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Gegenstand der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur selektiven
Reduktion von Stickoxiden (NOx) in Abgasen
eines mit Kohlenwasserstoff-Brennstoffen betriebenen Kraftstoffverbrennungsmotors.
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Hintergrund der Erfindung
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Die
Verschärfung der Abgasgrenzwerte von mit Kohlenwasserstoff-Brennstoffen,
insbesondere Dieselkraftstoff arbeitenden Motoren erfordert eine Entfernung
von Stickoxiden (= Stickstoffoxide) durch eine Nachbehandlung der
Abgase. Gleichsam betrifft diese Problematik auch andere Stickoxide
enthaltende Abgase, wie beispielsweise die Abgase von Industrieanlagen.
Verfahren zur Verminderung bzw. Reduktion von Stickoxiden in Abgasen
von Verbrennungsmaschinen sind in breitem Umfang bekannt.
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Die
EP-A-1 475 149 beschreibt
einen Katalysator für die Reduktion von NO
x zu
N
2 mit Wasserstoff unter O
2-reichen
Bedingungen. Der Katalysator basiert auf Platin, das in einer Menge
zwischen 0,1 und 2 Gew.-% auf einem Trägermaterial aus
Magnesiumoxid oder Ceroxid oder einem Vorläufer davon verteilt ist.
Mit diesem Katalysator werden bereits recht gute Ergebnisse bei
der NO
x-Reduktion erzielt.
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Ein
weiteres Verfahren zur Entfernung von Stickoxid aus einem Abgasstrom
ist in der
EP-A-0 666
099 beschrieben. Dabei wird ein sogenannter Speicherkatalysator
eingesetzt, der die Stickoxide in dem Abgas adsorbiert, woraufhin
dem Katalysator ein Gas mit einem bestimmten Gehalt einer reduzierenden
Substanz in vorgegebenen Zeitabständen und für
gewisse Zeitdauern zugeführt wird. Derartige Speicherkatalysatoren,
bei denen basische Komponenten, wie Lithiumoxid, Kaliumoxid, Natriumoxid, Bariumoxid
oder ähnliche Oxide eingesetzt werden, er fordern eine verhältnismäßig
komplizierte Ansteuerung und haben meist einen hohen Regenerationsbedarf.
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Zur
Stickoxid-Minderung des Abgases von mager betriebenen Motoren können
NOx-Speicherkatalysatoren, die man auch
als NOx-Speicher-/Reduktionskatalysatoren
oder NCS bezeichnet, eingesetzt werden. Diese NOx-Speicherkatalysatoren
arbeiten diskontinuierlich in einem aus zwei Phasen bestehenden
Modus: In der ersten, längeren Phase, der sogenannten Magerphase
(Lambda > 1), werden
die im Abgas enthaltenen Stickoxide des Motors eingespeichert. In
der zweiten, kürzeren Phase, der sogenannten Fettphase
(Lambda < 1) werden
die gespeicherten Stickoxide mittels innermotorisch erzeugtem fettem
Abgas regeneriert. Bei der Regeneration entstehen bei der gewöhnlichen
Betriebsweise eines NCS aus den eingespeicherten Stickoxiden nur Stickstoff
(N2), Wasser (H2O)
und Kohlendioxid (CO2).
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Das
Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) kann zur
Verringerung der NOx-Emission (Entstickung)
von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Dieselmotoren, mit zeitlich überwiegend
magerem, d. h. sauerstoffreichem Abgas eingesetzt werden. Hierbei
wird dem Abgas eine definierte Menge eines selektiv wirkenden Reduktionsmittels
zugegeben. Derzeit ist das Reduktionsmittel meistens Ammoniak, welcher
entweder direkt gasförmig zudosiert werden kann, in der
Regel aber aus Harnstoff als Vorläufersubstanz, üblicherweise aus
einer Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) gewonnen wird. Derartige
HWL-SCR-Systeme sind erstmalig im Nutzfahrzeugsegment eingesetzt
worden.
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Die
DE-A-101 39 142 beschreibt
ein Abgasreinigungssystem einer Brennkraftmaschine, bei dem zur
Verringerung der NO
x-Emission ein SCR-Katalysator
eingesetzt wird, der die im Abgas enthaltenen Stickoxide mit Ammoniak
zu Stickstoff reduziert. Der Ammoniak wird in einem vor dem SCR-Katalysator
angeordneten Hydrolyse-Katalysator aus einer Harnstoff-Wasser-Lösung
(HWL) gewonnen. Der Hydrolyse-Katalysator setzt den in der HWL enthaltenen
Harnstoff zu Ammoniak und Kohlendioxid um. In einem zweiten Schritt
reduziert der Ammoniak die Stickoxide zu Stickstoff, wobei als Nebenprodukt
Wasser entsteht.
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Bei
der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) werden an einem SCR-Katalysator
selektiv, d. h. bevorzugt die Stickoxide (NO, NO2)
reduziert, während unerwünschte Nebenreaktionen,
wie z. B. die Oxidation von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid, weitgehend
unterdrückt werden. Der für den Ablauf der Reaktion
benötigte Ammoniak (NH3) wird dem Abgas
zugemischt. Bei der Reaktion handelt es sich chemisch gesehen um
eine Komproportionierung der Stickoxide mit Ammoniak zu Stickstoff.
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In
der Fahrzeugtechnik wird das SCR-Verfahren zur Reinigung der Abgase
durch Nachbehandlung angewendet, um bei Dieselfahrzeugen die Schadstoffemission
zu senken, so dass diese die EU5-Norm erfüllen
können. Der benötigte Ammoniak wird hierbei in
der Form einer 32,5%-igen wässrigen Harnstofflösung
bereitgestellt, die von der Industrie einheitlich mit der Marke
AdBlue® bezeichnet wird. AdBlue® ist eine eingetragene Marke des
Verbandes der Automobilindustrie e. V. (VDA). Die Zusammensetzung
dieser Harnstoff-Wasser-Lösung ist in der DIN 70070 geregelt.
Die Harnstofflösung wird in dem Fahrzeug in einem separaten
Tank mitgeführt und vor dem SCR-Katalysator mittels einer
Dosierpumpe oder eines Injektors in den Abgasstrom eingespritzt. Aus
der Harnstoff-Wasser-Lösung entstehen durch eine Hydrolysereaktion
Ammoniak und Wasser. Der so erzeugte Ammoniak kann in einem speziellen SCR-Katalysator
bei entsprechender Temperatur mit den Stickoxiden im Abgas reagieren.
Die Menge des eingespritzten Harnstoffs ist von der motorischen Stickoxidemission
und damit von der momentanen Drehzahl und dem Drehmoment des Motors
abhängig. Der Verbrauch von Harnstoff-Wasser-Lösung
beträgt etwa 4% bis 8% des normalen Kraftstoffverbrauchs
und entspricht bei schweren LKW etwa 1,4 l auf 100 km. Das Verhältnis
von Harnstofflösung zu Dieselkraftstoff beträgt
etwa 1:20 bis 1:30. Den Vorteilen der Reduzierung der Stickoxide
in den Abgasen von Nutzfahrzeugen durch die selektive katalytische
Reduktion unter Verwendung von Harnstoff-Wasser-Lösung
(AdBlue®) stehen primär
die erhöhten Kosten dieses Additivs und eine bislang fehlende
Tankstellen-Infrastruktur für diesen Zusatz entgegen. Darüber
hinaus sind zusätzliche Tanks und eine aufwendige Technik
zur Regelung der Zudosierung erforderlich.
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Es
wäre vorteilhaft, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Reduktion von Stickoxiden aus Abgasen bereitzustellen, das nicht
die Bereitstellung einer Harnstoff-Wasser-Lösung oder von
Ammoniak direkt erfordert.
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Die
DE-A-10 2006 009 028 beschreibt
ein Verfahren zur Stickoxid-Reduktion in Abgasen, bei dem zur Erzeugung
von Ammoniak kein Harnstoff als Ausgangssubstanz eingesetzt wird.
Bei dem Verfahren wird dem Abgasstrom Kraftstoff zudosiert. Ein
selektiv wirkender Katalysator erzeugt aus dem zudosierten Kraftstoff
unabhängig von der Sauerstoffkonzentration im Abgas Wasserstoff.
Der Wasserstoff reagiert an dem Katalysator weiter mit dem im Abgas enthaltenen
Stickoxid zu Ammoniak. Der Ammoniak wird wiederum in einem nachgeschalteten
SCR-Katalysator selektiv mit restlichem Stickoxid umgesetzt.
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Als
eine Alternative zur Verwendung von Ammoniak als Reduktionsmittel
für die katalytische Reduktion von Stickoxiden im Abgas
beschreibt die
EP-A-1
475 149 einen Katalysator zu Re duktion von Stickoxiden
mit Wasserstoffgas ohne die Verwendung von Ammoniak oder Harnstoff.
Unabhängig davon, ob der Wasserstoff direkt zur Reduktion
der Stickoxide an einem entsprechenden selektiven Katalysator eingesetzt
wird, wie in der
EP-A-1
475 149 , oder ob er zunächst zur Erzeugung von
Ammoniak für die weitere Umsetzung in einem SCR-Katalysator verwendet
wird, stellt auch die Bereitstellung von Wasserstoff in einem solchen
Verfahren Probleme dar. Üblicherweise wird Wasserstoff
elektrolytisch erzeugt und als Wasserstoffgas in Drucktanks mitgeführt.
Hierbei ergibt sich die gleiche Problematik wie bei mit Wasserstoffverbrennungsmotoren
betriebenen Fahrzeugen. Die Lagerung und der Transport von Wasserstoff
stellen eine erhebliche Brand- und Explosionsgefahr dar, weshalb
Wasserstoff technisch äußerst aufwendig zu handhaben
ist. Alternativ ließe sich Wasserstoff aus organischen
Komponenten, wie beispielsweise aus dem Brennstoff, durch bekannte
Reformiertechnik herstellen. Ein Nachteil dieser Techniken besteht
darin, dass zusätzlich zu dem Wasserstoff auch unerwünschtes
Kohlenmonoxid erzeugt wird.
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Aufgabe der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand daher darin, ein gegenüber
dem Stand der Technik verbessertes Verfahren und eine verbesserte
Vorrichtung zur Reduktion von Stickoxiden in Abgasen eines mit Kohlenwasserstoff-Brennstoffen
betriebenen Kraftstoffverbrennungsmotors bereitzustellen, bei dem
insbesondere die separate Mitführung von Harnstoff, z.
B. als Harnstoff-Wasser-Lösung, oder von Ammoniak vermieden
wird und für die Bereitstellung und Erzeugung des Reduktionsmittels keine
zusätzlichen Treibhausgase und Gifte, wie beispielsweise
Kohlenmonoxid, erzeugt werden.
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Beschreibung der Erfindung
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Gelöst
wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur selektiven Reduktion
von Stickoxiden (NOx) in Abgasen eines mit
Kohlenwasserstoff-Brennstoffen betriebenen Kraftstoffverbrennungsmotors,
umfassend
ein Brennstoffreservoir (1) für
Kohlenwasserstoff-Brennstoffe,
einen über eine Brennstoffzuleitung
(2) mit dem Brennstoffreservoir (1) verbundenen
Dehydrogenierungsreaktor (3) zur Erzeugung von Wasserstoffgas aus
Kohlenwasserstoff-Brennstoff durch partielle Dehydrogenierung (pDh),
einen über
eine Brennstoffzuleitung (5) mit dem Dehydrogenierungsreaktor
(3) und optional über eine Bypass-Brennstoffzuleitung
(4) mit dem Brennstoffreservoir (1) verbundenen
Verbrennungsmotor (6),
eine über eine Abgasleitung
(7, 7a) mit dem Verbrennungsmotor (6)
verbundene Abgasnachbearbeitungsvorrichtung (9) für
eine selektive katalytische Reduktion (SCR) von Stickoxiden (NOx) in den Abgasen des Verbrennungsmotors,
eine
Wasserstoffleitung (8), über welche der Abgasnachbearbeitungsvorrichtung
(9) Wasserstoffgas aus dem Dehydrogenierungsreaktor (3)
zugeführt wird.
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Die
Erfindung umfaßt weiterhin ein Verfahren zur selektiven
Reduktion von Stickoxiden (NOx) in Abgasen
eines mit Kohlenwasserstoff-Brennstoffen betriebenen Kraftstoffverbrennungsmotors,
bei dem man
Kohlenwasserstoff-Brennstoff aus einem Brennstoffreservoir
(1) über eine Brennstoffzuleitung (2)
einem Dehydrogenierungsreaktor (3) zuführt und
darin durch partielle Dehydrogenierung (pDh) des Kohlenwasserstoff-Brennstoffs
Wasserstoffgas erzeugt,
den partiell dehydrogenierten Kohlenwasserstoff-Brennstoff über
eine Brennstoffzuleitung (5) von dem Dehydrogenierungsreaktor
(3) einem Verbrennungsmotor (6) zuführt
und darin verbrennt,
optional dem Verbrennungsmotor (6)
nicht partiell dehydrogenierten Kohlenwasserstoff-Brennstoff über eine
Bypass-Brennstoffzuleitung (4) von dem Brennstoffreservoir
(1) zuführt,
die Abgase aus dem Verbrennungsmotors
(6) über eine Abgasleitung (7) und Wasserstoffgas
aus dem Dehydrogenierungsreaktor (3) über eine
Wasserstoffleitung (8) einer Abgasnachbearbeitungsvorrichtung
(9) zuführt und darin Stickoxide (NOx)
in den Abgasen einer selektiven katalytischen Reduktion (SCR) unterzieht.
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Die
vorliegende Erfindung kombiniert das Verfahren einer katalytischen
partiellen Dehydrogenierung von Kohlenwasserstoff-Brennstoff, insbesondere
Dieselkraftstoff, für die Wasserstofferzeugung mit der
selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR). Durch
die katalytische partielle Dehydrogenierung des Kohlenwasserstoff-Brennstoffs wird
dem Kohlenwasserstoff ein geringer Teil des gebundenen Wasserstoffs
entzogen und als Wasserstoffgas für die spätere
Reduktion der Stickoxide bereitgestellt. Dabei wird der Brennwert
des Kohlenwasserstoff-Brennstoffs aber nicht wesentlich beeinträchtigt.
Die Sättigung der in dem Brennstoff enthaltenen Kohlenwasserstoffe
wird nicht erheblich verändert. Man kann dies an der nachfolgenden
Formel veranschaulichen: C16H34 → C16H32 + H2.
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Die
geringfügige Änderung der Wasserstoffabsättigung
des organischen Kohlenwasserstoffs verändert kaum den Brennwert
des Kraftstoffs, so dass der Kraftstoff danach ohne merkliche Einbuße in
dem Verbrennungsmotor zum Einsatz kommen kann. Die partielle Dehydrogenie rung
erfolgt bei erhöhtem Druck, vorzugsweise bei einem Druck
von 3 bis 20 bar, besonders bevorzugt bei einem Druck von 5 bis
15 bar, ganz besonders bevorzugt bei einem Druck von 8 bis 12 bar.
Des weiteren erfolgt die partielle Dehydrogenierung bei erhöhter
Temperatur im Bereich von etwa 200°C bis 600°C,
vorzugsweise 300°C bis 500°C, besonders bevorzugt
350°C bis 450°C.
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Als
Katalysatoren für die partielle Dehydrogenierung kommen
vorzugsweise keramikgeträgerte oder metallgeträgerte
Edelmetallkatalysatoren, insbesondere Platinkatalysatoren, zum Einsatz.
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Eine
wesentliche Eigenschaft der partiellen Dehydrogenierung ist ihr
zweiphasiger Charakter, da dem flüssigen Brennstoff gasförmiger
Wasserstoff entzogen wird. Der heterogene Katalysator kann als Festbett
oder in Form einer katalytischen Beschichtung auf metallische oder
keramische Trägermaterialien monolithischer Art oder auf
metallische oder keramische Schäume aufgebracht werden.
Da der gasförmige Wasserstoff dabei den Kontakt des flüssigen Brennstoffs
mit dem Katalysator und damit dessen Effizienz vermindern kann,
ist eine geringe Länge des katalytischen Bettes vorteilhaft
für den Kontakt der Flüssigkeit mit dem Katalysator
und damit für den Katalysatornutzungsgrad.
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In
einer vorteilhaften Ausführungform kommen mit Katalysator
beschichtete Schaumplatten zum Einsatz, die von flüssigem
Brennstoff senkrecht zur Plattenebene durchströmt werden.
Durch Anordnung mehrerer Platten in Abständen hintereinander werden
auf diese Weise aufeinanderfolgende kurze Reaktionsstrecken ausgebildet.
Aus den Zwischenräume zwischen den Platten kann das gebildete Wasserstoffgas
einfach abgeführt werden.
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Die
Reaktion der katalytischen partiellen Dehydrogenierung ist endotherm.
Die hierfür erforderliche Wärme kann durch jede
bekannte Art der Beheizung des Dehydrogenierungsreaktors bereitgestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird
die für die partielle Dehydrogenierung erforderliche Wärme
aus den heißen Verbrennungsabgasen des Verbrennungsmotors
gewonnen und dem Dehydrogenierungsreaktor zugeführt. Hierfür
ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform zwischen
dem Verbrennungsmotor und der Abgasnachbearbeitungsvorrichtung ein
Wärmetauscher vorgesehen, der dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors
Wärme entzieht, dabei die Verbrennungsabgase abkühlt
und die Wärme dem Dehydrogenierungsreaktor wieder zuführt.
Diese Ausführungsform hat den wesentlichen Vorteil, dass
eine zusätzliche externe Beheizung des Dehydrogenierungsreaktors
vermieden oder reduziert werden kann.
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Der
Wärmetauscher ist zwischen dem Verbrennungsmotor und der
Abgasnachbearbeitungsvorrichtung angeordnet. Er kann dabei als eine
separate Einheit in dem Abgasleitungsweg angeordnet sein, wie es
beispielsweise in der anhängenden 2 schematisch
dargestellt ist. Alternativ kann er aber auch direkt in oder an
dem Dehydrogenierungsreaktor angeordnet sein, wie es beispielsweise
die anhängende 1 schematisch zeigt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein
herkömmlicher Plattenwärmetauscher oder besonders
bevorzugt ein mikrostrukturierter Plattenwärmetauscher
eingesetzt. Bei einem Plattenwärmetauscher, der in einer
Einheit mit dem Dehydrogenierungsreaktor ausgebildet ist, können
Lagen von Heizkanälen und katalytisch beschichtete Reaktorplatten
alternierend angeordnet sein, um den Wärmeübergang
zu erleichtern und die Kopplung von Heizung und endothermer Reaktion
so effizient wie möglich zu gestalten. Der Reaktor wird
vorzugsweise als Gleichstromreaktor aufgebaut und betrieben. Alternativ
kann der Reaktor jedoch auch als Kreuz- oder Gegenstromreaktor aufgebaut
sein und betrieben werden.
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Alternativ
kann der heiße Abgasstrom zur Beheizung eines Wärmeträgermediums
in einem separaten Wärmeüberträger genutzt
werden. Das in dem Wärmeüberträger erhitzte
Wärmeträgermedium wird anschließend zur
Beheizung des Dehydrogenierungsreaktors genutzt. Ein Leitungssystem
mit einer Zuleitung und einer Ableitung verbindet den Wärmeüberträger
mit dem Dehydrogenierungsreaktor.
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In
einer weiteren Ausführungsform kann der Dehydrogenierungsreaktor
als katalytischer Festbettreaktor mit integrierten Heizschlangen
oder entsprechenden Heizmitteln ausgeführt sein, die den Reaktor
elektrisch und/oder mittels eines Wärmeträgers
beheizen.
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Die
Ausführung des Wärmetauschers als mikrostrukturierter
Plattenwärmetauscher erlaubt eine sehr kompakte Bauweise
des Reaktors, da die mikrostrukturierte Ausführung einen
sehr effizienten Stoff- und Wärmeübergang ermöglicht.
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In
einer Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße
Vorrichtung weiterhin eine Vorrichtung zum Abtrennen von in dem
Dehydrogenierungsreaktor erzeugtem Wasserstoffgas von dem Kohlenwasserstoff-Brennstoff.
Eine solche Vorrichtung zum Abtrennen von Wasserstoffgas ist insbesondere
dann zweckmäßig, wenn der Dehydrogenierungsreaktor so
aufgebaut ist, dass eine Abtrennung von Wasserstoffgas von dem flüssigen
Brennstoff innerhalb des Reaktors nicht möglich ist. Dies
kann bei erfindungsgemäß geeigneten mikrostrukturierten
Reaktoren, die aus gestapelten Mikrokanalplatten aufgebaut sind,
aber auch bei anderen Reaktorformen der Fall sein. Dann ist eine
zusätzliche Einheit zur Abtrennung von Wasserstoffgas von
dem flüssigen Brennstoff notwendig, wobei diese Abtrenneinheit
dem Dehydrogenierungsreaktor stromabwärts nachordnet oder
baulich in diesen integriert sein kann.
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Die
vorliegende Erfindung hat gegenüber dem Stand der Technik
den weiteren Vorteil, dass kein zusätzliches Harnstoffadditiv,
wie Harnstoff-Wasser-Lösung (AdBlue®),
erforderlich ist. Gleichermaßen ist auch keine Mitführung
von Wasserstoffgas in technisch aufwendigen Tanks erforderlich. Eine
eigene Infrastruktur für das Betanken mit Harnstoff-Wasser-Lösung
oder Wasserstoff entfällt.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass
durch die katalytische partielle Dehydrogenierung des ohnehin mitgeführten Kohlenwasserstoff-Brennstoffs
zum einen keine zusätzlichen Ausgangsstoffe mitgeführt
werden müssen, wie die vorgenannten Harnstoff-Wasser-Lösung oder
Wasserstoff, der eigentliche Brennstoff aber auch nicht verbraucht
wird, sondern lediglich leicht modifiziert wird und für
die Verbrennung in dem Verbrennungsmotor ohne merkliche Beeinträchtigung weiter
verwendet werden kann. Durch die lediglich partielle Dehydrogenierung
wird der Brennstoff nur geringfügig verändert
und keine unerwünschten Treibhausgase oder Gifte erzeugt,
wie beispielsweise Kohlenmonoxid und Kohlendioxid. Es entsteht auch
kein Ammoniak, der wegen seiner korrosiven Eigenschaften in vielen
Umgebungen eher unerwünscht ist und/oder spezielle Ausrüstung
erfordert.
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Erfindungsgemäß kann
der gesamte Brennstoff in den Dehydrogenierungsreaktor eingebracht werden
(”einsträngige” Ausführungsvariante).
In einer alternativen Ausführungsvariante kann auch nur ein
Teilstrom des Brennstoffs in den Dehydrogenierungsreaktor eingeführt
und der Rest über eine Bypass-Leitung um den Dehydrogenierungsreaktor
herum direkt dem Verbrennungsmotor zugeführt werden (”Bypass”-Ausführungsvariante).
Der Anteil der dehydrogenierten Kohlenwasserstoffmoleküle
und damit die in dem Dehydrogenierungsreaktor erzeugte Wasserstoffmenge
kann durch die Reaktionsbedingungen im Dehydrogenierungsreaktor
gesteuert werden. Bei der Bypass-Ausführungsvariante kann bei
einheitlichen Reaktionsbedingungen im Dehydrogenierungsreaktor die
Wasserstoffmenge auch über die durch den Dehydrogenierungsreaktor
und nicht über den Bypass geleitete Brennstoffmenge gesteuert
werden. Demgegenüber hat die einsträngige Ausführungsvariante
den Vorteil eines geringeren apparativen Aufwands.
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Berechnungsbeispiel
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Für
einen LKW-Motor mit 200 kW Leistung wird ein Gesamtwirkungsgrad
von 30% angenommen, was einer thermischen Verbrennungsenergie von
667 kW entspricht. Für das Berechnungsbeispiel wird Dodecan
als Surrogat für Dieselkraftstoff angenommen. Die vorgenannte
Verbrennungsenergie entspricht einem Dieselmassenstrom von 0,039 mol/s
zum Verbrennungsmotor. Des weiteren wird ein 1,9-facher Luftüberschuss
angenommen (Lambda = 1,9). Dies entspricht einem Gesamtabgasstrom von
409 l/s. Bei diesem Luftüberschuss ist von einem NOx-Gehalt von 0,075% im Abgasstrom auszugehen, was
einem NOx-Molenstrom von 0,0137 mol/s entspricht.
Nimmt man weiter an, dass von jedem Dodecan-Molekül durch
die partielle Dehydrogenierung ein Wasserstoffatom abgespalten wird,
so entspricht dies einem 6,7-fachen Wasserstoffüberschuss
für die SCR-Reaktion.
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Figuren
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur selektiven Reduktion von Stickoxiden in Abgasen
eines mit Kohlenwasserstoff-Brennstoffen betriebenen Kraftstoffverbrennungsmotors.
Die Vorrichtung umfasst ein Brennstoffreservoir 1 für
Kohlenwasserstoff-Brennstoffe, vorzugsweise Dieselkraftstoff. Das
Brennstoffreservoir 1 ist über eine Brennstoffzuleitung 2 mit
einem Dehydrogenierungsreaktor 3 zur Erzeugung von Wasserstoffgas
aus Kohlenwasserstoff-Brennstoff durch partielle Dehydrogenierung
(pDh) verbunden. Die in Figur dargestellte Ausführungsform
umfasst eine Vorrichtung 3a zum Abtrennen von in dem Dehydrogenierungsreaktor 3 erzeugtem
Wasserstoffgas von dem Kohlenwasserstoff-Brennstoff. Die Abtrennvorrichtung 3a ist
dann zweckmäßig, wenn in dem Dehydrogenierungsreaktor
aufgrund von dessen Bauweise eine Abtrennung des Wasserstoffgases
nicht erfolgt. Ein Verbrennungsmotor 6 ist über eine
Brennstoffzuleitung 5 mit dem Dehydrogenierungsreaktor 3 bzw.
der Vorrichtung 3a verbunden. Optional ist der Verbrennungsmotor 6 weiterhin über eine
Bypass-Brennstoffzuleitung 4 mit dem Brennstoffreservoir 1 verbunden.
Vom Verbrennungsmotor 6 führt eine Abgasleitung 7, 7a zu
einer Abgasnachbearbeitungsvorrichtung 9 für eine
selektive katalytische Reduktion (SCR) von Stickoxiden (NOx) in den Abgasen des Verbrennungsmotors.
Dabei führt die Abgasleitung 7 zunächst
zu einem in die Einheit des Dehydrogenierungsreaktors 3 integrierten
Wärmetauscher 10 und von dort weiter über
die Abgasleitung 7a zu der Abgasnachbearbeitungsvorrichtung 9. Weiterhin
führt eine Wasserstoffleitung 8 der Abgasnachbearbeitungsvorrichtung 9 Wasserstoffgas
aus dem Dehydrogenierungsreaktor 3 zu. Das behandelte Abgas
wird aus der Abgasnachbearbeitungsvorrichtung 9 abgeführt.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die sich von
der Vorrichtung gemäß Figur im wesentlichen dadurch
unterscheidet, dass der Wärmetauscher 10 als eine
separate Einheit im Leitungsweg der Abgasleitung 7, 7a vorgesehen
ist, über welchen den Abgasen aus dem Verbrennungsmotor 6 Wärme
entzogen und mittels Wärmeüberträgermedium über
eine Leitung 11 dem Dehydrogenierungsreaktor 3 zugeführt
wird. Das Wärmeüberträgermedium wird über
eine weitere Leitung 12 wieder von dem Dehydrogenierungsreaktor 3 zum Wärmetauscher 10 zurückgeführt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1475149
A [0003, 0012, 0012]
- - EP 0666099 A [0004]
- - DE 10139142 A [0007]
- - DE 102006009028 A [0011]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - EU5-Norm [0009]
- - DIN 70070 [0009]