin potentiell mit anderen Stoffen in der Umwelt reaktiv. Aus diesem Grund ist eine Einspritzdüse vorgesehen, die der Lösung Säure zugibt, sodass die basische Lösung neutralisiert wird. Zur Neutralisierung kann ein zweiter Abschnitt der Nachbehandlungskammer vorgesehen sein, in den die Lösung nach der Wassereinspritzung geleitet wird. Die Vorrichtung kann durch mehrere konstruktive Maßnahmen kompakter ausgestaltet werden. Beispielsweise kann die Strömungsrichtung des verbleibenden Abgases quer zur Flussrichtung des Spülwassers verlaufen. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Strömungsrichtung des verbleibenden Abgases auch entgegen der Flussrichtung des Spülwassers verlaufen. Alternativ oder zusätzlich kann die Säure direkt an die Stelle in der Vorrichtung gespritzt werden, an der sich die Lösung nach dem Spülvorgang sammelt.

[0008] Um das Restammoniak mit möglichst geringem Materialaufwand zu lösen und die folgende Neutralisierung zu vereinfachen, kann die Nachbehandlungskammer einen Abgaskamin bilden. Zufolge dieser Maßnahmen wird das Abgas nach dem Verlassen der Katalysatoranordnung in den Abgaskamin geleitet, in dem es aufsteigt. Das Spülwasser wird nun von oben, also entgegen der Steigrichtung des Abgases, eingespritzt, sodass es beim Fallen einen größtmöglichen Teil der sich im Abgaskamin bildenden Abgassäule passiert. Dadurch kann das eingespritzte Spülwasser beim Passieren der Abgassäule einen verhältnismäßig großen Anteil an Restammoniak aus den Abgasen lösen, da die Interaktionsdauer zwischen Abgas und Spülwasser maximiert wird. Als Konsequenz kann der Bedarf an Spülwasser zum Lösen einer gegebenen Menge Restammoniaks reduziert werden. Die entstehende Lösung hat folglich weniger Volumen und ist dementsprechend verhältnismäßig hochkonzentriert, was die Neutralisation durch die Säure vereinfacht.

[0009] Auch wenn durch die erfindungsgemäße Vorrichtung der Anteil an Ammoniak im emittierten Abgas nach Durchlaufen der Vorrichtung verringert werden kann, kann bereits der Ammoniakanteil, der in der Katalysatoranordnung abreagiert erhöht und damit der Restammoniakanteil des Abgases vor dem Erreichen der Nachbehandlungskammer reduziert werden, wenn für den selektiven katalytischen Reduktionskatalysator eingangseitig ein Dosiersystem zum Eindosieren von Sauerstoff in das unbehandelte Abgas vorgesehen ist. Bei der chemischen Reaktion im selektiven katalytischen Reduktionskatalysator liegt das benötigte Ammoniak, die Stickoxide aus dem Abgas und der Sauerstoff üblicherweise nicht in einem für die Reaktion optimierten stöchiometrischen Verhältnis vor. Durch die erfindungsgemäße Eindosierung von Sauerstoff in das Abgas kann das stöchiometrische Reaktionsverhältnis verbessert werden, ohne dem Abgas weitere Schadstoffe zuzugeben. Der Anteil an Sauerstoff, der nicht bei der selektiven katalytischen Reduktionsreaktion reagiert, gelangt mit dem Abgas in den Ammoniakschlupfkatalysator, wo der Sauerstoff ebenso für die Reaktion mit dem Ammoniakschlupf benötigt wird. Der Anteil des eindosierten Sauerstoffs, der weder für die selektive katalytische Reduktionsreaktion, noch für die Ammoniakschlupfreaktion benötigt wird, kann gefahrlos in die Umgebung abgeleitet werden. Dabei spielt es prinzipiell keine Rolle, aus welcher Quelle der Sauerstoff stammt, So kann elementarer Sauerstoff oder Sauerstoff als Bestandteil von eindosierter Luft zugegeben werden. Da Sauerstoff, insbesondere als Bestandteil von Luft, besonders günstig und einfach verfügbar ist, kann die Eindosierung auch ohne exakte Bestimmung des stöchiometrischen Verhältnisses der Reaktionskomponenten erfolgen, indem der Sauerstoff einfach im Überschuss eindosiert wird.

[0010] Um ein besonders homogenes Gemisch aus Abgas und eindosiertem Sauerstoff am Eintritt in den selektiven katalytischen Reduktionskatalysator zu erhalten, ohne die Standzeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu reduzieren, kann der eindosierte Sauerstoff mit dem Abgas mittels eines statischen Mischers gemischt werden. Ein homogenes Gasgemisch verbessert die Reaktionsbedingungen, da die benötigten Reaktionspartner räumlich nahe zueinander zur Verfügung stehen. Da ein statischer Mischer verwendet wird, kann das Abgases homogenisiert werden, ohne weitere bewegliche und daher wartungsanfällige Komponenten in der Vorrichtung ver-

bauen zu müssen.

[0011] Die Effizienz des selektiven katalytischen Reduktionskatalysators kann für die Verwendung in einem Ammoniakverbrennungsmotor verbessert werden, wenn der selektive katalytische Reduktionskatalysator Vanadium umfasst. Da die Temperatur der Abgase von Ammoniakverbrennungsmotoren typischerweise zwischen 200°C und 500°C beträgt, kann Vanadium als Katalysatormaterial gewählt werden, da es die chemische Reaktion im Katalysator bei der gegebenen Temperatur begünstigt aber dennoch den thermischen Belastungen in diesem Temperaturbereich standhält.

[0012] Um die Reaktionsbedingungen in der Katalysatoranordnung mit technisch einfachen Mitteln zu überwachen, wird vorgeschlagen, dass der Nachbehandlungskammer ein Ammoniaksensor vorgelagert ist. Der Ammoniaksensor misst die Ammoniakmenge entweder relativ oder absolut. Zufolge dieser Maßnahmen können nur über die Messung der Ammoniakmenge Rückschlüsse auf den Reaktionsprozess gezogen und ermittelt werden, ob dem Abgas vor der Zufuhr zum selektiven katalytischen Reduktionskatalysator mehr oder weniger Ammoniak beigemischt werden muss, um das stöchiometrische Reaktionsverhältnis zwischen Ammoniak, Stickstoffoxiden und/oder Sauerstoff in den beiden Katalysatoren zu beeinflussen. Die Reaktionsbedingen können vor allem bei der Verwendung von elementarem Sauerstoff noch weiter optimiert werden, wenn zusätzlich zum Ammoniaksensor ein Dosiersystem zum Eindosieren von Sauerstoff vorgesehen ist, denn so können sowohl die Sauerstoff- als auch die Ammoniakeindosierung in das Abgas im Hinblick auf die Daten des Ammoniaksensors als Regelgröße eingestellt werden. Der Ammoniaksensor kann vor dem selektiven katalytischen Reduktionskatalysator oder vor dem Ammoniakschlupfkatalysator vorgesehen sein. Bevorzugter Weise ist sowohl dem selektiven katalytischen Reduktionskatalysator als auch dem Ammoniakschlupfkatalysator ein Ammoniaksensor unmittelbar vorgelagert, sodass die stöchiometrischen Reaktionsverhältnisse für beide Reaktionen bestimmt werden können.

[0013] Um die chemischen Reaktionen in der Katalysatoranordnung nicht nur über chemische Methoden zu beeinflussen, kann dem selektiven katalytischen Reduktionskatalysator ein Heizelement zum Erhitzen des unbehandelten Abgases vorgelagert sein. Da die chemischen Reaktionen in der Katalysatoranordnung temperaturabhängig verlaufen, kann mit Hilfe eines Heizelements die Temperatur des unbehandelten Abgases eingestellt werden, um die gewünschten Reaktionsbedingungen herzustellen. Bevorzugter Weise ist vor dem selektiven katalytischen Reduktionskatalysator ein Temperatursensor für das unbehandelte Abgas vorgesehen, sodass der vom Temperatursensor gemessene Wert als Regelgröße für das Heizelement dient.

[0014] Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Reinigen von Abgasen unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche bei dem zunächst das unbehandelte Abgas dem selektiven katalytischen Reduktionskatalysator zugeführt wird, in dem Stickstoffoxid und Ammoniak aus dem Abgas wenigstens teilweise unter Anwesenheit von Sauerstoff zu Stickstoff und Wasser reagiert, wonach das verbleibende Abgas dem Ammoniakschlupfkatalysator zugeführt wird, in dem der Ammoniak-Schlupf im verbleibenden Abgas wenigstens teilweise zu Stickstoff und Wasser reagiert, woraufhin das nun verbleibende Abgas der Nachbehandlungskammer zugeführt wird, wo das sich noch im Abgas befindliche Restammoniak wenigstens teilweise mit eingespritztem Wasser aus dem Abgas gewaschen und das mit dem Restammoniak gemischte Wasser mittels eingespritzter Säure neutralisiert wird. Um das Abgas von Ammoniak zu reinigen, wird das Abgas zuerst dem selektiven katalytischen Reduktionskatalysator zugeführt, in dem Stickstoffoxid (NO,x) mit Ammoniak (NHs) und mit Sauerstoff (O>) zu elementarem Stickstoff (N2) und Wasser (H,O) reagieren. Eine solche Reaktion kann für Stickstoffmonoxid (NO) mit folgender Reaktionsgleichung beschrieben werden:

4N0 + 4NH3 + 0, > 4N, + 6H,0

[0015] Sollte zu wenig Ammoniak für die gewünschten Reaktionsbedingungen vorhanden sein, kann dem unbehandelten Abgas in einem optionalen Verfahrensschritt vor dem Eintritt in den selektiven katalytischen Reduktionskatalysator Ammoniak eindosiert werden. Naturgemäß wird der im Abgas vorhandene Ammoniak nicht vollständig im selektiven katalytischen Reduktionska-

talysator reagieren sondern ein Anteil wird auch nach der Reaktion im Abgas verbleiben. Aus diesem Grund wird das Abgas nach dieser Reaktion in den Ammoniakschlupfkatalysator weitergeleitet. Die dort stattfindende Reaktion kann mit folgender Reaktionsgleichung beschrieben werden:

4NH3z +30, > 2N, + 64,0

[0016] Auch hier wird realistischer Weise nicht das gesamte im Abgas vorhandene Ammoniak reagieren, weswegen der im verbleibenden Abgas verbleibende Restammoniak erfindungsgemäß in eine Nachbehandlungskammer geführt wird, wo er mit mechanischen Mitteln, nämlich eingespritztem Wasser, aus dem verbleibenden Abgas gewaschen wird. Der Restammoniak löst sich aufgrund der sich bildenden Wasserstoffbrücken zwischen dem Restammoniak und dem Spülwasser zumindest teilweise in dem Spülwasser, welches anschließend mittels eingespritzter Säure neutralisiert wird. Dazu kann das Spülwasser in einer Rinne bzw. Wanne aufgefangen und zentral neutralisiert werden. Das Abgas kann nach dem Waschschritt weiterbehandelt oder einfach in die Atmosphäre geleitet werden.

[0017] Der Ammoniakgehalt des Abgases kann durch den Waschschritt in der Nachbehandlungskammer reduziert werden. Um allerdings allgemein den Schadstoffanteil im Abgas bereits nach dem Verlassen der Katalysatoranordnung zu senken, wird vorgeschlagen, dass vor der Zufuhr zum selektiven katalytischen Reduktionskatalysator das stöchiometrische Anteilsverhältnis zwischen Ammoniak und Stickstoffoxid im Abgas ermittelt und mit einem vorgegebenen Arbeitsbereich des selektiven katalytischen Reduktionskatalysators verglichen wird, wonach bei zu geringem Ammoniakanteil im Abgas solange zusätzliches Ammoniak in das Abgas eindosiert wird, bis das Verhältnis im vorgegebenen Arbeitsbereich liegt. Der vorgegebene Arbeitsbereich des selektiven katalytischen Reduktionskatalysators umfasst Wertebereiche für das das gewünschte stöchiometrische Verhältnis und/oder die absolute Menge der an der Reaktion beteiligten Stoffe. In einer bevorzugten Ausführungsform entspricht dieses Verhältnis dem optimalen stöchiometrischen Verhältnis bei dem theoretisch die Edukte vollständig in die Produkte umgewandelt werden können, ohne dass bei der Reaktion weitere Zwischenprodukte entstehen. Eine solche optimierte Reaktion im selektiven katalytischen Reduktionskatalysator lässt sich mit der bereits oben gezeigten Reaktionsgleichung darstellen:

4N0 + 4NH3z + 02 > 4N, + 6H20

[0018] Optional kann der Arbeitsbereich Wertebereiche für weitere Parameter, wie beispielsweise die Temperatur, umfassen. Das stöchiometrische Verhältnis oder die absoluten Mengen des Ammoniaks, und optional des Stickstoffoxids im unbehandelten Abgas können vor dem Eintritt in den selektiven katalytischen Reduktionskatalysator bestimmt und mit dem jeweiligen Wertebereich des Arbeitsbereichs verglichen werden. Durch Eindosierung von Ammoniak kann das stöchiometrische Verhältnis bzw. die absolute Ammoniakmenge so lange beeinflusst werden, bis das stöchiometrische Verhältnis im jeweiligen Wertebereich des Arbeitsbereichs liegt. Sollte zu viel Ammoniak im Abgas vorliegen, sodass der Arbeitsbereich durch Eindosierung von Ammoniak klarerweise nicht erreicht werden kann, kann dem Abgas beispielsweise weiteres Abgas beigemischt werden, bis sich der Ammoniakanteil wieder senkt. Zwar kann das stöchiometrische Verhältnis bzw. die absoluten Stoffmengen einmal bestimmt und dann die einzudosierende Ammoniakmenge ermittelt und eindosiert werden, bevorzugter Weise folgt aber nach der Eindosierung wenigstens eine weitere Messung und ein weiterer Vergleich mit dem jeweiligen Wertebereich des Arbeitsbereichs bevor das Abgas in die Katalysatoranordnung geleitet wird. In einer bevorzugten Ausführungsform kann analog zum Ammoniak auch der Anteil des Sauerstoffs relativ und/oder absolut gemessen und durch Eindosierung erhöht werden. Zum Hinterlegen der Wertebereiche des Arbeitsbereichs, Erfassen der Messdaten der Sensoren, Vergleich der von den Sensoren gemessenen Werte mit den jeweiligen Wertebereichen und dem folgenden Eindosieren in Abhängigkeit von den Messdaten und jeweiligen Wertebereichen kann eine Recheneinheit vorgesehen sein.

[0019] Wie oben bereits erwähnt, sind die chemischen Reaktionsprozesse in der Katalysatoranordnung temperaturabhängig. Um die chemische Reaktion in einem effizienten Temperaturbe-

reich durchzuführen, ohne dabei ein gesondertes Heizelement vorzusehen, kann das Abgas vor dem Eintritt in den selektiven katalytischen Reduktionskatalysator mit der Abwärme eines Verbrennungsmotors auf eine Temperatur von mindestens 200°C vorgeheizt werden. Da die Mindesttemperatur für die chemischen Reaktionen in der Katalysatoranordnung wenigstens 200°C beträgt, kann die Abgasreinigung der Vorrichtung bei Betrieb eines reinen Ammoniakverbrennungsmotors ohne separate Heizung nicht sofort starten, da die Abgase erst nach einer gewissen Betriebszeit des Ammoniakverbrennungsmotors die Mindesttemperatur erreichen. Zwar kann beispielsweise in einer Aufwärmphase des Ammoniakverbrennungsmotors auf die Abgasreinigung verzichtet werden, bevorzugter Weise kann aber die Abwärme eines Verbrennungsprozesses genutzt werden, für den ein von Ammoniak abweichender weiterer Treibstoff genutzt wird, wie beispielsweise Erdgas, Diesel, Benzin oder Wasserstoff. Bevorzugter Weise wird ein Verbrennungsmotor verwendet, der sowohl mit Ammoniak als auch mit einem weiteren Treibstoff betrieben werden kann, sodass in der Aufwärmphase der weitere Treibstoff verbrannt wird und nach Erreichen der Mindesttemperatur für die chemischen Reaktionen auf Ammoniakverbrennung umgestellt wird.

[0020] In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt und zwar in einer schematischen Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

[0021] Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen umfasst ein Ammoniakdosiersystem 1, einen selektiven katalytischen Reduktionskatalysator 2, der bevorzugt Vanadium umfasst, und einen Ammoniakschlupfkatalysator 3, der zusammen mit dem selektiven katalytischen Reduktionskatalysator 2 eine Katalysatoranordnung bildet. Dieser Katalysatoranordnung ist eine Nachbehandlungskammer 4 nachgelagert. Um die Abgase in der Vorrichtung zu reinigen, kann für die Abgase eine Zuleitung 5 vorgesehen, über die die Abgase in die Vorrichtung eingebracht werden. Die Abgase strömen aufgrund des Druckunterschieds zwischen dieser Zuleitung 5 und einem Auslass 6 durch die Vorrichtung, ohne aktiv transportiert werden zu müssen. Nach der Zuleitung wird dem Abgas über das Ammoniakdosiersystem 1 Ammoniak beigemischt, um die Reaktionsbedingungen bei den folgenden chemischen Reaktionen in der Katalysatoranordnung zu beeinflussen. Anschließend durchlaufen die Abgase im selektiven katalytischen Reduktionskatalysator 2 eine erste chemische Reaktion, in der Ammoniak und Stickstoffoxide des Abgases mit Sauerstoff zu Wasser und Stickstoff reagieren. Ammoniak, das im selektiven katalytischen Reduktionskatalysator 2 nicht reagiert, gelangt mit dem Abgas in den Ammoniakschlupfkatalysator 3. In diesem reagiert Ammoniak in einer zweiten chemischen Reaktion mit Sauerstoff zu Stickstoff und Wasser. Ammoniak aus dem Abgas, welches auch hier nicht reagiert, verbleibt im Abgas und gelangt mit diesem in die Nachbehandlungskammer 4. In der Nachbehandlungskammer 4 ist eine Wassereinspritzung 7 vorgesehen. Das von der Wassereinspritzung in das Abgas eingespritzte Wasser löst weiteres Ammoniak aus dem Abgas und kann in einer Wanne 8 gesammelt werden. Zwar kann das Wasser quer zur Strömungsrichtung des Abgases in der Nachbehandlungskammer 4 eingespritzt werden, in der gezeigten Ausführungsform bildet die Nachbehandlungskammer allerdings einen Abgaskamin. Diese durch das Spülwasser und das Ammoniak gebildete Lösung ist basisch und kann nach wie vor umweltschädlich sein. Aus diesem Grund ist eine Einspritzdüse 9 zum Einspritzen von Säure vorgesehen, die die Lösung neutralisiert. Das Abgas kann nach dem Einspritzen des Wassers über den Auslass 6 aus der Vorrichtung in die Umwelt entweichen oder weiterbehandelt werden. Die Lösung in der Wanne 8 kann ebenso in die Umwelt entweichen oder gesammelt und entsorgt werden.

[0022] Die Nachbehandlungskammer 4 kann, wie im gezeigten Ausführungsbeispiel, einen Abgaskamin bilden, sodass das Abgas nach Passieren der Katalysatoranordnung aufsteigt und das Spülwasser aus der Wassereinspritzung 7 die durch den Abgaskamin steigende Abgassäule entgegen deren Steigrichtung passiert. Dadurch kann nicht nur die benötigte Leistung der Wassereinspritzung reduziert, sondern auch die Interaktionsdauer zwischen Spülwasser und Abgas erhöht werden, da das Wasser beim Fallen bevorzugter Weise die gesamte Abgassäule passiert.

[0023] Neben dem Ammoniakdosiersystem 1 kann für den selektiven katalytischen Reduktionskatalysator 2 eingangseitig ein Sauerstoffdosiersystem 10 zum Eindosieren von Sauerstoff in das unbehandelte Abgas vorgesehen sein. Auch dieses Sauerstoffdosiersystem 10 kann genützt wer-

den, um das stöchiometrische Verhältnis der Reaktionspartner in der Katalysatoranordnung zu beeinflussen bzw. zu optimieren. Um das eindosierte Ammoniak und gegebenenfalls den eindosierten Sauerstoff gut mit dem Abgas zu vermischen, kann das Sauerstoffdosiersystem 10 einen statischen Mischer 11 umfassen. Durch den statischen Mischer 11 kann das Abgas mit dem Sauerstoff homogenisiert werden, ohne dass weitere bewegliche Teile für die Vorrichtung vorgesehen werden müssen.

[0024] Um den Anteil an Ammoniak im Abgas innerhalb der Vorrichtung zu überprüfen, kann ein Ammoniaksensor 12 vorgesehen sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Sensor vor dem selektiven katalytischen Reduktionskatalysator 2 angeordnet, um den Anteil an Ammoniak im Abgas zu überprüfen und gegebenenfalls über das Ammoniakdosiersystem 1 den Anteil an Ammoniak im Abgas zu ändern. Optional kann zusätzlich ein Sauerstoffsensor 13 vorgesehen sein, der den Sauerstoffanteil des Abgases bestimmt, woraufhin gegebenenfalls über das Sauerstoffdosiersystem 10 der Anteil an Sauerstoff im Abgas geändert wird. Zufolge dieser Maßnahmen kann das stöchiometrische Verhältnis des Ammoniaks und optional des Sauerstoffs beeinflusst bzw. optimiert werden, indem der Messwert der Sensoren 12, 13 zum Ansteuern der Dosiersysteme 1, 10 verwendet wird. In einer bevorzugten Ausführungsform sind nicht nur vor dem selektiven katalytischen Reduktionskatalysator 2 Ammoniaksensoren 12 und optional Sauerstoffsensoren 13 vorgesehen, sondern auch an weiteren Positionen innerhalb der Vorrichtung. Beispielsweise können vor dem Ammoniakschlupfkatalysator 3 und/oder vor der Nachbehandlungskammer 4 und/ oder vor dem Auslass 6 weitere Sensoren 12, 13 angeordnet sein.

[0025] Zum weiteren Homogenisieren des Abgases und zum Aufheizen des Abgases auf die für die chemische Reaktion im selektiven katalytischen Reduktionskatalysator 2 benötigten Temperatur kann ein Heizelement 14 vorgesehen sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Heizelement 14 zwischen dem statischen Mischer 11 und dem Sauerstoffdosiersystem 10 angeordnet, allerdings muss das Heizelement 14 dem selektiven katalytischen Reduktionskatalysator 2 lediglich vorgelagert sein und kann beispielsweise unmittelbar vor der Katalysatoranordnung angeordnet sein.

[0026] Weiters kann eine Recheneinheit 15 zum Einlesen vom Messwerten, Hinterlegen von Wertebereichen eines Arbeitsbereichs und Ansteuern der Dosiersysteme und Einspritzsysteme vorgesehen sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel erhält die Recheneinheit 15 Messwerte des Ammoniaksensors 12 und des Sauerstoffsensors 13. Weiters ist in der Recheneinheit 15 ein vorgegebener Arbeitsbereich für den selektiven katalytischen Reduktionskatalysator 2 hinterlegt, der neben der optimalen Betriebstemperatur auch einen Wertebereich für die optimierten stöchiometrischen Verhältnisse der an der im selektiven katalytischen Reduktionskatalysator 2 ablaufenden chemischen Reaktion umfasst. Die Recheneinheit 15 erhält die Messwerte der Sensoren 12,13, bildet daraus deren stöchiometrisches Verhältnis und steuert das Ammoniakdosiersystem 1 und das Sauerstoffdosiersystem 10 so an, dass dem Abgas so lange Ammoniak bzw. Sauerstoff beigemischt wird, bis das über die Sensoren 12, 13 gemessene stöchiometrische Verhältnis innerhalb des Wertebereichs für die optimierten stöchiometrischen Verhältnisse des vorgegebenen Arbeitsbereichs liegt. Analog dazu kann die Recheneinheit 15 das Heizelement 14 so ansteuern, dass die Abgastemperatur im Wertebereich der optimalen Betriebstemperatur liegt. Dazu kann ein optionaler nicht gezeigter Temperatursensor vorgesehen sein. Weiters kann die Recheneinheit 15 die Wassereinspritzung 7 und die Einspritzdüse 9 für die Säure ansteuern.

Claims (10)

Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen mit einem selektiven katalytischen ReduktionskataIysator (2), dem eingangsseitig ein Ammoniakdosiersystem (1) für das Eindosieren von Ammoniak in das unbehandelte Abgas vor- und ausgangsseitig ein Ammoniakschlupfkatalysator (3) nachgelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ammoniakschlupfkatalysator (3) ausgangsseitig eine Nachbehandlungskammer (4) für das behandelte Abgas nachgelagert ist, die eine Wassereinspritzung (7) zum Lösen von Restammoniak im behandelten Abgas und eine Einspritzdüse (9) zum Einspritzen von Säure zum Neutralisieren der von Wasser und Restammoniak gebildeten Lösung umfasst.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachbehandlungskammer (4) einen Abgaskamin bildet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den selektiven katalytischen Reduktionskatalysator (2) eingangseitig ein Sauerstoffdosiersystem (10) zum Eindosieren von Sauerstoff in das unbehandelte Abgas vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sauerstoffdosiersystem (10) einen statischen Mischer (11) zum Homogenisieren des unbehandelten Abgases mit dem Sauerstoff umfasst.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der selektive katalytische Reduktionskatalysator (2) Vanadium umfasst.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachbehandlungskammer (4) ein Ammoniaksensor (12) vorgelagert ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem selektiven katalytischen Reduktionskatalysator (2) ein Heizelement (14) zum Erhitzen des unbehandelten Abgases vorgelagert ist.

8. Verfahren zum Reinigen von Abgasen unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche bei dem zunächst das unbehandelte Abgas dem selektiven katalytischen Reduktionskatalysator (2) zugeführt wird, in dem Stickstoffoxid und Ammoniak aus dem Abgas wenigstens teilweise unter Anwesenheit von Sauerstoff zu Stickstoff und Wasser reagiert, wonach das verbleibende Abgas dem Ammoniakschlupfkatalysator (3) zugeführt wird, in dem der Ammoniak-Schlupf im verbleibenden Abgas wenigstens teilweise zu Stickstoff und Wasser reagiert, woraufhin das nun verbleibende Abgas der Nachbehandlungskammer (4) zugeführt wird, wo das sich noch im Abgas befindliche Restammoniak wenigstens teilweise mit eingespritztem Wasser aus dem Abgas gewaschen und das mit dem Restammoniak gemischte Wasser mittels eingespritzter Säure neutralisiert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Zufuhr zum selektiven katalytischen Reduktionskatalysator (2) das stöchiometrische Anteilsverhältnis zwischen Ammoniak und Stickstoffoxid im Abgas ermittelt und mit einem vorgegebenen Arbeitsbereich des selektiven katalytischen Reduktionskatalysators (2) verglichen wird, wonach bei zu geringem Ammoniakanteil im Abgas solange zusätzliches Ammoniak in das Abgas eindosiert wird, bis das Verhältnis im vorgegebenen Arbeitsbereich liegt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas vor dem Eintritt in den selektiven katalytischen Reduktionskatalysator (2) mit der Abwärme eines Verbrennungsmotors auf eine Temperatur von mindestens 200°C vorgeheizt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen