DE19957539A1

DE19957539A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Reduktion von Stickoxid

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Publication number: DE19957539A1
Application number: DE19957539A
Authority: DE
Inventors: Iris Hahn; Gabriele Preu
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-11-30
Filing date: 1999-11-30
Publication date: 2001-06-28

Abstract

Die Erfindung betrifft die Reduktion von Stickoxid eines Abgases (2) beispielsweise eines Dieselmotors (5) mit Hilfe eines ersten und mindestens eines weiteren Reduktionskatalysators (3, 4). Die Reduktionskatalysatoren beschleunigen bei einer jeweils unterschiedlichen Reduktionstemperatur die Reduktion von Stickoxid. Dadurch kann zu jeder Phase eines Betriebs des Motors (z. B. Startphase und Normalbetrieb) Stickoxid aus dem Abgas effizient entfernt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reduktion eines Stickoxids eines Abgases einer Verbrennungseinrichtung, aufweisend einen Reduktionskatalysator zur Reduktion des Stickoxids bei einer bestimmten Reduktionstemperatur. Eine derartige Vorrichtung ist aus DE 197 15 475 A1 bekannt. Neben der Vorrichtung wird ein Verfahren zur Reduktion von Stickoxid angegeben.

Bei einer Verbrennung eines fossilen Energieträgers in Anwesenheit von Luft entsteht als ein unerwünschtes Nebenprodukt Stickoxid (NO_x). Im Hinblick auf eine Umweltverträglichkeit der Verbrennung ist es wünschenswert, eine Bildung von Stickoxid zu unterbinden bzw. Stickoxid nachträglich aus dem Abgas der Verbrennung zu entfernen. Eine nachträgliche Entfernung des Stickoxids geschieht beispielsweise durch Reduktion des Stickoxids zu molekularem Stickstoff (N₂), wobei dem Abgas ein Reduktionsmittel des Stickoxids beigemengt wird. Die Reduktion wird in Gegenwart eines Reduktionskatalysators durchgeführt, der eine Reaktionsgeschwindigkeit der Reduktion beschleunigt. Eine Effizienz, mit der der Reduktionskatalysator die Reaktionsgeschwindigkeit beschleunigt, hängt von einer Temperatur ab, bei der die Reduktion stattfindet.

Die aus DE 197 15 475 A1 bekannte Vorrichtung verfügt über einen Reduktionskatalysator in Form eines Zeoliths. Dieser Reduktionskatalysator beschleunigt die Reduktion von Stickoxid durch das Reduktionsmittel Ammoniak (NH₃) bei einer Temperatur aus einem Temperaturintervall von 20°C bis 180°C beschleunigt. Die Temperatur aus dem Temperaturintervall wird als Reduktionstemperatur bezeichnet. Bei dem bekannten Reduktionskatalysator, der als CLTC(Catalytic Low Temperature Conversion)-Reduktionskatalysator bezeichnet wird, liegt Ammoniak auf einer reaktiven (katalytisch wirksamen) Oberfläche des Reduktionskatalysators adsorbiert vor. Ebenso ist ein Reduktionskatalysator bekannt, der als SCR(Selectiv Catalytic Reduction)-Reduktionskatalysator bezeichnet wird. Dieser Reduktionskatalysator eignet sich zur Reduktion von Stickoxid in einem sauerstoffhaltigen Abgas. Bei einem SCR-Reduktionskatalysator wird Ammoniak mit dem Abgas vermischt und an einer reaktiven Oberfläche des SCR- Reduktionskatalysators vorbeigeleitet. Die Reduktionstemperatur der SCR-Reduktionskatalysator liegt zum Teil deutlich über der der CLTC-Reduktionskatalysatoren (z. B. 300-400°C).

Eine Bereitstellung des gasförmigen Ammoniaks für SCR- Reduktionskatalysatoren geht beispielsweise aus DE 197 28 343 C1 hervor. Danach wird Ammoniak in einem festen Speichermedium gelagert. Durch Temperaturerhöhung wird Ammoniak vom einer Speicheroberfläche des Speichermediums desorbiert und in das Abgas eingeleitet. Das Speichermedium ist beispielsweise Strontiumchlorid oder Calciumchlorid.

Die bekannten Reduktionskatalysatoren weisen jeweils ein relativ kleines Temperaturintervall für die Reduktion auf. Das Abgas einer Verbrennungseinrichtung wie das eines Motors eines Kraftwagens kann während eines Betriebs der Verbrennungseinrichtung eine Temperatur aus einem weitaus größeres Temperaturintervall aufweisen (z. B. -40°C bis 600°C). Beispielsweise ist die Temperatur in einer Startphase des Motors deutlich niedriger als in einem Normalbetrieb des Motors. Im Normalbetrieb weist der Motor und damit das Abgas eine im Vergleich zur Startphase deutlich höhere, relativ konstante Temperatur auf. Aber auch im Normalbetrieb des Motors kann es durch abruptes Beschleunigen des Kraftwagens zu einer Schwankung der Temperatur des Abgases kommen. Diese Schwankung kann dazu führen, daß die Temperatur des Abgases und damit die Temperatur des Reduktionskatalysators, der mit dem Abgas in Kontakt, von der Reduktionstemperatur des Reduktionskatalysators abweicht. Die Reduktion von Stickoxid findet im Vergleich zur durch den Reduktionskatalysator beschleunigten Reduktion verlangsamt statt. Stickoxid wird aus dem Abgas ungenügend entfernt.

Aufgabe der Erfindung ist es, aufzuzeigen, wie Stickoxid des Abgases einer Verbrennungseinrichtung in einem im Vergleich zum einem bekannten Temperaturintervall größerem Temperaturintervall effizient reduziert werden kann.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Reduktion eines Stickoxids eines Abgases einer Verbrennungseinrichtung angegeben, aufweisend einen Reduktionskatalysator zur Reduktion des Stickoxids bei einer bestimmten Reduktionstemperatur. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein weiterer Reduktionskatalysator vorhanden ist zur Reduktion des Stickoxids bei zumindest einer von der bestimmten Reduktionstemperatur verschiedenen weiteren Reduktionstemperatur.

Die Verbrennungseinrichtung kann wie bei einem Kraftwerk stationär oder wie beim Motor (Dieselmotor, Ottomotor) eines Kraftwagens mobil sein. Unter Reduktionstemperatur ist eine Temperatur aus einem Temperaturintervall zu verstehen, in dem der Reduktionskatalysator in der Lage ist, die Reduktion von Stickoxid des Abgases so zu beschleunigen, daß Stickoxid weitgehend aus dem Abgas entfernt wird. Es findet eine effiziente Reduktion von Stickoxid statt.

Der Reduktionskatalysator verfügt beispielsweise über eine Reduktionstemperatur im Temperaturintervall von -40°C bis 200°C, der weitere Reduktionskatalysator eine Reduktionstemperatur im Temperaturintervall von 200°C bis 600°C. Dadurch läßt sich der gesamte Temperaturbereich von -40°C bis 600°C abdecken. Die Temperaturintervalle müssen sich nicht ausschließen. Sie können auch einen überlappenden Temperaturbereich aufweisen. Zur effizienten Reduktion von Stickoxid ist es außerdem möglich, zusätzliche Reduktionskatalysatoren mit entsprechenden Reduktionstemperaturen einzuführen.

Während des Betriebs der Verbrennungseinrichtung wird dafür gesorgt, daß zumindest ein Reduktionskatalysator bei einer Reduktionstemperatur des Reduktionskatalysators mit dem Abgas in Kontakt steht. Dabei wird beispielsweise ein Abgasstrom des Abgases an der reaktiven Oberfläche des Reduktionskatalysators vorbeigeleitet.

In einer besonderen Ausgestaltung ist mindestens ein Mittel zum Erzeugen eines Kontakts zwischen dem Abgas und zumindest einem der Reduktionskatalysatoren vorhanden. Das Erzeugen bedeutet, daß der Kontakt sowohl hergestellt als auch unterbrochen werden kann. Beispielsweise wird das Abgas durch ein Abgasrohr geleitet. An einer Verzweigung des Rohres wird das Abgas in ein erstes und ein weiteres Teilrohr geleitet. Im ersten Teilrohr ist der Reduktionskatalysator und im zweiten Teilrohr der weitere Reduktionskatalysator angeordnet. Mit Hilfe des Mittels kann ein Durchmesser eines Teilrohres und damit ein Abgasstrom des Abgases durch das Teilrohr verändert werden. Beispielsweise ist in der Verzweigung oder in jedem Teilrohr vor und/oder nach dem entsprechenden Reduktionskatalysator das Mittel zum Erzeugen des Kontakts angeordnet.

In einer besonderen Ausgestaltung ist das Mittel zum Erzeugen des Kontakts ein Ventil. Beispielsweise ist das Ventil ein Durchgangsventil. In der Verzweigung des Abgasrohres ist vorteilhaft ein Wechselventil angeordnet. Als Mittel zum Erzeugen des Kontakts ist auch ein Hahn, ein Schieber oder eine Drosselklappe denkbar.

Vorteilhaft ist es, wenn ein Reduktionskatalysator gänzlich vom Abgas getrennt werden kann. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Reduktionskatalysator gegenüber einem Bestandteil des Abgases empfindlich ist. Ein derartiger Bestandteil ist beispielsweise ein Reaktionsprodukt der Verbrennung wie ein Kohlenwasserstoff oder Wasser. Ein Reduktionskatalysator in Form eines Zeoliths adsorbiert beispielsweise Wasser sehr gut, was eine Funktionsfähigkeit des Zeoliths als Reduktionskatalysator beeinträchtigen kann. Wird der Zeolith nicht als Reduktionskatalysator benötigt, wird beispielsweise mit Hilfe zweier Ventile, zwischen denen der Reduktionskatalysator angeordnet ist, der Kontakt zum Abgas unterbrochen. Somit gelangt auch kein Wasser des Abgases an die Oberfläche des Zeoliths. Die Funktionsfähigkeit des Reduktionskatalysators bleibt erhalten. Außerdem kann mit Hilfe der Ventile ein geschlossener Raum geschaffen werden, so daß mit der Umgebung kein Stoffaustausch statt findet. Nicht verbrauchtes Reduktionsmittel, das sich beispielsweise auf der Oberfläche des Reduktionskatalysators befindet (siehe unten), entweicht nicht ungenutzt und steht im Bedarfsfall der Reduktion von Stickoxid zur Verfügung. Dies kann zu einer verlängerten Einsetzbarkeit des Reduktionskatalysators führen.

In einer besonderen Ausgestaltung weist zumindest einer der Reduktionskatalysatoren zumindest ein Reduktionsmittel des Stickoxids auf. Das Reduktionsmittel ist insbesondere ein Gas, wobei Ammoniak bevorzugt ist. Das Reduktionsmittel liegt entweder adsorbiert bzw. chemisorbiert auf der Oberfläche des Reduktionskatalysators vor (z. B. CLTC-Reduktionskatalysator) oder wird zur Reduktion dem Reduktionskatalysator zugeführt (z. B. SCR-Reduktionskatalysator).

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist mindestens ein Reduktionskatalysator mindestens einen Zeolith auf. Der Reduktionskatalysator ist insbesondere ein CLTC- Reduktionskatalysator. Ein derartiger Reduktionskatalysator bietet eine große Variationsmöglichkeit bezüglich des Temperaturintervalls auf, in dem die jeweilige Reduktionstemperatur liegt. Durch eine Wahl eines Elements des Zeoliths, z. B. eines Alkali-, Erdalkali-, und/oder Edelmetalls, gelingt es, das Temperaturintervall zu höheren oder niedrigeren Temperaturen hin zu verschieben. Eine Form des Zeoliths spielt dabei keine Rolle. Zeolith kann als fester Körper oder als loses Schüttgut (granuliert, pulverförmig, etc.) vorliegen, das in einem Katalysatorgehäuse angeordnet ist.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist mindestens ein Reduktionskatalysator mindestens ein Edelmetall auf. Dieses Edelmetall kann in einem Zeolith als Co-Katalysator wirken. Denkbar ist ebenfalls, daß eine Oberfläche eines porösen Keramikkörpers mit einem (elementaren) Edelmetall überzogen ist. In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist das Edelmetall Platin. Denkbar ist auch eine Legierung eines Edelmetalls. Eine besonders vorteilhafte Legierung ist eine Platin-Rhodium- Legierung. Diese Legierung ist beispielsweise bei einem DENOX-Reduktionskatalysator eingesetzt mit einer Reduktionstemperatur aus dem Temperaturintervall von 200 bis 800°C.

In einer besonderen Ausgestaltung ist mindestens ein Speichermedium des Reduktionsmittels zum Bereitstellen des Reduktionsmittels vorhanden. Das Reduktionsmittel kann dabei direkt für die Reduktion von Stickoxid bereitgestellt werden. Beispielsweise wird das Reduktionsmittel zusammen mit dem Abgas an der reaktiven Oberfläche eines SCR- Reduktionskatalysators vorbeigeleitet. Denkbar ist auch, daß die reaktive Oberfläche eines CLTC-Reduktionskatalysators regeneriert, also mit dem Reduktionsmittel beladen wird. In beiden Fällen ist eine bestimmte Menge an Reduktionsmittel nötig, die durch das Speichermediums bereitgestellt wird.

Das Speichermedium kann flüssig sein. Beispielsweise liegt das Reduktionsmittel in einem Lösungsmittel gelöst vor und wird samt Lösungsmittel dem Reduktionskatalysator zugeführt. Insbesondere ist das Speichermedium ein Festkörper. Das Reduktionsmittel ist dabei an einer Speicheroberfläche des Speichermediums adsorbiert und/oder chemisorbiert. Die Form des Speichermediums spielt keine Rolle. Es kann als fester Körper vorliegen. Vorzugsweise ist das Speichermedium ein Schüttgut. Insbesondere weist der Festkörper Zeolith auf. Denkbar ist auch ein anderer hochporöser Werkstoff, der als Molekularsieb eingesetzt werden kann. Bei einer Porenoberfläche von mehreren 100 m²/g kann eine große Menge an Reduktionsmittel wie Ammoniak adsorbiert vorliegen.

In einer besonderen Ausgestaltung ist das Speichermedium für das Bereitstellen in einem Speicherbehälter angeordnet zum Einbringen des Speichermediums in eine Reaktionsumgebung und/oder zum Entfernen des Speichermediums aus der Reaktionsumgebung der Reduktion. Die Reduktionsumgebung ist beispielsweise ein Kraftfahrzeug mit einem Motor als Verbrennungseinrichtung. Der Speicherbehälter wird mit dem Kraftfahrzeug mitgeführt. Vorzugsweise ist der Speicherbehälter auswechselbar. Der Speicherbehälter mit verbrauchtem Speichermedium, das nicht mehr genügend Reduktionsmittel zur Versorgung der Reduktionskatalysatoren aufweist, kann gegen einen Speicherbehälter ausgetauscht werden, der mit dem Reduktionsmittel beladen ist. Das Beladen des Speichermediums mit dem Reduktionsmittel bzw. das Befüllen des Speicherbehälters mit dem Speichermedium erfolgt außerhalb der Reaktionsumgebung. Im Fall von Ammoniak erfolgt das Beladen des Speichermediums beispielsweise mit einem Ammoniak-Gasstrom oder mit einer Ammonium-Lösung.

In einer besonderen Ausgestaltung weist der Speicherbehälter des Speichermediums zumindest eine Öffnung auf zum Befüllen des Speicherbehälters mit dem Speichermedium und/oder zum Entleeren des Speicherbehälters in der Reaktionsumgebung. Der Speicherbehälter mit einem Speichermedium in Form eines losen Schüttguts ist beispielsweise fest im Kraftfahrzeug installiert. Durch die Öffnung wird verbrauchtes Speichermedium aus dem Behälter entfernt. Durch eine weitere Öffnung wird mit dem Reduktionsmittel beladenes Speichermedium nachgefüllt. Denkbar ist beispielsweise, daß das beladene Speichermedium in einem Silo außerhalb der Reaktionsumgebung, beispielsweise in einer Tankstelle oder einer Kraftfahrzeugwerkstatt, bereitgestellt wird.

In einer besonderen Ausgestaltung verfügt die Vorrichtung über ein Mittel zum Temperieren des Speichermediums. Dabei weist insbesondere der Speicherbehälter das Mittel zum Temperieren auf. Beispielsweise wird Ammoniak, das auf der Oberfläche eines Zeoliths adsorbiert vorliegt, durch Erhöhung der Temperatur des Zeoliths desorbiert und somit einem der Reduktionskatalysatoren zur Verfügung gestellt. Das Mittel zum Temperieren ist beispielsweise ein Quelle für Wärmestrahlung oder eine elektrische Widerstandsheizung. Denkbar ist auch eine Ummantelung des Speicherbehälters, durch den das (erwärmte) Abgas der Verbrennungseinrichtung geleitet wird. Vorzugsweise wird eine Desorption von Ammoniak von der Oberfläche eines Zeoliths bei 200°C bis 600°C durchgeführt.

In einer weiteren Ausgestaltung kann das Speichermedium mit einem Druck beaufschlagt werden. Mittels Druck kann beispielsweise Ammoniak von der Oberfläche des Zeoliths desorbiert werden. Vorzugsweise ist der Speicherbehälter ein Druckbehälter, der einem Druck bis z. B. 3 bar stand hält. Der Druck kann intern aufgebaut werden, beispielsweise durch Temperaturerhöhung des Speichermediums und der damit verbundenen Desorption des (gasförmigen) Reduktionsmittels. Es kann auch von außen ein Inertgas zur Druckregulierung in den Speicherbehälter eingeleitet werden. Je nachdem, zu welchem Zweck (siehe oben) und in welchen Mengen Ammoniak benötigt wird, können Temperatur und Druck des Speichermediums bzw. des Speicherbehälters variabel eingestellt werden.

Der Speicherbehälter mit dem Speichermedium ist vorteilhaft aus einem Material, das gegenüber dem Reduktionsmittel auch bei höheren Temperaturen inert ist. Es sollte beispielsweise korrosionsbeständig bis zu Temperaturen von 600°C sein. Als Material ist vorstellbar Stahlblech, Aluminium oder hochtemperaturbeständiger Kunststoff (Polyimid, Kohlefaserverstärkter Kunststoff, etc.). Der Speicherbehälter ist vorteilhaft so dimensioniert, daß ein Entleeren und Befüllen bzw. ein Austauschen des Speicherbehälters in einem zeitlichen Abstand erfolgt, der dem einer regelmäßig wiederholten Wartungstätigkeit an der Verbrennungseinrichtung entspricht. Eine derartige Wartungstätigkeit ist beispielsweise ein Kundendienst an einem Kraftfahrzeug nach einer bestimmten Anzahl an Betriebsstunden oder nach einer bestimmten zurückgelegten Wegstrecke. Denkbar ist auch, daß durch eine Anzeige im Fahrraum eines Kraftfahrzeugs angezeigt wird, daß nicht mehr genügend Reduktionsmittel zur Verfügung steht und deshalb mit Reduktionsmittel beladenes Speichermedium nachgefüllt werden muß.

Zur Lösung der Aufgabe wird neben der Vorrichtung ein Verfahren zur Reduktion von Stickoxid eines Abgases einer Verbrennungseinrichtung unter Verwendung einer Vorrichtung mit einem Reduktionskatalysator zur Reduktion des Stickoxids bei einer bestimmten Temperatur und zumindest einem weiteren Reduktionskatalysator zur Reduktion des Stickoxids bei einer von der bestimmten Reduktionstemperatur verschiedenen weiteren Reduktionstemperatur angegeben. Das Verfahren beinhaltet folgende Verfahrensschritte auf: a) Auswahl zumindest eines der Reduktionskatalysatoren, mit dem das Abgas zur Reduktion des Stickoxids in Kontakt gebracht werden soll, und b) Inkontaktbringen des Abgases mit dem Reduktionskatalysator.

Das Inkontaktbringen beinhaltet dabei insbesondere ein Vorbeileiten eines Abgasstromes des Abgases an einer reaktiven Oberfläche des Reduktionskatalysators.

Die Auswahl des Reduktionskatalysators erfolgt mit der Maßgabe, daß zu jedem Zeitpunkt des Betriebs der Verbrennungseinrichtung der Reduktionskatalysator zum Einsatz kommt, der unter den jeweiligen Bedingungen Stickoxid am effizientesten reduzieren kann. Die Auswahl des Reduktionskatalysators bzw. eine zeitliche Abfolge der Auswahl kann vorgegeben sein. Beispielsweise zeichnet sich der Betrieb der Verbrennungseinrichtung durch eine Startphase und einen Normalbetrieb aus. Während der Startphase steigt die Temperatur (Betriebstemperatur) der Verbrennungseinrichtung und damit auch die Temperatur des Abgases an, bis eine mehr oder weniger konstante Temperatur bei Normalbetrieb der Verbrennungseinrichtung erreicht wird. Bei Kenntnis eines Temperaturverlaufs des Abgases kann dafür gesorgt werden, daß nach einer bestimmten Zeit ein Umschalten von einem Reduktionskatalysator auf den anderen Reduktionskatalysator stattfindet.

Denkbar ist auch, daß während des Betriebs der Verbrennungsanlage ein Parameter gemessen wird, der zur Auswahl des Reduktionskatalysators herangezogen wird. Als Parameter kommen beispielsweise eine Temperatur der Vorrichtung oder ein Partialdruck bzw. eine Konzentration eines Bestandteils des Abgases in Frage.

In einer besonderen Ausgestaltung wird dabei eine Temperatur der Verbrennungseinrichtung, des Abgases und/oder zumindest eines der Reduktionskatalysatoren detektiert und aufgrund der Temperatur die Auswahl des Reduktionskatalysators getroffen. Zwischen dem Abgas, das mit einem Reduktionskatalysator in Kontakt steht, und dem Reduktionskatalysator stellt sich ein thermisches Gleichgewicht ein. Der Reduktionskatalysator hat die gleiche Temperatur wie das Abgas. Deshalb genügt es, die Temperatur des Abgases zu bestimmen, um auf die Temperatur des Reduktionskatalysators rückzuschließen. Ist die Temperatur eine Reaktionstemperatur des Reduktionskatalysators, kann es sinnvoll sein, den Reduktionskatalysator auszuwählen.

In einer weiteren Ausgestaltung wird eine Konzentration mindestens eines Bestandteils des Abgases detektiert und aufgrund der Konzentration die Auswahl des Reduktionskatalysators getroffen, mit dem das Abgas in Kontakt gebracht werden soll. Der Bestandteil ist insbesondere aus der Gruppe Sauerstoff, Stickoxid, Stickstoff, Wasser und/oder Reduktionsmittels des Stickoxids ausgewählt. Das Reduktionsmittel ist insbesondere Ammoniak. Denkbar ist auch, daß die Konzentration eines Reaktionsprodukts der Verbrennung und/oder der Reduktion (z. B. Kohlendioxid, Kohlenwasserstoff etc.) verwendet wird. Beispielsweise wird die Konzentration von Ammoniak nach einem Verlassen des Abgases eines Reduktionskatalysator gemessen.

In einer besonderen Ausgestaltung fällt in einer Startphase der Verbrennungseinrichtung die Auswahl auf einen Reduktionskatalysator mit niedriger Reduktionstemperatur aus einem Temperaturbereich von -40°C bis 200°C. Sobald die Startphase vorüber ist, d. h. sobald die Temperatur der Verbrennungseinrichtung bzw. des Abgases über 200°C steigt, wird des Abgas mit einem Reduktionskatalysator in Kontakt gebracht, dessen Reduktionstemperatur in einem Temperaturintervall von 200°C bis z. B. 600°C liegt.

In einer besonderen Ausgestaltung sind weitere Verfahrensschritte vorgesehen: c) Bereitstellen eines gasförmigen Reduktionsmittels in einer Reaktionsumgebung der Reduktion und d) Herstellen einer Verbindung zwischen zumindest einem der Reduktionskatalysatoren und dem Reduktionsmittel.

Das Bereitstellen des gasförmigen Reduktionsmittels erfolgt insbesondere durch ein Speichermedium für das Reduktionsmittel, wobei das Speichermedium vorzugsweise ein Festkörper ist mit einer großen Oberfläche zur Adsorption bzw. Chemiesorption des Reduktionsmittels. Es wird insbesondere ein Festkörper mit einem Zeolith oder einem Metallhydrid verwendet.

Vorzugsweise erfolgt das Bereitstellen des Reduktionsmittels durch ein Anordnen des Speichermediums mit dem Reduktionsmittel in einem Speicherbehälter, der in die Reaktionsumgebung angeordnet wird. Das Anordnen des Speichermediums mit dem Reduktionsmittel im Speicherbehälter erfolgt innerhalb und/oder außerhalb der Reaktionsumgebung. Außerhalb bedeutet, daß das Speichermedium in einem austauschbaren Speicherbehälter angeordnet ist. Wenn das Reduktionsmittel des Speichermediums verbraucht ist, wird der Speicherbehälter gegen eine Speicherbehälter mit beladenem Reduktionsmittel ausgetauscht.

Innerhalb der Reaktionsumgebung erfolgt das Anordnen des Speichermediums mit dem Reduktionsmittel im Speicherbehälter bevorzugt dadurch, daß aus einem außerhalb der Reaktionsumgebung befindlichen Vorratsbehälter des Speichermediums mit dem Reduktionsmittel das Speichermedium über ein Rohr und/oder einen Schlauch in den Speicherbehälter, der sich in der Reaktionsumgebung befindet, eingefüllt wird. Beispielsweise wird verbrauchtes Speichermedium aus dem Speicherbehälter entfernt und unverbrauchtes, mit dem Reduktionsmittel beladenes Speichermedium aus einem externen Silo (Vorratsbehälter) über den Schlauch in den entleerten Speicherbehälter gefüllt wird. Das Speichermedium ist dazu vorzugsweise rieselfähig. Es liegt als Pulver oder als Granulat vor.

In einer besonderen Ausgestaltung erfolgt das Herstellen der Verbindung zwischen dem Reduktionskatalysator und dem Reduktionsmittel vor während und/oder nach der Reduktion des Stickoxids durch den Reduktionskatalysator. Bei einem oben beschriebenen SCR-Reduktionskatalysator wird beispielsweise das Reduktionsmittel während der Reduktion benötigt. Bei einem CLTC-Reduktionskatalysator kann während der Reduktion von Stickoxid das Reduktionsmittel zur Verfügung gestellt werden. Wenn ein derartiger Reduktionskatalysator beispielsweise nur in der kurzen Startphase der Verbrennungseinrichtung benötigt wird, kann es ausreichend sein, wenn nach oder vor dem Einsatz des Reduktionskatalysators der Reduktionskatalysator mit gasförmigen Reduktionsmittel beaufschlagt und auf diese Weise regeneriert wird.

Mit der beschriebenen Vorrichtung und dem beschriebenen Verfahren verbinden sich folgende Vorteile, die sich insbesondere dann ergeben, wenn Ammoniak als Reduktionsmittel zum Einsatz kommt:

- Die Reduktion von Stickoxid mit Ammoniak liefert umweltverträgliche Reaktionsprodukte.
- Es gibt verschiedene Katalyseverfahren unter Verwendung von Ammoniak als Reduktionsmittel, mit denen jeweils ein unterschiedliches Temperaturintervall zur Reduktion abgedeckt werden kann.
- Als Reduktionskatalysator mit niedriger Reduktionstemperatur wird insbesondere ein Reduktionskatalysator mit einem Zeolith verwendet.
- Für die Reduktion bei einer höheren Reaktionstemperatur wird vorzugsweise auf eine Reduktionskatalysator zurückgegriffen, wie er beispielsweise aus dem DENOX- Verfahren bekannt ist.
- Zudem gibt es eine Vielzahl fester, leicht handhabbarer Speichermedien für Ammoniak zum Bereitstellen des Ammoniak, insbesondere in der Reaktionsumgebung der Reduktion.
- Mit Hilfe der Speichermedien kann Ammoniak sicher und einfach bereitgestellt werden. Ebenso ist ein sicheres "Nachtanken und "Entsorgen" des Speichermediums bzw. des Reduktionsmittels möglich. Es kann ein effizientes Wiederverwertungssystem (Recyclingsystem) installiert werden.

Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Zeichnungen wird im folgenden eine Vorrichtung 1 und ein Verfahren 40 zur Reduktion von Stickoxid eines Abgases einer Verbrennungseinrichtung vorgestellt. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt einer Vorrichtung mit einem Speichermedium zum Bereitstellen des Reduktionsmittels.

Fig. 4 zeigt ein Verfahren zur Reduktion von Stickoxiden eines Abgases.

Fig. 5 zeigt, wie innerhalb der Reaktionsumgebung der Speicherbehälter mit dem Speichermedium befüllt werden kann.

Fig. 6 zeigt einen Ausschnitt eines Speichermediums in Form eines Schüttguts.

Ausgangspunkt ist das Abgas 2 eines Motors 5 eines Kraftfahrzeugs mit Stickoxid 20 (Fig. 1, 2 und 3). Das Abgas 2 wird durch ein Abgasrohr 10 geleitet. Das Abgasrohr 10 weist eine erste und eine zweite Verzweigung 13 und 14 auf. An der ersten Verzweigung 13 mündet das Abgasrohr 10 in ein erstes Teilrohr 11 mit einem ersten Reduktionskatalysator 3 und in ein weiteres Teilrohr 12 mit dem weiteren Reduktionskatalysator 4. Nach den Reduktionskatalysatoren 3 und 4 sind an der zweiten Verzweigung 14 das erste und das zweite Teilrohr 11 und 12 wieder zusammengeführt.

Der erste Reduktionskatalysator 3 ist ein Zeolith mit einer Reduktionstemperatur aus dem Temperaturintervall von -40°C bis 200°C (CLTC-Reduktionskatalysator). Dieser Reduktionskatalysator wird vornehmlich zur Reduktion von Stickoxid in der Startphase des Motors 5 eingesetzt. An der Oberfläche des Zeoliths liegt das Reduktionsmittel Ammoniak 18 vor. Der Zeolith 3 ist ein Granulat 28, das sich in einem Katalysatorbehälter 9 mit einer Widerstandsheizung 8 befindet. Mit Hilfe der Widerstandsheizung 8 kann der Reduktionskatalysator 3 beheizt werden. Dadurch kann die Temperatur des Reduktionskatalysators zu einer effizienten Reduktion zusätzlich gesteuert werden. Der Katalysatorbehälter 9 ist Teil des ersten Teilrohres 11 und kann leicht ausgewechselt werden.

Der weitere Reduktionskatalysator 4 weist einen porösen Keramikkörper auf, dessen Oberfläche mit einer Legierung aus Platin und Rhodium belegt ist (DENOX-Katalysator). Die Reduktionstemperatur des weiteren Reduktionskatalysator 4 liegt im Temperaturintervall von 200°C bis 600°C. Zur Reduktion des Stickoxids wird Ammoniak 18 an der reaktiven Oberfläche (Legierung) des DENOX-Katalysators (SCR- Reduktionskatalysator) vorbeigeleitet.

Beispiel 1

Am ersten Verzweigungspunkt 13 ist ein Mittel zum Erzeugen des Kontakts des Abgases 2 und einem der Reduktionskatalysatoren 3 und 4 in Form eines Wechselventils 6 angeordnet (Fig. 1). Mit Hilfe des Wechselventils 6 wird der Abgasstrom 2 entweder in Richtung des ersten Reduktionskatalysators 3 oder in Richtung des weiteren Reduktionskatalysators 4 geleitet. Die Temperatur des Abgases 2 wird während des Betriebs des Motors 5 detektiert. Im Abgasstrom 15 oder in unmittelbarer Nähe zum Abgasstrom 15 ist ein Thermoelement 16 vorhanden, das während des Betriebs die Temperatur des Abgases 2 detektiert. Aufgrund eines dadurch generierten Signals wird das Wechselventil 6 am ersten Verzweigungspunkt 13 angesteuert. Es findet die Auswahl des Reduktionskatalysators statt (Verfahrensschritt 41, Fig. 4). Befindet sich die Temperatur unter 200°C, wird der erste Reduktionskatalysator 3 ausgewählt. Über das Wechselventil 6 erfolgt das Inkontaktbringen des Abgases 2 und des ersten Reduktionskatalysators 3. Liegt die Temperatur des Abgases 2 über 200°C, wird das Abgas 2 durch das weitere Teilrohr 12 zu dem weiteren Reduktionskatalysator 4 geleitet (Verfahrensschritt 42, Fig. 4).

Beispiel 2

Anstelle des Wechselventils 6 sind in jedem der Teilrohre 11 und 12 vor den Reduktionskatalysatoren jeweils ein Durchgangsventil 7 als Mittel zum Erzeugen des Kontakts vorhanden (Fig. 2).

Beispiel 3

Eine weitere Ausführungsform unterscheidet sich von der des Beispiels 1 dadurch, daß am zweiten Verzweigungspunkt 14 ein zweites Wechselventil 6 angeordnet ist. Es wird synchron zum Wechselventil 6 am ersten Verzweigungspunkt 13 so angesteuert, daß der Abgasstrom 15 durch das entsprechendes Teilrohr 11 oder 12 nach Außen gelangt. Durch die Stellung der Wechselventile 6 ist jeweils ein Reduktionskatalysator 3 oder 4 gegenüber dem Abgas 2 bzw. der Umgebung isoliert. Es findet kein Stoffaustausch statt.

Beispiel 4

Anstelle der zwei Wechselventile 6 aus Beispiel 3 sind in dem ersten und im zweiten Teilrohr 11 und 12 vor und nach den Reduktionskatalysatoren 3 und 4 Durchgangsventile 7 vorhanden. Mit Hilfe der Durchgangsventile kann wie im Beispiel 3 ein Reduktionskatalysator gegen das Abgas 2 isoliert werden.

Beispiel 5

Zur Versorgung der Reduktionskatalysatoren 3 und 4 mit Ammoniak 18 ist bei den zuvor beschriebenen Beispielen zusätzlich in der Reaktionsumgebung 17 der Reduktion der Speicherbehälter 22 für das Speichermedium 21 mit dem Ammoniak 18 angeordnet. Die Reaktionsumgebung 17 ist das Kraftfahrzeug. Das Speichermedium 21 im Speicherbehälter 22 ist ein Zeolith. Der Zeolith liegt als Granulat vor.

Bei Bedarf an Ammoniak 18 wird zwischen dem Speicherbehälter mit dem Speichermedium und dem entsprechendem Reduktionskatalysator 3 bzw. 4 eine Verbindung 29 hergestellt, so daß Ammoniak zu den Reduktionskatalysatoren geleiten wird. Zur Herstellung der Verbindung wird wahlweise eines der Ventile 30 geöffnet. Der Speicherbehälter wird durch eine Widerstandsheizung 23 erhitzt. Dadurch wird Ammoniak desorbiert und zu den Reduktionskatalysatoren 3 und 4 geleitet. Der DENOX-Katalysator 4 wird während seines Kontakts mit dem Abgas zur Reduktion von Stickoxid ständig auf diese Weise mit Ammoniak versorgt. Im Gegensatz dazu wird der CLTC-Reduktionskatalysator 3 nach der Startphase des Motors bzw. nach Gebrauch des Reduktionskatalysators 3 (Temperatur des Abgases über 200°C) mit Ammoniak beaufschlagt.

In Fig. 5 ist gezeigt, wie innerhalb der Reaktionsumgebung 17 der Speicherbehälter 22 mit dem Speichermedium 21 befüllt werden kann. Der Speicherbehälter 22 verfügt über ein Ausflußöffnung 24 zum Entleeren des Speicherbehälters 22. Verbrauchtes Speichermedium kann durch dieses Ausflußöffnung 24 aus dem Speicherbehälter 22 rieseln. Zudem weist der Speicherbehälter 22 ein Einfüllöffnung 25 auf, durch das mit Hilfe eines Schlauchs 26 aus einem außerhalb der Reaktionsumgebung 17 befindlichem Vorratsbehälter 27 das mit Ammoniak 18 beladene Speichermedium 21 in den Speicherbehälter 22 gelangen kann.

Claims

1. Vorrichtung zur Reduktion eines Stickoxids (20) eines Abgases (2) einer Verbrennungseinrichtung (5), aufweisend einen Reduktionskatalysator (3, 4) zur Reduktion des Stickoxids (20) bei einer bestimmten Reduktionstemperatur, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein weiterer Reduktionskatalysator (4, 3) vorhanden ist zur Reduktion des Stickoxids (20) bei zumindest einer von der bestimmten Reduktionstemperatur verschiedenen weiteren Reduktionstemperatur.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Mittel (6, 7) zum Erzeugen eines Kontakts zwischen dem Abgas (2) und zumindest einem der Reduktionskatalysatoren (3, 4) vorhanden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Mittel (6, 7) zum Erzeugen des Kontakts ein Ventil ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zumindest einer der Reduktionskatalysatoren (3, 4) zumindest ein Reduktionsmittel (18) des Stickoxids (20) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Reduktionsmittel (18) ein Gas ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Gas Ammoniak ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zumindest einer der Reduktionskatalysatoren (3, 4) mindestens einen Zeolith (19) aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zumindest einer der Reduktionskatalysatoren (3, 4) mindestens ein Edelmetall aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Edelmetall Platin ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei mindestens ein Speichermedium (21) des Reduktionsmittels (18) zum Bereitstellen des Reduktionsmittels (18) vorhanden ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Speichermedium (21) ein Festkörper (19) ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Festkörper (19) ein Schüttgut (28) ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Festkörper (19) Zeolith aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei das Speichermedium (21) für das Bereitstellen in einem Speicherbehälter (22) angeordnet ist zum Einbringen des Speichermediums (21) in eine Reaktionsumgebung (17) und/oder zum Entfernen des Speichermediums (21) aus der Reaktionsumgebung (17) der Reduktion.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der Speicherbehälter (22) zumindest eine Öffnung (24, 25) aufweist zum Befüllen des Speicherbehälters (22) mIt dem Speichermedium (21) und/oder zum Entleeren des Speicherbehälters (22) in der Reaktionsumgebung (17).

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei ein Mittel (23) zum Temperieren des Speichermediums (21) vorhanden ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei das Speichermedium (21) mit einem Druck beaufschlagt werden kann.

18. Verfahren zur Reduktion von Stickoxid (20) eines Abgases (2) einer Verbrennungseinrichtung (5) mit einem Reduktionskatalysator (3, 4) zur Reduktion des Stickoxids (20) bei einer bestimmten Temperatur und zumindest einem weiteren Reduktionskatalysator (4, 3) zur Reduktion des Stickoxids (20) bei einer von der bestimmten Reduktionstemperatur verschiedenen weiteren Reduktionstemperatur mit den Verfahrensschritten:

a) Auswahl zumindest eines der Reduktionskatalysatoren (3, 4), mit dem das Abgas (2) zur Reduktion des Stickoxids (20) in Kontakt gebracht werden soll, und
b) Inkontaktbringen des Abgases (2) mit dem Reduktionskatalysator (3, 4).

19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Inkontaktbringen ein Vorbeileiten eines Abgasstromes (15) des Abgases (2) an einer reaktiven Oberfläche des Reduktionskatalysators (3, 4) beinhaltet.

20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, wobei eine Temperatur der Verbrennungseinrichtung (5), des Abgases (2) und/oder zumindest eines der Reduktionskatalysatoren (3, 4) detektiert und aufgrund der Temperatur die Auswahl des Reduktionskatalysators (3, 4) getroffen wird, mit dem das Abgas (2) in Kontakt gebracht werden soll.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei eine Konzentration mindestens eines Bestandteils des Abgases (2) im Abgas (2) detektiert und aufgrund der Konzentration die Auswahl des Reduktionskatalysators (3, 4) getroffen wird, mit dem das Abgas (2) in Kontakt gebracht werden soll.

22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Bestandteil aus der Gruppe Sauerstoff, Stickoxid, Stickstoff, Wasser und/oder Reduktionsmittel des Stickoxids ausgewählt ist.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, wobei die Auswahl des Reduktionskatalysators in einer Startphase der Verbrennungseinrichtung auf einen Reduktionskatalysator mit niedriger Reduktionstemperatur aus einem Temperaturbereich von -40°C bis 200°C fällt.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23 mit den weiteren Verfahrensschritten:

a) Bereitstellen eines gasförmiges Reduktionsmittels (18) in einer Reaktionsumgebung (17) der Reduktion und
b) Herstellen einer Verbindung zwischen zumindest einem der Reduktionskatalysatoren (3, 4) und dem Reduktionsmittel (18).

25. Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Bereitstellen des gasförmigen Reduktionsmittels durch ein Speichermedium (21) für das Reduktionsmittel (18) erfolgt.

26. Verfahren nach Anspruch 25, wobei als Speichermedium (21) ein Festkörper verwendet wird.

27. Verfahren nach Anspruch 26, wobei ein Festkörper mit einem Zeolith (19) verwendet wird.

28. Verfahren nach einem der Anspruch 24 bis 27, wobei das Bereitstellen des Reduktionsmittels durch ein Anordnen des Speichermediums (21) mit dem Reduktionsmittel (18) in einem Speicherbehälter (22) erfolgt, der in die Reaktionsumgebung (17) angeordnet wird.

29. Verfahren nach Anspruch 28, wobei das Anordnen des Speichermediums (21) mit dem Reduktionsmittel (18) im Speicherbehälter (22) innerhalb und/oder außerhalb der Reaktionsumgebung (17) erfolgt.

30. Verfahren nach Anspruch 29, wobei das Anordnen des Speichermediums mit dem Reduktionsmittel im Speicherbehälter innerhalb der Reaktionsumgebung dadurch erfolgt, daß aus einem außerhalb der Reaktionsumgebung (17) befindlichen Vorratsbehälter (27) das Speichermedium mit dem Reduktionsmittel über ein Rohr und/oder einen Schlauch (26) in den Speicherbehälter (22), der sich in der Reaktionsumgebung (17) befindet, eingefüllt wird.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 30, wobei das Herstellen der Verbindung zwischen dem Reduktionskatalysator und dem Reduktionsmittel vor während und/oder nach der Reduktion des Stickoxids durch den Reduktionskatalysator erfolgt.

32. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 31, wobei als Reduktionsmittel Ammoniak verwendet wird.

33. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 32, wobei als Reduktionskatalysator mit niedriger Reduktionstemperatur ein Reduktionskatalysator mit einem Zeolith verwendet wird.