DE2320304C2 - Verfahren zur thermischen Behandlung eines Verbrennungsabgases - Google Patents
Verfahren zur thermischen Behandlung eines VerbrennungsabgasesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung von luftverschmutzenden Stickoxiden aus Abgasen und
Rauchgasen.
Stickoxide können gemeinsam unter der Formel NOx zusammengefaßt werden und bilden sine Gruppe
von luftverschmutzenden Verbindungen. Die wichtigsten Stickoxide sind NO, Stickstoffoxid, ein farbloses
geruchloses Gas; NO2, Stickstoffdioxid, ein braunes
scharfriechendes Gas; N2O4, Distickstofftetroxid, eine
braune flüchtige Flüssigkeit und N2O, Stickstoffoxidul,
ein farbloses und geruchloses Gas. Von diesen Verbindungen kann N2O bei der Betrachtung der Luftverschmutzung
vernachlässigt werden, da Emissionsquellen sehr selten sind und das Gas in geringen Konzentrationen
überhaupt keine Wirkung auslöst
N2O4 ist ein Polymer des NO2, das sich beim Unterdrucksetzen
und Verflüssigen von NO2 bildet Wenn NO2 in irgendeiner Weise mit Luft verdünnt wird, existiert
N2O4 nicht mehr in wesentlichen Mengen.
• Verbrennungsabgas»; und Abgase werden aus den verschiedensten Quellen in die Atmosphäre abgegeben; wenn diese Abgase nicht zur Entfernung von toxischen Komponenten vorbehandelt werden, können Abgcse und Abfallprodukte die Atmosphäre verunreinigen. Ein großer Teil der NO2-Verunreinigung stammt von Kraftfahrzeugen und aus Heizquellen, während andererseits chemische Verfahren und Herstellungsprozesse sowie Elektrizitätswerke ebenfalls'zu diesem Verschmutzungsproblem beitragen. Die meisten Stickoxide entstehen beim Oxidieren von Brennstoffen, wobei ein Teil des Sauerstoffs sich in der Flamme weniger mit dem Brennstoff, sondern mit de^n atmosphärischen Stickstoff verbindet Dieser Prozeß tritt häufig in Flammen auf und wird als Stickstoffixa'ion bezeichnet. Inibesondere läßt sich dieser Vorgang bei den Abgasen aus Kraftfahrzeugmaschinen und den Rauchgasen von stationären Quellen wie Elektrizitätswerken und industriellen Anlagen feststellen. Abgase enthalten meist mehrere Komponenten wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Stickstoffoxide, Schwefelverbindungen, teilweise oxidierte Produkte und ähnliches in verschiedenen Konzentrationen. Es wird angenommen, daß ein Teil oder alle diese Verbindungen zu der Sinogentwicklung beitragen, ein Problem, unter dem zahlreiche Gebiete der USA und anderer Länder im Augenblick leiden.
• Verbrennungsabgas»; und Abgase werden aus den verschiedensten Quellen in die Atmosphäre abgegeben; wenn diese Abgase nicht zur Entfernung von toxischen Komponenten vorbehandelt werden, können Abgcse und Abfallprodukte die Atmosphäre verunreinigen. Ein großer Teil der NO2-Verunreinigung stammt von Kraftfahrzeugen und aus Heizquellen, während andererseits chemische Verfahren und Herstellungsprozesse sowie Elektrizitätswerke ebenfalls'zu diesem Verschmutzungsproblem beitragen. Die meisten Stickoxide entstehen beim Oxidieren von Brennstoffen, wobei ein Teil des Sauerstoffs sich in der Flamme weniger mit dem Brennstoff, sondern mit de^n atmosphärischen Stickstoff verbindet Dieser Prozeß tritt häufig in Flammen auf und wird als Stickstoffixa'ion bezeichnet. Inibesondere läßt sich dieser Vorgang bei den Abgasen aus Kraftfahrzeugmaschinen und den Rauchgasen von stationären Quellen wie Elektrizitätswerken und industriellen Anlagen feststellen. Abgase enthalten meist mehrere Komponenten wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Stickstoffoxide, Schwefelverbindungen, teilweise oxidierte Produkte und ähnliches in verschiedenen Konzentrationen. Es wird angenommen, daß ein Teil oder alle diese Verbindungen zu der Sinogentwicklung beitragen, ein Problem, unter dem zahlreiche Gebiete der USA und anderer Länder im Augenblick leiden.
Man nimmt an, daß derartige Verbrennungsprodukte mit Sauerstoff unter dem Einfluß von Sonnenlicht unter
Bildung des Smogs reagieren. Mit stetig wachsender Anzahl an Kraftfahrzeugen, insbesondere in Stadtgebieten,
nimmt die Abgabe derartiger Abgase in die Atmosphäre ständig zu, wodurch das Problem immer
schwieriger wird.
Verfahren zum Umwandeln von Auspuffa'ogasen in
weniger gefährliche Verbindungen wie Kohlendioxid, Stickstoff und Wasserdampf können auf katalytischer
oder thermischer Umwandlungsbasis beruhen. Bei den katalytischen Verfahren werden die Auspuffabgase
mit einem geeigneten Umwandlungskatalysator vor dem Ablassen in die Atmosphäre behandelt. Bei den
thermischen Methoden zur Entfernung von Kohlenwa«erstnfFen
und CO werden die Abgase auf eine ausreichend hohe Temperatur erhitzt oder bei einer solchen
Temperatur in Gegenwart von Sauerstoff belassen, wobei sie ohne Einsatz eines Katalysators verbrennen;
allerdings wird hierbei nicht das Stickstoffoxid entfernt. Bei allen diesen Verfahren ist es aber notwendig, mindestens
eine stöchiometrische M enge und vorzugsweise einen Überschuß an Sauerstoff oder Luft in den Abgasstrom
einzuführen; die Ausnahme bildet die katalytische Entfernung des NO durch CO.
Außerdem hat sich herausgestellt, daß viele der zur Oxidation uüd Behandlung der Abgase wie beispielsweise
der Reduktion von NO durch CO vor dem Abiassen in die Atmosphäre verwendeten Katalysatoren
durch Blei oder Bleiverbindungen und spurenweise
Bestandteile des Benzins wie Phosphor, Schwefel und Bleiverbindungen in der Wirksamkeit beeinträchtigt
werden.
In gleicher Weise zeigt sich, daß bestimmte Verbindüngen
aus Industrieabgasen oder -rauchgasen, also aus anderen Quellen als aus Kraftfahrzeugen, ebenfalls
einen Vergiftungs^ffekt auf ein Katalysatorbett ausüben
können, so daß es günstiger erscheint, Systeme zu entwickeln,
in denen zur Entfernung von NOx aus den Abgasströmen kein katalytisches Material benötigt
wird.
Bis vor kurzem wurde davon ausgegfenge?;, R die
chemische Reduktion des NOx dunh 7UgC1:- von
Brennstoff in ein Abgassystem nichtzu eiru.; lic J«ktion
in dem gewünschten Sinne, nämiich ? «- ^w^ang von
N2, führen würde. Aus Wissenschaft!, »n Überlegungen
heraus wurde angenommen, uaß eine derartige
Reduktion einen Teil des NO* n-j, .*·- anderen stickstoffhaltigen
Produkten umwandeln würde, die ihrerseits gleichermaßen unerwünscht sind. H. P. Schuchmanr.
und K. J. Laidner vermuteten in einer Veröffentlich ung
in Journal of the Air Pollution Control Association, Band 22, Nr. I, Seiten 52 und 53 (Januar 72), daß bei
Verwendung von Kohlenwasserstoffen zur Reduktion von NOx hauptsächlich nur derartige unerwünschte
Reaktionsprodukte entstehen könnten.
Völlig überraschend und im Gegensatz zu diesen Auffassungen wurde jetzt festgestellt, daß eine thermisch
aktivierte chemische Gasphasenreaktion zur Beeinflussung der NOx-Emissionen eingesetzt werden kann. Dieses
Verfahren gestattet auch im Falle von stationären Anlagen, daß billige und/oder einfach erhältliche
Brennstoffe mit einem hohen Stickstoffgehalt zur Reduktion eingesetzt werden können, da die während
der Verbrennung dieser Brennstoffe gebildeten Stickoxide ebenfalls während des Prozesses reduziert werden,
so daß beispielsweise zur Durchführung Schieferöle, Kohle un- einige schwere Petroleumfraktionen
eingesetzt werden können.
Erfindungsgemäß wird daher ein Verfahren zur thermischen Behandlung eines NOx und andere verunreinigende
Verbindungen enthaltenden Verbrennungsabgases aus einer mübiieii oder stationären Anlage örgeschlagen,
das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Abgasstrom mil Kohlenwasserstoffen, Sauerstoffhaitigen
Kohlenwasserstoffen, stickstoffhaltigen Kohlenwasserstoffen, halogenhaltigen Kohlenwasserstoffen
oder schwefelhaltigen Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von Sauerstoff bei einur Temperatur von 400
bis 27000C zur Reduktion oes NO, zu molekularem
Stickstoff KontaKtiert wird, wobei das Verhältnis von
Kohlenwasserstoff zu NO10.02 bis 400 und das Verhältnis
von Sauerstoff zu Kohlenstoff 0,01 bis 12 beträgt.
Es hai sich hcrausgebicüi, üa5 die cifiimuii^gcinäü
einzusetzenden Kohlenwasserstoffe und substituierten Kohlenwasserstoffe in der Gasphase weit wirksamere
und kräftigere nichtkatalythche Reduzierungsmittel für
NOx sind als beispielsweise Kohlenmonoxid CO oder
Wasserstoff H2, die sich unter den im folgenden beschriebenen Bedingungen und bei Verwendung der
ebenfalls im folgenden beschriebenen Vorrichtungen als im wesentlichen unwirksam erwiesen haben. Außerdem
wird darauf hingewiesen, daß das erfindungsgemäße Verfahren der Zugabe von Kohlenwasserstoffen
oder substituiertem Kohlenwasserstoff und Sauerstoff zu. den Abgasströmen auf eineüi völliganderen Konzept
beruht, als wenn zusätzlich Brennstoff in die primäre
Verbrennungszone eingegeDen wird, da dies letztere
schlicht nuTiu einem angereicherten Gemisch führt In
diesem letzteren Fall ist es zwar möglich, den Gehalt an NOx in gewissen Grenzen zu erniedrigen, da aufgrund
des überschüssigen Gehaltes an Kohlenwasserstoffen während des aktuellen Verbrennungsvorgangs die adiabattsche
Flammentemperatur aufgrund der Konkurrenzreaktion, der Reduktion des vorhandenen Sauerstoffs
zu Stickoxiden, erniedrigt wird; im vorliegenden Fall werden die Kohlenwasserstoffe und Sauerstoff
erst zugefügt, nachdem der Verbrennungsvorgang vollständig abgelaufen ist, so daß jegliches vorher gebildete
NOx unter kontrollierten Bedingungen im Abgasstrom chemisch reduziert wird. Dies erlaubt gleichzeitig
dem Konstrukteur, die Maschine oder die Brennelemente in der für das jeweilige Verfahren geeignetsten
Weise anzulegen oder zu betreiben, und zwar mit reichem oder magerem Gemisch; diese Tatsache suiit
einen sehr bedeutenden Vorzug dar Außerdem ist darauf hinzuweisen, daß das erfindungsyemäße Verfahren
von einer völlig anderen Grundlage als bei den
sogenannten »Nachbrennern« wie beispielsweise bei den in der GB-PS 12 74 637 beschriebenen John Zink-Prozeß
ausgeht, da bei diesen Verfahren eine weitere kleinere Flamme abstromig von der primären Flamme
durch Einspritzen von Brennstoff am Brennen gehalten wird, um auf diese Weise verunreinigende Gase zu
zerlegen. Ähnliche »Nachbrennverfahren« sind auch in der US-PS 32 37 713 und der DE-OS 20 43 137 beschrieben.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
F i g. 1 zeigt ein Fließschema einer Verbrennungsmaschine bei Anwendung der Erfindung.
F i g. 2 zeigt in einem Fließschema die Anwendung der Erfindung bei einer stationären Anlage.
F i g. 3 zeigt in grafischer Darstellung die Wirkung
der Erhöhung der Sauerstoffkonzentration.
Erfindungsgemäß wird u. a. ein Verfahren zur Behandlung der Abgase von Verbrennungsmaschinen
mit einem Gehalt an CO, NOx und anderen verunreinigenden
Verbindungen vorgeschlagen, wobei erfindungsgemäß das Abgas mi* einer ausreichenden Menge
Benzin und zusammen nut c;ncr geringen, sorgia!i;g
eingestellten Luftmenge bei einer Temperatur von et'va
900 bis 1450° C eine ausreichend lange Zeit zur Reduktion des NOx zu molekularem N2 behandelt und dann
das reduzierte Abgas mit einer ausreichend großen Menge Sauerstoff oder Luft zur Oxidation der überschüssigen
Kohlenwasserstoffe, des CO und geringer Mengen NH3 und HCN behandelt wird, wobei entsprechend
kleine Mengen NO und anderer Umsetzungsprodukte entstehen, bevor das Abgas in die Atmosphäre
abgegeben wird. D;e sehr geringen so gebildeten
uiiu uic
uZidftdri i-4v^-rriCFigCn
liegen weitaus unterhalb der maximal zulässigen Toleranzgrenzen.
Das erfindungsget.iäße Verfahren unü seine Anwendung
zur Entfernung von NO,-Verbindungen aus Auspuffgasen
von inneren Verbrennungsmaschiner; wird im folgenden anhand der F i g. 1 näher erläutert, in der
in einem Diagramm dieses Verfahren bei ein^r Verbrennungsmaschine dargestellt ist.
In F i g. 1 ist in allgemeiner Form eine Darstellung einer Vorrichtung oder eines Maschinensystems gegeben,
bei welcher die Erfindung angewendet wird. Ein derartiges System besteht grundsätzlich aus einer
Verbrennungsmaschine 10 mit einem Auspuff, der eine
Auspuffrohre 11 aufweist, die zu einem Wärmeaustauscher IZ Tührt, der seinerseits mit einem nicht dargestellten
Auspufftopf in Verbindung steht, Ventil 13 ist ein Auspuffventil, das in üblicher Weise funktioniert
und konstruiert ist.
Der Wärmeaustauscher 12 kann in einer geeigneten
Form wie beispielsweise als verlängerter hohler Zylinder vorliegen, Der Austauscher besteht aus einem
geeigneten Material wie beispielsweise rostfreiem Stahl, einer anderen Hochternperäturlegierung oder
Keramik. Der Zylinder ist an einem Ende 14 geschlossen; ein konzentrisches Hohlrohr 18 erstreckt sich in
axialer Richtung entlang der Innenseite des Zylinders, so daß ein innerer Reaktordurchflußweg 18 und
konzentrische Ausfiußwegc 16 und 25 gebildet werden. Der Durchflußweg 18 verbindet die Zylinder der
Maschine durch ein Ventil 13. so daß die Abgase hier durch passieren. Die AusfluSwege 16 und 25 erlauben
die Rückführung der behandelten Abgase, so daß ihre Wärme vorzugsweise vom Durchflußweg 18 aufgenommen
wird. Die Ausflußwege 16 und 25 sind durch einen Durchfluß 22 mit dem nicht dargestellten Auspufftopf
verbunden.
Die Einspritzung der Kohlenwasserstoffe kann über
eine Brennstoffquelle erfolgen, die im Falle von Kraftfahrzeugen die ursprüngliche Energiequelle für die
Maschine sein kann, so daß dann der Zufluß durch eine Leitung 24 zum Vergaser 26 geführt wird. Der Vergaser
wird dann durch eine automatische Drosselklappe 28 betätigt, so daß in den Durchflußweg 18 ausreichend yj
Brennstoff und Luft zur Reduktion der NO,-Verbindungen
des Abgases gelangen.
Weiterhin wird überschüssige Luft in den Durchflußweg
18 an dessen unterem Ende eingeleitet, um eine Oxidation überschüssiger Kohlenwasserstoffe, des
Kohlenmonoxids und anderer oxidierbarer Verunreinigungen aus dem Brennstoff zu ermöglichen.
In F i g. 2 : » eine handelsübliche Feuerungsanlage
unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In dieser Feuerungsanlage kann übliches
Heizöl (wie beispielsweise Nr. 6) verbrannt werden, das in die Feuerungsanlage bei 30 eintritt, während Luft bei
32 zugeführt wird. Die Hauptflamme befindet sich in einer Hauptverbrennungszone 34; die entwickelte
Wärme wird meist zum Aufheizen eines Kessels benutzt. Die gebildeten Stickoxide werden mit dem
Abgas 36 abstromig transportiert, hier treffen sie auf die benötigte Mischung aus Kohlenwasserstoffen und
Sauerstoff und werden damit vermischt. Luft oder Sauerstoff wird in diesem Fall nicht zusammen mit den
Kohlenwasserstoffen benötigt, da das Abgas der Feuerungsanlage
im allgemeinen eine überschüssige Sauerstoffmenge abstromig nach 36 transportiert, so daß sich
ein rchtiges Verhältnis von Sauerstoff zu Kohlenstoff
ergibt. Die Kohlenwasserstoffe treten aus einer wassergekühlten Sonde an Stellen 38 und 40 ein und werden zu
einer Sonde bei 42 geleitet. Die Wasserkühlung geschieht durch eine Mantelung um das innere Rohr bei
44, 46 und 48. Billigere Brennstoffe mit einem hohen Stickstoffgehalt, die mehr NO, produzieren, können
ebenfalls verwendet werden, indem die Zuflußmengen der Kohlenwasserstoffe entsprechend erhöht werden.
Die unverbrannien Kohlenwasserstoffe, CO und kleine Mengen HCN sowie NHj werden durch Zugabe von
Luft bei 50 und 52 in einem Endabschnitt bei erhöhter Temperatur der Abgase oxidiert. Sauberes Abgas tritt
schließlich bei 54 und 56 aus. Das Sauerstoff zu Kohlenstoff-Verhältnis
muß auf über 1,0 bei Temperaturen von etwa 800 bis 20000C und vorzugsweise von 800 bis
1700° C gehalten werden.
Erfindungsgemäß können alle Kohlenwasserstoffe sowie sauerstoffhaltige, schwefelhaltige, stickstoffhaltige
oder halogenhaltige Kohlenwasserstoffe verwendet werden, die unter den erfinduflgsgemäßeh Pyrolysebedingungen
kohlenstoffhaltige freie Radikale bilden,Bei Brennstoffen in einer mobilen Anlage kann der Brennstoff
selbst, wie beispielsweise Benzin, alsgüristiges und
wirksames Reduktionsmittel angewend' t werden. Geeignete Kohlenwasserstoffe sind außerdem beispielsweise
Methan. Äthan. Propane. Butane, Pentane, Hexane, Heptane, Octane. Nonane, Dodecane sowie
aromatische Verbindungen wie Benzol. Naphthalin. Anthrazen. Toluol oder Mesitylen. Geeignete sauerstoffhaltige
Kohlenwasserstoffe sind beispielsweise Alkohole. Äther, Säuren, Ketone oder Aldehyde.
Um eine Optimierung der Reduktion des NO, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu erhalten, sind
zwei kritische Verhältnisse zu berücksichtigen. Eines dieser Verhältnisse ist das Verhältnis von C zu NO1, also
die Gesamtzahl der Kohlenstoffatome je Mol NO1. wobei die Kohlenstoffatume aus dem Kohlenwasserstoff
CnHn, stammen, wobei //eine Zahl von 1 bis 12 und
m eine ganze Zahl entsprechend der üblichen Verbindungen
angibt. Das andere Verhältnis ist dasjenige von Sauerstoff zu Kohlenstoff, wobei dieses Verhältnis sich
als Quotient aus dem Verhältnis von Sauerstoff zu NO und Kohlenstoff zu NO ergibt. Wenn kein überschüssiger
Sauerstoff in dem Abgas der Verbrennung vorliegt, ist das Verhältnis von Kohlenstoff zu NO, 0.02 bis 400.
Vorzugsweise sollte das Verhältnis von Kohlenstoff zu NO, im Bereich 4 : 1 bis 32 : I sein. Daraus ergibt sich,
daß die unterste Grenze die stöchiometrisch zur Bildung von Kohlenmonoxid. Stickstoff und anderen
Produkten aus dem Stickoxid benötigte Kohlenwasserstoffmenge ist. Das Verhältnis von Sauerstoff zu Kohlenstoffkann
im allgemeinen zwischen etwa 0.01 und 12 variieren. Vorzugsweise sollte das Verhältnis von Sauerstoff
zu Kohlenstoff zwischen 0,25 : I liegen, während eine optimale ΝΟ,-Reduktion bei 0,5 bis 0,8 erzielt
wird. Wenn Kohlenmonoxid CO im Abgas vorhanden ist, muß die Sauerstoffmenge zur Oxidation des CO zu
CO2 erhöht werden. Wenn bereits Verbrennungsabgassauerstoff
im Überschuß vorhanden ist, müssen ausreichend Kohlenwasserstoffe oder andere Reduktionsmittel
zugegeben werden, um das gewünschte optimale Sauerstoff zu Kohlenstoff-Verhältnis zu erreichen. Es
ergibt sich, daß sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe
ebenso wie andere Kohlenwasserstoffverbindun^en mit Heteroatomen innerhalb der angegebenen Grenzen
brauchbar sind, vorausgesetzt, daß davon ausgegangen wird, daß an Sauerstoff gebundene Kohlenstoffatome in
derartigen Verbindungen nicht in das Kohlenstoff zu Sauerstoff-Verhältnis einbezogen werden.
Die Temperaturspanne für die Reduktion beträgt etwa 400 bis 2700° C, meist etwa 700 bis 2200° C und
vorzugsweise 700 bis 1450° C in den Abgasen von Verbrennungsmaschinen.
Aufgrund der chemischen Kinetik wird die zu verwendende Temperatur stark von dem
Kohlenstoff zu NOv-Verhältnis und der Verweilzeit im
Durchflußweg 18 beeinflußt. Die Verweilzeit im Durchflußweg 18 berträgt etwa 25 bis 300 Millisekunden und
vorzugsweise etwa 100 bis 250 Millisekunden.
Die Reaktion kann in einem weiten Drtickbereich
durchgeführt werden wie beispielsweise bei einem Druck von 0,1 bis 100 at und vorzugsweise von I bis 40
at. Die Drucke sind nicht kritisch und die ehemisch
kinetischen Reaktionsbedingungen können so eingestellt werden, daß sie sich den übrigen Bedingungen
anpassen. Die Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsabgase und das Zumischen der Kohlenwasser-""
stoffe in der Nachverbrennungszone werden so regulier^
daß eine ausreichende Verweilzeit entsteht, die den Kohlerr-'assersioffen erlaubt^ das NOx aus den Verbrennungsabgäsen
zu reduzieren. Unter den meisten Bedingungen fuhrt das Arbeiten bei höherem Drück zu
kürzeien Verweilzeiten.
Ferner wurde festgestellt, daß, wenn die Zuführung der Kohlenwasserstoffe und des Sauerstoffes abgestellt
werden, die Reduktion des NO noch eine Zeitlang weiterläuft. Diese kontinuierliche Reduktion kann noch
mehrere Stunden andauern und ist das Resultat der Zuführung der Kohlenwasserstoffe und der Luft während
eines Bruchteils dieser Zeit (wie beispielsweise 10 Minuten). Diese Tatsache wird Self-Contained Reductant
Mode (SCR-Mode) genannt, da die Reduktionsmittel auf den Wänden der Durchflußröhren vorhanden
sind. Dieser überraschende Effekt ist in den Beispielen Jn den Virsuchsläufen 7 und 8 dargestellt; um diese Wirkungsweise
zu erzielen, muß eine ausreichende Wandfläche im Verhältnis zum Hauptdurchfluß vorhanden
sein.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Beispiele näher erläutert
Ein typisches Auspuffgas mit einem Gehalt von 1000 ppm NO, 13%CO2 und 1% CO fließt durch die Auspuffröhre
11 und den Reduktionsabschnilt 18 bei einer durchschnittlichen Temperatur von 1227° C, nachdem
es das Auspuffventil 13 verlassen hat Bei einer durchschnittlichen Verweilzeit von 100 Millisekunden bei
dieser Temperatur nach Zuführung von 0,1% Isobutan und 0,25% Sauerstoff, von welchem bereits 0,25% im
Abgas vorhanden sind, (die Konzentration von NO beträgt 0,1% und die Verhältnisse von Kohlenstoff zu
NO und Sauerstoff zu NO sind 4 bzw. 5) wird die Konzentration
an NO auf 50 ppm reduziert. Kleine Restmengen an verunreinigenden Verbindungen werden im
OxidationsabschniU des Reaktors oxidiert, bevor das
Gas in den Auspufftopf eintritt. Dieses Beispiel ist im zweiten Fall in Tabelle I dargestellt.
Anders Beispiele in Tabelle 1 zeigen den Einfluß von verschiedenen Parameter auf die Reduktionsfähigkeit
dieses Verfahrens. Wenn beispielsweise beide Verhältnisse von Kohlenstoff zu NO und Sauerstoff zu NO mit
einem Faktor von 3,3 erhöht werden, wird das NO im Fall 2 auf 50 ppm im Gegensatz zum Fall 1 mit 270 ppm
reduziert. Im Fall 3 fuhrt eine Abnahme Von 100° C in |der Temperatur zu einem Anstieg des NO auflOO ppm.
iJBei Vergrößerung desKohlenstoff zu NO-Verhältnisses
to und Abnahme der Konzentration an Sauerstoff im Fall
4, steigt der NO-Gehalt auf 650 ppm, während im Fall 5 beim Vergrößern des Sauerstoff zu NO-Verhältnisses
von 0 auf 7 der Gehalt an NO auf 120 ppm abfällt. Der
Fall 6 zeigt die Wirksamkeit bei Verwendung einer
)5 Mischung mit einem Gehalt an CO2 oder CO, da in diesem
Fall eine höhere Temperatur als bei Nichtgegenwart von CO oder COz benötigt wird.
In den Fällen 7 und 8 zeigt sich die überraschende Tatsache,
daß ein Reduktionsmittel aus einem kohlenwasserstoffähnlichen
Material eine ganze Zeit (wie beispielsweise 5 oder 10 Minuten oder darüber) an den
Reaktorwänden niedergeschlagen wird, wenn wie im Fall 7 und 8 Zusätze von Isobutan und Sauerstoff zugeführt
werden. Nachdem die Zuführung des Isobutans und des Sauerstoffs abgestellt worden sind, dauert die
Reduktion des NO noch eine halbe bzw. eine ganze Stunde weiter an. Dieser Effekt wird als Self Contained
Reductant Mode (SCR Mode) bezeichnet und ist überraschend wirksam, da der Gehalt an NO bei 10 bzw. 70
bis 230 ppm aufrechterhalten wird. In diesen Fällen wurden Mischungen ohne CO2 oder CO verwendet.
Wenn CO2 und CO vorhanden sind, können ähnliche Wirkungen des SCR-Mode bei niedrigeren Temperaturen
erreicht werden.
Im Fall 9 wird die Wirksamkeit der Verlängerung der Verweilzeit und die Optimierung der Anteile an Isobutan
und Sauerstoff zur Erniedrigung der Reaktionstemperatur dargestellt.
Aus deip Fall 10 ergibt sich die Verwendbarkeit von sauerstoffhaltigen Kohlenwasserstoffen für das erfindungsgemäße Reduktionsverfahren. In diesem Fall wurde Aceton anstelle von Isobutan verwendet.
Aus deip Fall 10 ergibt sich die Verwendbarkeit von sauerstoffhaltigen Kohlenwasserstoffen für das erfindungsgemäße Reduktionsverfahren. In diesem Fall wurde Aceton anstelle von Isobutan verwendet.
Im Fall 11 wird die Verwendbarkeit eines handelsüblichen
Benzins, nämlich Superbenzin, anstelle des Isobutans belegt
Reduktion von Stickoxid NO durch Isobutan
ίο
Fall Nr. Gehalt an NO in ppm
vor Zugabe von 1C4H10
(Resftnengen sind jeweils N2)
Gehalt an NO (ppm) | [C] | [O2]") | Temp. | Verweil |
bei Zugabe | [NO] | [NO] | in 0C | zeit |
von iG(Hio | in msec | |||
270 | ία | 1,5 | 1227 | 100 |
50 | 4 | 5 | 1227 | 100 |
100 | 4 | 5 | 1127 | 100 |
650 | 8 | 0 | 1127 | 100 |
120 | 8 | 7 | 1127 | 100 |
120 | 16 | 4 | 1377 | 100 |
10 | CH)(S) | 0*)(2) | 1375 | 100 |
während 0,5 h | ||||
70 bis 230 | 0a) (16) | O3) (4) | 1240 | 100 |
während 1 h | ||||
390 | 4 | 10 | 830 | 174 |
390c) | 76 | 7 | 1027 | 174 |
70") | 4 | 12 | 1177 | 100 |
1 1000 + 13% CO2 + 1% CO
2 1000 + 13% CO2 + 1% CO
3 1000 + 13% CO2 + 1% CO 4«) 1000 + 13% CO2 + 1% CO
5 1000 + 13% CO2 + 1% CO
6 1000
7 1000
8 1000
9 1000 + 13% CO2 + 1% CO
10 1000=) + 13% CO2 + 1% CO
11 1000d) + 13% CO2/? 1% CO
a) Intermittierendes Verfahren: Isobutan und Sauerstoff werden abgestellt, nachdem das Reaktionsrohr mit den in Klammern angegebenen
Verhältnissen von Isobutan und O2 während 10 bis IS Minuten vorbehandelt worden war.
b) Da sich Wasserdampf bildet, liegt dieser bei allen Reaktionen in Mengen vor, die grob eiwa der NO-Konzentration entsprechen.
c) In diesem Fall wurde anste'Je dss isobutans Aceton für das Reduktionsverfahren verwendet. Kleinere Anteile des NO können gegebenenfalls
katalytisch durch CO reduziert worden sei.«.
ύ) In diesem Fall wurde anstelle des Isobutans Superbenzin verwendet.
e) Vergleichsversuch
Wie bereits ausgeführt, ist die kombinierte Zugabe von Sauerstoff in Form von Luft zusammen mit den
Kohlenwasserstoffen unbedingt erforderlich, um den Gehalt an NO und HCN herabzusetzen. In der folgenden
Tabelle II ergibt sich aus den Beispielen die Nebenproduktbildung wie die Bildung von HCN und NHj.
Nach einer abschließenden Oxidation besteht das schließlich in die Luft abgegebene Gesarat-NO aus der
Summe des nach der Reduktion verbleibenden NO und dem aus der Oxidation von HCN undNHj gebildetenNÖ.
Tabelle | II | Gehalt an NO in ppm | Temp. | Verweilzeit | [C] | [O2] | Gehalt | an NO in ppm bei |
Fall Nr. |
vor Zugabe vor ;QHio
(Restmengen jeweils N2) |
in 0C | in msec | [NO] | [NO] |
Zugabe
[NO] |
von 1C4H10
IHCN] [NH3] ■ |
|
12 | 1000 |
13 | 1000 |
14 | 1000 |
15 | 1000 |
1227 | 100 | 4 | 5 | 50 | 12 | 44 |
1277 | 100 | 48 | 32 | 75 | - | 28 |
910 | 200 | 40 | 30 | 55 | 14 | - |
1200 | 200 | 40 | 30 | 75 | 10 | _ |
In der beiliegenden F i g. 3 zeigen die angegebenen Daten, in welcher Weise ein steigender Saüsrstoffpartialdruck
unter den angegebenen Bedingungen die Menge des im ausströmenden Gas enthaltenden KCN
verringert. Weitere Daten bei sehr kurzen Verweilzeiten,
nämlich 1 bis 2 msec, und hohen Drucken (13 bar) wurden bei Einsatz eines entsprechenden Single pulse
shock-Rohres erhalten, woraus sich ergibt, daß das NO
vollständig bei 1177° C durch Isobutan reduziert wird, wenn wie in Tabelle III eine Mischung aus 0,2% NO und eo
1,0% Isobutan in Argon verwendet wird.
Tabelle ΠΙ
Fortsetzung
Temp, in 0C
967
1102 1112 1177 1247
%NO umgesetzt
18 35
100 100
Temp, in 0C
967 1102 1112 1177 1247
65
umgesetzt
62 59
93 98
In einem handelsüblichen Cleaver-Brooks-Ofen tritt
Heize' Nr. 6 in die Heizungsanlage ein, wobei Luft zugeführt wird. Die Hauptflamme befindet sich in der
Hauptverbrennungszone, die Wärme wird zum Heizen eines Kessels eingesetzt Die Stickoxide werden abstromig
mit dem Verbrennungsabgas transportiert, wo sie mit einer Mischung aus Propan und Stickstoff gemischt
werden. Luft bzw. Sauerstoff wird in diesem Fall nicht zusammen mit dem Propan benötigt, da das Abgas der
Feuerungsanlage im ailgemeinen bereits so viel überschüssigen
Sauerstoff auch in abstrorniger Richtung enthält, daß sich das korrekte Verhältnis von Sauerstoff
zu kohlenstoff bildet. Das Propan wird in die Feuerungsanlage durch wassergekühlte Sonden eingespritzt;
unverbrannte Kohlenwasserstoffe, CO sowie geringe Mengen an hCN und NH3 werden in einem Endab-12
schnitt durch Zugabe von Luft bei erhöhter Temperatur
zu dem abströmenden Gas wie beispielsweise bei Temperaturen von 1100° C oxidiert. Der saubere Abgasstrom
verläßt dann die Feuerungsanlage.
Die in diesem Versuch erhaltenen Resultate sind in Tabelle IV zusammengestellt.
?! Reduktion von Stickoxid durch C3Hg in einem Cleaver-Brooks-Ofen
Fall Nr. Gehalt an NO in ppm
ohne Zrgabe von
ohne Zrgabe von
Gehalt an NO in ppm bei Zugabe von C3Hg
Übc-schüssige Luft Temp. b) Verweilzeit
(bezogen auf Öl + C3H8) in 0C in msec
2
3
4
5
3
4
5
10
12
330
195
175='
145
125"
115
90« 232 213"
180 162" 100
73-'
5% 5% 0% 0%
-10% -10% 5% 5% 0% 0%
-20% -20%
1697
30
60
a) Sauerstoff O2 jeweils im 3%igen Überschuß, bezogen jeweils nur auf Heizöl.
b) Eine Kühlzone bei einer Länge von 0.3 m fuhrt zur Erreichung dieser Temperatur.
c) Bei jedem dieser Versuche wurde eine höhergradige Vermischung als im vorangegangenen Versuch durchgeführt., indem größere Mengen
Stickstoff als Verdünnungsmittel zugesetzt wurden.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (10)
1. Verfahren zur thermischen Behandlung eines NOx und andere verunreinigende Verbindungen enthaltenden
Verbrennungsabgases aus einer mobilen oder stationären Anlage, dadurch gekennzeichnet,
daß der Abgasstrom mit Kohlenwasserstoffen, sauerstoffhaltigen Kohlenwasserstoffen,
stickstoffhaltigen Kohlenwasserstoffen, halcgenhal- to
tigen Kohlenwasserstoffen oder schwefelhaltigen Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von Sauerstoff
bei einer Temperatur von 400 bis 2700° C zur Reduktion des NO1 zu molekularem Stickstoff kontaktiert
wird, wobei das Verhältnis von Kohlenstoff zu NO* 0,02 bis 400 und das Verhältnis von Sauerstoff
zu Kohlenstoff 0,01 bis 12 beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, d2ß der reduzierte Abgasstrom mit überschüssigem
j oierstoff bei einer Temperatur von 300
bis 27000C zur vollständigen Oxidation aller anderen
verunreinigenden Verbindungen nachbehandelt wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von
Kohlenstoff zu NO* nicht größer als 32 : 1 ist.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von
Sauerstoff zu Kohlenstoff nicht größer als 3 : ! ist.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbrennungsabgas
einer Verbrennungsmaschine mit Benzin und Luft bei einer Temperatur von etwa 700 bis 1450° C
kontaktiert wird und daß der r duzierte Abgasstrom zur Oxidation der überschüssigen Kohlenwasserstoffe,
des CO und anderer oxidierbarer Verunreinigungen mit Sauerstoff vor der Emission in die
Atmosphäre kontaktiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit beim Kontaktieren
etwa 25 bis 250 msek. beträgt.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß als Kohlenwasserstoff
hsnde;3übiiches Benzin eingesetzt wird.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbrennungsabgas
einer stationären Anlage mit einem Kohlenwasserstoff und Luft bei einer Temperatur von 700 bis
2200° C kontaktiert wird.
9. Verfahren nach den Ansprrüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbrennungsabgas
intermittierend mit Kohlenwasserstoff und Sauerstoff kontaktiert wird.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 2, 5 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß d2£ Verhältnis «on
Sauerstoff zu Kohlenstoff bei der Nachbehandlung größer als 1 ist.
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