DE19960430B4 - Abgasreinigungsanlage mit Stickoxid-Speicherkatalysator und Schwefeloxid-Falle und Betriebsverfahren hierfür - Google Patents

Abgasreinigungsanlage mit Stickoxid-Speicherkatalysator und Schwefeloxid-Falle und Betriebsverfahren hierfür Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Abgasreinigungsanlage, die einen NOx-Adsorptionsspeicher (2) und eine SOx-Falle (1) umfaßt, bei dem in Normalbetriebsphasen das zu reinigende Abgas zuerst über die SOx-Falle (1) und dann über den NOx-Adsorptionsspeicher (2) geleitet wird und die Normalbetriebsphasen von Zeit zu Zeit durch Desulfatisierungsphasen zur Desulfatisierung der SOx-Falle (1) unterbrochen werden, wobei das Abgas während der Desulfatisierungsphasen zuerst über den NOx-Adsorptionsspeicher (2) und dann über die SOx-Falle (1) geleitet wird dadurch gekennzeichnet, dass während der Desulfatisierungsphasen Sekundärluft zum Abgas stromabwärts der SOx-Falle (1) eingespeist und das mit Sekundärluft angereicherte Abgas einem Oxidationskatalysator (10) zugeführt wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer Abgasreinigungsanlage, die einen Stickoxid-Adsorptionsspeicher und eine Schwefeloxid-Falle umfaßt, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf eine nach diesem Verfahren betreibbare Abgasreinigungsanlage.
  • Abgasreinigungsanlagen mit einem Stickoxid(NOx)-Adsorptionsspeicher, wie einem NOx-Adsorberkatalysator, werden insbesondere in Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor eingesetzt, um den Stickoxidausstoß des Verbrennungsmotors zu minimieren. Dazu wird bekanntermaßen in Betriebsphasen mit ungünstigen Stickoxidreduktionsbedingungen, wie im Magerbetrieb, Stickoxid im NOx-Speicher durch einen Adsorptionsvorgang zwischengespeichert, das dann in einer hierfür geeigneten späteren Reduktionsbetriebsphase, wie im Fettbetrieb, wieder zu Stickstoff umgewandelt werden kann. Unter Mager- bzw. Fettbetrieb ist hierbei wie üblich ein Betrieb mit sauerstoffreicher bzw. sauerstoffarmer Abgaszusammensetzung zu verstehen, z.B. bewirkt durch einen Motorbetrieb mit magerem bzw. fettem Motorluftverhältnis, d.h. oberhalb bzw. unterhalb des stöchiometrischen Wertes liegendem Luft/Kraftstoff-Verhältnis des im Motor verbrannten Luft/Kraftstoff-Gemischs.
  • Mit der SOx-Falle wird einer Schwefelvergiftung des NOx-Adsorbers vorgebeugt. Diese ist dadurch bedingt, daß besonders im Magerbetrieb des Motors aufgrund von Schwefel, der in üblichen Kraftstoffen und Motorölen enthalten ist, Schwefeldioxid im Abgas vorhanden ist, das durch Sulfatbildung vom NOx-Adsorber aufgenom men wird, was dessen NOx-Speicherkapazität verringert. Die SOx-Falle verhindert dies, indem sie die Schwefeloxide vor Erreichen des NOx-Adsorptionsspeichers abfängt. Spätestens wenn ihre SOx-Speicherkapazität erschöpft ist, wird sie einer Desulfatisierung unterzogen. Zur Erzielung einer effektiven Desulfatisierung ist es bekannt, erhöhte Abgastemperaturen von z.B. über 600°C und ein fettes, d.h. unterhalb des stöchiometrischen Wertes liegendes Abgasluftverhältnis einzustellen.
  • In der nicht vorveröffentlichten, älteren deutschen Patentanmeldung 199 22 962 wird ein weiteres spezielles Verfahren zur periodischen Desulfatisierung eines Stickoxid- oder Schwefeloxidspeichers einer Abgasreinigungsanlage unter Verwendung von Sekundärluftzufuhrmitteln beschrieben. Bei diesem Verfahren wird die Abgasreinigungsanlage während eines Teils der Desulfatisierungsperiode so betrieben, daß nach Erreichen einer vorgebbaren Desulfatisierungstemperatur das Speicherluftverhältnis, d.h. das Luftverhältnis des dem zu desulfatisierenden Speicher zugeführten Abgases, durch entsprechende Änderung der zugeführten Sekundärluftmenge zwischen einer oxidierenden Atmosphäre einerseits und einer reduzierenden Atmosphäre andererseits oszillierend umgeschaltet wird.
  • In der Patentschrift DE 197 47 222 C1 wird ein Verfahren zum Betrieb einer Abgasreinigungsanlage beschrieben, bei dem nach Bedarf von Zeit zu Zeit ein NOx-Speicherkatalysator desulfatisiert, d.h. von eingelagertem Sulfat befreit wird. Die Abgasreinigungsanlage umfaßt Sekundärluftzufuhrmittel mit einer Sekundärluftleitung und einer Sekundärluftpumpe, die z.B. von einem Motorsteuergerät ansteuerbar ist.
  • Problematisch ist bei der herkömmlichen periodischen Regeneration der SOx-Falle, daß der nachfolgende NOx-Speicherkatalysator mit den aus der SOx-Falle freigesetzten Schwefelkomponenten belastet wird, was in ungünstigen Fällen zu einer teilweisen Blockierung von dessen NOx-Speicherfähigkeit duch Sulfatanlagerung führen kann. Die DE 198 02 631 A1 offenbart eine Abgasreinigungsanlage, bei der dieser Problematik dadurch begegnet wird, daß in dem Abgasstrang ein den NOx-Speicherkatalysator umgehender Bypass vorgesehen ist, über den das Abgas während einer jeweiligen Desulfatisierung des SOx-Speicherkatalysators am NOx-Speicherkatalysator vorbeigeleitet wird.
  • Aus der EP 0 953 738 B1 ist eine Abgasreinigungsvorrichtung mit einer Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung bekannt, mit welcher in einer ersten Stellung das Abgas zunächst durch ein SOx-Absorptionselement und anschließend durch ein NOx-Speicher/Reduktionskatalysator geleitet wird. Soll im SOx-Absorptionselement absorbierter Schwefel desorbiert werden (Desulfatisierung), so wird durch die Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung in eine zweite Stellung umgeschalten, so dass Abgas zunächst durch den NOx-Speicher-/Reduktionskatalysator und anschließend durch ein SOx-Absorptionselement geleitet wird.
  • Die EP 0 989 288 A1 betrifft ebenfalls eine Abgasnachbehandlungsanlage mit einem NOx-Absorber und einen SOx-Absorber, bei welcher die Strömungsrichtung des Abgases so umgestellt werden kann, dass das Abgas zunächst durch einen NOx-Absorber und anschließend durch einen SOx-Absorber oder umgekehrt (bei einer Desulfatisierung) geleitet werden kann.
  • Durch die Umschaltung der Abgasströmungsrichtung bei der Desulfatsisierung des SOx-Absorbers kann zwar verhindert werden, dass der NOx-Speicher-/Reduktionskatalysator mit freigesetztem Schwefel belastet wird, jedoch gelangen dabei freigesetzte unerwünschte Schwefelverbindungen wie H2S oder COS in die Umgebung.
  • Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer Abgasreinigungsanlage und eines Betriebsverfahren der eingangs genannten Art zugrunde, die mit möglichst wenig Aufwand eine Desulfatisierung der SOx-Falle ermöglichen, so daß eine Schwefelvergiftung des Stickoxid-Speicherkatalysators und eine Abgabe von unerwünschten Schwefelverbindungen in die Umgebung vermieden wird.
  • Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Betriebsverfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer Abgasreinigungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 2.
  • Beim Verfahren nach Anspruch 1 wird die Abgasströmungsrichtung während der Desulfatisierungsphasen anders gewählt als während der Normalbetriebsphasen. Während der Normalbetriebsphasen wird das zu reinigende Abgas wie üblich zuerst über die SOx-Falle und dann über den NOx-Adsorptionsspeicher geleitet. Die im Stickoxid-Adsorptionsspeicher unerwünschten Schwefeloxidbestandteile des Abgases bleiben in der SOx-Falle gefangen, sofern die Speicherkapazität der SOx-Falle noch nicht erschöpft ist und noch kein Sättigungsverhalten auftritt. Wenn die Desulfatisierungsphase gewählt wird, wird die Abgasströmung so umgestellt, daß sie die beiden Abgasreinigungskomponenten SOx-Falle und NOx-Adsorptionsspeicher in umgekehrter Richtung durchströmt, d.h. zuerst über den NOx-Adsorptionsspeicher und dann über die SOx-Falle geleitet wird. Dies verhindert während der Desulfatisierung der SOx-Falle eine Belastung des NOx-Adsorptionsspeichers mit freigesetzten Schwefelverbindungen.
  • Erfindungsgemäß wird bei dem Verfahren Sekundärluft während der Desulfatisierungsphase stromabwärts der SOx-Falle in das Abgas eingespeist. Die Sekundärluft wird dazu benutzt, unerwünschte, in der SOx-Falle freigesetzte Schwefelverbindungen, wie H2S und COS, zu oxidieren, wozu der SOx-Falle ein Oxidationskatalysator nachgeschaltet ist.
  • Anspruch 2 charakterisisert eine Abgasreinigungsanlage, die mit einer SOx-Falle und einem NOx-Adsorptionsspeicher ausgestattet und erfindungsgemäß betreibbar ist. Dazu weist sie Mittel zur Umkehrung der Abgasströmungsrichtung derart auf, daß der Abgas strom wahlweise zuerst durch die SOx-Falle und dann durch den NOx-Adsorptionsspeicher oder umgekehrt zuerst durch letzteren und dann durch die SOx-Falle geleitet werden kann. Als weitere Komponenten sind ein Oxidationskatalysator und Sekundärluftzufuhrmittel derart vorgesehen, daß sie sich zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 eignet.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen veranschaulicht. Hierbei zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Abgasreinigungsanlage in einer Normalbetriebsphase und
  • 2 die Abgasreinigungsanlage von 1 in einer Desulfatisierungsbetriebsphase.
  • Die 1 und 2 zeigen schematisch einen hier interessierenden Teil einer Abgasreinigungsanlage mit einer SOx-Falle 1, auch als SOx-Speicherkatalysator bezeichnet, und einem katalytisch wirksamen Stickoxidadsorber, d.h. einem NOx-Speicherkatalysator 2. Im gezeigten Beispiel befinden sich die SOx-Falle 1 und der NOx-Speicherkatalysator 2 seriell geschaltet in einem gemeinsamen Gehäuse 3, das in einem zugehörigen Abschnitt 4 eines Abgas strangs angeordnet ist, der das zu reinigende Abgas 5 führt. Alternativ können die beiden Abgasreinigungskomponenten 1, 2 in getrennten Gehäusen seriell im Abgasstrangabschnitt 4 angeordnet sein.
  • Charakteristischerweise weist die gezeigte Abgasreinigungsanlage Mittel zur Umkehrung der Strömungsrichtung des durch den Abgasstrangabschnitt 4, in welchem die SOx-Falle 1 und der NOx-Speicherkatalysator 2 angeordnet sind, strömenden Abgases auf. Diese Mittel beinhalten eine Verzweigungsstelle 6, in welcher die beiden Anschlüsse des die SOx-Falle 1 und den NOx-Speicherkatalysator 2 enthaltenden Abgasstrangabschnitts 4 mit einer Abgaszufuhrleitung 7 und einer Abgasabführleitung 8 zusammentreffen. In der Verzweigungsstelle 6 befindet sich eine steuerbare Klappe 9, die zwischen einer in 1 gezeigten Normalbetriebs-Position und einer in 2 gezeigten Desulfatisierungs-Position umschaltbar ist.
  • In der Normalbetriebs-Position gemäß 1 leitet die Klappe 9 das über die Zufuhrleitung 7 zugeführte Abgas in den in 1 linken Teil des Abgasstrangabschnitts 4, so daß es dort zuerst über die SOx-Falle 1 und dann über den NOx-Speicherkatalysator 2 strömt, von wo es zur Verzweigungsstelle 6 zurückkehrt und durch die Strömungsleitwirkung der Klappe 9 in die Abführleitung 8 geleitet wird. In ihrer in 2 gezeigten Stellung leitete die Klappe 9 hingegen das zugeführte Abgas in den rechten Teil des die beiden Abgasreinigungskomponenten 1, 2 enthaltenden Abgasstrangabschnitts 4, so daß das Abgas zuerst über den NOx-Speicherkatalysator 2 und dann über die SOx-Falle 1 strömt, von wo es zur Verzweigungsstelle 6 zurückkehrt und wiederum unter der Wirkung der Klappe 9 in die Abführleitung 8 geleitet wird.
  • Alternativ zu der Klappe 9 kann jedes andere herkömmliche Strömungsleitmittel verwendet werden, das zwischen zwei Stellungen umsteuerbar ist, um in der einen Stellung das Abgas in der einen Richtung und in der anderen Stellung in der anderen Richtung durch den die SOx-Falle 1 und den NOx-Speicherkatalysator 2 enthaltenden Abgasstrangabschnitt 4 zu leiten, z.B. ein entsprechenden Vier-Wege-Ventil oder ein geeignetes Schieber- bzw. Öffnerelement. Weiter versteht sich, daß zusätzlich zu den vorliegend gezeigten Abgasreinigungskomponenten je nach Bedarf weitere abgasreinigende Komponenten, insbesondere weitere Katalysatorkörper, vorgesehen sein können, z.B. ein Dreiwegekatalysator oder ein Stickoxidreduktionskatalysator in der Abgasabführleitung 8. Die dergestalt aufgebaute Abgasreinigungsanlage, die insbesondere zur Abgasreinigung bei einem Otto- oder Dieselmotor eines Kraftfahrzeuges geeignet ist, ermöglicht folgende vorteilhafte Betriebsweise.
  • Während sogenannten Normalbetriebsphasen wird die Klappe 9 in ihre Normalbetriebs-Position von 1 gesteuert. Das zu reinigende Abgas 5 erreicht dann zuerst die SOx-Falle 1, welche im Abgas gegebenenfalls enthaltene Schwefelverbindungen adsorptiv aufnimmt, wonach das von Schwefel befreite Abgas dem NOx-Speicherkatalysator 2 zugeführt wird. Die Funktion des NOx-Speicherkatalysators 2 unterscheidet sich dann danach, ob er während der Normalbetriebsphase gerade im Adsorptionsbetrieb oder im Desorptionsbetrieb gefahren wird. Im Adsorptionsbetrieb nimmt der NOx-Speicherkatalysator 2 im Abgas enthaltene Stickoxide adsorptiv auf, während er im Desorptionsbetrieb die adsorptiv zwischengespeicherten Stickoxide wieder freigibt, die dann zu Stickstoff reduziert werden, wozu der NOx-Speicherkatalysator 2 gleichzeitig als Stickoxidreduktionskatalysator wirken oder ihm ein solcher als separater Katalysatorkörper nachgeschaltet sein kann, wie dem Fachmann geläufig. Bekanntermaßen wird der NOx-Speicherkatalysator 2 vorzugsweise möglichst lange im Adsorptionsbetrieb gefahren, in der das Abgas eine magere Zusammensetzung haben kann, bis der NOx-Speicherkatalysator 2 einen bestimmten Beladungsgrad erreicht hat, wonach er in einer kurzzeitigen Desorptionsphase wieder von den eingelagerten Stickoxiden befreit wird. Der Desorptionsvorgang beinhaltet bekanntermaßen meist das Einstellen einer fetten Abgaszusammensetzung, z.B. durch entsprechende Um stellung des Luft/Kraftstoff-Gemischs, das von der abgaserzeugenden Verbrennungseinrichtung verbrannt wird, und/oder durch Einspritzung eines Reduktionsmittels, wie Ammoniak, in das Abgas stromaufwärts des NOx-Speicherkatalysators 2.
  • Im geschilderten Normalbetrieb ist somit die SOx-Falle 1 stromaufwärts des NOx-Speicherkatalysators 2 positioniert und verhindert eine Schwefelvergiftung des letzteren. Wenn nach längerer Normalbetriebsdauer die SOx-Falle 1 einen bestimmten Sättigungsgrad erreicht hat, wird der Normalbetrieb von einer sogenannten Desulfatisierungsphase unterbrochen. Dazu wird die Klappe 9 in ihre Desulfatisierungs-Position von 2 umgesteuert, mit der Folge, daß nun das ankommende Abgas zuerst über den NOx-Speicherkatalysator 2 und dann erst in die SOx-Falle 1 geleitet wird. Außerdem werden die üblichen Desulfatisierungsbedingungen eingestellt, was z.B. Zusammensetzung und Temperatur des Abgasstroms betrifft. Sollte sich im NOx-Speicherkatalysator 2 trotz der SOx-Falle 1 etwas Schwefel eingelagert haben, wird dieser während des Desulfatisierungsvorgangs freigesetzt. Im übrigen bewirkt der Desulfatisierungsvorgang eine Freisetzung des in Sulfatform in der SOx-Falle 1 eingelagerten Schwefels, so daß diese ihre Schwefelaufnahmefähigkeit wiedergewinnt.
  • Durch die Strömungsumkehr des Abgases im Abgasstrangabschnitt 4 während der Desulfatisierung im Vergleich zur Abgasströmungsrichtung im Normalbetrieb wird erreicht, daß das Abgas, welches die SOx-Falle 1 während des Desulfatisierungsvorgangs verläßt und mit dem freigesetzten Schwefel bzw. entsprechenden Schwefelverbindungen belastet ist, nicht in den NOx-Speicherkatalysator 2 gelangt. Auf diese Weise wird verhindert, daß sich während der Desulfatisierung der SOx-Falle 1 dort freigesetzter Schwefel in dem NOx-Speicherkatalysator 2 einlagern kann.
  • Da eine Emmision der beim Desulfatisieren der SOx-Falle 1 in das Abgas gelangenden Schwefelverbindungen, wie H2S und/oder COS, an die Umgebung im allgemeinen unerwünscht ist, ist ein Oxidationskatalysator 10 vorgesehen, der in Desulfatisierungs-Abgasströmungsrichtung hinter der SOx-Falle 1 noch im selben Abgasstrangabschnitt 4, wie in 2 dargestellt, oder in der anschließenden Abgasabführleitung 8 angeordnet ist. Um die störenden Schwefelverbindungen im Oxidationskatalysator 10 trotz der für die Desulfatisierung der SOx-Falle 1 im allgemeinen fett gewählten Zusammensetzung des zugeführten Abgases im Oxidationskatalysator 10 optimal umsetzen zu können, sind für diesen Fall zusätzlich Sekundärluftzufuhrmittel 11 herkömmlicher Art vorgesehen, wie in 2 schematisch wiedergegeben. Die Sekundärluftzufuhrmittel 11 speisen Luft an einer zwischen der SOx-Falle 1 und dem Oxidationskatalysator 10 gelegenen Sekundärlufteinlaßstelle 12 in den Abgasstrangabschnitt 4 während eines jeweiligen Desulfatisierungsvorgangs ein. Dadurch wird dem zum Oxidationskatalysator 10 strömenden Abgas ausreichend Sauerstoff zur Umsetzung der freigesetzten Schwefelverbindungen beigemischt.
  • Es versteht sich, daß zur Steuerung des Betriebs der Abgasreinigungsanlage eine entsprechend ausgelegte, nicht gezeigte Steuereinheit vorgesehen ist, die beispielsweise gleichzeitig zur Steuerung der das Abgas erzeugenden Verbrennungseinrichtung dienen kann, was dem Fachmann an sich geläufig ist und daher keiner näheren Erläuterung bedarf.
  • Aus der obigen Erläuterung eines Beispiels wird deutlich, daß sich das erfindungsgemäße Betriebsverfahren und die erfindungsgemäße Abgasreinigungsanlage zur Reinigung von Abgasen nicht nur eines Kraftfahrzeugmotors, sondern auch einer stationären Verbrennungseinrichtung eignen, wobei die Abgasreinigung einen periodischen Adsorptions- und Desorptionsbetrieb eines NOx-Adsorptionsspeichers, einen Schutz des NOx-Adsorptionsspeichers vor Schwefelvergiftung durch eine zugeordnete SOx-Falle und eine periodische Desulfatisierung der letzteren ohne Belastung des NOx-Adsorptionsspeichers mit freigesetzten Schwefelverbindungen ermöglicht.

Claims (2)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Abgasreinigungsanlage, die einen NOx-Adsorptionsspeicher (2) und eine SOx-Falle (1) umfaßt, bei dem in Normalbetriebsphasen das zu reinigende Abgas zuerst über die SOx-Falle (1) und dann über den NOx-Adsorptionsspeicher (2) geleitet wird und die Normalbetriebsphasen von Zeit zu Zeit durch Desulfatisierungsphasen zur Desulfatisierung der SOx-Falle (1) unterbrochen werden, wobei das Abgas während der Desulfatisierungsphasen zuerst über den NOx-Adsorptionsspeicher (2) und dann über die SOx-Falle (1) geleitet wird dadurch gekennzeichnet, dass während der Desulfatisierungsphasen Sekundärluft zum Abgas stromabwärts der SOx-Falle (1) eingespeist und das mit Sekundärluft angereicherte Abgas einem Oxidationskatalysator (10) zugeführt wird.
  2. Abgasreinigungsanlage, insbesondere für einen Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotor, mit – einer SOx-Falle (1) und – einem NOx-Adsorptionsspeicher (2), der seriell zur SOx-Falle (1) in einem Abgasstrang angeordnet ist, – Mitteln zur Steuerung der Strömungsrichtung des Abgasstromes wahlweise zuerst über die SOx-Falle (1) und dann über den NOx-Adsorptionsspeicher (2) oder zuerst über den NOx-Adsorptionsspeicher (2) und dann über die SOx-Falle (1) dadurch gekennzeichnet, dass – ein Oxidationskatalysator (10) im Abgasstrang auf der dem NOx-Adsorptionsspeicher (2) gegenüberliegenden Seite der SOx-Falle (1) und – Sekundärluftzufuhrmittel (11) mit einer zwischen der SOx-Falle (1) und dem Oxidationskatalysator (10) in den Abgasstrang mündenden Sekundärlufteinlaßstelle (12) vorgesehen sind.
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