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Dokumentenidentifikation DE60200491T2 09.06.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0001236499
Titel SCR Verfahren und Vorrichtung zur Reduktion von NOx-Emissionen
Anmelder Haldor Topsoe A/S, Lyngby, DK
Erfinder Mikkelsen, Svend-Erik, 3500 Vaerlose, DK;
Gabrielsson, Per L.T., 25 438 Helsingborg, SE
Vertreter Zellentin & Partner, 67061 Ludwigshafen
DE-Aktenzeichen 60200491
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 18.02.2002
EP-Aktenzeichen 020036455
EP-Offenlegungsdatum 04.09.2002
EP date of grant 19.05.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.06.2005
IPC-Hauptklasse B01D 53/86
IPC-Nebenklasse B01D 53/94   F01N 3/20   

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Reduzierung von Stickstoffoxid (NOX) Emissionen im Abgas von Dieselmotoren oder Turbinen für stationäre oder mobile Anwendungen und insbesondere auf ein Verfahren, welches für die Verwendung in einem selektiven katalytischen Reduktionssystem (SCR) geeignet ist.

Das SCR-System stellt eine bekannte und weitverbreitete Technologie zur Entfernung der Oxide des Stickstoffs im Abgas von Turbinen, Boilern, Brennern, Kraftwerken und anderen Anlagen dar, welche fossile Brennstoffe verwenden. Dieses System basiert auf der Schaffung einer reduzierenden Atmosphäre über einem Katalysator in Gegenwart von NOX-Verbindungen, welche in Abgasen vorhanden sind.

Die Auswahl des Reduktionsmittels hängt von den lokal vorherrschenden Bedingungen in den unterschiedlichen geographischen Gebieten ab, wo SCR-Systeme verwendet werden. Bedingungen wie Preisgestaltung, Gesetzeslage und Logistik spielen eine Rolle bei der Wahl des Reduktionsmittels. Reduktionsmittel, die üblicherweise bei Dieselmotoren verwendet werden, sind reiner oder wässriger Ammoniak (NH3), fester Harnstoff (NH2CONH2) oder Harnstoff gelöst in Wasser.

Wasserfreier Ammoniak ist jedoch extrem gefährlich, toxisch und flüchtig. Beim Aussetzen an Luft bei ausreichend hoher Temperatur und Druck kann Ammoniak mit Luft eine Kombination bilden die lebensgefährlich sein kann. Diese Eigenschaften resultieren daher in Problemen unter Sicherheitsaspekten, wo die Lagerung, der Transport und das Handhaben großer Mengen von Ammoniak auftreten. Harnstoff als ungiftige Alternative zu Ammoniak zeigt nicht die selben extensiven Sicherheitsprobleme und es kann in einer späteren Stufe zu Ammoniak umgesetzt werden.

Im Fall von Ammoniak oder Harnstoff reagiert das Reduktionsmittel mit NOx-Verbindungen wie Stickoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) in Gegenwart eines Katalysators und bei normalen Abgastemperaturen von 250–450 °C, um freien Stickstoff (N2) und Wasser freizusetzen. Die verwendeten Katalysatoren sind allgemein als DENOX Katalysatoren bekannt.

Wenn das Reduktionsmittel Harnstoff ist, unterliegt es einer Pyrolyse bei annähernd 275 °C zu gasförmigem Ammoniak und Cyanursäure (HNCO) gemäß der folgenden Reaktion NH2CONH → NH3 + HNCO

Das HNCO reagiert dann mit dem Wasser im Abgas wie folgt: HNCO + H2O → NH3 + CO2

Das CO2 nimmt nicht weiter teil an der DENOX Reaktion, wohingegen die Ammoniak-Moleküle anschließend mit dem Stickoxid, NO, an der Katalysatoroberfläche gemäß 2NO + 2NH3+ ½ O2+CO2 → 2N2+3H2O+CO2 reagieren Lager- und Speisesysteme für das ausgewählte Reduktionsmittel, welche in verschiedenen Anlagen verwendet werden, variieren hinsichtlich Auslegung und Konstruktion, jedoch werden die meisten SCR-Systeme bei stationären Anlagen angewandt, die eine gute Infrastruktur besitzen.

Folglich sorgen Zugang zu Elektrizität, Wärme und abgesicherte Umgebung für Lösungen hinsichtlich sicherer Lagerung und Betriebsweise von stationären Systemen.

Im Gegensatz zu den oben genannten stationären Anlagen stehen mobile Anwendungen wie Schwerlast (HD) Kraftwagen entweder auf Straßen oder im Gelände betriebene Fahrzeuge und Anlagen. Die Anwendung von DENOX Katalysatoren für SCR-Systeme die in der Fahrzeugindustrie benutzt werden, erfordert die Erfüllung von mehreren Kriterien. Diese Kriterien schließen hohe Resistenz gegen klimatische Bedingungen ein, wie unter Null Temperaturen die niedriger sind als die Kristallisationstemperatur von Harnstoff, welche –11 °C beträgt.

Die Festigkeit gegen hohe Temperaturen ist ebenfalls Bedingung, da eine hohe Temperatur beim Reduktionsmittel einen hohen Dampfdruck verursacht und dies schafft Probleme beim Betanken und dem Druckausgleich der Fahrzeuge. Zusätzlich erfordern während des Fahrens auftretende Fahrzeugschwingungen geeignete Lösungen um die Maßnahme störungsfrei durchzuführen.

Daher besteht ein aktueller Bedarf an hoher Belastbarkeit und Stabilität bei der Einführung dieser Systeme in die Kraftfahrzeugindustrie.

Beschreibung des Standes der Technik

Es wurden verschiedene Versuche unternommen, die NOX-Emissionen von Dieselmotoren zu reduzieren.

Das US-Patent No. 6,063,350 offenbart ein Verfahren zur Verminderung von SCR NOx-Emissionen im Abgas einer Maschine mit magerer Verbrennung unter Verwendung einer wässrigen Harnstofflösung. In diesem System werden Temperaturschwankungen und die Bildung von festem Niederschlag durch Überwachung der Qualität, der Temperatur und dem Pegel der Harnstofflösung in einem Vorratsbehälter vermieden, unter Verwendung einer modularen Anordnung verschiedener Sensoren, die im Harnstoffbehälter angebracht sind. Auf Basis der abgetasteten Parameter werden Sensorsignale erzeugt und mit Referenzwerten verglichen und der Fluss der Harnstofflösung in Abhängigkeit von diesen Signalen geregelt. Um die Temperatur der Harnstofflösung aufrechtzuerhalten kann eine Heizung verwendet werden.

Weiterhin wird angegeben, dass der Niederschlag von Festteilchen durch Umlauf von Harnstoff durch eine Leitung zwischen dem Lagerbehälter und dem Injektor vermieden wird, welcher Harnstoff in das Abgas einspritzt. Das Maß, in welchem diese Rezirkulierung stattfindet, hilft dabei, die Temperatur der Harnstofflösung auf genügend niedrigem Niveau zu halten, sodass der Harnstoff nicht ausreichend Zeit hat, bei erhöhter Temperatur derart zu hydrolysieren, dass Feststoffe abgeschieden werden.

Das US-Patent 6,209,315 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur geregelten Einspeisung eines Reduktionsmittels in einem SCR-Prozess zur Reduzierung von NOx in einem Abgas. Das Reduktionsmittel wird von einem Lagergefäß zu einem Druckspeicher gepumpt, der zwischen das Lagergefäß und dem Dosierventil für den SCR-Katalysator eingesetzt ist. Die Menge des dosierten Reduktionsmittels kann aus dem Versatz des Federweges eines (federbelasteten) Diaphragmas im Druckspeicher zusammen mit einem Drucksensor ermittelt werden.

In allen Tanksystemen können verschiedene Typen an Gerätschaften verwendet werden, um das Einfrieren der Harnstofflösung zu vermeiden. Der Gefrierpunkt einer 32,5 Gew.-%igen wässrigen Harnstofflösung beträgt –11 °C. Eine Isolierung und verschiedene von der Batterie oder anderen Energiequellen gespeisten Heizungen sind im Stand der Technik erwähnt. Diese Typen von Schutzeinrichtungen sind nur effektiv, wenn eine konstante Kraftquelle zur Verfügung steht. Verlust an Batterieleistung bei kaltem Wetter verursacht das Einfrieren und die Kristallisation von Harnstoff bei genügend niedrigen Temperaturen. In gewöhnlichen Tanksystemen zeigen sich Schäden als Resultat der Expansion beim Einfrieren. Der Tank und die Tankeinbauten wie Sensoren, Pumpen und andere im Inneren eingebaute Ausrüstung können so dauerhaft zerstört werden.

Verschiedene Probleme im Zusammenhang mit SCR-Systemen, die gegenwärtig bei der NOx Reduktion angewandt werden, sind Korrosion der unterschiedlichen Komponenten von Systemen, die Kristallisation von Harnstoff, die zu Ablagerungen in den Leitungen führt, das Aufrechterhalten konstanter Ventileinstellungen und nicht akzeptierbare Verdampfungsemissionen. Temperaturen unter Null verursachen ein Einfrieren, was eine Zerstörung der Tankleitungspumpen zur Folge hat. Kein bisher bekanntes System war imstande sicher während aller unterschiedlichen Betriebsbedingungen zu laufen.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung ein sicheres, zuverlässiges SCR-System zur Reduzierung von NOX Emissionen aus Dieselsystemen zu schaffen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Eliminierung der Kristallisationsprobleme, die zur Zerstörung von Ausrüstung führt im Zusammenhang mit dem Einfrieren eines Reduktionsmittels wie Harnstoff.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung einer einfachen modularen Membranvorrichtung, die in SCR-Systemen verwendbar ist.

Ein noch weiteres spezifisches Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines SCR-Systems, bei welchem jegliche Sorte flüssigen Reduktionsmittels verwendet werden kann.

Ein zusätzliches spezifisches Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Gases als pneumatischer Antriebskraft hinter dem Transfer des Reduktionsmittels.

Ein weiteres besonderes Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung einer Flüssigkeit als hydraulisches Fördermittel hinter dem Transfer des Reduktionsmittels.

Diese Ziele werden durch die vorliegende Erfindung erreicht, welche ein verbessertes Verfahren und einen einfachen modularen Apparat zur SCR NOX Reduktion vorsieht.

Die hier beschriebene Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung des Gehalts an Stickstoffoxiden (NOX) im Abgas von Dieselmotoren oder Turbinen für stationäre oder mobile Anwendungen/Fahrzeuge in einem SCR-System mit Hilfe einer vorgehaltenen Quelle eines flüssigen Reduktionsmittels und Einspeisung des vorgehaltenen Reduktionsmittels in die Abgase, wobei man das flüssige Reduktionsmittel aus einem externen Lagertank in einen oder mehrere Membran-Lagertanks überführt, die jeder mit einem inneren Balgen ausgestattet sind, der aus einer nicht permeablen flexiblen Membran und einem hydraulischen oder pneumatischen Verdrängungsfluid außerhalb des inneren Balgens besteht, den flexiblen inneren Balgen mit flüssigem Reduktionsmittel befüllt und gleichzeitig Druck auf das Verdrängungsfluid im Membran-Lagertank ausübt, bis der Einspeisedruck erreicht ist, den Druck des Verdrängungsfluids im Membranlagertank durch Überführen von weiterem Fluid in das außerhalb des flexiblen inneren Balgens bestehende Volumen erhöht und derart das flüssige Reduktionsmittel dazu zwingt, den flexiblen inneren Balgen zu verlassen und das flüssige Reduktionsmittel aus dem inneren flexiblen Balgen dem Abgas zuführt.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Reduzierung des Gehalts an Stickoxiden im Abgas von Dieselmotoren oder Turbinen für stationäre oder mobile Anwendungen/Fahrzeuge in einem SCR-System, mit einer gelagerten Quelle eines flüssigen Reduktionsmittels und Einspeisung des gelagerten Reduktionsmittels in das Abgas gemäß eines Verfahrens nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung einen externen Lagertank zur Lagerung des flüssigen Reduktionsmittels aufweist, einen oder mehrere Membranlagertanks, die jeder mit einem inneren Balgen aus einer nicht permeablen flexiblen Membran ausgestattet sind, die dazu geeignet ist, mit Hilfe eines hydraulischen oder pneumatischen Verdrängungsfluids zu expandieren oder zu kontrahieren, welches außerhalb des inneren Balgens angeordnet ist, eine Kompressionsvorrichtung zur Regulierung des Flusses des Verdrängungsfluids zum und vom Membranlagertank, eine Dosierungseinrichtung zur Regelung des Flusses des Reduktionsmittels, sowie eine Mischeinrichtung zur Mischung des Reduktionsmittels mit Luft.

Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet ein Tanksystem mit einer modularen Membraneinheit, die günstiger ist, verglichen mit einem Tanksystem ohne eine solche Einheit. Die Verwendung eines Gases wie Luft als pneumatische Kraft oder einer Flüssigkeit als hydraulische Kraft vermeidet Verluste an Reduktionsmittel durch Verdampfung beim Wiederauffüllen. Membranfreie Systeme weisen einen durch Gleichgewicht bestimmten gesättigten Dampf in der Luft über dem Reduktionsmittel auf.

Bei Verwendung von Harnstoff führt Harnstoffdampf zu Harnstoffkristallen, wenn der Dampf getrocknet wird. Der Niederschlag von festen Harnstoffkristallen in den Ventilen, Einlässen und Auslässen des Systems, führt zu Störungen der Anlage. Wenn der Membranvorratstank verwendet wird, sichert die Trennung des Reduktionsmittels von der anwesenden Luft dass kein Dampf vom Reduktionsmittel im Luftteil des Systems vorhanden ist. Daher werden keine mit dem Dampf in der Luft verbundenen Probleme beobachtet.

Falls Harnstoff oder Ammoniak als Reduktionsmittel verwendet wird, können Tanks, Ventile und Schläuche etc. aus billigen Messingkomponenten nicht eingesetzt werden, da sie in Gegenwart dieser Verbindungen korrodieren. Teure Stahltypen mussten in den Bereichen eingesetzt werden die höherem Druck ausgesetzt waren. Es ist demgegenüber im erfindungsgemäßen Verfahren dank seiner einzigartigen Konstruktion und Funktion nicht erforderlich Stahlkomponenten zu verwenden.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäß verwendeten Systems besteht darin, dass das Membrantanksystem nicht zerstört wird, wenn es zufällig unter den Gefrierpunkt der Harnstofflösung gekühlt wird. Der Grund hierfür liegt darin, dass die flexible Membran, welche die Reduktionsmittelösung aufnimmt immer die Fähigkeit hat, sich der Expansion des Reduktionsmittels anzupassen. Diese Fähigkeit wird durch Verwendung eines flexiblen Materials erhalten, welches expandieren und kontrahieren kann. Geeignete Materialien sind verschiedene Gummitypen, z.B. EPDM-Gummi (Ethylenpropylendienmonomer). Andere Sorten können ebenfalls verwendet werden, vorausgesetzt, sie sind ihrer Natur nach flexibel.

Die Innenseite der Tankschale kann mit Schaumgummi ausgekleidet sein. Eine geeignete Schicht von wenigen Millimetern Dicke hat sich als ausreichend erwiesen, die kleinen Expansionen der flexiblen Membran verursacht durch das Einfrieren oder die Kristallisation von Harnstoff zu absorbieren. Derart kann kein dauerhafter Schaden des Tanksystems induziert werden und wenn die Temperatur den Gefrierpunkt des Reduktionsmittels übersteigt und bewirkt, dass das Reduktionsmittel schmilzt, wird die Funktion der gesamten Ausrüstung normalisiert. Um das Einfrieren zu vermeiden, können Vorsichtsmaßnahmen ähnlich den bei Nicht-Membran-Systemen, wie z.B. Heizen verwendet werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

1 ist ein Fließdiagramm, welches den Betrieb des SCR-Systems unter Verwendung von Druckluft oder Gas beim Befüllen zeigt.

2 zeigt das System gemäß 1 unter Verwendung von komprimierter Luft oder Gas beim Betrieb.

3 zeigt den Betrieb des SCR-Systems unter Verwendung von mit Druck beaufschlagter Flüssigkeit beim Auffüllen.

4 zeigt das System nach 3 unter Verwendung von mit Druck beaufschlagter Flüssigkeit bei Betrieb.

5 zeigt ein System mit vergrößerter Tankkapazität.

Detaillierte Beschreibung

Die Vorrichtung besteht aus einem externen Tank (C) und einem Membranvorratstank (B) mit eingebautem inneren Balgen (A), wobei der innere Balgen (A) aus einer nicht permeablen flexiblen Membran (A1) aufgebaut ist. Eine Einheit (H) für komprimierte Luft oder irgendein anderes Gas, das für die pneumatische Verdrängung verwendbar ist, sowie ein Tank (T) für Diesel oder einen anderen Treibstoff, welcher für hydraulische Verdrängung verwendbar ist, sind ebenfalls vorhanden.

Zusätzlich sind ein 3-Wegeventil (V1) für den Einlass und den Auslass von Reduzierungsmittel zum Membranvorratstank sowie ein weiteres 3-Wegeventil (V2) vorgesehen, welches erlaubt, dass die Verdrängungsflüssigkeit in den Membranvorratstank ein- oder aus diesem austritt, sowie ein Anzahl von Druckanzeigern und Reduktionsventilen. Ein Dosierventil (G) zur Überführung des Reduktionsmittels zu einer Mischvorrichtung (F) ist ebenfalls vorgesehen. Letztlich gelangt das Reduzierungsmittel in den Abgasstrom (E).

Eine geeignete Mischvorrichtung könnte ein Typ sein, welcher einen kombinierten Geräuschdämpfungs- und Mischeffekt ausweist, wie die in der EP-Patentanmeldung No. 960 650.

Die Figuren werden unter Verwendung von Harnstoff als Beispiel eines Reduzierungsmittels erläutert.

1 zeigt das SCR-System unter Verwendung von Druckluft oder einem anderen Gas beim Abfüllmodus. Die Pfeile auf dem vereinfachten Fließschema deuten die aktuelle Fließrichtung durch das System an. Der externe Vorratstank (C) enthält flüssigen Harnstoff und Harnstoffdampf. Flüssiger Harnstoff aus (C), was die Tankstelle sein könnte, wird mit Hilfe einer externen Pumpe (C1) an das lokale Tanksystem (B) übertragen, welches das Fahrzeug sein könnte. Der Übertragungsdruck wird auf dem Druckanzeiger (P3) angezeigt. Das 3-Wegeventil (V1) in der "aus" Stellung erlaubt den Harnstoff-Fluss zum inneren Teil der Membran (A1). Während des Auffüllens wird die die Membran umgebende Luft komprimiert und passiert das Ventil (V2), welches sich ebenfalls in "aus" Stellung befindet und wird über die Ventilation (D) in die umgebende Atmosphäre geleitet. Der Endfüllstand ist zu sehen, wenn der Druck auf das selbe Niveau wie der Speisedruck der Pumpe (C1) ansteigt, was vom Druckanzeiger (P3) angezeigt wird.

1 veranschaulicht ebenso die Anordnung des Gummischaums auf der Innenwandung des Membranvorratstanks (B). Wie schon zuvor erwähnt, verhindert die Anwesenheit dieses Materials die potentiell destruktive Expansion des Reduzierungsmittels, was durch Einfrieren oder durch Heizung geschehen kann.

2 zeigt das System der 1 unter Verwendung von Druckluft im Betrieb. Die Pfeile im Fließschema zeigen die aktuelle Fließrichtung. Die beiden Ventile (V1) und (V2) wurden in die "offen" Stellung gedreht und kehren so die Fließrichtung des Harnstoffs um. In diesem Falle wird Luft oder ein anderes Gas im Kompressor (C2) komprimiert und die komprimierte Luft fließt durch die zwei Reduktionsventile (R1) und (R2). Aus (R1) strömt die komprimierte Luft durch das Ventil (V2) in den Membranvorratstank (B). Auf dem Reduktionsventil (R1) wird der Druck z.B. auf 2 bar (2 · 105 Pa) eingestellt und dies wird auf dem Druckanzeiger (P1) angezeigt. Der Harnstoff am inneren Balgen (A) wird nun zum und durch das Ventil (V1) zum Dosierventil (G) gezwungen. (G) wird elektrisch betrieben und der gewählte Harnstoffmengenfluss wird durch die Bedingungen an diesem Ventil bestimmt. Harnstoff wird dann zum Mischer (F) geleitet. An diesem Punkt wird Harnstoff mit vom Reduktionsventil (R2) angelieferter Luft gemischt.

Dies resultiert zu einer homogenen geregelten Mischung, die an das Abgas (E) geliefert wird. Der Druck wird z.B. auf 1 bar (1 · 105 Pa) geregelt, wie am Druckanzeiger (P2) gezeigt. Die endgültige Harnstoff/Luftmischung ist nun fertig, um zum Abgas (E) übertragen zu werden.

3 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher das System beim Tankmodus unter Verwendung einer mit Druck beaufschlagten Flüssigkeit als ein hydraulisches Verdrängungsmittel betrieben wird, welche im bestehenden System oder Fahrzeug vorhanden ist. Der Tank (T) kann entweder eine Motorkühlflüssigkeit wie Wasser oder hydraulisches Öl, Dieselöl oder irgendeine andere hydraulische Verdrängungsflüssigkeit enthaften. Beim Befüllen wird die Flüssigkeit aus dem Membrantank (B) zurück zum Tank (T) geführt. Andere Betriebsparameter sind gleichwertig der Beschreibung zu 1.

4 zeigt das System der 3 im Betrieb. Flüssigkeit aus dem Tank (T) wird durch die Pumpe (C3) zum Druckregulierer (R1) gepumpt, wo der gewünschte Druck eingestellt wird. Der aktuelle Druck ist auf dem Druckanzeiger (P1) zu sehen. Die Flüssigkeit passiert das Ventil (V2) und gelangt in den Membranvorratstank (B), was das Reduzierungsmittel dazu veranlasst, den inneren Balgen (A) zum Dosierventil (G) hin zu verlassen. Andere Betriebsparameter sind äquivalent zu den in der Beschreibung zu 2 gegebenen.

5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wo die Harnstoffkapazität oder das Volumen verdoppelt oder verdreifacht werden können, durch einfaches Hinzufügen von zusätzlichen Tanks in Reihe zum gezeigten System.

Unter Bezugnahme auf das Vorstehende kann gesehen werden, dass Luft aus dem System eliminiert ist, sobald das Reduktionsmittel aus dem Tank (C) abgezogen ist und derart die Sicherheitsaspekte der Vorrichtung erhöht.

Es ist gleichfalls offensichtlich, dass beliebiges Gas oder Flüssigkeit als pneumatisches oder hydraulisches Verdrängungsmittel verwendbar ist, um das Reduzierungsmittel in den inneren Balgen (A) hinein- oder aus diesem herauszubringen.

Die in dieser Erfindung verwendeten Verdrängungsmittel schließen Fluide ein, die am aktuellen Ort verfügbar sind, an welcher die Vorrichtung verwendet wird. Diese Fluide schließen Gase wie Luft, Kohlendioxid und Stickstoff ein, sowie Flüssigkeiten wie Dieselöl, Kühlflüssigkeiten und hydraulische Flüssigkeiten. Beliebige andere Gase und Flüssigkeiten können ebenfalls verwendet werden.

Beispiele

In den folgenden Beispielen wurde ein Tank (B) getestet, welcher mit einem inneren Balgen (A) aus flexibler EPDM-Gummimembran (A1) ausgestattet war. Das Reduzierungsmittel, welches in den folgenden Beispielen verwendet wurde, deckt Mischungen von Harnstoff oder Ammoniak in Wasser mit beliebiger gegebener Konzentration ab. Jedoch können beliebige andere Reduzierungsmittel in beliebigen gegebenen Konzentrationen in Wasser oder irgendeine der oben erwähnten Flüssigkeiten entweder in Kombination miteinander oder rein verwendet werden. Eine typische Verwendung ist 32 ½ Gew.-% Harnstoff in Wasser oder 25 Gew.-% Ammoniak in Wasser.

Beispiel 1

Es wurde ein wie oben beschriebenes System gebaut und getestet. Der innere Balgen (A) wurde mit 32,5 Gew.-% wässriger Harnstofflösung gefüllt. Die Ventile (V1) und (V2) wurden in die "auf" Stellung (Betriebsstellung) gedreht. Der Druckregulator (R1) wurde auf 2 bar (2 · 105 Pa) eingestellt. Die Förderluft zum Mischer (F) wurde auf 1 bar (1 · 105 Pa) am Reduzierventil R2 eingestellt. Das Dosierventil (G) wurde betätigt und es wurde ein konstanter Harnstoffstrom zum Abgas (E) festgestellt.

Beispiel 2

Anstelle einer Harnstofflösung wurde der innere Balge (A) mit 25 %igem wässrigen Ammoniak befüllt. Die Druckeinstellungen waren denen des Beispiels 1 identisch. Das Dosierventil (G) wurde betätigt und ein konstanter Ammoniakfluss wurde beobachtet.

Beispiel 3

Wie in Beispiel 1, jedoch wurde in diesem Falle Kühlflüssigkeit aus dem Tank (T) anstelle von Druckluft verwendet. Das Kühlmittel wurde über die Pumpe (C3) gepumpt. Der Strömungsdruck wurde an diesem Reduzierventil (R1) an 2 bar (2· 105 Pa), wie auf dem Druckanzeiger (P1) gezeigt, eingestellt. Die flüssige Strömung wurde durch (V2) geleitet, welches zum Tank (B) in "offen" Stellung war. Der im inneren Balgen (A) enthaltene Harnstoff wurde mit einem Druck beaufschlagt, der dem Druck von 2 bar (2 · 105 Pa) gleich war. Es wurde wie in Beispiel 1 Harnstoffströmung zum Mischer (F) festgestellt.

Beispiel 4

Wie in Beispiel 3, jedoch unter Verwendung von Dieselöl anstelle von Kühlmittel in Tank (T). Fluss wurde wie im vorangegangenen Beispiel festgestellt.

Beispiel 5

Wie in Beispiel 3, jedoch unter Verwendung von hydraulischem Öl anstelle von Kühlmittel in Tank (T). Fluss wurde ebenfalls festgestellt.

Beispiel 6

Das System wurde mit 32,5 Gew.-%igem wässrigen Harnstoff gefüllt und danach unter Einsatz von Druckluft bei 2 bar (2 · 105 Pa) in Zyklen 1000 mal geleert. Die Füllzeit war 5 Minuten, die Haltezeit war 1 Minute und die Entleerungszeit betrug 7 Minuten. Es wurde keine Fehlfunktion des Systems unter diesen strengen Bedingungen festgestellt. Ebenso traten keine sichtbaren Anzeichen von Harnstoffablagerungen auf.

Beispiel 7

32,5 Gew.-% Harnstoff kristallisiert bei –11 °C. Um den Widerstand des Membranvorratstanks gegen extrem kalte Bedingungen zu bestimmen, wurde der innere Balgen (A) des Vorratstanks (B) mit 32,5 Gew.-%igem wässrigen Harnstoff befüllt und für 16 Stunden in eine Gefrierkammer bei –20 °C gestellt. Ein Temperaturanzeiger wurde innerhalb der Membran in Harnstofflösung platziert. Nach 16 Stunden zeigte dieser Anzeiger –19 °C. Der Lagertank wurde dann der Umgebungstemperatur für einen Tag ausgesetzt. Der innere Balgen wurde geleert, vom Tank getrennt und visuell inspiziert. Es wurde kein Schaden am inneren Balgen beobachtet.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Reduzierung des Gehalts an Stickstoffoxiden (NOX) im Abgas von Dieselmotoren oder Turbinen für stationäre oder mobile Anwendungen/Fahrzeuge in einem SCR-System mit Hilfe einer vorgehaltenen Quelle eines flüssigen Reduktionsmittels und Einspeisung des vorgehaltenen Reduktionsmittels in die Abgase, wobei man

    das flüssige Reduktionsmittel aus einem externen Lagertank in einen oder mehrere Membran- Lagertanks überführt, die jeder mit einem inneren Balgen ausgestattet sind, der aus einer nicht permeablen flexiblen Membran und einem hydraulischen oder pneumatischen Verdrängungsfluid außerhalb des inneren Balgens besteht,

    den flexiblen inneren Balgen mit flüssigem Reduktionsmittel befällt und gleichzeitig Druck auf das Verdrängungsfluid im Membran-Lagertank ausübt, bis der Einspeisedruck erreicht ist,

    den Druck des Verdrängungsfluids im Membranlagertank durch Überführen von weiterem Fluid in das außerhalb des flexiblen inneren Balgens bestehende Volumen erhöht und derart das flüssige Reduktionsmittel dazu zwingt, den flexiblen inneren Balgen zu verlassen,

    und das flüssige Reduktionsmittel aus dem inneren flexiblen Balgen dem Abgas zuführt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das für die pneumatische oder hydraulische Verdrängung des im inneren flexiblen Tank vorhandenen flüssigen Reduktionsmittels verwendete Fluid ein Gas oder eine Flüssigkeit ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das für die pneumatische Verdrängung des flüssigen Reduktionsmittels verwendete Fluid im flexiblen inneren Tank Druckluft ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das für die hydraulische Verdrängung des flüssigen Reduktionsmittels im flexiblen inneren Tank verwendete Fluid eine Kühlflüssigkeit ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das für die hydraulische Verdrängung des flüssigen Reduktionsmittels im flexiblen inneren Tank verwendete Fluid Dieselöl ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei in Reihe angeordnete Membran-Lagertanks zur Lagerung des flüssigen Reduktionsmittels vorgesehen sind.
  7. Verfahren nach Anspruch 1 – 6, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Reduktionsmittel wässriger Harnstoff oder Ammoniak ist.
  8. Vorrichtung zur Reduzierung des Gehalts an Stickoxiden im Abgas von Dieselmotoren oder Turbinen für stationäre oder mobile Anwendungen/Fahrzeuge in einem SCR-System mit einer gelagerten Quelle eines flüssigen Reduktionsmittels und Einspeisung des gelagerten Reduktionsmittels in das Abgas gemäß eines Verfahrens nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung aufweist

    einen externen Lagertank zur Lagerung des flüssigen Reduktionsmittels,

    einen oder mehrere Membranlagertanks, die jeder mit einem inneren Balgen aus einer nicht permeablen flexiblen Membran ausgestattet sind, die dazu geeignet ist, mit Hilfe eines hydraulischen oder pneumatischen Verdrängungsfluids zu expandieren oder zu kontrahieren, welches außerhalb des inneren Balgens angeordnet ist,

    eine Kompressionsvorrichtung zur Regulierung des Flusses des Verdrängungsfluids zum und vom Membranlagertank,

    eine Dosierungseinrichtung zur Regelung des Flusses des Reduktionsmittels,

    eine Mischeinrichtung zur Mischung des Reduktionsmittels mit Luft.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranlagertank in den Dieseltank des Motors eingebaut ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranlagertank in das Kühlsystem des Motors eingebaut ist.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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