DE19521522A1 - Verfahren zum Reduzieren von Stickstoffoxiden in Rauchgasen aus stationären Verbrennungsmotoren - Google Patents

Verfahren zum Reduzieren von Stickstoffoxiden in Rauchgasen aus stationären Verbrennungsmotoren

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reduzieren von Stickstoffoxiden in Rauchga­ sen aus stationären Verbrennungsmotoren.
Bei Verbrennungsmotoren werden üblicherweise mittels 3-Wege-Katalysatoren die im Rauchgas enthaltenen Stickstoffoxide, Kohlenmonoxide und unverbrannter Kohlenwas­ serstoffe reduziert.
Mit diesem Verfahren gelingt es, die Schadstoff-Konzentration im Rauchgas soweit zu senken, daß die in der TA-Luft festgelegten Grenzwerte (bezogen auf 5 Vol.-% O₂ im Abgas) von
  • - 0,50 g/m³NOx
  • - 0,65 g/m³ CO und
  • - 0,02 bis 0,4 (je nach Klasse) g/m³ Kohlenwasserstoffe
eingehalten werden.
Bei stationären Verbrennungsmotoren, die in Blockheizkraftwerken eingesetzt werden, besteht in speziellen Anwendungsfällen, beispielsweise bei der direkten Beheizung von Gewächshäusern durch die Rauchgase des Motors die Notwendigkeit, die Stickstoff­ oxide im Rauchgas weiter zu senken.
Daher besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zum Reduzieren von Stickoxiden in Rauchgasen zu schaffen, bei dem die NOx-Konzentration deutlich un­ terhalb der Grenzwerte der TA-Luft liegt.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß dem Rauchgas zur Erzeugung eines Mischga­ ses ein CO und/oder H₂ oder alternativ ein Propan und/oder Butan enthaltenes Re­ duktionsgas zugegeben wird, daß das Mischgas einer ersten katalytischen Reaktion unterworfen wird, daß anschließend dem Mischgas Luft zugegeben und daß dieses Gemisch einer zweiten katalytischen Reaktion unterworfen wird.
Bei der ersten katalytischen Reaktion wird das im Abgas vorhandene Stickstoffmonoxid (NO) gemäß der folgenden Reaktionsgleichung mit Wasserstoff und/oder Kohlenmon­ oxid zu Wasser und Kohlendioxid umgesetzt.
CO (oder H₂) + NO = N₂ + CO₂ (oder H₂O)
Es wird mehr Reduktionsgas zugegeben, als für die vollständige Umsetzung erforder­ lich ist. Durch die relativ hohen Partialdrücke der Reduktionsgase H₂ und CO werden die Stickstoffoxide bis auf Spurenkonzentrationen reduziert. Bei der zweiten katalyti­ schen Reaktion werden die bei der ersten Reaktion nicht umgesetzten Komponenten CO + H₂ mit dem zugeführten Luftsauerstoff gemäß der folgenden Reaktionsgleichung zu Kohlendioxid und Wasser umgesetzt:
CO (oder H₂) + 1/2 O₂ = CO₂ (oder H₂O).
Zusätzlich werden evtl. im Abgas vorhandene Kohlenwasserstoffe umgesetzt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden somit gezielte Reaktionsbereiche mit Reduktionsmittel-Überschuß oder Sauerstoffüberschuß eingestellt.
Die Emissionen von nahstöchiometrisch betriebenen Verbrennungsmotoren werden mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens nochmals drastisch und dauerhaft unter die Grenzwerte der TA-Luft gesenkt.
Das Verfahren ist für Verbrennungsmotoren geeignet, die mit Luftzahlen Lambda zwi­ schen 0,90 bis 1,1 vorzugsweise 0,95 bis 1,0 betrieben werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert:
Einem Blockheizkraftwerk 1 mit einem nicht dargestellten Verbrennungsmotor wird über eine Gasleitung 2 Erdgas und über eine Luftleitung 3 Verbrennungsluft zugeführt.
Der Verbrennungsmotor wird mit Luftzahlen Lambda zwischen 0,90 bis 1,1 vorzugs­ weise 0,95 bis 1,0 betrieben.
Von der Gasleitung 2 geht die Zweigleitung 4 ab, die zu einem Reduktionsgas-Erzeu­ ger 5 führt. Diesem wird über eine Leitung 6 Luft zugeführt. Durch unterstöchiometri­ sche Verbrennung des Erdgases entsteht ein H₂ und CO-reiches Reduktionsgas.
Im Rauchgasweg 7 befindet sich ein 3-Wege-Katalysator 8. Dort werden die Schad­ stoffe NOx, CO und vorhandene Kohlenwasserstoffe weitgehend reduziert. Nach dem Verlassen des 3-Wege-Katalysators wird den Rauchgasen über eine Leitung 9 H₂ und CO-reiches Reduktionsgas zugeführt. Die Menge des Reduktionsgases wird von der Rauchgasmenge und der angestrebten CO/H₂-Konzentration im Mischgas bestimmt und entspricht einer Konzentration von 0,4 bis 3,0 Vol.-% vorzugsweise 0,7 bis 1,5 Vol.-% im trockenen Rauchgas.
In einem Mischer 10 wird das Reduktionsgas mit dem Rauchgas gemischt und danach über einen ersten Katalysator 11 geleitet. Dieser besteht aus Elementen der zur VIII. Nebengruppe des Periodensystems gehörenden Platingruppe bzw. deren Kombi­ nationen. Die katalytischen Reaktionen finden bei Temperaturen zwischen 200 und 800°C vorzugsweise zwischen 300 bis 700°C statt. In diesem Katalysator werden die Stickstoffoxide bis auf Spurenkonzentrationen reduziert.
Über eine Leitung 12 wird dem Rauchgas Luft zugeführt, wobei die Luftmenge von der angestrebten O₂-Konzentration im Gemischgas hinter dem zweiten Katalysator ab­ hängt. Die O₂-Konzentration beträgt zwischen 0,5 bis 6% vorzugsweise bis 3 Vol.-%. Das Mischgas wird im folgenden über einen zweiten Katalysator 13, und zwar einen Oxidations-Katalysator geleitet. In diesem werden die bisher nicht umgesetzten Kom­ ponenten CO und H₂ mit dem Luftsauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser umgesetzt. Zusätzlich werden evtl. im Abgas vorhandenen Kohlenwasserstoffe reduziert. Bevor das Abgas den Schornstein 14 verläßt, wird ihm im Wärmetauscher 15 Wärme entzo­ gen.
Die bei der Reduktionsgas-Erzeugung entstehende Wärme kann zur Aufwärmung des Abgasstromes oder der Luft genutzt werden, wodurch die Reduktionsbedingungen in den Katalysatoren deutlich verbessert wird.
Im Rahmen der Erfindung sind ohne weiteres Abwandlungsmöglichkeiten gegeben. So können als Reduktionsgase Flaschengase verwendet werden. Es besteht auch die Möglichkeit, das Reduktionsgase dem Rauchgas direkt hinter dem Motor zuzuführen so daß kein Drei-Wege-Katalysator benötigt wird.

Claims (9)

1. Verfahren zum Reduzieren von Stickstoffoxiden (NOx) in Rauchgasen aus sta­ tionären Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß dem Rauchgas zur Erzeugung eines Mischgases ein CO und/oder H₂ oder ein Propan und/oder Butan enthaltenes Reduktionsgas zugegeben wird, daß das Mischgas einer ersten katalytischen Reaktion unter­ worfen wird, daß anschließend dem Mischgas Luft zugegeben und daß dieses Gemisch einer zweiten katalytischen Reaktion unterworfen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytischen Reaktionen in einem Katalysator aus Elementen der zur VIII. Nebengruppe des Periodensystems gehörenden Platingruppe bzw. deren Kombinationen bei Temperaturen zwischen 200 bis 800°C vorzugsweise zwi­ schen 300 bis 700°C stattfinden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauchgase vor der Zugabe von Reduktions­ gas durch einen Drei-Wege-Katalysator geleitet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des CO und/oder H₂ enthaltenen Re­ duktionsgases von der Rauchgasmenge bestimmt wird und einer Konzentration von 0,4 bis 3,0 Vol.-%, vorzugsweise 0,7 bis 1,5 Vol.-%, im trockenen Rauchgas entspricht.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des Reduktionsgases Propan und/oder Butan von der Rauchgasmenge bestimmt wird und einer Konzentration von 0,045 bis 0,4 Vol.-%, vorzugsweise 0,09 bis 0,2 Vol.-% im trockenen Rauchgas entspricht.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der Luft von der O₂-Konzentrationen im Mischgas bestimmt wird, die zwischen 0,5 bis 6 Vol.-% vorzugsweise bis 3 Vol.-% beträgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft vorgewärmt ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das CO und/oder H₂-haltige Reduktionsgas durch unterstöchiometrische Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Verbrennung entstehende Wärme zur Erwärmung des Rauchgases oder der Sekundärluft genutzt wird.
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