DE102022117569A1

DE102022117569A1 - Abgasnachbehandlungssystem im Abgasstrang eines Ammoniakverbrennungsmotors, Verfahren zur Abgasnachbehandlung und Verwendung eines N2O-Zersetzungskatalysators

Info

Publication number: DE102022117569A1
Application number: DE102022117569.3A
Authority: DE
Inventors: Daniel Peitz; Adrian Marberger
Original assignee: Hug Engineering AG
Current assignee: Hug Engineering AG
Priority date: 2022-07-14
Filing date: 2022-07-14
Publication date: 2024-01-25
Also published as: WO2024012792A1

Abstract

Ein Abgasnachbehandlungssystem im Abgasstrang eines Ammoniakverbrennungsmotors, wobei der Abgasstrang von einem Abgasstrom des Ammoniakverbrennungsmotors durchströmbar ist, umfasst einen passiven SCR-Katalysator (14), einen Oxidationskatalysator (16), mit dem im Abgasstrom enthaltenes Ammoniak oxidierbar ist, und einen geregelten SCR-Katalysator (22). Der Oxidationskatalysator (16) ist im Abgasstrang stromabwärts des passiven SCR-Katalysators (14) angeordnet und der geregelte SCR-Katalysator (22) ist im Abgasstrang stromabwärts des Oxidationskatalysators (16) angeordnet. Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst ferner mindestens einen N₂O-Zersetzungskatalysator (24), der im Abgasstrang stromaufwärts des passiven SCR-Katalysators (14) oder stromabwärts des passiven SCR-Katalysators (14), des Oxidationskatalysators (16) und/oder des geregelten SCR-Katalysators (22) angeordnet ist.
Ferner wird ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung und die Verwendung eines N₂O-Zersetzungskatalysators (24) angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem im Abgasstrang eines Ammoniakverbrennungsmotors, ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines von einem Ammoniakverbrennungsmotor erzeugten Abgasstroms sowie die Verwendung eines N₂O-Zersetzungskatalysators.
Ammoniakverbrennungsmotoren sind Verbrennungsmotoren, die Ammoniak als Kraftstoff verwenden, und stellen eine Alternative zu „klassischen“ Verbrennungsmotoren dar, die als Brennstoff Kohlenwasserstoffe wie Erdgas, Benzin oder Diesel einsetzen. Der Einsatz von Ammoniakverbrennungsmotoren ist insbesondere wünschenswert, wenn Kohlenwasserstoffe aus fossilen Quellen durch sogenannten „grünen“ Ammoniak als Brennstoff ersetzt werden.
Der Begriff „grüner Ammoniak“ bezeichnet in diesem Zusammenhang Ammoniak, der auf Basis von mittels Elektrolyse erzeugten Wasserstoff hergestellt wurde, wobei die für die Elektrolyse notwendige elektrische Energie über regenerative Energiequellen wie Wind- oder Sonnenenergie gewonnen wurde. Somit lässt sich durch den Einsatz von Ammoniakverbrennungsmotoren der Ausstoß von Kohlenstoffdioxid senken und somit Treibhausgasemissionen minimieren.
Jedoch erzeugen Ammoniakverbrennungsmotoren Abgasströme, die sich von denen, die in einem klassischen Verbrennungsmotor anfallen, grundlegend unterscheiden. Insbesondere ist es von Bedeutung, zu verhindern, dass anstelle von Kohlenstoffdioxid lediglich ein anderes Treibhausgas mit gleichem oder höherem Treibhausgaspotential als Kohlenstoffdioxid von Ammoniakverbrennungsmotoren ausgestoßen wird.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zur Abgasnachbehandlung von in einem Ammoniakverbrennungsmotor erzeugten Abgasströmen bereitzustellen, die insbesondere den Ausstoß von Verbindungen mit einem Treibhausgaspotential über demjenigen von Kohlenstoffdioxid wenigstens reduziert.
Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Abgasnachbehandlungssystem im Abgasstrang eines Ammoniakverbrennungsmotors, wobei der Abgasstrang von einem Abgasstrom des Ammoniakverbrennungsmotors durchströmbar ist. Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst einen passiven SCR-Katalysator, einen Oxidationskatalysator, mit dem im Abgasstrom enthaltenes Ammoniak oxidierbar ist, und einen geregelten SCR-Katalysator. Der Oxidationskatalysator ist im Abgasstrang stromabwärts des passiven SCR-Katalysators angeordnet und der geregelte SCR-Katalysator ist im Abgasstrang stromabwärts des Oxidationskatalysators angeordnet. Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst ferner mindestens einen N₂O-Zersetzungskatalysator, der im Abgasstrang stromaufwärts des passiven SCR-Katalysators oder stromabwärts des passiven SCR-Katalysators, des Oxidationskatalysators und/oder des geregelten SCR-Katalysators angeordnet ist.
Es wurde erkannt, dass Distickstoffmonoxid (auch als „Lachgas“ oder N₂O bezeichnet) in von Ammoniakverbrennungsmotoren erzeugten Abgasströmen in relevanten Anteilen enthalten ist. Distickstoffmonoxid besitzt jedoch ein Treibhausgaspotential, das in einem Zeithorizont von 100 Jahren mehr als dem 250-fachen des Treibhausgaspotentials von Kohlenstoffdioxid entspricht, sodass die Emission von Distickstoffmonoxid so weit wie möglich vermieden werden sollte bzw. muss.
Aus diesem Grund ist erfindungsgemäß im Abgasnachbehandlungssystem mindestens ein N₂O-Zersetzungskatalysator eingesetzt, der im Abgasstrom enthaltenes Distickstoffmonoxid wenigstens teilweise chemisch umwandelt. Anders ausgedrückt ist der N₂O-Zersetzungskatalysator dazu eingerichtet, im Abgasstrom enthaltenes Distickstoffmonoxid wenigstens teilweise zu oxidieren oder zu reduzieren.
Der N₂O-Zersetzungskatalysator ist zudem erfindungsgemäß innerhalb des Abgasnachbehandlungssystems derart angeordnet, dass der Abgasstrom bei Durchströmen des N₂O-Zersetzungskatalysators eine auf den N₂O-Zersetzungskatalysator abgestimmte Zusammensetzung aufweist, sodass der N₂O-Zersetzungskatalysator eine optimierte Umsetzungsrate und Selektivität aufweist.
Geeignete N₂O-Zersetzungskatalysatoren sind beispielsweise ausgewählt aus den Zeolithen, insbesondere eisenbeladenen Zeolithen, Spinellverbindungen, Hexaaluminatverbindungen, Perovskitverbindung und Rhodium enthaltenden Katalysatoren. Cordierit kann als N₂O-Zersetzungskatalysatorträger eingesetzt sein.
Der Begriff „SCR-Katalysator“ bezeichnet Katalysatoren, die zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (NO_x) dienen (auch als „selektive katalytische Reduktion oder Englisch als „selective catalytic reduction“ bekannt).
Der passive SCR-Katalysator ist ein ungeregelter SCR-Katalysator. Das heißt, dass dieser ohne Regelung auf Basis von Messdaten einer Messsonde arbeitet, auf deren Basis ein Reduktionsmittel zudosiert wird. Stattdessen reduziert der passive SCR-Katalysator im Abgasstrom enthaltene Stickoxide mit ebenfalls im Abgasstrom enthaltenem Ammoniak, also mit Ammoniakemissionen, die unverbrannt den Ammoniakverbrennungsmotor verlassen.
Der passive SCR-Katalysator dient insbesondere dazu, den Gehalt an Stickoxiden, wie er zu Beginn der Abgasnachbehandlung im Abgasstrom zu erwarten ist, abzusenken, sodass die Funktion von im Abgasstrom stromabwärts des passiven SCR-Katalysators angeordneten Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems nicht durch im Abgasstrom vorhandene Stickoxide beeinträchtigt wird.
Zudem ist der passive SCR-Katalysator nicht auf Messdaten einer Messsonde angewiesen, sodass der passive SCR-Katalysator an Stellen im Abgasstrang angeordnet sein kann, in denen die Stickoxidkonzentration im Abgasstrom so hoch ist, dass eine Messung nicht oder nicht ausreichend präzise durchgeführt werden kann.
Ferner kann der passive SCR-Katalysator als kostengünstiger Fänger von potentiell im Abgasstrom enthaltenen Katalysatorgiften dienen. Katalysatorgifte sind Verbindungen, welche die Funktionsfähigkeit eines Katalysators zumindest temporär, insbesondere dauerhaft, so weit einschränken, dass der Katalysator seine angedachte Funktion nicht mehr erfüllen kann. Die im Abgasstrom enthaltenen Katalysatorgifte können ihren Ursprung in einem Schmieröl und/oder einem Zündstrahlkraftstoff des Ammoniakverbrennungsmotors haben.
Der im Abgasstrom stromabwärts des passiven SCR-Katalysators angeordnete Oxidationskatalysator dient dazu, im Abgasstrom enthaltenes Ammoniak zu entfernen. In Ammoniakverbrennungsmotoren ist ein Ammoniakschlupf zu erwarten, das heißt, aus einem Brennraum des Ammoniakverbrennungsmotors kann ungewollt nicht umgesetzter Ammoniak in den Abgasstrom gelangen. Um die Funktion und die präzise Steuerung von Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems zu ermöglichen sowie um ungewollte Ammoniakemissionen zu verhindern oder wenigstens zu minimieren, ist daher der Oxidationskatalysator vorgesehen.
Zugleich kann der Oxidationskatalysator dazu dienen, gegebenenfalls im Abgasstrom enthaltene weitere oxidierbare Gase wie Wasserstoff (H₂) und/oder nicht oder unvollständig verbrannte Kohlenwasserstoffe zu entfernen. Diese Bestandteile können als Reste aus sogenannten „pilot fuels“ im Abgasstrom anfallen.
Der Oxidationskatalysator ist erfindungsgemäß im Abgasstrom stromaufwärts des geregelten SCR-Katalysators angeordnet. Auf diese Weise wird verhindert, dass die Steuerung des geregelten SCR-Katalysators durch schwankende Ammoniakkonzentrationen im Abgasstrom negativ beeinträchtigt wird, oder dieser Effekt zumindest vermindert wird.
Im Gegensatz zum passiven SCR-Katalysator wird der geregelte SCR-Katalysator auf Basis von Messdaten einer dem geregelten SCR-Katalysator zugeordneten Messsonde zum Bestimmen einer Stickoxidkonzentration im Abgasstrom betrieben. Auf diese Weise ist eine präzise Kontrolle der Stickoxidkonzentration im Abgasstrom stromabwärts des geregelten SCR-Katalysators möglich.
Stromaufwärts des geregelten SCR-Katalysators kann ferner eine Dosiereinheit zum Zuführen von Ammoniak in den Abgasstrom vorhanden sein, wobei der mindestens eine N₂O-Zersetzungskatalysator im Abgasstrang stromaufwärts der Dosiereinheit oder im Abgasstrang stromabwärts der Dosiereinheit angeordnet ist.
Über die Dosiereinheit kann der Gehalt an Ammoniak im Abgasstrom eingestellt werden, um die katalytische Umwandlung der im Abgasstrom noch vorhandenen Stickoxide im geregelten SCR-Katalysator zu steuern, der stromabwärts der Dosiereinheit angeordnet ist.
Insbesondere umfasst die Dosiereinheit ferner ein Mischmodul zum Durchmischen des von der Dosiereinheit in den Abgasstrom zugeführten Ammoniaks und den übrigen Bestandteilen des Abgasstroms. Beispielsweise ist das Mischmodul ein Verbindungsrohr, welches die Dosiereinheit und den geregelten SCR-Katalysator strömungsmäßig verbindet.
Somit zeichnet sich das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem insbesondere dadurch aus, dass die Art und Anordnung der Komponenten des Abgassystems optimal auf die im Abgasstrom vorhandene Bestandteile, also die chemische Zusammensetzung des Abgasstroms, am Ort der jeweiligen Komponente im Abgasstrom abgestimmt werden kann.
Es ist auch möglich, dass die Position des N₂O-Zersetzungskatalysators innerhalb des Abgasnachbehandlungssystem derart ausgestaltet ist, dass die an der Position des N₂O-Zersetzungskatalysators im Abgasstrom enthaltenen Bestandteile beschleunigend auf die vom N₂O-Zersetzungskatalysator durchgeführte Reaktion wirken. Auf diese Weise ergeben sich aus der gezielten Anordnung der Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems synergistische Effekte in der Umwandlung der unerwünschten Bestandteile des Abgasstroms.
In einer Variante sind wenigstens zwei im Abgasstrom direkt aufeinander folgende Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems in einem gemeinsamen Funktionsmodul aufgenommen.
Beispielsweise bilden der passive SCR-Katalysator und der N₂O-Zersetzungskatalysator, der geregelte SCR-Katalysator und der N₂O-Zersetzungskatalysator oder der Oxidationskatalysator und der N₂O-Zersetzungskatalysator ein gemeinsames Funktionsmodul.
In noch einer weiteren Variante ist wenigstens eine der Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems ein kombinierter Katalysator, der zwei oder mehr Funktionen der im Abgasnachbehandlungssystem enthaltenen Katalysatoren in einem Bauteil vereint.
Beispielsweise kann der kombinierte Katalysator ein kombinierter N₂O-Zersetzungskatalysator/SCR-Katalysator sein, der Stickoxide und Lachgas zugleich abbaut, beispielsweise gemäß der Reaktionsgleichung N₂O + NO → N₂ + NO₂, gefolgt von einer selektiven katalytischen Reduktion des entstandenen NO₂.
Auch kann der kombinierte Katalysator ein kombinierter N₂O-Zersetzungskatalysator/Oxidationskatalysator sein, der Ammoniak und Lachgas zugleich abbaut, beispielsweise gemäß der Reaktionsgleichung 3 N₂O + 2 NH₃ → 4 N₂ + 3 H₂O.
Es können auch mehrere N₂O-Zersetzungskatalysatoren im Abgasnachbehandlungssystem eingesetzt werden bzw. sein. In diesem Fall kann je nach Stellung des N₂O-Zersetzungskatalysators in der Abfolge der Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems ein hinsichtlich der erwarteten Zusammensetzung des Abgasstroms am Ort des jeweiligen N₂O-Zersetzungskatalysators im Abgasstrang ein optimal ausgelegter N₂O-Zersetzungskatalysator eingesetzt werden.
Der Abgasstrom kann vor der Behandlung mit dem Abgasnachbehandlungssystem eine Temperatur im Bereich von 250 bis 550 °C aufweisen. Entsprechend ist die erfindungsgemäße Reihenfolge der Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems in Strömungsrichtung des Abgasstroms insbesondere so ausgelegt, dass ein Abgasstrom mit einer Ausgangstemperatur im Bereich von 250 bis 550 °C den angedachten Reaktionsfolgen unterworfen werden kann, um ungewünschte Bestandteile im Abgasstrom wie Ammoniak, Stickoxide und Lachgas in umweltverträgliche Stoffe umzuwandeln.
Das Abgasnachbehandlungssystem kann einen Abgasturbolader umfassen, durch den das im Ammoniakverbrennungsmotor von einem Zylinder des Ammoniakverbrennungsmotors abgegebene Abgas, also der Abgasstrom, geführt wird. Der Abgasturbolader ermöglicht es, die im Abgasstrom enthaltene Wärmeenergie wenigstens teilweise zu nutzen. Auf diese Weise kann zudem die Temperatur des Abgasstroms gezielt beeinflusst werden, sodass im Abgasstrom stromabwärts bzw. stromaufwärts des Abgasturboladers eingesetzte Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems in einem optimalen Temperaturbereich betrieben werden können.
Der Abgasturbolader kann an jeder beliebigen geeigneten Position innerhalb des Abgasnachbehandlungssystems eingesetzt sein. So kann der Abgasturbolader im Abgasstrom stromaufwärts oder stromabwärts des passiven SCR-Katalysators, stromabwärts des Oxidationskatalysators, stromabwärts des geregelten SCR-Katalysators oder stromaabwärts des N₂O-Zersetzungskatalysators angeordnet sein.
Der Abgasturbolader hat den Effekt, dass die Temperatur des Abgasstroms abgesenkt wird. Das heißt, die Temperatur des Abgasstroms stromabwärts des Abgasturboladers ist niedriger als die Temperatur des Abgasstroms stromaufwärts des Abgasturboladers. Entsprechend ist der Abgasturbolader insbesondere derart innerhalb des Abgasnachbehandlungssystems angeordnet, dass Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems, die bei einer höheren Temperatur betrieben werden sollen, im Abgasstrom stromaufwärts des Abgasturboladers angeordnet sind, während Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems, die bei einer niedrigeren Temperatur betrieben werden sollen, im Abgasstrom stromabwärts des Abgasturboladers angeordnet sind. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass alle Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems in einem optimalen Temperaturbereich betrieben werden können.
Der Abgasturbolader ist insbesondere ein einstufiger Turbolader.
Ferner kann der Abgasstrom vor der Behandlung mit dem Abgasnachbehandlungssystem bis zu 10.000 ppm Ammoniak, insbesondere bis zu 8.000 ppm Ammoniak, beispielsweise bis zu 5.000 ppm Ammoniak, und bis zu 5.000 ppm Stickoxide umfassen.
Alle Angaben in ppm („parts per million“) sind als Volumenkonzentrationen bei Prozessbedingungen zu verstehen.
Zudem kann der Abgasstrom vor der Behandlung mit dem Abgasnachbehandlungssystem bis zu 500 ppm Distickstoffmonoxid umfassen.
Der Abgasstrom kann vor der Behandlung mit dem Abgasnachbehandlungssystem Wasser in einem Anteil von 5 bis 25 Volumenprozent umfassen, insbesondere von 10 bis 25 Volumenprozent, beispielsweise 10 bis 20 Volumenprozent.
Der Abgasstrom weist insbesondere einen Druck von bis zu 5 bar auf.
Die zu einem bestimmten Zeitpunkt beim Betrieb des Ammoniakverbrennungsmotors anfallenden Bestandteile des Abgasstroms können sich je nach Lastsituation somit in weiten Bereichen unterscheiden. Die erfindungsgemäß vorgesehene und aufeinander abgestimmte Reihenfolge der Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems ermöglicht auch unter diesen Bedingungen eine möglichst optimale Abgasnachbehandlung.
Zudem unterscheidet sich die Zusammensetzung des zu behandelnden Abgasstroms grundlegend von Zusammensetzungen, wie sie in Abgasströmen von klassischen Verbrennungsmotoren sowie in technischen Prozessen auftreten, in denen ebenfalls Distickstoffmonoxid als Nebenprodukt anfallen kann, beispielsweise der Salpetersäureherstellung.
Es ist auch möglich, dass das Abgasnachbehandlungssystem dazu eingerichtet ist, den N₂O-Zersetzungskatalysator in einem vorbestimmten Betriebsmodus nicht einzusetzen. Der vorbestimmte Betriebsmodus ist insbesondere dadurch festgelegt, dass der Abgasstrom kein Lachgas enthält oder lediglich Lachgas in einer Konzentration, die unterhalb einem zuvor festgelegten Betriebsmodus-Schwellwert liegen.
Der Ammoniakverbrennungsmotor weist insbesondere eine Leistung von 560 kW oder mehr auf. Derartige Ammoniakverbrennungsmotoren eignen sich für marine Anwendungen beispielsweise als Schiffsmotor.
Die Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines von einem Ammoniakverbrennungsmotor erzeugten Abgasstroms in einem Abgasnachbehandlungssystem, wobei im Abgasstrom vorhandenes Distickstoffmonoxid mittels eines N₂O-Zersetzungskatalysators wenigstens teilweise umgesetzt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, dass trotz der im Abgas eines Ammoniakverbrennungsmotors anfallenden Anteile an Distickstoffmonoxid zuverlässig verhindert werden kann, dass Distickstoffmonoxid in die Umwelt abgegeben wird, oder wenigstens die Menge an in die Umwelt abgegebenen Distickstoffmonoxid minimiert werden kann.
Das Abgasnachbehandlungssystem ist insbesondere ein Abgasnachbehandlungssystem wie zuvor beschrieben. Die Merkmale und Eigenschaften des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
Des Weiteren wird die Aufgabe gelöst durch die Verwendung eines N₂O-Zersetzungskatalysators in einem Abgasnachbehandlungssystem eines Ammoniakverbrennungsmotors.
Das Abgasnachbehandlungssystem ist insbesondere ein Abgasnachbehandlungssystem wie zuvor beschrieben. Die Merkmale und Eigenschaften des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Verwendung und umgekehrt.
Weitere Merkmale und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die nicht in einem einschränkenden Sinn verstanden werden sollen, sowie aus den Figuren. In diesen zeigen:

- 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems eines Ammoniakverbrennungsmotors,
- 2 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems aus 1,
- 3 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems aus 1,
- 4 eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems aus 1,
- 5 eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems aus 1, und
- 6 ein schematisches Verlaufsdiagramm der Zusammensetzung eines Abgasstroms, der das Abgasnachbehandlungssystem gemäß 1 durchströmt.

1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 10 für einen Ammoniakverbrennungsmotor 12.
Der Ammoniakverbrennungsmotor 12 nutzt Ammoniak als Brennstoff und setzt diesen unter Erzeugung eines Abgasstroms um, der in 1 als Pfeil P angedeutet ist.
Der Ammoniakverbrennungsmotor 12 ist strömungsmäßig mit dem Abgasnachbehandlungssystem 10 verbunden, wobei der Abgasstrom eine Strömungsrichtung aufweist, wie durch den Pfeil P in 1 dargestellt. Anders ausgedrückt befinden sich Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems 10, die in 1 rechts von einem jeweiligen Bezugspunkt dargestellt sind, stromabwärts des jeweiligen Bezugspunkts und Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems 10, die in 1 links von einem jeweiligen Bezugspunkt dargestellt sind, stromaufwärts des jeweiligen Bezugspunkts.
Das Abgasnachbehandlungssystem 10 gemäß 1 umfasst entlang der Strömungsrichtung des Abgasstroms einen passiven SCR-Katalysator 14, einen Oxidationskatalysator 16, eine Dosiereinheit 18 zum Zuführen von Ammoniak in den Abgasstrom, ein Mischmodul 20, einen geregelten SCR-Katalysator 22 und einen N₂O-Zersetzungskatalysator 24, die jeweils strömungsmäßig miteinander verbunden sind und jeweils eine Komponente des Abgasnachbehandlungssystems 10 bilden.
Das Abgasnachbehandlungssystem 10 dient dazu, das vom Ammoniakverbrennungsmotor 12 erzeugte Abgas zu reinigen, indem ungewünschte Bestandteile des Abgasstroms chemisch umgewandelt werden.
Angestrebt wird eine möglichst vollständige Umsetzung von im Abgasstrom enthaltenen Stickoxiden (NO_x), Ammoniak (NH₃) und Distickstoffmonoxid (N₂O) zu Stickstoff (N₂), Sauerstoff (O₂) und Wasser (H₂O). Dies wird durch die erfindungsgemäße abgestimmte Abfolge der Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems 10 ermöglicht, die im Folgenden noch näher beschrieben wird.
Der Abgasstrom umfasst vor der Behandlung mit dem Abgasnachbehandlungssystem insbesondere bis zu 10.000 ppm Ammoniak, bis zu 5.000 ppm Stickoxide, bis zu 500 ppm Distickstoffmonoxid und Wasser in einem Anteil von 5 bis 25 Volumenprozent. Es versteht sich, dass die genaue Zusammensetzung des Abgasstroms vom eingesetzten Ammoniakverbrennungsmotor 12 sowie dem gerade herrschenden Lastzustand abhängig ist.
6 zeigt ein schematisches Verlaufsdiagramm der Gehalte ausgewählter Bestandteile des Abgasstroms, nämlich von Stickoxiden (NO_x), Distickstoffmonoxid (N₂O) und Ammoniak (NH₃), deren Konzentration am im Abgasstrom stromabwärts gelegenen Ende des Abgasnachbehandlungssystems 10 möglichst gering sein soll, das heißt nachdem der Abgasstrom die Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems 10 durchströmt hat.
In 6 sind lediglich die relativen Gehalte des jeweiligen Bestandteils des Abgasstroms aufgetragen, um die Funktion der verschiedenen Katalysatoren des Abgasnachbehandlungssystems 10 zu verdeutlichen. Es versteht sich, dass auch abweichende Verhältnisse der verschiedenen Bestandteile im Abgasstrom vorliegen können, je nach Auslegung und Lastsituation des Ammoniakverbrennungsmotors 12.
Zunächst trifft der Abgasstrom auf den passiven SCR-Katalysator 14, der Stickoxide aus dem Abgasstrom entfernt, wobei das im Abgasstrom vorhandene Ammoniak teilweise für die chemische Umsetzung der Stickoxide verbraucht wird. Gegenüber Distickstoffmonoxid ist der passive SCR-Katalysator 14 jedoch inert bzw. tolerant.
Wie in 6 zu erkennen ist, kann der passive SCR-Katalysator 14 so ausgelegt sein, dass der Abgasstrom stromabwärts des passiven SCR-Katalysators 14 im Wesentlichen frei von Stickoxiden ist, während der Gehalt an Distickstoffmonoxid im Wesentlichen unverändert bleibt und der Gehalt an Ammoniak nur geringfügig abgesenkt ist, verglichen mit der Zusammensetzung des Abgasstroms vor dem passiven SCR-Katalysator 14.
Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die im Abgasstrom stromabwärts des passiven SCR-Katalysators 14 angeordneten Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems 10 nicht durch zu hohe im Abgasstrom vorhandene Stickoxidkonzentrationen beeinträchtigt werden. Insbesondere kann sichergestellt werden, dass die Konzentration an Stickoxiden im Abgasstrom stromabwärts des passiven SCR-Katalysators 14 im Wesentlichen unabhängig von der Konzentration an Stickoxiden im Abgasstrom stromaufwärts des passiven SCR-Katalysators 14 ist.
Im Abgasstrom stromabwärts des passiven SCR-Katalysators 14 ist der Oxidationskatalysator 16 im Abgasstrom angeordnet. Der Oxidationskatalysator 16 oxidiert selektiv im Abgasstrom vorhandenes Ammoniak, sodass stromabwärts des Oxidationskatalysators 16 der Abgasstrom im Wesentlichen frei von Ammoniak ist.
Je nach erzielbarer Selektivität eines derartigen Oxidationskatalysators, können als unerwünschte Nebenprodukte der Ammoniakoxidation auch Stickoxide und Distickstoffmonoxid erzeugt werden, wie durch die ansteigenden Gehalte in 6 deutlich wird.
Der Oxidationskatalysator 16 wird bevorzugt passiv betrieben, das heißt ohne Regelung auf Basis einer dem Oxidationskatalysator 16 zugeordneten Messsonde.
Um die erneut gebildete Menge an Stickoxiden, die typischerweise jedoch niedriger sein wird als die Konzentration an Stickoxiden im Abgasstrom vor der Behandlung mit dem Abgasnachbehandlungssystem 10, wieder zu entfernen, ist im Abgasstrom stromabwärts des Oxidationskatalysators 16 ein geregelter SCR-Katalysator 22 vorgesehen.
Der Betrieb des geregelten SCR-Katalysators 22 wird über einen (nicht dargestellten) Messsensor gesteuert, der die Konzentration von Stickoxiden im Abgasstrom misst.
Für den geregelten Betrieb des geregelten SCR-Katalysators 22 wird stromabwärts des Oxidationskatalysators 16 und stromaufwärts des geregelten SCR-Katalysators 22 mittels der Dosiereinheit 18 dem Abgasstrom Ammoniak zugeführt, der sich beim Durchströmen des Mischmoduls 20, das beispielsweise als Verbindungsrohr ausgebildet ist, im Abgasstrom verteilt.
Die auf diese Weise über die Dosiereinheit 18 gezielt zudosierte, vergleichsweise geringe, Menge an Ammoniak wird im geregelten SCR-Katalysator 22 wiederum abgebaut.
Wie aus der Darstellung in 6 deutlich wird, findet weder über den passiven SCR-Katalysator 14, den Oxidationskatalysator 16 noch den geregelten SCR-Katalysator 22 ein Abbau von im Abgasstrom befindlichen Distickstoffmonoxid statt.
Daher ist erfindungsgemäß zusätzlich mindestens ein N₂O-Zersetzungskatalysator 24 vorgesehen, der im Abgasstrom enthaltenes Distickstoffmonoxid oxidiert oder reduziert. Auf diese Weise kann der Gehalt an Distickstoffmonoxid im Vergleich zur Zusammensetzung des Abgasstroms vor der Behandlung mit dem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem 10 abgesenkt und minimiert werden.
In der ersten Ausführungsform ist der N₂O-Zersetzungskatalysator 24 im Abgasstrom stromabwärts des passiven SCR-Katalysators 14, des Oxidationskatalysators 16 und des geregelten SCR-Katalysators 22 angeordnet. Auf diese Weise kann ein N₂O-Zersetzungskatalysator eingesetzt werden, der unverträglich gegenüber Stickoxiden und Ammoniak ist.
Im Gegenzug sind alle im Abgasstrom stromaufwärts des N₂O-Zersetzungskatalysators 24 angeordneten Komponenten vorzugsweise tolerant gegenüber Distickstoffmonoxid.
Der Ausdruck „unverträglich gegenüber“ einem Bestandteil des Abgasstroms bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die von der jeweiligen Komponente durchgeführte gewünschte chemische Umwandlung nicht oder zumindest nur mit verminderter Ausbeute und/oder Selektivität ablaufen kann, sofern die entsprechenden Bestandteile des Abgasstroms in einer Konzentration vorliegen, die über einem Schwellwert liegen, beispielsweise in einer Konzentration von mehr als 10 ppm vorliegen.
Im Gegensatz dazu wird der Ausdruck „tolerant gegenüber“ einem Bestandteil des Abgasstroms so verwendet, dass die von der jeweiligen Komponente durchgeführte gewünschte chemische Umwandlung im Wesentlichen unverändert ablaufen kann, auch wenn der entsprechende Bestandteil des Abgasstroms vorliegt bzw. in einer Konzentration vorliegt, die über einem zweiten Schwellwert liegt, beispielsweise in einer Konzentration von mehr als 100 ppm.
Wahlweise kann das Abgasnachbehandlungssystem 10 einen (nicht dargestellten) Abgasturbolader aufweisen, der im Abgasstrom vor dem passiven SCR-Katalysator 14 oder zwischen zwei beliebigen der zuvor beschriebenen Komponenten des Abgasnachbehandlungssystem 10 angeordnet ist. Die Position des Abgasturboladers ist in diesem Fall so gewählt, dass optimale Betriebsbedingungen für die eingesetzten Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems 10 eingestellt werden.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 10.
Die zweite Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der ersten Ausführungsform, sodass im Folgenden lediglich auf Unterschiede eingegangen wird. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder funktionsgleiche Bauteile und es wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
In der zweiten Ausführungsform ist der N₂O-Zersetzungskatalysator 24 im Abgasstrom stromabwärts des passiven SCR-Katalysators 14 und stromaufwärts des Oxidationskatalysators 16 angeordnet.
Entsprechend ist in dieser Ausführungsform der passive SCR-Katalysator 14 tolerant gegenüber Distickstoffmonoxid und der N₂O-Zersetzungskatalysator 24 ist tolerant gegenüber Ammoniak, da dieses erst im Oxidationskatalysator 16 abgebaut wird. Es ist auch möglich, dass der N₂O-Zersetzungskatalysator 24 so ausgelegt ist, dass die im Abgasstrom noch enthaltene Menge an Ammoniak und/oder Stickoxiden die Funktion des N₂O-Zersetzungskatalysators 24 unterstützt.
Im Gegenzug sind der Oxidationskatalysator 16 und der geregelte SCR-Katalysator 22 nicht tolerant gegenüber Distickstoffmonoxid bzw. der Schwellwert dieser Komponenten gegenüber Distickstoffmonoxid kann niedriger gewählt werden, da der Gehalt an Distickstoffmonoxid im Abgasstrom bereits durch den N₂O-Zersetzungskatalysator 24 zumindest vermindert wurde, bevor der Abgasstrom den Oxidationskatalysator 16 erreicht.
Optional kann im Abgasstrom stromabwärts des geregelten SCR-Katalysators 22 ein weiterer N₂O-Zersetzungskatalysator 24 analog zur ersten Ausführungsform angeordnet sein, der Restgehalte an Distickstoffmonoxid bzw. im Oxidationskatalysator 16 erzeugtes Distickstoffmonoxid abbaut.
Grundsätzlich kann der passive SCR-Katalysator 14 und der N₂O-Zersetzungskatalysator 24 auch in Form eines kombinierten Katalysators vorliegen, der nicht nur Stickoxide mit überschüssigem Ammoniak im Abgasstrom umwandelt wie zuvor beschrieben, sondern zugleich zumindest teilweise das im Abgasstrom enthaltene Distickstoffmonoxid.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 10.
Die dritte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen den vorherigen Ausführungsformen, sodass im Folgenden lediglich auf Unterschiede eingegangen wird. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder funktionsgleiche Bauteile und es wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
In der dritten Ausführungsform ist der N₂O-Zersetzungskatalysator 24 im Abgasstrom stromaufwärts des passiven SCR-Katalysators 14 angeordnet.
Somit stellt der N₂O-Zersetzungskatalysator 24 in der dritten Ausführungsform die erste Komponente des Abgasnachbehandlungssystems 10 dar, die dem vom Ammoniakverbrennungsmotor 12 erzeugten Abgasstrom ausgesetzt wird.
Daher ist der N₂O-Zersetzungskatalysator 24 in diesem Fall tolerant gegenüber allen Bestandteilen des Abgasstroms auszulegen, die aufgrund des Einsatzes des Ammoniakverbrennungsmotors 12 zu erwarten sind, insbesondere tolerant gegenüber Stickoxiden und Ammoniak.
Im Gegenzug können sowohl der passive SCR-Katalysator 14, der Oxidationskatalysator 16 als auch der geregelte SCR-Katalysator 22 unverträglich gegenüber Distickstoffmonoxid sein oder zumindest kann deren Schwellwert in Bezug auf Distickstoffmonoxid reduziert sein.
4 zeigt eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 10.
Die vierte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen den vorherigen Ausführungsformen, sodass im Folgenden lediglich auf Unterschiede eingegangen wird. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder funktionsgleiche Bauteile und es wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
In der vierten Ausführungsform ist der N₂O-Zersetzungskatalysator 24 im Abgasstrom stromabwärts des passiven SCR-Katalysators 14 und des Oxidationskatalysators 16 sowie stromaufwärts der Dosiereinheit 18 und somit des geregelten SCR-Katalysators 22 angeordnet.
In dieser Ausgestaltung muss der N₂O-Zersetzungskatalysator 24 nicht tolerant gegenüber Ammoniak ausgelegt sein und kann entweder nicht tolerant gegenüber Stickoxiden ausgelegt sein oder wenigstens einen niedrigeren Schwellwert gegenüber Stickoxiden aufweisen als in der dritten Ausführungsform.
Zudem kann der geregelte SCR-Katalysator 22 unverträglich gegenüber Distickstoffmonoxid sein oder zumindest kann dessen Schwellwert in Bezug auf Distickstoffmonoxid reduziert sein.
Im Gegenzug sind in dieser Ausführungsform sowohl der passive SCR-Katalysator 14 als auch der Oxidationskatalysator 16 tolerant gegenüber Distickstoffmonoxid.
5 zeigt eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 10.
Die fünfte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen den vorherigen Ausführungsformen, sodass im Folgenden lediglich auf Unterschiede eingegangen wird. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder funktionsgleiche Bauteile und es wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
In der fünften Ausführungsform ist der N₂O-Zersetzungskatalysator 24 im Abgasstrom stromabwärts des passiven SCR-Katalysators 14, des Oxidationskatalysators 16 und der Dosiereinheit 18 sowie stromaufwärts des geregelten SCR-Katalysators 22 angeordnet.
In dieser Ausführungsform entspricht die notwendige Auslegung der eingesetzten Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems 10 in etwa derjenigen der vierten Ausführungsform. Jedoch ist der N₂O-Zersetzungskatalysator 24 zumindest tolerant gegenüber Ammoniak in dem Sinne, dass die für den Betrieb des geregelten SCR-Katalysators 22 notwendigen Mengen Ammoniak im Abgasstrom nicht oberhalb des Schwellwerts des N₂O-Zersetzungskatalysators 24 liegen dürfen.
Eine Anordnung von mehreren N₂O-Zersetzungskatalysatoren 24 an verschiedenen Positionen innerhalb des Abgasstroms ist ebenfalls im Sinne der Erfindung. Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen können somit wahlweise miteinander kombiniert werden.
Insgesamt zeichnet sich das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem 10 dadurch aus, dass die Abfolge der Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems 10 abgestimmt ist auf die im Abgasstrom eines Ammoniakverbrennungsmotors zu erwartenden Bestandteile und deren Anteile und zugleich hinsichtlich der Verträglichkeit gegenüber diesen Bestandteilen.

Claims

Abgasnachbehandlungssystem (10) im Abgasstrang eines Ammoniakverbrennungsmotors (12), wobei der Abgasstrang von einem Abgasstrom des Ammoniakverbrennungsmotors (12) durchströmbar ist, umfassend einen passiven SCR-Katalysator (14), einen Oxidationskatalysator (16), mit dem im Abgasstrom enthaltenes Ammoniak oxidierbar ist, und einen geregelten SCR-Katalysator (22), wobei der Oxidationskatalysator (16) im Abgasstrang stromabwärts des passiven SCR-Katalysators (14) und der geregelte SCR-Katalysator (22) im Abgasstrang stromabwärts des Oxidationskatalysators (16) angeordnet ist, wobei das Abgasnachbehandlungssystem (10) ferner mindestens einen N₂O-Zersetzungskatalysator (24) umfasst, der im Abgasstrang stromaufwärts des passiven SCR-Katalysators (14) oder stromabwärts des passiven SCR-Katalysators (14), des Oxidationskatalysators (16) und/oder des geregelten SCR-Katalysators (22) angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei stromaufwärts des geregelten SCR-Katalysators (22) eine Dosiereinheit (18) zum Zuführen von Ammoniak in den Abgasstrom vorhanden ist, und wobei der mindestens eine N₂O-Zersetzungskatalysator (24) im Abgasstrang stromaufwärts der Dosiereinheit (18) oder im Abgasstrang stromabwärts der Dosiereinheit (18) angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine der Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems (10) ein kombinierter Katalysator ist, der zwei oder mehr Funktionen der im Abgasnachbehandlungssystem (10) enthaltenen Katalysatoren (14, 16, 22, 24) in einem Bauteil vereint.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abgasstrom vor der Behandlung mit dem Abgasnachbehandlungssystem (10) eine Temperatur im Bereich von 250 bis 550 °C aufweist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abgasstrom vor der Behandlung mit dem Abgasnachbehandlungssystem (10) bis zu 10.000 ppm Ammoniak und bis zu 5.000 ppm Stickoxide umfasst.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abgasstrom vor der Behandlung mit dem Abgasnachbehandlungssystem (10) bis zu 500 ppm Distickstoffmonoxid umfasst.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abgasstrom vor der Behandlung mit dem Abgasnachbehandlungssystem (10) Wasser in einem Anteil von 5 bis 25 Volumenprozent umfasst.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ammoniakverbrennungsmotor (12) eine Leistung von 560 kW oder mehr aufweist.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines von einem Ammoniakverbrennungsmotor (12) erzeugten Abgasstroms in einem Abgasnachbehandlungssystem (10), wobei im Abgasstrom vorhandenes Distickstoffmonoxid mittels eines N₂O-Zersetzungskatalysators (24) wenigstens teilweise umgesetzt wird.
Verwendung eines N₂O-Zersetzungskatalysators (24) in einem Abgasnachbehandlungssystem (10) eines Ammoniakverbrennungsmotors (12).