DE3733501A1 - Verfahren zur verminderung von emissionen beim betrieb von stationaeren verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verminderung der Stickoxid-, Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxid-Emissio­ nen beim Betrieb von Verbrennungsmotoren, insbesondere statio­ nären Verbrennungsmotoren, mit Luftzahlen größer als 1.

Infolge sich ständig verstärkender Bemühungen im Umweltschutz­ bereich ist es wünschenswert, die Schadstoffemissionen von Verbrennungsmotoren auf ein Minimum zu reduzieren. Insbesonde­ re wird es notwendig, die drei Schadstoffhauptgruppen: Stick­ oxide, Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid gleichzeitig so gering wie möglich halten zu können.

Aus Fig. 1 lassen sich die relativen Verhältnisse der Schad­ stoffrestemissionen im Abgas eines Verbrennungsmotors an NO _x , CO und CH _x in Abhängigkeit von der Luftzahl λ entneh­ men. Um alle drei in Fig. 1 repräsentierten Schadstoffgruppen weitgehend zu entfernen, werden häufig Drei-Wege-Katalysatoren eingesetzt. Diese Katalysatoren haben den entscheidenden Nach­ teil, daß sie nur in einem sehr engen Luftzahlbereich (in Fig. 1 Bereich 1) - einem sogenannten λ-Fenster - nahe der Luftzahl λ = 1 einsetzbar sind. Werden Motoren bei Luftzahlen größer als 1 betrieben, läßt sich ein Drei-Wege-Katalysator zur Ent­ fernung der Schadstoffkomponenten nicht sinnvoll einsetzen, da besonders ein höherer Sauerstoffgehalt die Katalysatorwirkung stark beeinträchtigt.

Eine weitere bekannte Möglichkeit zur Verminderung der Schad­ stoffe im Abgas besteht darin, eine Schadstoffart durch geeig­ netes Einstellen der Betriebswerte, insbesondere der Luftzahl, von vornherein klein zu halten und sich bei der katalytischen Schadstoffverminderung auf die selektive Entfernung einzelner anderer Schadstoffarten zu beschränken. So ist es unter Um­ ständen möglich, die Luftzahl λ so einzustellen, daß die Koh­ lenmonoxid- und Kohlenwasserstoffkonzentrationen bereits im unbehandelten Abgas unter den Grenzwerten der TA-Luft liegen, so daß nur noch die Stickoxidemission durch Nachbehandeln beispielsweise mit selektiver katalytischer Reduktion (SCR) vermindert werden muß. Bei den in Fig. 1 wiedergegebenen Ver­ hältnissen ist dieses Verfahren etwa bei Luftzahlen um 1,2 (in Fig. 1 Bereich 2) sinnvoll anwendbar.

Eine weitere bekannte Verfahrensweise besteht darin, die Stickoxidkonzentration im Abgas durch Einstellen des λ-Wertes bei entsprechenden Betriebsbedingungen so gering zu halten, daß nur noch Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe katalytisch oxidativ behandelt zu werden brauchen. Ein für dieses Verfah­ ren geeigneter Bereich 3 beginnt gemäß Darstellung in Fig. 1 an einem Punkt 8, bei dem die Stickoxidkonzentration unter dem zulässigen TA-Luft Grenzwert liegt.

Die letztgenannten Verfahren lassen sich jedoch nur anwenden, wenn unter sinnvollen Betriebsbedingungen die erforderlichen λ-Werte eingestellt werden können und wenn der Gesetzgeber die Emissionsgrenzwerte in Zukunft nicht zu sehr senkt, da unver­ meidlich bestimmte Mengen der jeweils unbehandelten Schad­ stoffkomponenten durchgelassen werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein insbesondere für größere stationäre Motoren geeignetes Verfahren anzugeben, bei dem die Emissionen sowohl an Stickoxiden als auch an Kohlen­ wasserstoffen und an Kohlenmonoxid selbst bei Luftzahlen größer als 1 gering und zuverlässig unter den Grenzwerten der TA-Luft gehalten werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung ein gattungsge­ mäßes Verfahren vor, das in zwei Stufen durchgeführt wird, wobei in der ersten Stufe Stickoxide mit Ammoniak so an einem Katalysator (Reduktionskontakt) reduziert werden, daß aus­ reichend Sauerstoff für die zweite Verfahrensstufe verbleibt, und in der zweiten Stufe Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid sowie überschüssiger Ammoniak an einem weiteren Katalysator (Oxidationskontakt) mit dem im Abgas vorhandenen Restsauer­ stoff oxidiert werden.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß es prinzipiell bei allen Luftzahlen größer als 1 anwendbar ist und dabei gleichzeitig alle drei Schad­ stoffarten, nämlich Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und Kohlen­ monoxid weitgehend abbaut. Dadurch daß der Oxidationskatalysa­ tor dem Reduktionskatalysator nachgeschaltet ist, kann zusätz­ lich der Ammoniakschlupf aus der Reduktionsstufe kontrolliert werden.

Vorzugsweise wird die Reduktion über einem Vanadinpentoxid- Kontakt durchgeführt, und der Ammoniak wird dem Abgas zudo­ siert, bevor dieses den Katalysator erreicht.

In zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung werden beide Kata­ lysatoren hintereinander in einem Reaktor derart eingesetzt, daß das Abgas des Motors zuerst den Reduktionskontakt und danach den Oxidationskontakt passiert.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigt.

Fig. 1 ein Schadstoffdiagramm, das ein Beispiel für die Abhängigkeit des Gehalts an NO _x , CO und CH _x von der Luftzahl λ veranschaulicht; und

Fig. 2 eine Prinzipskizze einer Katalysatoranordnung und der zugehörigen Abgasströme bei dem be­ schriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Aus Fig. 1 entnimmt man die relativen Verhältnisse der Schad­ stoffrestemissionen an NO _x , CO und CH _x in Abhängigkeit von der Luftzahl λ. Die von gestrichelten Linien eingegrenzten Bereiche 1-3 geben die bislang vom Stande der Technik abge­ deckten Arbeitsgebiete für die Abgasreinigung an. Das enge λ-Fenster um λ = 1 (in Fig. 1 Bereich 1) gibt den Arbeitsbe­ reich eines Dreiwegekatalysators an, der nur in diesem engen Luftzahlbereich in effektiver Weise bewirkt, daß alle drei Hauptschadstoffgruppen abgebaut werden. Bei höheren Sauer­ stoffkonzentrationen werden die Stickoxide meist selektiv katalytisch reduziert, beispielsweise über einen Vanadinpent­ oxidkontakt, da dabei der Sauerstoff nicht stört. Diese selek­ tiven Reduktionskatalysatoren können jedoch weder Kohlenwas­ serstoffe noch Kohlenmonoxid abbauen. Die selektive katalyti­ sche Reduktion (SCR) allein eignet sich daher in einem Bereich 2 zur Abgasreinigung, in dem die CO-Werte (Kohlenmonoxidwerte) zwischen 5 und 6 und die CH _x -Werte (Kohlenwasserstoffwerte) zwischen 4 und 7 die zulässigen Emissionshöchstwerte nicht überschreiten. Werden Motoren bei noch höheren Luftzahlen betrieben, steigen die Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxid­ werte im Abgas wieder beträchtlich an, während die Stickoxid­ werte zurückgehen. In einem Bereich 3, in dem der Stickoxidge­ halt im Abgas unter den Grenzwert der TA-Luft abgesunken ist - d. h. in dem die NO _x -Konzentration kleiner oder gleich der­ jenigen in Punkt 8 des Diagramms ist - kann sich die Abgas­ reinigung auf die Entfernung von Kohlenwasserstoffen und Koh­ lenmonoxid beschränken. Hierzu können verschiedene Oxidations­ katalysatoren eingesetzt werden. Das erfindungsgemäße Verfah­ ren erlaubt es nun, die Abgasreinigung sowohl in den Bereichen 1, 2 und 3 als auch zwischen diesen Bereichen durchzuführen. Dabei werden stets alle drei Schadstoffkomponenten abgebaut. Die durch die Kurven CO und CH _x in Bereich 2 und die Kurve NO _x in Bereich 3 bestimmten und durch die zuvor genannten Verfahren unbeeinflußbaren Restemissionen können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren weiter unterschritten werden.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem Reaktor 10, in dem zwei unterschiedliche Katalysatoren 30 und 40 hintereinan­ der eingesetzt sind. Das ungereinigte Abgas wird über den Weg 20 von einem in der Zeichnung nicht gezeigten Verbrennungsmo­ tor aus dem Reaktor 10 zugeführt und passiert nacheinander den als Reduktionskontakt ausgebildeten Katalysator 30 und der als Oxidationskontakt ausgebildeten Katalysator 40. Das gereinigte Abgas wird über Weg 60 vom Reaktor abgeführt. Der zur NO _x - Reduktion in der ersten Katalysatorstufe benötigte Ammoniak wird dem ungereinigten Abgas über Weg 50 zudosiert, bevor das Abgas den Reduktionskontakt 30 erreicht. Entlang des Redukti­ onskontaktes 30 werden die Stickoxide weitgehend durch Ammoniak unter zusätzlichem Verbrauch von Sauerstoff zu Stickstoff und Wasser reduziert. Das von Stickoxiden weitgehend befreite Abgas passiert daraufhin den Oxidationskontakt 40, über dem mit Hilfe des im Abgas vorhandenen Restsauerstoffs Kohlenmon­ oxid, Kohlenwasserstoffe sowie überschüssiger Ammoniak oxi­ diert werden. Als Reaktionsprodukte entstehen in der zweiten katalytischen Stufe über Oxidationskontakt 40 Wasser, Kohlen­ dioxid, Stickstoff und geringe Mengen rückgebildeter Stickoxi­ de. Ein Ammoniakschlupf aus der ersten katalytischen Stufe über Reduktionskontakt 30 wird durch die nachgeschaltete Oxi­ dationsstufe vermindert, wobei auf unerwünschte Nebenreaktio­ nen zu Stickoxiden geachtet werden sollte.

Claims (4)

1. Verfahren zur Verminderung der Stickoxid-, Kohlenwasser­ stoff- und Kohlenmonoxid-Emissionen beim Betrieb von Verbren­ nungsmotoren, insbesondere stationären Verbrennungsmotoren, mit Luftzahlen größer als 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren in zwei Stufen durchgeführt wird, wobei in der ersten Stufe Stickoxide mit Ammoniak so an einem Katalysa­ tor (Reduktionskontakt (30)) reduziert werden, daß ausreichend Sauerstoff für die zweite Verfahrensstufe verbleibt, und in der zweiten Stufe Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid sowie überschüssiger Ammoniak an einem weiteren Katalysator (Oxida­ tionskontakt (40)) mit dem im Abgas vorhandenen Restsauerstoff oxidiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Ammoniak zum Abgas zudosiert wird, bevor das Abgas den Kataly­ sator erreicht (50).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Reduktions-Katalysator (30) ein Vanadinpentoxid-Kon­ takt eingesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, da beide Katalysatoren hintereinander in einem Reaktor (10) derart eingesetzt werden, daß das Abgas des Mo­ tors zuerst den Reduktionskontakt und danach den Oxidations­ kontakt passiert.