DE4431569B4

DE4431569B4 - Verfahren zur schonenden Regeneration eines Rußfilters

Info

Publication number: DE4431569B4
Application number: DE19944431569
Authority: DE
Inventors: Hans Houben; Rolf Miebach; Uwe Jung
Original assignee: Deutz AG
Current assignee: Deutz AG
Priority date: 1994-09-05
Filing date: 1994-09-05
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2014-09-06
Also published as: DE4431569A1

Abstract

Verfahren zur schonenden Regeneration eines Rußfilters im Nebenstrom, das zum Abbrennen des Rußbelages von einem Oxidatorgas bestimmter Temperatur durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei konstantem, hohem Durchsatz des Oxidatorgases dessen Sauerstoffgehalt zur Steuerung des Regenerationsprozesses so eingestellt wird, daß die zulässige Temperatur des Rußfilters (2) nicht überschritten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schonenden Regeneration eines Rußfilters im Nebenstrom, das zum Abbrennen des Rußbelages von einem Oxidatorgas bestimmter Temperatur durchströmt wird.

Aus der DE 38 03 100 A1 ist ein Verfahren zur Regeneration eines Rußfilters für Dieselmotoren bekannt, bei dem nur wenig Wärmeenergie zum Erreichen der Zündtemperatur benötigt wird. Dies wird dadurch erreicht, dass während der Regeneration nur ein Teilstrom des Abgases als Oxidatorgas durch den Rußfilter geleitet wird. Dadurch wird die Auskühlung der als elektrische Heizung ausgebildeten Wärmequelle, die zur Temperaturerhöhung des Oxidatorgases eingeselzt ist, vermieden. Da die Brennkraftmaschine während der Regeneration betrieben wird, schwankt die Menge des Oxidatorgases und darüber hinaus pulsiert das Oxidatorgas. Eine genaue Kontrolle des Rußabbrands ist somit nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur schonenden Regeneration eines Rußfilters anzugeben, das unabhängig von dessen Beladungszustand mit Ruß funktioniert.

Der Erfindung liegt zusammenfassend folgende Erkenntnis zugrunde: Das Kernproblem jeder filterschonenden Regenerationsmethode, insbesondere bei monolithisch aufgebauten Rußfiltern, ist die Kontrolle der Geschwindigkeit des Rußabbrands. Dies ist durch Steuerung der Oxidatorgastemperatur oder durch Begrenzung der zur Verfügung gestellten Sauerstoffmenge sowie durch eine Kombination beider Einflussgrößen möglich. Eine Kontrolle durch die Temperatur ist schwierig, da die Geschwindigkeit einer kinetisch bestimmten Reaktion exponentiell von der Temperatur abhängt. Ein solches Verfahren ist nur sicher, wenn im Ver gleich zur Energie des eingelagerten Rußes entweder die Wärmekapazität des Filterkörpers oder der mögliche Wärmeaustrag aus dem Filterkörper groß sind. Diese Forderungen sind bei Einlagerung realistisch großer Rußmengen und Regeneration im Nebenstromverfahren im allgemeinen nicht erfüllbar. In einem solchen Fall ist es also sinnvol, die Geschwindigkeit des Rußabbrands zumindest überwiegend durch die zur Verfügung gestellte Sauerstoffmenge zu kontrollieren. Bei bekannten Nebenstromregenerationsverfahren wird diese Kontrolle durch Begrenzung der Menge des eingesetzten Oxidatorgases erreicht. Solche Verfahren weisen eine Reihe von Nachteilen auf, z.B. eine Ober- und Untergrenze für eine verfahrensverträgliche Rußbeladung und eine Überlastung des Filtermaterials durch die durchlaufende Zone stark überhöhter Temperatur.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei konstantem, hohem Durchsatz des Oxidatorgases dessen Sauerstoffgehalt zur Steuerung des Regenerationsprozesses so eingestellt wird, dass die zulässige Temperatur des Rußfilters nicht überschritten wird. Der konstante, hohe Durchsatz des Oxidatorgases bewirkt eine interne Kühlung des Rußfilters. Durch die Verminderung des Sauerstoffgehalts des Oxidatorgases wird die Intensität des Rußabbrands und damit die thermische Belastung des Rußfilters so begrenzt, dass dessen hohe Lebensdauer sichergestellt ist.

Durch eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, bei der der Sauerstoffgehalt des Oxidatorgases am Beginn und Ende der Regeneration höher als während der Regeneration eingestellt ist, ergibt sich, dass eine sichere Einleitung der Regeneration und deren kompletter Abschluss verwirklicht werden.

Die erfindungsgemäße Verwendung von Luft als Oxidatorgas hat niedrige Regenerationskosten zur Folge.

Durch das Zumischen von Inertgas wie Wasserdampf oder Kohlenstoffdioxid wird der Sauerstoffgehalt des Oxidatorgases vermindert. Da es sich bei Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid um dreiatomige Gase mit hoher spezifischer Wärme handelt, wird außerdem ein grober Wärmeaustrag bei geringer Temperaturüberhöhung im Partikelfilter erreicht. In dieser Hinsicht wäre die Verwendung von Inertgasen noch höherer Atomzahl von Vorteil.

Durch eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung, bei der der Sauerstoffgehalt des Oxidatorgases durch Entfernen von Sauerstoff mittels Absorbtion oder durch ein Membrantrennverfahren eingestellt wird, erübrigt sich die Mitnahme von Inertgas, wodurch sich der Regenerationsbetrieb vor allem im Fahrzeug vereinfacht.

Doch auch der Weg über sauerstoffverbrauchende, chemische Reaktionen, bei denen der Sauerstoffgehalt des Oxidatorgases durch Verbrennen von gasförmigem oder flüssigem Brennstoff im Oxidatorgas eingestellt wird, hat Vorteile, da hierbei das Oxidatorgas zugleich aufgeheizt wird.

In bestimmten Anwendungsfällen ist es vorteilhaft, wenn der Sauerstoffgehalt des Oxidatorgases durch Verbrennen von gasförmigem oder flüssigem Brennstoff und durch Zumischen von Inertgas, wie Wasserdampf oder Kohlenstoffdioxid eingestellt wird, da sich hierdurch der gewünschte Sauerstoffgehalt und die gewünschte Temperatur des Oxidatorgases unabhängig voneinander regulieren lassen.

Es ist von Vorteil, daß die Temperatur des Oxidatorgases am Rußfiltereintritt durch Wassereinspritzung und/oder Wärmetausch eingestellt wird. Die Wassereinspritzung hat gegenüber der Wasserdampfeinblasung den Vorteil, daß die Temperatur des Oxidatorgases durch Erhöhung von dessen Wärmekapazität und durch die Verdampfungswärme des Wassers gesenkt wird. Der Einbau eines Wärmetauschers vor dem Partikelfilter bietet den Vorteil, daß keinerlei zusätzliche Betriebsmittel zur Einstellung von Sauerstoffgehalt und Temperatur des Oxidatorgases ertorderlich sind. Für die Anwendung bei fest eingebauten Rußfiltern müßte der Wärmetauscher im normalen dieselmotorischen Betrieb wegschwenkbar ausgebildet werden, es sei denn, bei beiden Betriebsarten wäre ein Nutzwärmebedart vorhanden.

Für besondere Anwendungsfälle kann es vorteilhaft sein, mit Wassereinspritzung und einem dann entsprechend kleinen Wärmetauscher zu arbeiten.

Zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Regenerationsverfahrens ist es vorteilhaft, daß eine Regenerationsvorrichtung mit einem vom Oxidatorgas durchströmten, mit Luftüberschuß arbeitenden, regelbaren Brenner für gasförmigen oder flüssigen Brennstoff vorgesehen ist und daß zwischen der Regenerationsvorrichtung und dem Rußfilter ein vom aufgeheizten Oxidatorgas durchströmter Wärmetauscher angeordnet ist. Der Brenner erlaubt die Einstellung des gewünschten Sauerstoffgehalts durch zum Beispiel Variation der Brennstoffmenge und den sich daraus ergebenden Betriebspunkt im Luftüberschußbereich. Die dabei sich einstellende Oxidatorgastemperatur kann über der gewünschten liegen. Diese wird dann mit Hilfe des Wärmetauschers ohne zusätzliche Betriebsmittel eingestellt. Da dieser Wärmetauscher nur im Regenerationsbetrieb benötigt wird, müßte er bei einem fest am Dieselmotor angebauten Rußfilter wegschwenkbar ausgebildet werden. Seine Anwendung kommt daher in erster Linie bei einem ortsfesten Regenerationsapparat für Wechselfilter in Frage.

Für bestimmte, stationäre Anwendungsfälle kann es von Vorteil sein, wenn die Regenerationsvorrichtung einen Inertgasanschluß und/oder einen Wasseranschluß aufweist. Der Inertgasanschluß gestattet zusätzliche Einflußnahme auf Sauerstoffgehalt und Temperatur des Oxidatorgases durch Einblasung von Inertgas, wie zum Beispiel Kohlenstoffdioxid. Der Anschluß für Wassereinspritzung bietet neben der Beeinflussung des Sauerstoffgehalts die Möglichkeit einer Kühlung des Oxidatorgases durch die Verdampfungswärme und die spezifische Wärme de;. Wassers. Dies kann mit oder ohne Wärmetauscher erfolgen.

Zum funktionsgerechten Betrieb der Regenerationsvorrichtung ist von Vorteil, daß ein elektronisches Steuergerät vorgesehen ist, das mit einer Temperaturmeßstelle zum Messen der Oxidatorgastemperatur am Rußfiltereintritt und mit einer Druckmeßstelle zum Messen des Oxidatorgasdrucks vor dem Rußfilter sowie mit der Regenerationsvorrichtung in Wirkverbindung steht. Die Temperaturmeßstelle gestattet die Messung der Oxidatorgaseintrittstemperatur und ermöglicht die Steuerung der gegebenenfalls erforderlichen Abkühlung des Oxidatorgases. Dies Messung des Oxidatorgasdrucks bei konstantem Durchsatz und konstanter Temperatur des Oxidatorgases gestattet die Beurteilung des Beladungszustands des Rußfilters und damit seine mögliche Regenerationsgeschwindigkeit und seine thermische Regenerationsfähigkeit. Der Sauerstoffgehalt des Oxidatorgases kann bei bekanntem Luft-, Brennstoff- und Inertgasdurchsatz berechnet werden oder mittels Sauerstoffsonde gemessen werden. Deren Meßsignal könnte über die elektronische Steuervorrichtung zum Steuern der Regenerationsvorrichtung dienen.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt ist.
Die einzige Figur zeigt das Schema eines Regenerationsapparates für Wechselfilter. Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Regenerationsverfahren für stationären und mobilen Einsatz geeignet. Die Verwendung zusätzlicher Betriebsstoffe wie Wasser, Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid sowie eines zusätzlichen Wärmetauschers nur für den Regenerationsbetrieb legt aber eine Anwendung im Stationärbetrieb und hier in erster Linie bei einem Regenerationsapparat für Wechselfilter nahe.
Die einzige Figur zeigt einen Regenerationsapparat 1 für Wechselfilter 2, der eine Regenerationsvorrichtung 3, eine Vorkammer 4 vor dem Wechselfilter 2 und eine Nachkammer 5 hinter demselben aufweist. Regenerationsvorrichtung 3, Vorkammer 4 und Nachkammer 5 bilden eine bauliche Einheit, in die das Wechselfilter 2 mittels Schnellverschluß gasdicht eingespannt wird.
In der Regenerationsvorrichtung 3 ist ein Brenner zur Lieferung von Oxidatorgas vorgesehen, mit einem Luftanschluß 5, einem Brennstoffanschluß 6 für gasförmige oder flüssige Brennstoffe, einem Inertgasanschluß 7 und einen Wasseranschluß 8 für Wassereinspritzung.
In der Vorkammer 4 befindet sich ein Wärmetauscher 9 für das Oxidatorgas und eine Druckmeßstelle 10 zur Erkennung der Rußbeladung des Rußfilters. Unmittelbar vor dem Rußfiltereintritt ist eine Eintrittstemperaturmeßstelle 11 vorgesehen, die zur Messung der Eintrittstemperatur des Oxidatorgases dient. Die Meßwerte der Druckmeßstelle 10 und der Eintrittstemperaturmeßstelle 11 werden in einer elektronischen Steuervorrichtung 12 verarbeitet und über eine Steuerleitung 13 der Regenerationsvorrichtung 3 zugeleitet.
Das zu regenerierende Wechselfilter 2 wird vom Dieselmotor entfernt und in den Regenerationsapparat 1 eingesetzt. Dann wird dem Brenner durch den Luftanschluß 5 Luft und durch den Brennstoffanschluß 6 entweder gasförmiger oder flüssiger Brennstoff zugeführt. Nach Zündung des Brennstoffluftgemischs und Kontrolle des Beladungszustands mittels Druckmessung wird die Regeneration durch Einstellen eines hohen Luftüberschusses und relativ hoher Temperatur des Oxidatorgases eingeleitet. Sobald der Ruß entzündet ist, wird der Luftüberschuß der Verbrennung durch entsprechende Brennstoffdosierung auf den gewünschten Wert abgesenkt. Die dabei sich einstellende hohe Temperatur des Oxidatorgases wird durch Wassereinspritzung mittels des Wasseranschlusses 8 und/oder über den Wärmetauscher 9 auf den gewünschten Wert abgesenkt. Die Regeneration wird bei erhöhtem Sauerstoffgehalt des Oxidatorgases abgeschlossen.
Bei elektrischer Aufheizung des Oxidatorgases muß dessen Sauerstoffgehalt durch Zugabe von Inertgas über den Inertgasanschluß 6 auf den gewünschten Wert abgesenkt werden. Da in diesem Fall die Temperatur durch die Heizung und der Sauerstoffgehalt durch das Inertgas unabhängig voneinander eingestellt werden können, erübrigt sich eine Abkühlung des Oxidatorgases, so daß die Wassereinspritzung und der Wärmetauscher entfallen können.

Claims

Verfahren zur schonenden Regeneration eines Rußfilters im Nebenstrom, das zum Abbrennen des Rußbelages von einem Oxidatorgas bestimmter Temperatur durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei konstantem, hohem Durchsatz des Oxidatorgases dessen Sauerstoffgehalt zur Steuerung des Regenerationsprozesses so eingestellt wird, daß die zulässige Temperatur des Rußfilters (2) nicht überschritten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffgehalt des Oxidatorgases am Beginn und Ende der Regeneration höher als während der Regeneration eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Oxidatorgas Luft Verwendung findet.
Verfahren nach einem der Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffgehalt des Oxidatorgases durch Zumischen von Inertgas, wie z.B. Wasserdampf oder Kohlenstoffdioxid eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffgehalt des Oxidatorgases durch Entfernen von Sauerstoff mittels Absorbtion oder mittels Membrantrennverfahren eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffgehalt des Oxidatorgases durch Verbrennen von gasförmigem oder flüssigem Brennstoff im Oxidatorgas eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffgehalt des Oxidatorgases durch Verbrennen von gasförmigem oder flüssigem Brennstoff und durch Zumischen von Inertgas, wie Wasserdampf oder Kohlenstoffdioxid eingestellt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Oxidatorgases am Rußfiltereintritt durch Wassereinspritzung und/oder Wärmetausch eingestellt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regenerationsvorrichtung (3) mit einem vom Oxidatorgas durchströmten, mit Luftüberschuss arbeitenden, regelbaren Brenner für gasförmigen oder flüssigen Brennstoff vorgesehen ist und dass zwischen der Regenerationsvorrichtung (3) und dem Rußfilter (2) ein vom aufgeheizten Oxidatorgas durchströmter Wärmetauscher (9) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Regenerationsvorrichtung einen Inertgasanschluss (6) und/oder einen Wasseranschluss (7) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektronisches Steuergerät (12) vorgesehen ist, das mit einer Temperaturmessstelle (11) zum Messen der Oxidatorgastemperatur am Rußfiltereintritt und mit einer Druckmessstelle (10) zum Messen des Oxidatorgasdrucks vor dem Rußfilter (2) sowie mit der Regenerationsvorrichtung (3) in Wirkverbindung steht.