WO2012164000A2 - Abgasreinigungsvorrichtung zur verminderung von stickoxiden im abgasstrom von brennkraftmaschinen - Google Patents

Abgasreinigungsvorrichtung zur verminderung von stickoxiden im abgasstrom von brennkraftmaschinen Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to an exhaust gas purification device with a bed of catalyst elements for the reduction of nitrogen oxides in the exhaust gas flow of an internal combustion engine.
  • a variety of catalysts have been proposed in the past to purify environmentally relevant substances such as nitrogen oxides in various oxidation states (NO, NO 2 , N 2 O 4 , N 2 O 5, and N 2 O) emitted from internal combustion engines , These are controlled or uncontrolled catalysts, oxidation catalysts, three-way conversion catalysts (TWC catalysts), NO x storage catalysts and SCR (selective catalytic reduction) catalysts.
  • nitrogen oxides (NO x ) are among the limited exhaust gas components used in shipping, which are produced during combustion processes and whose permitted emissions are continually reduced.
  • Marine propulsion engines used on board ships are 4-stroke engines or 2-stroke, low-speed engines, both of which operate on IFO180, IFO380, MDO and MGO heavy fuel oils and distillates. Due to the high combustion temperatures of greater than 1600 ° C., these engines form the so-called thermal NO x , which is produced by means of an SCR catalyst operating according to the principle of selective catalytic reduction, an introduced reducing agent (usually NH 3 or a precursor compound (precursor ) is converted by this and oxygen (0 2).
  • an introduced reducing agent usually NH 3 or a precursor compound (precursor ) is converted by this and oxygen (0 2).
  • the structure of an SCR system varies according to the technical requirements and is adapted to this individually.
  • the basic principle is based on the following structure:
  • the reducing agent is added to the still polluted exhaust gas and mixed homogeneously with it.
  • the reducing agent is ammonia (NH 3 ), ammonia water or urea.
  • NH 3 ammonia
  • ammonia water or urea the reducing agent is ammonia
  • the Abgas free exhaust gas leaves the catalyst as possible without NH 3 slip.
  • This general principle can be extended by additional components depending on requirements. For example, arrangements with an oxidation catalyst, an ammonia barrier catalyst or a hydrolysis catalyst if the reducing agent consist of dry urea. should be formed, conceivable.
  • These can optionally be combined with the SCR catalyst by upstream or downstream.
  • the nitrogen oxides formed in the internal combustion engine are reduced in the presence of the reducing agent to nitrogen (N 2 ) and water (H 2 O).
  • the reducing agent is either added directly to the exhaust gas or a precursor of the reducing agent is added, which releases the reducing agent only in the exhaust aftertreatment system.
  • ammonia NH 3
  • urea a precursor to the exhaust gas stream, which is then thermolytically and hydrolytically converted to NH 3 , H 2 0 and C0 2 .
  • the so-called cell density indicates the number of channels per area (square inches).
  • the designs used in the art here range from 25 to 400 cpsi (cells per square inch) as a typical value for ceramics and up to 1200 cpsi for high-cell, high-capacity versions with metallic supports.
  • the wall thickness is often just 30 ⁇ .
  • the limiting factor here is the tolerable pressure drop.
  • the carrier component is demanded high thermal and mechanical strength, since it is often exposed to strong temperature fluctuations and shocks.
  • a heat-resistant metal grid or a ceramic mat around the honeycomb body therefore ensures the fixation in the housing and the absorption of vibrations.
  • Catalytic converters commonly used in the automotive and power plant industries usually have a honeycomb honeycomb structure. with a high heat and impact resistance as a carrier material.
  • Cordierite a magnesium-aluminum-silicate material (2MgO ⁇ 2AI 2 0 3 ⁇ 5Si0 2 ), is characterized by a high temperature resistance and a high porosity of 20 to 40% by volume, mainly consisting of macropores with average diameters of a few micrometers, off.
  • Honeycomb catalysts such as.
  • the publications DE 102 55 612 A1, EP 1 063 396 A2, EP 1 713 584 A1 and EP 1 920 834 A1 disclose a large number of cells per square centimeter and have wall thicknesses between 0.2 and 1, 5 mm, with wall thicknesses between 0.2 to 0.3 mm are preferred.
  • the disadvantage of these small wall thicknesses is that mechanical loads, such as pressure surges caused by the so-called “soot blowing", can lead to damage Ship engines, emissions in the form of particles, soot, metal ashes, metals and sulfates, which deposit in the honeycomb of the honeycomb catalyst and lead to a decrease in the catalytic activity of the catalyst and an increase in the pressure loss
  • the invention is therefore the object of an exhaust gas purification whose properties meet the requirements of the engine and in particular the large engine industry for use as exhaust gas denitrification in heavy oil-fired diesel engines.
  • an exhaust gas purification device for reducing nitrogen oxides in the exhaust stream of an internal combustion engine.
  • the exhaust gas purification device comprises a catalyst reactor unit with a reactor housing, which has a multiplicity of number of input and output ports, and arranged with a plurality in the reactor housing and subsequent to the inlet openings Rohgaskaskaden and arranged with a plurality in the reactor housing and subsequent to the outlet openings pure cascade.
  • the exhaust gas purification device comprises, introduced into the reactor housing, from the exhaust gas stream through ström bare bed of catalyst elements, wherein the catalyst elements comprise a support of a foam metal and a catalytic coating for selective catalytic reduction (SCR) of nitrogen oxides.
  • This exhaust gas purification device is characterized by a significantly smaller volume of construction than conventional honeycomb catalysts offer. This makes it much easier to subsequently integrate an exhaust gas purification device in the exhaust system of a ship.
  • the support made of foam metal are characterized by their insensitivity to thermal expansion and mechanical stress.
  • the bed is flow-optimized and is flowed around during operation of the exhaust stream of the internal combustion engine usually turbulent constantly and flows through.
  • the foam metal of the catalyst elements preferably comprises iron, iron oxide, chromium, aluminum and / or nickel or alloys thereof or preferably consists thereof. Further preferably, the catalyst elements have the geometric shape of a sphere, a hemisphere, a ring, a tube, a Raschid ring, a half-tube, a plate, a cylinder or a cube.
  • the catalyst elements preferably have a length or a diameter of 0.5 to 30 mm, preferably 1 to 15 mm and particularly preferably 2 to 8 mm.
  • the foam metal of the catalyst elements has a specific surface area of 8,000 to 25,000 m 2 / m 3 , in particular from 1 to 18,000 m 2 / m 3 .
  • the foam metal pores having a pore diameter of 100 to 3200 ⁇ , in particular from 400 to 1 .200 ⁇ on.
  • a ceramic carrier preferably cordierite, instead of the foam metal.
  • the catalytic coating comprises a catalytically active material in the form of at least one oxide of a transition metal with atomic number 21 to 30, 39 to 48, 57 to 80 and 89 to 1 12 and / or at least one alkali and / or alkaline earth metal compound and / or at least a compound of the third main group or subgroup of the periodic table and / or at least one rare earth metal or zinc compound or in the form of mixtures of these.
  • the catalytic coating comprises an NH 3 -storing material, in particular aluminum oxide (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO) or a zeolite of the type X, Y and / or ZSM-5.
  • the aluminum oxide (Al 2 O 3 ), the zirconium oxide (ZrO) or the zeolite forms the basic structure of the coating on which the catalytically active material is present in free distribution.
  • the catalytic coating comprises a catalytically active material for the conversion of hydrocarbons (HC).
  • hydrocarbons may be, for example, C 1 - to C 10 -hydrocarbons, in particular CH 4 to C 10 H 2 2 (alkanes).
  • the catalytically active material is usually a combination of suitable noble metals.
  • the coating of the foam metal support with catalysts, as well as with the NH 3 - storing material is usually carried out by means of a washcoat process, as is also known for conventional honeycomb-shaped metal or ceramic carriers.
  • the NH 3 - electriciannde material preferably has a BET surface area of at least 300 m 2 / g, especially at least 400 m 2 / g and particularly preferably of at least 500 m 2 / g. Furthermore, the material storing NH 3 preferably has a particle size of at most 0.9 ⁇ m, in particular of not more than 0.6 ⁇ m, and particularly preferably of not more than 0.3 ⁇ m. Furthermore, the NH 3- storing material preferably has an average pore size of 0.4 to 1 nm, more preferably 0.7 to 0.8 nm.
  • the crude gas and / or the pure cascade comprise in the flow direction (ie axially) extending elements.
  • the raw gas can also be transported into the regions of the catalyst unit which are opposite the inlet openings and / or or out of which passage opening opposite areas are discharged. This allows an equally distributed flow through the bed.
  • the elements of the raw gas and / or pure-hydrogen cascades extending in the direction of flow have a roof-like shape.
  • the roof-like shape designates a molding, which is closed at the top and open at the bottom.
  • an element extending in the direction of flow has a cross-sectionally normal shape to the flow direction in the form of a second limb. The intersection of the two legs shows in the assembled state of the exhaust gas purification device upwards.
  • the elements of the crude gas and / or pure-gas cascades extending in the direction of flow are formed as two, preferably flat, surfaces arranged at an angle to one another, whose cut line forms the highest point of the raw gas and / or the pure cascade.
  • the two legs of the elements of the crude gas and / or pure-gas cascades extending in the flow direction preferably have a limb length of 5 to 30 cm, in particular of 10 to 20 cm, and / or an angle of 15 ° to 1 10 °, in particular of 20 ° to 90 °, preferably from 45 ° to 75 °, on.
  • These embodiments allow a flow-favorable cross section of the channels formed by the roof-like elements extending in the direction of flow.
  • the crude gas and / or the pure cascade cascades are arranged at a distance of 10 to 50 cm, in particular from 15 to 35 cm, to each other. This distance represents a good compromise of flow resistance when flowing through the bed and the effective catalytic surface.
  • the reactor housing of the catalyst reactor unit has discharge means for discharging spent or contaminated catalyst elements.
  • Austragungsmittel are in particular a rotary valve, a screw conveyor or double pendulum flap.
  • an exhaust system for an internal combustion engine comprising an exhaust gas purification device according to the invention.
  • the exhaust system usually includes at least one inlet and outlet, which direct the raw gas to the exhaust gas purification device and away from the exhaust gas purification device.
  • the exhaust system further comprises a metering device arranged upstream of the exhaust gas purification device for metering a reducing agent into the exhaust gas flow, in particular of ammonia (NH 3 ) or a precursor compound therefrom.
  • the metering device allows insertion, z. For example, an injection of the reducing agent or its precursor compound in the exhaust stream.
  • the exhaust system further comprises a burner arranged upstream of the exhaust gas purification device for increasing the exhaust gas temperature.
  • the burner can furthermore preferably be operated with liquid or gaseous fuels, in particular with a boil-off of a liquid-gas tank.
  • a method for operating an exhaust system according to the invention comprises a first step of providing an exhaust system according to the invention. Furthermore, the method comprises a second step of introducing the exhaust gas flow into the catalyst reactor unit through the inlet openings and at least partially through the raw gas cascades. Moreover, the method comprises a third step of passing the exhaust gas flow through the bed of catalyst elements. Furthermore, the method comprises a fourth step of discharging the exhaust gas stream from the catalyst reactor unit at least partially through the clean gas cascades and through the outlet openings.
  • a subset of the catalyst elements is discharged from the device upon reaching a predetermined pressure loss and / or a predetermined ⁇ -clean gas concentration threshold and replaced by not yet acted catalyst elements.
  • a uniform operation of the catalyst over the operating time can be ensured. Nevertheless, a continuous discharge and replenishment of catalyst elements is possible.
  • the reducing agent required for the catalytic reduction is metered only when a defined temperature is reached. As a result of this embodiment, flooding of the catalyst reactor unit with reducing agent can be prevented, as long as a minimum temperature necessary for the catalytic reaction has not yet been reached.
  • a pyrolysis of the urea metered in upstream of the exhaust gas purification device takes place in a crude gas hood of the exhaust gas purification device, which adjoins the reactor housing on the input side.
  • the exhaust gas flow is guided through the raw gas hood, which distributes the exhaust gas flow to the inlet openings.
  • the exhaust gas purification device will operate in overpressure, which is due to the flow resistance of the catalyst reactor unit and the pressure of the exhaust gas flow from the internal combustion engine.
  • the exhaust gas purification device is preferably operated under reduced pressure, which is generated by means of a fan arranged downstream of the catalyst reactor unit.
  • the control of the dosage of the reducing agent in dependence on an operating point of the internal combustion engine, for which in particular a characteristic value from the engine control unit is used.
  • the characteristic value from the engine control unit represents a quantity leading the exhaust gas flow, whereby the dosage of the reducing agent can be adjusted before the exhaust gas flow arrives at the metering device.
  • FIG. 1 shows an exhaust system according to the invention
  • FIG 2 shows a cross section through an exhaust system.
  • Figure 1 is a schematic view of an exhaust system according to the invention according to a preferred embodiment.
  • An exhaust gas purification device of the exhaust system comprises a catalyst reactor unit 51, with arranged within a reactor housing 52 Rohgaskaskaden 60 and pure cascade 80.
  • the raw and clean cascades 60, 80 may be arranged as shown in parallel and in the flow direction of the exhaust stream. As shown, the raw gas cascades 60 may already end before the side of the reactor housing 52 opposite the inlet openings 53, or may adjoin them. Likewise, the pure cascade cascades 80 may end, as shown, before the side of the reactor housing 52 opposite the outlet openings 54, or else adjoin them.
  • the reactor housing 52 is filled with a bed 90 of catalyst elements.
  • the catalyst elements comprise a carrier
  • Foam metal, as well as a catalytic coating for the selective catalytic reduction (SCR) of nitrogen oxides In an upper region of the reactor housing 52, a supply silo 70 is arranged, while in a lower region of the reactor housing 52 a discharge means 120 is arranged.
  • the raw gas cascades 60 are fluidly connected to a raw gas hood 40 via inlet openings 53, and clean gas cascades 80 are fluidly connected to a clean hood 100 via outlet openings 54.
  • the raw gas hood 40 serves as a distributor for dividing the exhaust gas flow onto the inlet openings 53, while the clean gas hood 100 serves as a collector for collecting the exhaust gas flow from the outlet openings 54.
  • an exhaust gas feed line 50 is arranged, which serves to supply the exhaust gas flow from an internal combustion engine 10 into the crude gas hood 40.
  • a first NO x probe 20, a metering device 30 and a first pressure sensor 150 a are arranged.
  • An exhaust gas outlet 1 10 connects downstream of the clean cover 100 at.
  • a second pressure sensor 150b, a temperature sensor 130 and a second NO x probe 140 are arranged.
  • Figure 2 shows a view of a sectional plane AA through the catalyst reactor unit 51 of the exhaust system.
  • raw gas cascades 60 and clean cascades 80 are alternately arranged in the vertical direction. The viewing direction is in the direction of flow through the raw and clean cascades 60, 80 and through, subsequent to the clean cascade 80 output ports 54.
  • the raw and clean cascades 60, 80 include roof-like, extending in the flow direction elements, the raw and clean cascades 60th , 80 can limit to the top and in cross-section can have a Wegsch- kelige shape.
  • the roof-like, in the flow direction extended When the reactor housing 51 is filled with the bed 90, elements of the raw and clean-water cascades 60, 80 form essentially flow-free channels of the raw and clean-water cascades 60, 80 below the roof-like elements extending in the flow direction.
  • the partial exhaust gas streams can advance in the direction of flow into the catalyst reactor unit 51 in order subsequently to flow through the bed 90 to the clean cascade 80.
  • a uniform loading of the bed 90 is ensured with the exhaust gas stream 90 and also reduces the flow resistance opposite to the exhaust gas flow.
  • the internal combustion engine 10 which has a plurality of cylinders, operates on the 2-stroke or 4-stroke principle and burns fuel of different quality (residual oils, marine diesel MDO or marine gas oil MGO).
  • Potentially used for internal combustion engines have compared with internal combustion engines of road vehicles usually relatively large displacement of greater than 5 liters per cylinder, preferably greater than 10 liters per cylinder, more preferably, however, greater than 20 liters per cylinder.
  • the exhaust gas leaves the cylinders and enters an exhaust manifold.
  • the exhaust manifold is connected to the exhaust gas supply line 50.
  • the exhaust gas flow passes or flows in sequence through the exhaust gas feed line 50 and the raw gas hood 40, in which the exhaust gas flow in the form of multiple partial exhaust gas streams is distributed to the inlet openings 53 of the Rohgaskaskaden 60.
  • the partial exhaust gas streams flow at least partially through the raw gas cascades 60 and then from the raw gas cascades 60 through the bed 90 of catalyst elements to the clean cascade 80.
  • the partial exhaust gas streams of the pure cascade 80 are then combined in the clean gas hood 100 and pass downstream into the exhaust gas discharge line 1
  • the purified waste gas stream can be supplied to further use by heat extraction or be discharged through a chimney to the atmosphere.
  • the reducing agent required for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides is fed to the exhaust gas stream as ammonia water or as an aqueous urea solution by means of the metering device 30.
  • the first NO x probe 20 arranged upstream of the metering device 30 determines the NO x concentration of the exhaust gas. From the ⁇ concentration tion, the required amount of reducing agent is calculated, which is metered by means of the metering device 30 in the exhaust gas stream. Alternatively, it is also possible to determine the required amount of reducing agent based on a characteristic value from the engine control unit.
  • the temperature sensor 130 which is installed at the exhaust gas discharge line 10, determines the temperature of the exhaust gas. Upon reaching a desired minimum temperature is started with the dosage of the reducing agent.
  • the minimum temperature may be between 140 ° C and 270 ° C, depending on the exhaust gas composition.
  • the operating temperature of the exhaust gas purification device may be between 140 ° C and 500 ° C.
  • the reducing agent in the form of an aqueous urea solution is thermolyzed in the exhaust gas stream and hydrolyzed, whereby the urea is degraded by means of a chemical reaction to ammonia (NH 3 ):
  • This pyrolysis of the urea takes place partially or even mainly in the raw gas hood 40.
  • the exhaust gas mixed with the reducing agent is further mixed in the raw gas hood 40 and uniformly supplied through the raw gas cascades 60 to the catalyst reactor unit 51 for selective catalytic reduction.
  • the exhaust gas leaves the crude gas cascades 60 and flows in turbulent form through the catalyst elements consisting of bed 90, in which it comes to the desired selective catalytic reaction, for example, according to the following reaction equations:
  • Denitrification by an SCR causes deliberate and unwanted reactions, as there is no chemical reaction that is 100% selective. That is, there are also side reactions, some of which are desirable.
  • the NO x can be implemented in various ways in the catalyst. These different reactions compete at the. Whichever prevails depends on different factors. Dwell time of the gas in the reactor, substance concentrations, the nature of the catalyst and above all the temperature are the determining factors. A theoretical assessment of which reaction predominates for a given catalyst at a given temperature is difficult. It is not always clear which mechanism (Eley-Rideal, Longmuir-Henschelwood) exists. In practice, equations for the reaction kinetics are usually determined empirically and their evaluation provides information about a possible reaction mechanism.
  • the catalyst elements of the bed 90 usually contain at least one oxide of a transition metal with the atomic number 21 to 30, 39 to 48, 57 to 80 and 89 to 1 12, an alkali or alkaline earth metal compound and / or a compound of the third main or subgroup of the Periodic Table and / or a rare earth metal or zinc compound or mixtures thereof.
  • the catalyst elements of the bed 90 have a length or diameter of z. B. 1 to 30 mm, preferably 2 to 8 mm, in the geometric shape of a tube, a Raschid ring, a ball, a cube of a cylinder or a plate, which consists of a foam metal, for. B. of iron oxide or nickel and a large porosity in the form of pores with a diameter of z. B. 100 to 2000 ⁇ , preferably 400 to 1200 ⁇ , and a large specific surface area of z. B. 8000 to 25000 m 2 / m 3 , preferably 1 1000 to 18000 m 2 / m 3 , have.
  • the second NO x probe 140 which is attached to the exhaust gas discharge line 1 10, determines the NO x concentration of the purified exhaust gas flow and provides the measured value as a further controlled variable of the metering device 30 in order to prevent any NH 3 slip or NO x - Minimize slippage.
  • the purified exhaust gas passes through the exhaust pipe 1 10 to any further downstream exhaust treatment facilities, a device for heat extraction or through a fireplace in the atmosphere.
  • the contaminated catalyst elements may be removed from the catalyst reactor by means of a discharge means 120, e.g. B. a rotary valve and replaced by nachurgingende catalyst elements from the storage silo 70.
  • the decrease in activity is determined by the second NO x probe 140.
  • the total pressure loss of the exhaust gas purification device is determined by means of the pressure sensors 150a and 150b. If the total pressure loss exceeds a permissible value, a portion of the bed 90 consisting of catalyst elements is discharged by putting the discharge means 120 into operation and replaced by slipping catalyst elements out of the storage silo 70.

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Abstract

Es wird eine Abgasreinigungsvorrichtung zur Verminderung von Stickoxiden im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine (10) beschrieben. Die Abgasreinigungsvorrichtung umfasst (a) eine Katalysatorreaktoreinheit (51) mit einem Reaktorgehäuse (52), das eine Vielzahl von Eingangs- und Ausgangsöffnungen (53, 54) aufweist, und mit einer Vielzahl in dem Reaktorgehäuse (52) angeordneter und an die Eingangsöffnungen (53) anschließender Rohgaskaskaden (60) und mit einer Vielzahl in dem Reaktorgehäuse (52) angeordneter und an die Ausgangsöffnungen (54) anschließender Reingaskaskaden (80) und (b) eine, in dem Reaktorgehäuse (52) eingebrachte, von dem Abgasstrom durchströmbare Schüttung (90) von Katalysatorelementen, wobei die Katalysatorelemente einen Träger aus einem Schaummetall sowie eine katalytische Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) von Stickoxiden aufweisen. Ferner werden eine Abgasanlage umfassend die Abgasreinigungsvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der Abgasanlage beschrieben.

Description

Abgasreinigungsvorrichtung zur Verminderung von Stickoxiden
im Abgasstrom von Brennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsvorrichtung mit einer Schüttung von Katalysatorelementen zur Verminderung von Stickoxiden im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine.
Eine Vielzahl von Katalysatoren sind in der Vergangenheit vorgeschlagen worden, um umweltrelevante Substanzen, wie z.B. Stickoxide in verschiedenen Oxidationsstufen (NO, N02, N204, N205 und N20), die aus Brennkraftmaschinen ausgestoßen werden, zu reinigen. Dabei handelt es sich um geregelte oder ungeregelte Katalysatoren, Oxidationskatalysatoren, 3- Wege-Katalysatoren (TWC-Katalysator = Three-Way Conversion catalyst), NOx-Speicher- katalysatoren und SCR-Katalysatoren (Selective Catalytic Reduction). Neben Schwefeloxiden gehören Stickoxide (NOx) zu den in der Schifffahrt limitierten Abgaskomponenten, die während Verbrennungsvorgängen entstehen und deren erlaubte Emissionen immer weiter abgesenkt werden. Bei den an Bord von Schiffen betriebenen Schiffsbrennkraftmaschinen handelt es sich um 4-Takt-Motoren oder langsam drehende 2-Takt- Motoren, die beide mit Schwerölen und Destillaten der Qualitäten IFO180, IFO380, MDO und MGO betrieben werden. In diesen Motoren bildet sich aufgrund der hohen Verbrennungstemperaturen von größer 1600°C das so genannte thermische NOx, welches mittels eines nach dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion arbeitenden SCR-Katalysators, eines eingespeisten Reduktionsmittels (in der Regel NH3 oder eine Vorläuferverbindung (Präkursor) von diesem und Sauerstoff (02) umgesetzt wird. Eine ausführliche Darstellung solcher Verfahren auf der Basis von SCR-Katalysatoren kann der DE 34 28 232 A1 entnommen werden.
Der Aufbau einer SCR-Anlage variiert den technischen Anforderungen entsprechend und wird diesen individuell angepasst. Dem Grundprinzip liegt folgender Aufbau zu Grunde: Dem noch verunreinigten Abgas wird das Reduktionsmittel hinzugefügt und mit diesem homogen vermischt. In den meisten Fällen ist das Reduktionsmittel Ammoniak (NH3), Ammoniakwasser oder Harnstoff. Anschließend findet am Katalysator die Reduktion der Stickoxide statt. Das ΝΟχ freie Abgas verlässt den Katalysator möglichst ohne NH3-Schlupf. Dieses allgemeine Prinzip kann je nach Anforderungen durch zusätzliche Bauteile erweitert werden. So sind beispielsweise Anordnungen mit Oxidationskatalysator, Ammoniaksperrkatalysator oder Hydrolysekatalysator, falls das Reduktionsmittel aus Trockenharnstoff ge- bildet werden soll, denkbar. Diese lassen sich mit dem SCR-Katalysator durch Vor- oder Nachschaltung gegebenenfalls kombinieren.
Mittels des SCR-Katalysators werden die in der Brennkraftmaschine, z.B. einem Diesel- motor, entstehenden Stickoxide in Anwesenheit des Reduktionsmittels zu Stickstoff (N2) und Wasser (H20) reduziert. Das Reduktionsmittel wird entweder direkt dem Abgas zugegeben oder es wird ein Präkursor des Reduktionsmittels zugegeben, welcher erst in der Abgasnachbehandlungsanlage das Reduktionsmittel freisetzt. Als Reduktionsmittel kann Ammoniak (NH3) gasförmig oder als wässrige Lösung zugeführt werden. Ebenfalls bekannt ist es, Harnstoff als Präkursor dem Abgasstrom zuzuführen, welcher dann thermolytisch und hydrolytisch zu NH3, H20 und C02 umgesetzt wird.
Bei den ersten Anwendungen der SCR-Technologie im maritimen Bereich hat sich herausgestellt, dass die Adaption landbasierter Technologien als problematisch zu bewerten ist, da sich aus der Mobilität von Schiffen Probleme bezüglich Schwingungen, Vibrationen, Krängung, Stabilität usw. ergeben. Auch stellt die Abgaszusammensetzung, insbesondere der hohe Schwefelgehalt, eine besondere Herausforderung dar, die bislang nicht zufriedenstellend gelöst ist. Für die im Stand der Technik zum Einsatz kommenden Katalysatorreaktoren für die heterogene Katalyse hat sich eine Bauvariante bisher durchgesetzt, nämlich der so genannte Wabenkatalysator. In einem Gehäuse (Canning oder Modul) befindet sich ein Trägermaterial, für das stranggepresste Keramik oder ein Metallblech verwendet wird. Der Träger bildet parallel verlaufende Kanäle, durch die das Abgas strömt. Bereits hier wird versucht, dem Abgas eine möglichst große Oberfläche zur Verfügung zu stellen, mit der es interagieren kann, so dass die Kanäle möglichst fein ausgeführt werden. Die so genannte Zelldichte gibt die Anzahl der Kanäle pro Fläche (Quadratzoll) an. Die in der Technik verwendeten Ausführungen reichen hier von 25 bis 400 cpsi (cells per Square inch) als typischen Wert für Keramik und bis zu 1200 cpsi für hochzellige Hochleistungsversionen mit metallischen Trägern. Hier liegt die Wandstärke oftmals bei gerade einmal 30 μηη. Die limitierende Größe stellt hierbei der tolerierbare Druckverlust dar. Der Trägerkomponente wird hohe thermische und mechanische Festigkeit abverlangt, da sie häufig starken Temperaturschwankungen und Erschütterungen ausgesetzt ist. Ein warmfestes Metallgitter oder eine Keramikmatte um den Wabenkörper sorgt deshalb für die Fixierung im Gehäuse und die Absorption von Erschütterungen.
Abgaskatalysatoren, die allgemein in der Automobilindustrie und in der Kraftwerkstechnik eingesetzt werden, verfügen in der Regel über eine Cordierit-Wabenstruktur („honey cumb") mit einem großen Wärme- und Stoßwiderstand als Trägermaterial. Cordierit, ein Magnesium- Aluminium-Silicat-Material (2MgO■ 2AI203 ■ 5Si02) zeichnet sich durch eine hohe Temperaturbeständigkeit und eine große Porosität von 20 bis 40 Vol.-%, die überwiegend aus Makro- poren mit durchschnittlichen Durchmessern von wenigen Mikrometern besteht, aus.
Für großtechnische Anlagen, zu denen hier auch Schiffsmotoren zu zählen sind, werden in Modulbauweise aus vielen, meistens quaderförmigen Monolithen größere Aggregate zusammengesetzt. Die praktische Anwendung an Bord von Schiffen hat gezeigt, dass solche Katalysatoren nur bedingt mit der Treibstoffqualität HFO betrieben werden können. Auch sind die mechanischen Beanspruchungen (Temperaturschwankungen, Erschütterungen, Vibrationen), die während des Schiffsbetriebs auftreten, deutlich höher als im stationären Betrieb.
Wabenkatalysatoren, wie sie z. B. die Druckschriften DE 102 55 612 A1 , EP 1 063 396 A2, EP 1 713 584 A1 und EP 1 920 834 A1 offenbaren, zeichnen sich durch eine große Anzahl an Zellen pro Quadratzentimeter aus und weisen Wanddicken zwischen 0,2 und 1 ,5 mm auf, wobei Wanddicken zwischen 0,2 bis 0,3 mm bevorzugt werden. Der Nachteil dieser geringen Wanddicken besteht darin, dass mechanische Belastungen, wie z.B. Druckstöße durch das so genannte„Ruß-Blasen", zu Beschädigungen führen können. Dieser Vorgang der Reinigung der Wabenkatalysatoren mittels Druckstößen ist erforderlich, da Großmotoren, insbe- sondere mit Rückstandsölen betriebene Schiffsmotoren, Emissionen in der Form von Partikeln, Ruß, Metallaschen, Metallen und Sulfaten freisetzen. Diese lagern sich in den Waben des Wabenkatalysators ab und führen zu einer Abnahme der katalytischen Aktivität des Katalysators und zu einem Anstieg des Druckverlustes. Ein weiterer Nachteil der Wabenkatalysatoren besteht darin, dass die Abgasströmung in den Wabenkanälen über die Länge der Kanäle von turbulent zu laminar übergeht und der Stoffaustausch zwischen Gasphase und katalytisch aktiver Oberfläche stark abnimmt, was zu einer Abnahme der Katalysatoraktivität führt. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Abgasreinigungsvorrichtung zu schaffen, deren Eigenschaften die Anforderungen der Motoren- und insbesondere der Großmoto- renindustrie für einen Einsatz als Abgasentstickung bei schwerölgefeuerten Dieselmotoren erfüllen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Abgasreinigungsvorrichtung zur Verminderung von Stickoxiden im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine gelöst. Die Abgasreinigungsvorrichtung umfasst eine Katalysatorreaktoreinheit mit einem Reaktorgehäuse, das eine Viel- zahl von Eingangs- und Ausgangsöffnungen aufweist, und mit einer Vielzahl in dem Reaktorgehäuse angeordneter und an die Eingangsöffnungen anschließender Rohgaskaskaden und mit einer Vielzahl in dem Reaktorgehäuse angeordneter und an die Ausgangsöffnungen anschließender Reingaskaskaden. Zudem umfasst die Abgasreinigungsvorrichtung eine, in dem Reaktorgehäuse eingebrachte, von dem Abgasstrom durch ström bare Schüttung von Katalysatorelementen, wobei die Katalysatorelemente einen Träger aus einem Schaummetall sowie eine katalytische Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) von Stickoxiden aufweisen. Diese Abgasreinigungsvorrichtung zeichnet sich durch ein deutlich geringeres Bauvolumen aus, als es herkömmliche Wabenkatalysatoren anbieten. Dadurch ist es wesentlich einfacher, eine Abgasreinigungsvorrichtung nachträglich in das Abgassystem eines Schiffes zu integrieren. Durch die Schüttung der losen Katalysatorelemente wird die aus monolithischen Katalysatoren bekannte Spannungsproblematik gelöst, wodurch ein Katalysator speziell für die Anforderungen der Schifffahrt geschaffen wird. Die Träger aus Schaummetall zeichnen sich besonders durch ihre Unempfindlichkeit gegenüber Wärmedehnungen und mechanischen Belastungen aus. Bevorzugt ist die Schüttung strömungsoptimiert und wird während des Betriebes vom Abgasstrom der Brennkraftmaschine in der Regel permanent turbulent umströmt und durchströmt.
Das Schaummetall der Katalysatorelemente umfasst vorzugsweise Eisen, Eisenoxid, Chrom, Aluminium und/oder Nickel oder Legierungen derselben oder besteht bevorzugt aus selbigen. Ferner bevorzugt weisen die Katalysatorelemente die geometrische Form einer Kugel, einer Halbkugel, eines Ringes, einer Röhre, eines Raschid-Ringes, einer Halbröhre, einer Platte, eines Zylinders oder eines Würfels auf.
Des Weiteren bevorzugt weisen die Katalysatorelemente eine Länge oder einen Durchmes- ser von 0,5 bis 30 mm, bevorzugt 1 bis 15 mm und besonders bevorzugt 2 bis 8 mm auf.
Ferner weist das Schaummetall der Katalysatorelemente eine spezifische Oberfläche von 8.000 bis 25.000 m2/m3, insbesondere von 1 1.000 bis 18.000 m2/m3 auf. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Schaummetall Poren mit einem Porendurchmesser von 100 bis 3200 μηη, insbesondere von 400 bis 1 .200 μηη auf. Theoretisch ist es auch möglich, anstelle des Schaummetalls einen keramischen Träger, bevorzugt Cordierit zu verwenden. Jedoch müsste man dabei auf die Vorteile eines Trägers aus einem Schaummetall verzichten. Bevorzugt umfasst die katalytische Beschichtung ein katalytisch aktives Material in Form mindestens eines Oxids eines Übergangsmetalls mit der Ordnungszahl 21 bis 30, 39 bis 48, 57 bis 80 und 89 bis 1 12 und/oder mindestens einer Alkali- und/oder Erdalkalimetallverbindung und/oder mindestens einer Verbindung der dritten Haupt- oder Nebengruppe des Periodensystems und/oder mindestens einer Seltenerdemetall- oder Zinkverbindung oder in Form von Gemischen von diesen.
Ferner bevorzugt umfasst die katalytische Beschichtung ein NH3-speicherndes Material, insbesondere Aluminiumoxid (Al203), Zirkoniumoxid (ZrO) oder ein Zeolith vom Typ X, Y und/oder ZSM-5. Das Aluminiumoxid (Al203), das Zirkoniumoxid (ZrO) oder der Zeolith bildet die Grundstruktur der Beschichtung, auf welcher das katalytisch aktive Material in freier Verteilung vorliegt.
Vorzugsweise umfasst die katalytische Beschichtung ein katalytisch aktives Material zur Umsetzung von Kohlenwasserstoffen (HC). Diese Kohlenwasserstoffe können beispielsweise C1 - bis C10-Kohlenwasserstoffe, insbesondere CH4 bis Ci0H22 (Alkane) sein. Das katalytisch aktive Material ist in der Regel eine Kombination geeigneter Edelmetalle.
Die Beschichtung des Schaummetall-Trägers mit Katalysatoren, sowie mit dem NH3- speichernden Material, wird in der Regel mittels eines Washcoat-Verfahrens durchgeführt, wie es auch für herkömmliche wabenförmige Metall- oder Keramikträger bekannt ist.
Das NH3-speichernde Material weist bevorzugt eine BET-Oberfläche von mindestens 300 m2/g, insbesondere von mindestens 400 m2/g und besonders bevorzugt von mindestens 500 m2/g auf. Ferner weist das NH3-speichernde Material bevorzugt eine Partikelgröße von höch- stens 0,9 μηη, insbesondere von höchstens 0,6 μηη und besonders bevorzugt von höchstens 0,3 μηη auf. Des Weiteren bevorzugt weist das NH3-speichernde Material eine durchschnittliche Porengröße von 0,4 bis 1 nm, besonders bevorzugt 0,7 bis 0,8 nm auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Rohgas- und/oder die Reingaskaskaden sich in Strömungsrichtung (also axial) erstreckende Elemente. Durch diese Ausgestaltung kann das Rohgas auch in die, den Eingangsöffnungen gegenüberliegenden Bereiche der Katalysatoreinheit transportiert werden und/oder oder aus den, den Aus- gangsöffnung gegenüberliegenden Bereichen ausgeleitet werden. Dadurch wird eine gleichverteilte Durchströmung der Schüttung ermöglicht.
Ferner bevorzugt weisen die sich in Strömungsrichtung erstreckenden Elemente der Roh- gas- und/oder Reingaskaskaden eine dachartige Gestalt auf. Die dachartige Gestalt bezeichnet dabei eine Ausformung, welche nach oben geschlossen und nach unten offen ist. Durch die dachartige Gestalt der sich in Strömungsrichtung erstreckenden Elemente der Rohgas- und/oder Reingaskaskaden bilden sich durch ein Auffüllen der Katalysatorreaktoreinheit mit der Schüttung Kanäle, welche nach oben hin von den sich in Strömungsrichtung
erstreckenden, dachartigen Elementen der Roh- und/oder Reingaskaskaden und nach unten hin von der Schüttung begrenzt werden. Dadurch kann das Roh- und/oder Reingas innerhalb der Roh- und/oder Reingaskaskaden frei strömen und innerhalb des Katalysatorreaktors verteilt werden. Insbesondere bevorzugt weist ein sich in Strömungsrichtung erstreckendes Element eine im Querschnitt normal zur Strömungsrichtung zweischenkelige Form auf. Der Schnittpunkt der zwei Schenkel zeigt im aufgebauten Zustand der Abgasreinigungsvorrichtung nach oben. Somit sind die sich in Strömungsrichtung erstreckenden Elemente der Rohgas- und/oder Reingaskaskaden als zwei winkelig zueinander angeordnete, bevorzugt ebene Flächen aus- gebildet, deren Schnittlinie den höchsten Punkt der Rohgas- und/oder der Reingaskaskade bildet.
Bevorzugt weisen die beiden Schenkel der sich in Strömungsrichtung erstreckenden Elemente der Rohgas- und/oder Reingaskaskaden eine Schenkellänge von 5 bis 30 cm, ins- besondere von 10 bis 20 cm, und/oder einen Winkel von 15° bis 1 10°, insbesondere von 20° bis 90°, bevorzugt von 45° bis 75°, auf. Diese Ausgestaltungen ermöglichen einen strömungsgünstigen Querschnitt der durch die sich in Strömungsrichtung erstreckenden, dachartigen Elemente gebildeten Kanäle. Vorzugsweise sind die Rohgas- und/oder die Reingaskaskaden mit einem Abstand von 10 bis 50 cm, insbesondere von 15 bis 35 cm, zueinander angeordnet. Dieser Abstand stellt einen guten Kompromiss aus Strömungswiderstand beim Durchströmen der Schüttung und der wirksamen katalytischen Oberfläche dar. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Reaktorgehäuse der Katalysatorreaktoreinheit Austragsmittel zum Ausschleusen von verbrauchten oder kontaminierten Katalysatorelementen auf. Austragungsmittel sind insbesondere eine Zellradschleuse, eine Transportschnecke oder eine Doppelpendel-Klappe. Durch diese Ausgestaltungen können z. B. mit Ruß kontaminierte Katalysatorelemente aus der Katalysatorreaktoreinheit ausgeschleust, und beispielsweise außerhalb der Katalysatorreaktoreinheit gereinigt oder aufbereitet werden.
Des Weiteren wird eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine, umfassend eine erfindungsgemäße Abgasreinigungsvorrichtung zur Verfügung gestellt. Die Abgasanlage umfasst in der Regel wenigstens eine Zu- und Ableitung, welche das Rohgas zu der Abgasreinigungsvorrichtung hin und von der Abgasreinigungsvorrichtung weg leiten.
Bevorzugt umfasst die Abgasanlage ferner eine stromauf der Abgasreinigungsvorrichtung angeordnete Dosiereinrichtung zur Zudosierung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom, insbesondere von Ammoniak (NH3) oder einer Vorläuferverbindung von diesem. Die Dosiereinrichtung ermöglicht ein Einbringen, z. B. ein Einspritzen des Reduktionsmittels oder des- sen Vorläuferverbindung in den Abgasstrom.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Abgasanlage ferner einen stromauf der Abgasreinigungsvorrichtung angeordneten Brenner zur Erhöhung der Abgastemperatur. Der Brenner kann ferner bevorzugt mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen, insbesondere mit einem„boil-off" eines Flüssig-Gas-Tanks betrieben werden.
Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Abgasanlage zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst einen ersten Schritt des Bereitstellens einer erfindungsgemäßen Abgasanlage. Ferner umfasst das Verfahren einen zweiten Schritt des Einleitens des Abgasstroms in die Katalysatorreaktoreinheit durch die Eingangsöffnungen und zumindest teilweise durch die Rohgaskaskaden. Überdies umfasst das Verfahren einen dritten Schritt des Durchleitens des Abgasstroms durch die Schüttung von Katalysatorelementen. Des Weiteren umfasst das Verfahren einen vierten Schritt des Ausleitens des Abgasstroms aus der Katalysatorreaktoreinheit zumindest teilweise durch die Reingas- kaskaden und durch die Ausgangsöffnungen.
Bevorzugt wird in einer diskontinuierlichen Verfahrensweise eine Teilmenge der Katalysatorelemente bei Erreichen eines vorbestimmten Druckverlustes und/oder einer vorbestimmten ΝΟχ-Reingaskonzentrationsschwelle aus der Vorrichtung ausgeschleust und durch noch nicht beaufschlagte Katalysatorelemente ersetzt. Dadurch kann eine gleichmäßige Funktionsweise des Katalysators über die Betriebszeit sichergestellt werden. Gleichwohl ist auch eine kontinuierliche Ausschleusung und Wiederauffüllung von Katalysatorelementen möglich. Ferner bevorzugt wird das für die katalytische Reduktion erforderliche Reduktionsmittel erst bei Erreichen einer definierten Temperatur dosiert. Durch diese Ausgestaltung kann eine Flutung der Katalysatorreaktoreinheit mit Reduktionsmittel verhindert werden, solange eine, für die katalytische Reaktion notwendige, Mindesttemperatur noch nicht erreicht ist.
Vorzugsweise werden neben Stickoxiden auch C1 - bis C10-Kohlenwasserstoffe, insbesondere CH4 bis Ci0H22 katalytisch abgebaut, wofür die Beschichtung der Katalysatorelemente als katalytisch aktives Material geeignete Edelmetalle aufweist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine Pyrolyse von dem stromauf der Abgasreinigungsvorrichtung zudosierten Harnstoff in einer Rohgashaube der Abgasreinigungsvorrichtung, welche eingangsseitig an das Reaktorgehäuse anschließt. Der Abgasstrom wird dabei durch die Rohgashaube geleitet, welche den Abgasstrom auf die Ein- gangsöffnungen verteilt.
In der Regel wird die Abgasreinigungsvorrichtung im Überdruck betreiben, welcher durch den Strömungswiderstand der Katalysatorreaktoreinheit und den Überdruck des Abgasstroms aus der Brennkraftmaschine bedingt ist. Bevorzugt wird die Abgasreinigungs- Vorrichtung jedoch im Unterdruck betrieben, der mittels eines stromab der Katalysatorreaktoreinheit angeordneten Ventilators erzeugt wird.
Bevorzugt erfolgt die Steuerung der Dosierung des Reduktionsmittels in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, wofür insbesondere ein Kennwert aus dem Motorsteuergerät verwendet wird. Der Kennwert aus dem Motorsteuergerät stellt eine dem Abgasstrom vorauseilende Größe dar, wodurch noch vor Eintreffen des Abgasstroms an der Dosiereinrichtung die Dosierung des Reduktionsmittels angepasst werden kann.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben oder der folgenden Beschreibung der Figuren zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine erfindungsgemäße Abgasanlage und
Figur 2 einen Querschnitt durch eine Abgasanlage. Figur 1 ist eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Abgasanlage gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. Eine Abgasreinigungsvorrichtung der Abgasanlage umfasst eine Katalysatorreaktoreinheit 51 , mit innerhalb eines Reaktorgehäuses 52 angeordneter Rohgaskaskaden 60 und Reingaskaskaden 80. Die Roh- und Reingaskaskaden 60, 80 können wie abgebildet parallel zueinander und in Strömungsrichtung des Abgasstromes angeordnet sein. Die Rohgaskaskaden 60 können wie abgebildet bereits vor der den Eingangsöffnungen 53 gegenüberliegenden Seite des Reaktorgehäuses 52 enden, oder auch an diese angrenzen. Ebenso können auch die Reingaskaskaden 80 wie abgebildet bereits vor der den Ausgangsöffnungen 54 gegenüberliegenden Seite des Reaktorgehäuses 52 enden, oder auch an diese angrenzen. Das Reaktorgehäuse 52 ist mit einer Schüttung 90 von Katalysatorelementen befüllt. Die Katalysatorelemente weisen einen Träger aus
Schaummetall, sowie eine katalytische Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) von Stickoxiden auf. In einem oberen Bereich des Reaktorgehäuses 52 ist ein Vor- ratssilo 70 angeordnet, während in einem untenliegenden Bereich des Reaktorgehäuses 52 ein Austragsmittel 120 angeordnet ist.
Die Rohgaskaskaden 60 sind über Eingangsöffnungen 53 strömungstechnisch mit einer Rohgashaube 40 verbunden und Reingaskaskaden 80 sind über Ausgangsöffnungen 54 strömungstechnisch mit einer Reingashaube 100 verbunden. Die Rohgashaube 40 dient als Verteiler zum Aufteilen des Abgasstromes auf die Eingangsöffnungen 53, während die Reingashaube 100 als Sammler zum Sammeln des Abgasstromes aus den Ausgangsöffnungen 54 dient. Stromauf der Rohgashaube ist eine Abgaszuleitung 50 angeordnet, welche der Zuführung des Abgasstromes aus einer Brennkraftmaschine 10 in die Rohgashaube 40 dient. An der Abgaszuleitung 50 sind eine erste NO x-Sonde 20, eine Dosiereinrichtung 30 und ein erster Drucksensor 150a angeordnet. Eine Abgasableitung 1 10 schließt stromab an die Reingashaube 100 an. An der Abgasableitung 1 10 sind ein zweiter Drucksensor 150b, ein Temperatursensor 130 und eine zweite NO x-Sonde 140 angeordnet. Figur 2 zeigt eine Ansicht einer Schnittebene A-A durch die Katalysatorreaktoreinheit 51 der Abgasanlage. Innerhalb des Reaktorgehäuses 52 sind in vertikaler Richtung abwechselnd Rohgaskaskaden 60 und Reingaskaskaden 80 angeordnet. Die Blickrichtung ist in Strömungsrichtung durch die Roh- und Reingaskaskaden 60, 80 und durch die, an die Reingaskaskaden 80 anschließenden Ausgangsöffnungen 54. Die Roh- und Reingaskaskaden 60, 80 umfassen dachartige, sich in Strömungsrichtung erstreckende Elemente, welche die Roh- und Reingaskaskaden 60, 80 nach oben hin begrenzen und im Querschnitt eine zweischen- kelige Form aufweisen können. Durch die dachartigen, sich in Strömungsrichtung erstreck- enden Elemente der Roh- und Reingaskaskaden 60, 80 bilden sich beim Befüllen des Reaktorgehäuses 51 mit der Schüttung 90 im Wesentlichen schüttungsfreie Kanäle der Roh- und Reingaskaskaden 60, 80 unterhalb den dachartigen, sich in Strömungsrichtung erstreckenden Elementen.
Durch die schüttungsfreien Kanäle der Rohgaskaskaden 60 können die Abgasteilströme in Strömungsrichtung in die Katalysatorreaktoreinheit 51 vordringen um anschließend durch die Schüttung 90 hindurch zu den Reingaskaskaden 80 zu strömen. Durch diesen Aufbau wird eine gleichmäßige Beaufschlagung der Schüttung 90 mit dem Abgasstrom 90 gewährleistet und zudem der dem Abgasstrom entgegengesetzte Strömungswiderstand verringert.
Die in den Figuren 1 und 2 gezeigte Abgasanlage zeigt folgende Funktionsweise:
Die Brennkraftmaschine 10, die eine Vielzahl an Zylindern aufweist, arbeitet nach dem 2- Takt- oder dem 4-Takt-Prinzip und verbrennt dabei Brennstoffe in unterschiedlicher Qualität (Rückstandsöle, Marine Dieselöl MDO oder Marine Gasöl MGO). Potentiell zum Einsatz kommende Brennkraftmaschinen weisen verglichen mit Brennkraftmaschinen von Straßenfahrzeugen in der Regel relativ große Hubvolumen von größer 5 Litern pro Zylinder, bevorzugt größer 10 Litern pro Zylinder, insbesondere bevorzugt jedoch von größer 20 Litern pro Zylinder auf. Das Abgas verlässt die Zylinder und gelangt in einen Abgaskrümmer. Der Abgaskrümmer ist mit der Abgaszuleitung 50 verbunden.
Wie durch Pfeile schematisch gezeigt ist, passiert oder strömt der Abgasstrom der Reihe nach durch die Abgaszuleitung 50 und die Rohgashaube 40, in welcher der Abgasstrom in Form mehrer Abgasteilströme auf die Eingangsöffnungen 53 der Rohgaskaskaden 60 verteilt wird. Die Abgasteilströme strömen zumindest teilweise durch die Rohgaskaskaden 60 und anschließend von den Rohgaskaskaden 60 durch die Schüttung 90 aus Katalysatorelementen zu den Reingaskaskaden 80. Die Abgasteilströme der Reingaskaskaden 80 werden dann in der Reingashaube 100 zusammengefasst und gelangen stromabwärts in die Abgasab- leitung 1 10. Anschließend kann der gereinigte Abgasstrom einer weiteren Nutzung durch Wärmeauskopplung zugeführt werden oder durch einen Kamin an die Atmosphäre abgegeben werden.
Das für die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden erforderliche Reduktionsmittel wird als Ammoniakwasser oder als wässrige Harnstofflösung mittels der Dosiereinrichtung 30 dem Abgasstrom zugeführt. Die stromaufwärts der Dosiereinrichtung 30 angeordnete erste NOx-Sonde 20 ermittelt die NOx-Konzentration des Abgases. Aus der ΝΟχ-Konzentra- tion wird die erforderliche Menge an Reduktionsmittel errechnet, die mittels der Dosiereinrichtung 30 in den Abgasstrom dosiert wird. Alternativ dazu besteht auch die Möglichkeit, die erforderliche Menge an Reduktionsmittel anhand eines Kennwertes aus dem Motorsteuergerät zu bestimmen.
Der Temperatursensor 130, welcher an der Abgasableitung 1 10 installiert ist, ermittelt die Temperatur des Abgases. Bei Erreichen einer gewünschten Mindesttemperatur wird mit der Dosierung des Reduktionsmittels begonnen. Die Mindesttemperatur kann abhängig der Abgaszusammensetzung zwischen 140 °C und 270 °C betragen. Die Betriebstemperatur der Abgasreinigungsvorrichtung kann zwischen 140 °C und 500 °C betragen.
Das Reduktionsmittel in Form einer wässrigen Harnstofflösung wird im Abgasstrom thermo- lysiert und hydrolysiert, dabei wird der Harnstoff mittels chemischer Reaktion zu Ammoniak (NH3) abgebaut:
(NH2)2CO— >NH3 + HNCO
HNCO + H20— >NH3 + C02
Diese Pyrolyse des Harnstoffs findet teilweise oder sogar hauptsächlich in der Rohgashaube 40 statt. Das mit dem Reduktionsmittel vermischte Abgas wird in der Rohgashaube 40 weiter durchmischt und gleichmäßig durch die Rohgaskaskaden 60 der Katalysatorreaktoreinheit 51 zur selektiven katalytischen Reduktion zugeführt. Dabei verlässt das Abgas die Rohgaskaskaden 60 und strömt in turbulenter Form durch die aus Katalysatorelementen bestehende Schüttung 90, in welcher es zur gewünschten selektiven katalytischen Reaktion kommt, die beispielsweise nach folgenden Reaktionsgleichungen abläuft:
4NH3 + 4NO + 02 -> 4N2 + 6H20
4NH3 + 2N02 +2NO -> 4N2 + 6H20
8NH3 + 6N02 ^ 7N2 + 12H20
Überschüssiges Ammoniak wird in den NH3 speichernden Komponenten der Beschichtung der Katalysatorelemente zwischengespeichert.
Bei der Entstickung durch eine SCR treten gewollte und ungewollte Reaktionen auf, da es keine chemische Reaktion gibt, die 100 %-ig selektiv abläuft. D.h., es treten auch Nebenreaktionen auf, die zum Teil erwünscht sind. So kann das NOx auf verschiedene Weise im Katalysator umgesetzt werden. Diese unterschiedlichen Reaktionen konkurrieren unterein- ander. Welche überwiegt, hängt von unterschiedlichen Faktoren ab. Verweilzeit des Gases im Reaktor, Stoffkonzentrationen, die Beschaffenheit des Katalysators und vor allem die Temperatur sind die bestimmenden Einflussgrößen. Eine theoretische Einschätzung, welche Reaktion bei einem bestimmten Katalysator bei einer bestimmten Temperatur überwiegt, fällt schwer. Es ist nicht immer einwandfrei festzustellen, welcher Mechanismus (Eley-Rideal, Longmuir-Henschelwood) vorliegt. In der Praxis werden Gleichungen für die Reaktionskinetik zumeist empirisch bestimmt und über deren Auswertung Aussagen über einen möglichen Reaktionsmechanismus gemacht. Die Katalysatorelemente der Schüttung 90 enthalten in der Regel mindestens ein Oxid eines Übergangsmetalls mit der Ordnungszahl 21 bis 30, 39 bis 48, 57 bis 80 und 89 bis 1 12, eine Alkali- oder Erdalkalimetallverbindung und/oder eine Verbindung der dritten Haupt- oder Nebengruppe des Periodensystems und/oder eine Seltenerdemetall- oder Zinkverbindung oder deren Gemische.
Die Katalysatorelemente der Schüttung 90 weisen eine Länge oder einen Durchmesser von z. B. 1 bis 30 mm, vorzugsweise 2 bis 8 mm, in der geometrischen Form einer Röhre, eines Raschid-Ringes, einer Kugel, eines Würfels eines Zylinders oder einer Platte auf, die aus einem Schaummetall, z. B. aus Eisenoxid oder Nickel besteht und eine große Porosität in Form von Poren mit einem Durchmesser von z. B. 100 bis 2000 μηη, bevorzugt 400 bis 1200 μηη, und eine große spezifische Oberfläche von z. B. 8000 bis 25000 m2/m3, bevorzugt 1 1000 bis 18000 m2/m3, aufweisen.
Nachdem das katalytisch gereinigte Abgas die Schüttung 90, aus Katalysatorelementen ver- lässt, gelangt es stromabwärts durch die Reingaskaskaden 80 und die Ausgangsöffnungen 54 in die Reingashaube 100 und von dort in die Abgasableitung 1 10.
Die zweite NOx-Sonde 140, die an der Abgasableitung 1 10 angebracht ist, ermittelt die NOx- Konzentration des gereinigten Abgasstroms und stellt den Messwert als weitere Regelgröße der Dosiereinrichtung 30 zur Verfügung, um einen eventuellen NH3-Schlupf oder NOx- Schlupf zu minimieren.
Das gereinigte Abgas gelangt durch die Abgasleitung 1 10 zu eventuell weiteren nachgeschalteten Abgasbehandlungseinrichtungen, einer Vorrichtung zur Wärmeauskopplung oder durch einen Kamin in die Atmosphäre. Im Falle einer Verschmutzung der Katalysatorelemente 90 durch Anlagerung von Stäuben, Salzen oder Metallaschen, die während des Verbrennungsprozesses im Motor gebildet werden können, was zu einer Abnahme der Katalysatoraktivität führt, können die kontaminierten Katalysatorelemente aus dem Katalysatorreaktor mittels eines Austragsmittels 120, z. B. einer Zellradschleuse ausgetragen und durch nachrutschende Katalysatorelemente aus dem Vorratssilo 70 ersetzt werden. Die Abnahme der Aktivität wird durch die zweite NOx-Sonde 140 ermittelt.
Zudem wird mittels der Drucksensoren 150a und 150b der Gesamtdruckverlust der Abgas- reinigungsvorrichtung ermittelt. Steigt der Gesamtdruckverlust über einen zulässigen Wert, wird durch Inbetriebnahme des Austragsmittels 120 ein Teil der aus Katalysatorelementen bestehenden Schüttung 90 ausgetragen und durch nachrutschende Katalysatorelemente aus dem Vorratssilo 70 ersetzt.
Bezugszeichenliste
10 Motor
20 erste NOx-Sonde
30 Dosiereinrichtung
40 Rohgashaube
50 Abgaszuleitung
51 Katalysatorreaktoreinheit
52 Reaktorgehäuse
53 Eingangsöffnungen
54 Ausgangsöffnungen
60 Rohgaskaskaden
70 Vorratssilo
80 Reingaskaskaden
90 Schüttung aus Katalysatorelementen
100 Reingashaube
1 10 Abgasableitung
120 Austragsmittel
130 Temperatursensor
140 zweite NOx-Sonde
150a erster Drucksensor
150b zweiter Drucksensor

Claims
Abgasreinigungsvorrichtung zur Verminderung von Stickoxiden im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine (10), umfassend
(a) eine Katalysatorreaktoreinheit (51 ) mit einem Reaktorgehäuse (52), das eine Vielzahl von Eingangs- und Ausgangsöffnungen (53, 54) aufweist, und mit einer Vielzahl in dem Reaktorgehäuse (52) angeordneter und an die Eingangsöffnungen (53) anschließender Rohgaskaskaden (60) und mit einer Vielzahl in dem Reaktorgehäuse (52) angeordneter und an die Ausgangsöffnungen (54) anschließender Reingaskaskaden (80) und
(b) eine, in dem Reaktorgehäuse (52) eingebrachte, von dem Abgasstrom durchströmbare Schüttung (90) von Katalysatorelementen, wobei die Katalysatorelemente einen Träger aus einem Schaummetall sowie eine katalytische Be- schichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) von Stickoxiden aufweisen.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Schaummetall der Katalysatorelemente Eisen, Eisenoxid, Chrom, Aluminium und/oder Nickel oder Legierungen derselben umfasst oder daraus besteht.
Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorelemente eine Länge oder einen Durchmesser von 0,
5 bis 30 mm, bevorzugt 1 bis 15 mm und besonders bevorzugt 2 bis 8 mm aufweisen.
Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Beschichtung mindestens ein Oxid eines Übergangsmetalls mit der Ordnungszahl 21 bis 30, 39 bis 48, 57 bis 80 und 89 bis 1 12 und/oder mindestens eine Alkali- und/oder Erdalkalimetallverbindung und/oder mindestens eine Verbindung der dritten Haupt- oder Nebengruppe des Periodensystems und/oder mindestens eine Seltenerdemetall- oder Zinkverbindung oder Gemische von diesen umfasst.
Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Beschichtung ein NH3-speicherndes Material umfasst, insbesondere Aluminiumoxid (Al203), Zirkoniumoxid (ZrO) oder ein Zeolith vom Typ X, Y und/oder ZSM-5.
6. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Beschichtung ein katalytisch aktives Material zur Umsetzung von Kohlenwasserstoffen (HC) umfasst.
7. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohgas- und/oder die Reingaskaskaden (60, 80) sich in Strömungsrichtung erstreckende Elemente umfassen.
8. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die sich in Strömungsrichtung erstreckenden Elemente der Rohgas- und/oder Reingaskaskaden (60, 80) eine dachartige Gestalt aufweisen.
9. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktorgehäuse (52) der Katalysatorreaktoreinheit (51 ) Austragsmittel (120) zum Ausschleusen von verbrauchten oder kontaminierten Katalysatorelementen aufweist, insbesondere eine Zellradschleuse, eine Transport- Schnecke oder eine Doppelpendel-Klappe.
10. Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine (10), umfassend eine Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
1 1 . Abgasanlage nach Anspruch 10, ferner umfassend eine stromauf der Abgasreinigungsvorrichtung angeordnete Dosiereinrichtung (30) zur Zudosierung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom, insbesondere von Ammoniak (NH3) oder einer Vorläuferverbindung von diesem.
12. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 10 bis 1 1 , ferner umfassend einen stromauf der Abgasreinigungsvorrichtung angeordneten Brenner zur Erhöhung der Abgastemperatur, der mit einem flüssigen oder gasförmigen Brennstoff, insbesondere mit einem „boil-off" eines Flüssig-Gas-Tanks betrieben werden kann.
13. Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage nach einem der Ansprüche 10 bis 12, umfassend die folgenden Schritte:
I) Bereitstellen einer Abgasanlage nach einem der Ansprüche 10 bis 12; II) Einleiten des Abgasstroms in die Katalysatorreaktoreinheit (51 ) durch die Eingangsöffnungen (53) und zumindest teilweise durch die Rohgaskaskaden (60);
III) Durchleiten des Abgasstroms durch die Schüttung (90) von
Katalysatorelementen ;
IV) Ausleiten des Abgasstroms aus der Katalysatorreaktoreinheit (51 ) zumindest teilweise durch die Reingaskaskaden (80) und durch die Ausgangsöffnungen (54).
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Teilmenge der Katalysatorelemente bei Erreichen eines vorbestimmten Druckverlustes und/oder einer vorbestimmten ΝΟχ-Reingaskonzentrationsschwelle aus der Vorrichtung ausgeschleust wird und durch noch nicht beaufschlagte Katalysatorelemente ersetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das für die katalytische Reduktion erforderliche Reduktionsmittel erst bei Erreichen einer definierten Temperatur dosiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pyrolyse von dem stromauf der Abgasreinigungsvorrichtung zudosierten Harnstoff in einer Rohgashaube (40) der Abgasreinigungsvorrichtung erfolgt, welche eingangsseitig an das Reaktorgehäuse (52) anschließt.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9387438B2 (en) 2014-02-14 2016-07-12 Tenneco Automotive Operating Company Inc. Modular system for reduction of sulphur oxides in exhaust

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3428232A1 (de) 1984-07-31 1986-02-06 Süd-Chemie AG, 8000 München Katalysator zur entfernung von stickoxiden aus abgasen
EP1063396A2 (de) 1999-06-22 2000-12-27 Ngk Insulators, Ltd. Keramische Wabenstruktur, keramischer Wabenkatalysatorträger, und aus diesen bestehenden keramischen Wabenkatalysator
DE10255612A1 (de) 2001-11-29 2003-06-12 Denso Corp Keramischer Katalysatorkörper
EP1713584A1 (de) 2004-02-04 2006-10-25 Ibiden Co., Ltd. Wabenstruktur, wabenanordnung und wabenkatalysator
EP1920834A1 (de) 2005-08-31 2008-05-14 Ngk Insulators, Ltd. Wabenkatalysator und herstellungsverfahren dafür

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030116023A1 (en) * 2001-12-24 2003-06-26 Bor-Jye Liang Method of anti-pollution for exhaust and apparatus thereof
DE10221668B4 (de) * 2002-05-16 2005-04-28 Daimler Chrysler Ag Kugelkatalysator für Verbrennungskraftmaschinen und Verfahren zur Katalyse von Abgasen bzw. Schadstoffgemischen
WO2011060792A2 (en) * 2009-11-20 2011-05-26 Dansk Teknologi Produktionsaktieselskab System for selective catalyst reduction

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3428232A1 (de) 1984-07-31 1986-02-06 Süd-Chemie AG, 8000 München Katalysator zur entfernung von stickoxiden aus abgasen
EP1063396A2 (de) 1999-06-22 2000-12-27 Ngk Insulators, Ltd. Keramische Wabenstruktur, keramischer Wabenkatalysatorträger, und aus diesen bestehenden keramischen Wabenkatalysator
DE10255612A1 (de) 2001-11-29 2003-06-12 Denso Corp Keramischer Katalysatorkörper
EP1713584A1 (de) 2004-02-04 2006-10-25 Ibiden Co., Ltd. Wabenstruktur, wabenanordnung und wabenkatalysator
EP1920834A1 (de) 2005-08-31 2008-05-14 Ngk Insulators, Ltd. Wabenkatalysator und herstellungsverfahren dafür

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