-
Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Abgasreinigungsanlage für
eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des
Oberbegriffs des Anspruchs 1.
-
Eine Abgasreinigungsanlage dieser
Art ist aus der Offenlegungsschrift
DE 101 28 414 A1 bekannt. Diese Abgasreinigungsanlage
weist eine Ammoniakerzeugungseinrichtung auf, der ein Stickoxid-Generator
zur Erzeugung von Stickoxid aus Luftstickstoff sowie eine Wasserstoff-Erzeugungseinheit zur
Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases und eine Stickoxid-Reduktionseinheit
zugeordnet ist. Von letzterer wird das erzeugte Stickoxid unter
Verwendung des wasserstoffhaltigen Gases zu Ammoniak reduziert,
welches zur Abgasreinigung eingangsseitig eines SCR-Katalysators
(SCR = selective catalytic reduction) dem Abgas einer Brennkraftmaschine
zugeführt
wird. Bei dieser Anlage erfolgt neben der Reduktion von Stickoxid
zu Ammoniak gleichzeitig eine Reduktion des bei der Stickoxiderzeugung
im Gas verbleibenden Luftsauerstoffs mit dem reduzierenden wasserstoffhaltigen
Gas. Hierfür
ist wegen des hohen Sauerstoffanteils der Luft eine vergleichsweise
große
Menge an Reduktionsmittel erforderlich, weshalb die Ammoniakerzeugung
mit der in der
DE 101
28 414 A1 offenbarten Ammoniakerzeugungseinrichtung vergleichsweise
energieintensiv ist. Die Ammoniakerzeugung erfolgt außerdem diskontinuierlich,
was die bedarfsgerechte Bereitstellung des Ammoniaks erschwert.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, eine
Abgasreinigungsanlage mit einer Ammoniakerzeugungseinrichtung anzugeben,
welche auf apparativ einfache Weise eine kontinuierliche und wirtschaftliche
Erzeugung von Ammoniak zur Abgasreinigung ermöglicht.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Abgasreinigungsanlage
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
-
Die erfindungsgemäße Abgasreinigungsanlage weist
eine Ammoniakerzeugungseinrichtung mit einem Stickoxidadsorber auf,
der in der Lage ist, Stickoxide aus einem ihr zugeführten stickoxidhaltigen
Gasstrom abzutrennen und zwischenzuspeichern. Die Ammoniakerzeugungseinrichtung
ist ferner in der Lage, das im Stickoxidadsorber zwischengespeicherte
Stickoxid mit zugeführtem
Wasserstoff wenigstens teilweise zu Ammoniak umzusetzen. Die erfindungsgemäße Abgasreinigungsanlage
zeichnet sich dadurch aus, dass der Stickoxidadsorber der Ammoniakerzeugungseinrichtung
eine Vielzahl strömungsmäßig parallel
geschalteter, vorzugsweise voneinander getrennter Adsorberkanäle aufweist, wobei
einem ersten Anteil der Adsorberkanäle der stickoxidhaltige Gasstrom
zuführbar
ist und einem zweiten Anteil der Adsorberkanäle ein wasserstoffhaltiger
Gasstrom zuführbar
ist. Ferner sind die dem ersten Anteil zugeordneten Adsorberkanäle und die dem
zweiten Anteil zugeordneten Adsorberkanäle in vorgebbarer zeitlicher
Abhängigkeit
aus der Vielzahl der Adsorberkanäle
auswählbar.
Die Ammoniakerzeugungsanlage ermöglicht
eine kontinuierliche Erzeugung von Ammoniak, indem der erste Anteil
der Adsorberkanäle
einige Zeit lang mit dem stickoxidhaltigen Gasstrom beaufschlagt
wird und anschließend
mit dem wasserstoffhaltigen Gasstrom. Danach erfolgt wieder eine
Beaufschlagung des ersten Anteils der Adsorberkanäle mit dem
stickoxidhaltigem Gasstrom. Umgekehrt wird der zweite Anteil der
Adsorberkanäle
einige Zeit lang mit dem wasserstoffhaltigen Gasstrom beaufschlagt
und anschließend
mit dem stickoxidhaltigen Gas strom. Dem ersten Anteil der Adsorberkanäle und dem
zweiten Anteil der Adsorberkanäle
wird also im zeitlichen Wechsel entweder ein stickoxidhaltiger Gasstrom
oder ein wasserstoffhaltiger Gasstrom zugeführt. Als Anteil der Adsorberkanäle ist dabei
ein relativer Anteil in Bezug auf die insgesamt vorhandenen Adsorberkanäle zu verstehen.
-
Bei der Beaufschlagung der Adsorberkanäle mit dem
gewöhnlich
oxidierenden stickoxidhaltigen Gasstrom wird diesem das Stickoxid
größtenteils oder
vollständig
vom Stickoxidspeichermaterial durch Zwischenspeicherung entzogen.
Nach ausreichender Sättigung
des Stickoxidspeichermaterials eines Adsorberkanals an Stickoxiden
wird dieser mit einem reduzierenden wasserstoffhaltigen Gasstrom beaufschlagt.
Dadurch wird eine Freisetzung des zwischengespeicherten Stickoxids
verursacht. Dieses wird im Adsorberkanal selbst oder in einer strömungsmäßig nachgelagerten
Reduktionsstufe mit dem Wasserstoff wenigstens teilweise zu Ammoniak reduziert.
Der entsprechende Adsorberkanal steht damit erneut wieder zur Zwischenspeicherung
von Stickoxid zur Verfügung.
-
Die Ammoniakerzeugungsanlage ist
vorzugsweise so konzipiert, dass die mit dem stickoxidhaltigen Gasstrom
beaufschlagten Adsorberkanäle einen
vorgegebenen ersten Anteil der insgesamt vorhandenen Adsorberkanäle ausmachen.
In gleicher Weise umfassen die mit dem wasserstoffhaltigen Gasstrom
beaufschlagten Adsorberkanäle
einen vorgegebenen zweiten Anteil. Die beiden Anteile ergänzen sich
vorzugsweise zu 100% der insgesamt vorhandenen Adsorberkanäle. Sie
können
jedoch auch weniger als 100% betragen, was zur Folge hat, dass ein
sich rechnerisch ergebender dritter Anteil der insgesamt vorhandenen
Adsorberkanäle
zeitweise weder von dem stickoxidhaltigen Gasstrom noch von dem
wasserstoffhaltigen Gasstrom durchströmt wird und beispielsweise
mit einem Spülgas
gespült
werden kann.
-
Die entsprechenden Anteile sind vorzugsweise
durch die konstruktive Realisierung der Gasanströmung des Stickoxidadsorbers
vorgegeben.
-
Dadurch, dass die mit dem stickoxidhaltigen Gasstrom
beaufschlagten Adsorberkanäle
und die mit dem wasserstoffhaltigen Gasstrom beaufschlagten Adsorberkanäle in vorgebbarer
zeitlicher Abhängigkeit
aus der Vielzahl der Adsorberkanäle
auswählbar
sind, wird eine kontinuierliche Ammoniakerzeugung ermöglicht.
-
Die Anreicherung von Stickoxiden
in den Adsorberkanälen
führt zu
einem günstigen
Mengenverhältnis
der bezüglich
des Wasserstoffs oxidierend wirkenden Komponenten Stickoxid und
Sauerstoff, so dass ein wirtschaftlicher Einsatz des Wasserstoffs und
eine hohe Ammoniakausbeute ermöglicht
ist. Dies wird durch die vorgebbare zeitliche Auswahl der jeweiligen
Asorberkanalanteile unterstützt,
welche sich beispielsweise an dem Ammoniakbedarf zur Abgasreinigung
orientieren kann.
-
In Ausgestaltung der Erfindung sind
die Vielzahl der Adsorberkanäle
genau einem Stickoxidadsorber zugeordnet. Der Stickoxidadsorber
ist vorzugsweise als zylindrischer und mit einem Stickoxidspeichermaterial
beschichteter monolithischer Wabenkörper mit rundem Querschnitt
ausgebildet, der von der Vielzahl der Adsorberkanäle in axialer
Richtung durchzogen ist. Eine Ausbildung des Stickoxidadsorbers
durch eine Schüttung
von beschichteten Formkörpern
ist ebenfalls möglich.
Vorzugsweise sind in diesem Fall die Adsorberkanäle durch geeignete Strömungsleitmittel,
wie beispielsweise mit den Formkörpern
gefüllte
und benachbarte Hülsen
voneinander getrennt. Die einzelnen als Hülsen ausgebildeten Strömungskanäle sind
zu einem zylindrischen Adsorberkörper
mit vorzugsweise ebenfalls rundem Querschnitt zusammengefasst.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
erfolgt die zeitliche Auswahl der Adsorberkanäle durch eine ortsfeste Gaszufuhr
und durch eine Drehung des Stickoxidadsorbers um eine parallel zur
Ausrichtung der Strömungskanäle angeordnete
Achse. Die ortsfeste Gaszufuhr bezieht sich hierbei auf eine angeströmte Stirnfläche des
Adsorbers und betrifft sowohl den stickoxidhaltigen Gasstrom als
auch den wasserstoffhaltigen Gasstrom. Dies kann beispielsweise
durch eine ortsfeste segmentartige Aufteilung der angeströmten Stirnseite
des Stickoxidadsorbers erreicht werden. Ein erstes ortsfestes Segment
wird vom stickoxidhaltigen Gasstrom beaufschlagt, ein zweites ortsfestes
Segment wird vom wasserstoffhaltigen Gasstrom beaufschlagt. Die
Segmente können beispielsweise
von entsprechenden Blechformteilen gebildet sein, welche hinreichend
dicht an der Adsorberstirnfläche
anliegen, um eine Vermischung der Gasströme am Ort der Einströmung in
den Adsorber zu vermeiden. Der Stickoxidadsorber dreht sich entweder
kontinuierlich um seine Längsachse
oder wird diskontinuierlich von Zeit zu Zeit so um einen Winkelbetrag
gedreht, dass die Adsorberkanäle,
welche vor der Drehung vom stickoxidhaltigen Gas angeströmt wurden,
nach der Drehung zunächst
nicht mehr angeströmt,
von einem Spülgasstrom
oder vom wasserstoffhaltigen Gasstrom angeströmt werden. Nach abermaliger
Drehung, vorzugsweise um denselben Winkelbetrag, werden dieselben
Adsorberkanäle wieder
vom stickoxidhaltigen Gasstrom oder von einem Spülgasstrom angeströmt bzw.
durchströmt.
Die flächenmäßigen Anteile
der Segmente können
dabei unterschiedlich sein. Bei einer gleichmäßigen Drehung des Adsorbers
wird so ein durch die größere Segmentfläche bestimmter
Teil der Adsorberkanäle länger vom
jeweiligen Gasstrom beaufschlagt als der der kleineren Segmentfläche zugeordnete
Teil der Adsorberkanäle.
-
Analog zur vorstehend genannten Ausführungsform
erfolgt in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die zeitliche Abhängigkeit
der Auswahl der Adsorberkanäle
durch einen unbewegt angeordneten Stickoxidadsorber und durch eine
zeitlich ortsabhängige
Anströmung
des Stickoxidadsorbers. Die Ortsabhängigkeit bezieht sich hier
auf den unbeweglich angeordneten Stickoxidadsorber bzw. auf dessen
angeströmte
Stirnfläche.
Vorteilhaft ist eine sich drehende, durch entsprechende Strömungsleitmittel segmentartig
aufgeteilte Gaszufuhr. Die Drehung kann kontinuierlich oder diskontinuierlich
erfolgen. Durch diese Ausgestaltung werden analog zur vorstehenden
genannten Ausführungsform
die Adsorberkanäle
ebenfalls in zeitlichem Wechsel vom stickoxidhaltigen Gasstrom und
vom wasserstoffhaltigen Gasstrom beaufschlagt.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
sind die Vielzahl der Adsorberkanäle wenigstens zwei getrennten
Stickoxidadsorbern zugeordnet und die zeitliche Abhängigkeit
der Auswahl der Adsorberkanäle erfolgt
durch eine wechselweise Auswahl der wenigstens zwei Stickoxidadsorber.
Somit werden jeweils ein oder mehrere Adsorber vom stickoxidhaltigen
Gasstrom durchströmt,
während
der verbleibende Teil der insgesamt vorhandenen Adsorber vom wasserstoffhaltigen
Gasstrom durchströmt
wird. Ist die Stickoxidspeicherkapazität der Adsorberkanäle eines
vom stickoxidhaltigen Gasstrom durchströmten Adsorbers erschöpft, so
werden die Gasströme
so umgeschalten, dass dieser nunmehr vom wasserstoffhaltigen Gasstrom
beaufschlagt wird und das in den Asorberkanälen dieses Stickoxidadsorbers
zwischengespeicherte Stickoxid freigesetzt und wenigstens teilweise
zu Ammoniak reduziert wird. Dadurch findet eine Regeneration des
Adsorbers statt, so dass er anschließend wieder für eine erneute
Zwischenspeicherung von Stickoxiden zur Verfügung steht. Umgekehrt wird
durch die Umschaltung der Gasströme
ein zuvor vom wasserstoffhaltigen Gasstrom durchströmter und
somit bezüglich
seiner Stickoxidspeicherfähigkeit
regenerierter Stickoxidadsorber nunmehr vom stickoxidhaltigen Gasstrom durchströmt. Durch
diese Ausgestaltung erfolgt ein kontinuierlicherer Ammoniakerzeugungsprozess. Die
Gasströmungen
können
ebenfalls gleichmäßiger Natur
sein, was die Prozessführung
vereinfacht.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
ist ein Stickoxidgenerator zur Erzeugung des der Ammoniakerzeugungseinrichtung
zugeführten
stickoxidhaltigen Gasstroms vorgesehen. Dadurch kann überwiegend
unabhängig
vom Brennkraftmaschinenbetrieb eine bedarfsorientierte Ammoniakmenge
erzeugt und zur Abgasreinigung bereitgestellt werden.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
ist der der Ammoniakerzeugungseinrichtung zugeführte stickoxidhaltige Gasstrom
der Abgasleitung der Brennkraftmaschine entnommen. Insbesondere
bei einer überwiegend
mager betriebenen Brennkraftmaschine kann so das in deren Abgas
enthaltene Stickoxid teilweise zur Ammoniakerzeugung und somit zur wenigstens
teilweisen Entfernung des restlichen von der Brennkraftmaschine
emittierten Stickoxids verwendet werden. Dadurch entfällt eine
externe Erzeugung von Stickoxid.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
ist ein Kraftstoffreformer zur Erzeugung des der Ammoniakerzeugungseinrichtung
zugeführten
Wasserstoffs vorgesehen. Vorzugsweise wird vom Kraftstoffreformer
der zum Betrieb der Brennkraftmaschine vorgesehene Kraftstoff einem
thermischen und/oder katalytischen Reformierungsprozess unterworfen, wobei
ein wasserstoffhaltiges reduzierendes Reformiergas erzeugt wird,
welches der Ammoniakerzeugungseinrichtung zur Reduzierung von Stickoxiden zu
Ammoniak zugeführt
wird.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
ist eine Wasserelektrolyseeinheit zur Erzeugung des der Ammoniakerzeugungseinrichtung
zugeführten Wasserstoffs
vorgesehen. Diese Ausführungsform hat
den Vorteil, dass Wasserstoff weitgehend fremdgasfrei und in konzentrierter
Form zur Reduzierung von Stickoxiden bereitgestellt werden kann.
Daraus resultiert eine hohe Ausbeute der Ammoniakerzeugung.
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand
von Zeichnungen und zugehörigen
Beispielen näher
erläutert.
Dabei zeigt
-
1 ein
schematisches Blockbild einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasreinigungsanlage
mit einem Stickoxidreduktionskatalysator in einer Abgasleitung sowie
mit einer zugehörigen
Ammoniakerzeugungseinrichtung,
-
2 eine
schematisch im Längsschnitt
dargestellte erste Ausführungsform
einer Ammoniakerzeugungseinrichtung,
-
3 eine
schematisch im Querschnitt dargestellte erste Ausführungsform
einer Ammoniakerzeugungseinrichtung,
-
4 eine
schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Ammoniakerzeugungsanlage.
-
Gemäß 1 wird das von der hier beispielhaft
vierzylindrig ausgeführten
Brennkraftmaschine 1 abgegebene Abgas über eine Abgasleitung 2 einem Stickoxidreduktionskatalysator 3 zugeführt. Bei
der Brennkraftmaschine 1 handelt es sich um einen überwiegend
mager betriebenen Verbrennungsmotor, vorzugsweise um einen Dieselmotor.
Weiterhin ist in einem Nebenzweig der Abgasleitung 2 eine
Ammoniakerzeugungseinrichtung 4 vorgesehen, von welcher ammoniakhaltiges
Gas als Reduktionsmittel für
im Abgas der Brennkraftmaschine 1 enthaltene Stickoxide
stromauf des Stickoxidreduktionskatalysators 3 der Abgasleitung 2 über eine
Zuführleitung 7 zuführbar ist.
Die Ammoniakerzeugungseinrichtung 4 ist in der Lage, Stickoxide
aus einem ihr über
eine erste Zugabeleitung 8 zugeführten stickoxidhaltigen Gasstrom
abzutrennen und nach einer Zwischenspeicherung zu Ammoniak zu reduzieren.
Der von Stickoxid befreite Gasstrom wird über eine Abfuhrleitung 10 in die
Umgebung abgeführt
oder wieder der Abgasleitung 2 zugeführt. Der zur Reduktion des
zwischengespeicherten Stickoxids eingesetzte Wasserstoff wird von
einer Wasserstoffquelle 6 bereitgestellt und kann der Ammoniakerzeugungsanlage 4 über eine
zweite Zugabeleitung 9 zugeführt werden.
-
Als Wasserstoffquelle 6 kann
ein Speicher für
elementaren Wasserstoff oder eine Elektrolyseeinheit für Wasser
vorgesehen sein. Vorzugsweise ist die Wasserstoffquelle 6 jedoch
als katalytischer Reformer ausgeführt, welcher mit einem Kraftstoff
und Luft bzw. magerem Abgas versorgt wird. Der Reformer setzt den
zugeführten
Kraftstoff in einem katalytischen Reformierprozess zu einem wasserstoffhaltigen
Gas um. Als Kraftstoff wird vorzugsweise der zum Betrieb der Brennkraftmaschine 1 an
Bord des zugehörigen
Kraftfahrzeugs verfügbare
Energieträger
verwendet.
-
Bei dem der Ammoniakerzeugungseinrichtung 4 zugeführten stickoxidhaltigen
Gasstrom handelt es sich vorzugsweise um einen Teilstrom des Brennkraftmaschinenabgases,
welcher der Abgasleitung 2 stromauf der Zugabestelle des
von der Ammoniakerzeugungsanlage 4 erzeugten ammoniakhaltigen
Gasstroms entnommen wird. Zur Bereitstellung des stickoxidhaltigen
Gasstrom kann jedoch auch ein in 1 punktiert
dargestellter separater Stickoxidgenerator 5 vorgesehen
sein. Die Erzeugung von Stickoxid im Stickoxidgenerator 5 erfolgt
durch Reaktion von Stickstoff mit Sauerstoff, was vorzugsweise durch
einen elektrischen Lichtbogen oder durch einen anderen hierfür geeigneten
Prozess, wie beispielsweise einen Plasmaprozess ermöglicht wird. Als
Eduktgas kommt hierfür
Luft oder das magere, sauerstoffhaltige Abgas der Brennkraftmaschine
in Frage.
-
Vorzugsweise ist der Stickoxidreduktionskatalysator 3 als
sogenannter SCR-Katalysator ausgeführt. Dieser ermöglicht mit
Hilfe des Reduktionsmittels Ammoniak bei oxidierenden Bedingungen
eine selektive Reduktion der im Brennkraftmaschinenabgas enthaltenen
Stickoxide.
-
Es versteht sich, dass der in 1 schematisch dargestellten
Anordnung weitere, hier aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nicht dargestellte Komponenten zugeordnet sind, bzw. zugeordnet
sein können.
Hierzu zählen
Steuergeräte
zur Steuerung des Betriebs der Brennkraftmaschine 1 sowie
der Ammoniakerzeugungseinrichtung 4, des Stickoxidgenerators 5 und
der Wasserstoffquelle 6 sowie ebenfalls vorzusehende Schalt-
und Förderelemente wie
Ventile oder Pumpen.
-
Ferner können in der Abgasleitung 2 weitere reinigungswirksame
Bauteile, wie beispielsweise ein Partikelfilter oder weitere katalytische
Einheiten angeordnet sein. So kann es vorteilhaft sein, zusätzlich zu
dem Stickoxidreduktionskatalysator 3 einen Oxidationskatalysator,
einen Dreiwegekatalysator und/oder einen Stickoxispeicherkatalysator
vorzusehen, mit denen weitere Abgasreinigungsfunktionen wahrgenommen
werden können.
-
Insbesondere ist es vorteilhaft,
stromauf der Zugabestelle des ammoniakhaltigen Gasstroms in der
Abgasleitung 2 einen Stickoxidspeicherkatalysator vorzusehen.
Dieser speichert bei einem mageren Betrieb der Brennkraftmaschine 1 die
im Abgas enthaltenen Stickoxide. Der mit zunehmender Erschöpfung der
Stickoxidspeicherkapazität
einhergehende zunehmende Schlupf von Stickoxiden aus dem Stickoxidspeicherkatalysator
kann dann mittels des von der Ammoniakerzeugungseinrichtung gelieferten Ammoniaks
am nachgeschalteten Stickoxidreduktionskatalysator 3 umgesetzt
werden. Auf diese Weise können
die verbrauchsgünstigen
mageren Betriebsphasen der Brennkraftmaschine 1 lange Zeit
andauern. Der Ammoniakbedarf ist bei einer solcherart ausgeführten Abgasreinigungsanlage
relativ gering, weshalb die zur Ammoniakerzeugung eingesetzten Bauteile
relativ klein ausgeführt
werden können.
-
Die Regeneration des Stickoxidspeicherkatalysators
durch kurzzeitigen Fett-Betrieb der Brennkraftmaschine 1 kann
zu einer zusätzlichen
Erzeugung von Ammoniak genutzt werden. Diese kann im Stickoxidspeicherkatalysator
oder in einem dahingehend ausgeführtem
Dreiwegekatalysator, welcher dem Stickoxidspeicherkatalysator vorgeschaltet
sein kann oder zwischen dem Stickoxidspeicherkatalysator und dem
Stickoxidreduktionskatalysator 3 in der Abgasleitung 2 angeordnet
sein kann.
-
Ebenso ist es vorteilhaft, einen
Stickoxidspeicherkatalysator stromab des Stickoxidreduktionskatalysators 3 in
der Abgasleitung anzuordnen. Durch die Zufuhr von Ammoniak aus der
Ammoniakerzeugungseinrichtung 4 zum Stickoxidreduktionskatalysator 3 wird
ein Teil des im Brennkraftabgas enthaltenen Stickoxids entfernt.
Aufgrund des verminderten Stickoxidgehalts bleibt deshalb der nachgeschaltete
Stickoxidspeicherkatalysator lange Zeit aufnahmefähig für Stickoxide,
so dass die verbrauchsgünstigen
mageren Betriebsphasen der Brennkraftmaschine 1 entsprechend
lang andauern können.
-
Unter Bezug auf 2 und 3 wird
nachfolgend näher
auf eine erste bevorzugte Ausführungsform
der Ammoniakerzeugungseinrichtung 4 eingegangen. Dabei
sind übereinstimmende
Merkmale mit identischen Bezugszeichen bezeichnet. Die Ammoniakerzeugungseinrichtung 4 weist
einen Stickoxidadsorber 41 auf, der als zylindrischer Wabenkörper mit
kreisförmigem
Querschnitt ausgeführt ist.
Dieser ist in Längsrichtung
von einer Vielzahl strömungsmäßig parallel
geschalteter und voneinander getrennter Adsorberkanäle 42 durchzogen.
Die Adsorberkanäle 42 sind
mit einem Stickoxidspeichermaterial beschichtet. Die Stickoxidspeicherung
kann dabei je nach Ausprägung
des Stickoxidspeichermaterials durch Chemisorption, Adsorption oder
durch Absorption bzw. durch eine Kombination der genannten Vorgänge erfolgen.
Vorzugsweise wird ein Stickoxidspeichermaterial eingesetzt, welches
Alkali- Erdalkali- und/oder Cerverbindungen enthält und die Speicherung des
Stickoxids erfolgt durch Nitratbildung.
-
In 2 ist
die Ammoniakerzeugungseinrichtung 4 schematisch im Längsschnitt
dargestellt. Der Stickoxidadsorber 41 ist in einem Gehäuse 43 untergebracht. Über die
erste Zugabeleitung 8 wird der stickoxidhaltige Gasstrom
in das Gehäuse 43 geführt. Über die
zweite Zugabeleitung 9 wird Wasserstoff in Form eines wasserstoffhaltigen
Gasstroms zugeführt.
Die zweite Zugabeleitung 9 ist auslassseitig zu einem Kreissegment 44 derart
erweitert, dass ein entsprechendes Kreissegment 44 der
Stirnfläche des
Stickoxidadsorbers 41 vom zugeführten wasserstoffhaltigen Gasstrom
angeströmt
ist. Der in 3 schematisch
dargestellte Querschnitt entlang der Querschnittslinie A-A in 2 verdeutlicht den Sachverhalt.
Die segmentartig erweiterte Auslassseite der zweiten Zugabeleitung 9 liegt
so an der Stirnseite des Stickoxidadsorbers 41 an, dass
abgesehen von einer vernachlässigbarere
Leckage, der wasserstoffhaltige Gasstrom nur in die innerhalb des
Segments 44 endenden Adsorberkanäle 42 einströmt. Den
anderen Adsorberkanälen 42 wird
dagegen der stickoxidhaltige Gasstrom zugeführt.
-
Durch die azimutale Ausdehnung des
Kreissegments 44 bzw. 45 ist daher einerseits
ein erster Anteil der insgesamt vorhandenen Adsorberkanäle 42 vorgegeben,
dem der stickoxidhaltige Gasstrom zugeführt wird und andererseits ein
zweiter Anteil vorgegeben, dem der wasserstoffhaltige Gasstrom zugeführt wird.
-
Analog zur einlassseitig gestalteten
Gaszufuhr ist die auslassseitige Gasabfuhr der Ammoniakerzeugungseinrichtung 4 gestaltet. Über die
aus dem Gehäuse 43 geführte Abfuhrleitung 10 wird
der auf seinem Strömungsweg
längs des
ersten Anteils der Adsorberkanäle
von Stickoxiden weitestgehend befreite Gasstrom abgeführt.
-
Durch einen nicht näher dargestellten
Antrieb können
entweder die segmentartig erweiterten Leitungen 9 und 7 synchron
oder der Stickoxidadsorber 41 um die Mittellängsachse
des Stickoxidadsorbers 41 kontinuierlich oder diskontinuierlich
gedreht werden. Als Folge hiervon werden in einer vom zeitlichen
Verlauf der Drehung abhängigen
Weise die dem ersten Anteil und die dem zweiten Anteil der insgesamt
vorhandenen Adsorberkanäle 42 jeweils
zugeordneten Adsorberkanäle
ausgewählt.
-
So werden, nachdem eine gewisse Erschöpfung der
Stickoxispeicherfähigkeit
ihrer Stickoxidspeicherbeschichtung eingetreten ist, die Adsorberkanäle, die
zunächst
mit dem stickoxidhaltigen Gasstrom beaufschlagt wurden, mit dem
wasserstoffhaltigen Gasstrom beaufschlagt. In der reduzierenden Atmosphäre des wasser stoffhaltigen
Gasstroms erfolgt eine Freisetzung der zwischengespeicherten Stickoxide,
wodurch das Stickoxidspeichermaterial hinsichtlich seiner Aufnahmefähigkeit
für Stickoxide regeneriert
wird. Bei einer geeignet ausgeführten, beispielsweise
edelmetalldotierten Beschichtung der Adsorberkanäle 42, erfolgt bei
der Freisetzung der zwischengespeicherten Stickoxide gleichzeitig
deren Reduktion zu Ammoniak, so dass über die Zuführleitung 7 der Abgasleitung 2 Ammoniak
zugeführt
werden kann.
-
Parallel zu dem beschriebenen Vorgang
werden als Folge der beschriebenen Drehung die Adsorberkanäle, die
zunächst
mit dem wasserstoffhaltigen Gasstrom beaufschlagt und somit regeneriert
wurden, erneut mit dem stickoxidhaltigen Gasstrom beaufschlagt.
Auf diese Weise erfolgt eine kontinuierliche Erzeugung von Ammoniak
mit hoher Ausbeute unter gleichzeitig effektivem Einsatz des Reduktionsmittels
Wasserstoff.
-
Die Drehgeschwindigkeit bzw. die
Frequenz der Drehbewegung werden zweckmäßigerweise auf den aktuellen
Bedarf an Ammoniak abgestimmt. Dementsprechend werden die Größen des
stickoxidhaltigen Gasstroms bzw. des wasserstoffhaltigen Gasstroms
ebenfalls an den aktuellen Ammoniakbedarf angepasst. Ferner können die
Größen der
Segmente 44, 45 im Sinne einer zweckmäßigen Prozessführung geeignet
gewählt
sein.
-
Bei einer kontinuierlichen Drehung
der Segmente 44, 45 bzw. des Stickoxidadsorbers 41 ist
es zweckmäßig, dass
das mit dem stickoxidhaltigen Gasstrom beaufschlagte Segment 45 einen
größeren Winkelbereich
umfasst als das mit dem wasserstoffhaltigen Gasstrom beaufschlagte
Segment 44. Jeder einzelne Adsorberkanal 42 ist
dadurch länger
vom stickoxidhaltigen Gasstrom durchströmt als vom wasserstoffhaltigen
Gasstrom. Entsprechend ist es zweckmäßig, dass bei einer diskontinuierlich
um jeweils 180 Grad vorgenommenen Drehung die Segmente 44, 45 gleich
groß ausgeführt sind.
-
Alternativ zur beschriebenen Ausführungsform
können
die Adsorberkanäle 42 auch
mit einem edelmetallfreien Stickoxidspeichermaterial beschichtet
sein, durch welches die Reduktion von freigesetztem Stickoxid zu
Ammoniak nicht katalysiert werden kann. In diesem Fall weist die
Ammoniakerzeugungseinrichtung 4 eine nicht dargestellte
katalytische Reduktionsstufe auf, die dem Stickoxidadsorber nachgeschaltet
ist. Die bei der Exposition mit dem wasserstoffhaltigen Gas freigesetzten
Stickoxide werden in diesem Fall dieser Reduktionsstufe zugeführt und
dort zu Ammoniak reduziert und das erzeugte Ammoniak der Abgasleitung 2 zugeführt. Diese
Ausführungsform
hat den Vorteil, dass jeweils hinsichtlich der Stickoxidspeicherung
und der Stickoxidreduktion speziell optimierte Materialien eingesetzt werden
können.
-
In 4 ist
eine weitere Ausführungsform
einer Ammoniakerzeugungseinrichtung 4 schematisch dargestellt,
wobei in Bezug auf die 1 bis 3 übereinstimmende Merkmale mit
identischen Bezugszeichen versehen sind. Die Ammoniakerzeugungseinrichtung 4 weist
hier beispielhaft drei Stickoxidadsorber 41a, 41b, 41c auf,
die jeweils analog zu dem in 2 dargestellten
Adsorber ausgeführt
sind. Die Vielzahl der Adsorberkanäle zur Zwischenspeicherung
von Stickoxiden ist demnach auf diese Stickoxidadsorber 41a, 41b, 41c aufgeteilt. Über ein
jeweils eingangsseitig vorgesehenes Umschaltventil 46 kann
jeder Stickoxidadsorber wahlweise über die erste Zugabeleitung 8 mit
dem stickoxidhaltigen Gasstrom oder über die zweite Zugabeleitung 9 mit
dem wasserstoffhaltigen Gasstrom beaufschlagt werden. Entsprechend
sind über
ausgangsseitig vorgesehene Umschaltventile 47 die Stickoxidadsorber 41a, 41b, 41c mit
der zur Abgasleitung 2 führende Zuführleitung 7 für erzeugtes
Ammoniak oder mit der Abfuhrleitung 10 verbindbar. Die
Umschaltventile 46 und 47 werden koordiniert betätigt. In
der in 4 dargestellten
Stellung befinden sich die Stickoxidadsorber 41a und 41b in
einem Stickoxidadsorptionsmodus und werden von stickoxidhaltigem
Gas beaufschlagt. Der Stickoxidadsorber 41c befindet sich
dagegen in einem Regenerationsmodus und wird vom wasserstoffhaltigen Gas
beaufschlagt. Eine mögliche Betriebsweise
kann nun darin bestehen, dass nach einer vorgebbaren Zeitspanne
eine Ventilumschaltung derart vorgenommen wird, dass die Stickoxidadsorber 41b und 41c im
Adsorptionsmodus betrieben werden und der Stickoxidadsorber 41a im
Regenerationsmodus betrieben wird. Sinngemäß kann nach weiteren vorgebbaren
Zeiten zyklisch derart weiter geschaltet werden, dass jeweils ein
Stickoxidadsorber regeneriert wird, während die beiden anderen Stickoxidadsorber
im Adsorptionsmodus betrieben werden. Selbstverständlich erfolgt
eine sinngemäße synchrone
Umschaltung der ausgangsseitigen Umschaltventile 47.
-
Wie weiter oben beschrieben, werden
von den im Adsorptionsmodus betriebenen Stickoxidadsorbern Stickoxide
dem jeweils zugeführten
stickoxidhaltigen Gasstrom entzogen und zwischengespeichert. Im
Regenerationsmodus werden die zwischengespeicherten Stickoxide wieder
freigesetzt und zu Ammoniak reduziert. Je nach Ausführung des
Stickoxidspeichermaterials kann hierfür entsprechend den weiter oben
genannten Erläuterungen
eine in die Zuführleitung 7 geschaltete
separate Reduktionsstufe vorgesehen sein.
-
Selbstverständlich ist es möglich, die
Umschaltungen auf andere Weise oder in anderer Reihenfolge vorzunehmen,
insbesondere wenn eine andere Anzahl von Stickoxidadsorbern vorgesehen
ist, was ebenfalls ohne weiteres möglich ist.
-
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
einer Ammoniakerzeugungseinrichtung können um weitere Komponenten
ergänzt
werden. Insbesondere kann es zweckmäßig sein, mittels Heizungen
oder Wärmetauschern
eine geeignete Temperierung der Bauteile bzw. Gasströme herbeizuführen. Beispielsweise
kann im Falle einer als Reformer ausgeführten Wasserstoffquelle 6 ein
Wärmetausch
zwischen dem heißen
wasserstoffhaltigen Reformiergas und dem einem Stickoxidadsorber
zugeführten
stickoxidhaltigen Gas vorgesehen sein. Vorteilhaft kann es außerdem sein,
eine Entschwefelungseinrichtung vorzusehen, mit welcher die den Stickoxidadsorbern zugeführten Gase
entschwefelt werden. Auf diese Weise kann einer Vergiftung bzw.
Deaktivierung der üblicherweise
schwefelempfindlichen Stickoxidspeichermaterialien vorgebeugt werden.
Beispielsweise kann eine derartige Entschwefelungseinrichtung in die
erste Zugabeleitung 8 und/oder in die zweite Zugabeleitung 9 eingefügt sein.
Ebenso kann der dem als Wasserstoffquelle 6 dienenden Reformer
zugeführte
Kraftstoff durch eine Flüssigentschwefelung von
Schwefel befreit werden. Dies ist insbesondere bei einem Einsatz
von üblicherweise
schwefelhaltigem Diesel als Kraftstoff vorteilhaft.