DE102012025112A1 - Generator, used to produce ammonia gas from precursor solution, includes catalyst unit for decomposition and/or hydrolysis of precursors, and device that is adapted to inject solution into mixing chamber and has droplet forming nozzle - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ammoniakgasgenerator zur Erzeugung von Ammoniak aus einer Ammoniakvorläufersubstanz, ein Verfahren zur Herstellung von Ammoniak und dessen Verwendung in Abgasnachbehandlungssystemen zur Reduktion von Stickoxiden in Abgasen.The present invention relates to an ammonia gas generator for producing ammonia from an ammonia precursor substance, a process for the production of ammonia and its use in exhaust aftertreatment systems for the reduction of nitrogen oxides in exhaust gases.
In Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen sind oftmals Stoffe enthalten, deren Emission in die Umwelt unerwünscht ist. Daher werden in vielen Ländern Grenzwerte für die Emission solcher Schadstoffe, wie beispielsweise im Abgas von Industrieanlagen oder Automobilen festgelegt, die einzuhalten sind. Zu diesen Schadstoffen zählen neben einer Reihe anderer Schadstoffe auch Stickoxide (NOx), wie insbesondere Stickstoffmonoxid (NO) oder Stickstoffdioxid (NO2).Exhaust gases from internal combustion engines often contain substances whose emission into the environment is undesirable. Therefore, emission limits for such pollutants are defined in many countries, such as in the exhaust of industrial plants or automobiles, which must be adhered to. In addition to a number of other pollutants, these pollutants also include nitrogen oxides (NO x ), in particular nitrogen monoxide (NO) or nitrogen dioxide (NO 2 ).
Die Reduzierung der Emission dieser Stickoxide aus Abgasen von Verbrennungsmotoren kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen. Hervorzuheben ist an dieser Stelle die Reduktion durch zusätzliche Abgasnachbehandlungsmaßnahmen, die insbesondere auf die selektive katalytische Reduktion (selektive catalytic reduction – SCR) zurückgreifen. Diesen Methoden ist gemeinsam, dass ein selektiv auf die Stickoxide wirkendes Reduktionsmittel dem Abgas zugegeben wird, worauf in Gegenwart eines entsprechenden Katalysators (SCR-Katalysator) eine Umwandlung der Stickoxide erfolgt. Hierbei werden die Stickoxide in weniger umweltschädliche Stoffe, wie beispielsweise Stickstoff und Wasser umgewandelt.The reduction of the emission of these nitrogen oxides from exhaust gases of internal combustion engines can be done in various ways. It should be emphasized at this point, the reduction by additional exhaust aftertreatment measures, which rely in particular on the selective catalytic reduction (selective catalytic reduction - SCR). These methods have in common that a selectively acting on the nitrogen oxides reducing agent is added to the exhaust gas, followed by a conversion of the nitrogen oxides in the presence of a corresponding catalyst (SCR catalyst). Here, the nitrogen oxides are converted into less polluting substances, such as nitrogen and water.
Ein heute bereits eingesetztes Reduktionsmittel für Stickoxide stellt Harnstoff (H2N-CO-NH2) dar, welches in Form einer wässrigen Harnstofflösung dem Abgas zugegeben wird. Dabei kann sich der Harnstoff im Abgasstrom in Ammoniak (NH3) zersetzen, beispielsweise durch Einwirkung von Wärme (Thermolyse) und/oder durch Reaktion mit Wasser (Hydrolyse). Der somit gebildete Ammoniak stellt das eigentliche Reduktionsmittel für Stickoxide dar.A reducing agent for nitrogen oxides already in use today is urea (H 2 N-CO-NH 2 ), which is added to the exhaust gas in the form of an aqueous urea solution. In this case, the urea in the exhaust stream in ammonia (NH 3 ) decompose, for example by the action of heat (thermolysis) and / or by reaction with water (hydrolysis). The ammonia thus formed represents the actual reducing agent for nitrogen oxides.
Die Entwicklung von Abgasnachbehandlungssystemen für Automobile wird seit geraumer Zeit betrieben und ist Gegenstand zahlreicher Publikationen. So wird beispielsweise mit der europäischen Patentschrift
Des Weiteren wird mit der Europäischen Patentschrift
Zudem wird mit der europäischen Patentschrift
Des Weiteren wird mit der europäischen Patentanmeldung
Weiterhin wird mit der deutschen Patentanmeldung
Zudem wird weiterhin mit den internationale Anmeldung
Neuere Entwicklungen auf dem Gebiet der Abgasnachbehandlung sind Gegenstand aktueller Arbeiten. So wurde in jüngerer Zeit auch das Konzept der Ammoniak-Erzeugung außerhalb eines Abgasstranges weiterverfolgt. Ausführungen zu Generatoren und Verfahren zum Betreiben dieser Generatoren sind den internationalen Anmeldungen
Auch wenn Ammoniakgasgeneratoren seit geraumer Zeit bekannt sind, so ist dennoch bis heute keine Realisierung der Technik in einem Fahrzeug oder einer anderen Verwendung verwirklicht worden. Bis heute wurde das Konzept der Direkteinspritzung einer Ammoniakvorläufersubstanz in den Abgasstrom einer Brennkraftmaschine verfolgt, wobei diese Ammoniakvorläufersubstanz durch geeignete Maßnahmen im Abgasstrang in das eigentliche Reduktionsmittel zerfällt. Aufgrund von unvollständiger Zersetzung oder Nebenreaktionen von Zersetzungsprodukten im Abgasstrang werden jedoch immer wieder Ablagerungen beobachten, die zur Beeinträchtigung der im Abgasstrang weiterhin vorhandenen Katalysatoren und Filter führen.Although ammonia gas generators have been known for some time, it is still up Today, no realization of the technology has been realized in a vehicle or other use. To date, the concept of direct injection of an ammonia precursor substance has been pursued in the exhaust gas stream of an internal combustion engine, wherein this ammonia precursor substance is decomposed by suitable measures in the exhaust gas line into the actual reducing agent. However, due to incomplete decomposition or side reactions of decomposition products in the exhaust gas line, deposits will again and again occur which lead to impairment of the catalysts and filters which continue to be present in the exhaust gas system.
Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde einen Ammoniakgasgenerator sowie ein Verfahren zur Herstellung von Ammoniak bereitzustellen, der/das diese Nachteile des Standes der Technik überwindet. Insbesondere soll ein Ammoniakgasgenerator bereitgestellt werden, der außerhalb eines Abgasstranges einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors angeordnet werden kann. Der vorliegenden Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde einen Ammoniakgasgenerator bereitzustellen, der einen einfachen Aufbau und eine kompakte Bauweise aufweist sowie eine hohe Umsatzrate von Ammoniakvorläufersubstanzen in Ammoniakgas bereitstellt und einen langen Einsatz ohne Wartung erlaubt. Zudem soll der Ammoniakgasgenerator universell einsetzbar sein, wobei insbesondere auch verschiedenartige Ammoniakvorläufersubstanzen zum Einsatz gebracht werden können.It is therefore an object of the present invention to provide an ammonia gas generator and a process for producing ammonia which overcomes these disadvantages of the prior art. In particular, an ammonia gas generator is to be provided which can be arranged outside an exhaust line of an exhaust system of an internal combustion engine. It is a further object of the present invention to provide an ammonia gas generator which has a simple structure and a compact construction and provides a high conversion rate of ammonia precursors into ammonia gas and allows a long service life without maintenance. In addition, the ammonia gas generator should be universally applicable, and in particular also different types of ammonia precursor substances can be used.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Ammoniakgasgenerator gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 12.This object is achieved by an ammonia gas generator according to claim 1 and a method according to
Damit ist ein Ammoniakgasgenerator zur Erzeugung von Ammoniak aus einer Lösung einer Ammoniakvorläufersubstanz Gegenstand der vorliegenden Erfindung, der i) eine Katalysatoreinheit, die einen Katalysator zur Zersetzung und/oder Hydrolyse von Ammoniakvorläufersubstanzen in Ammoniak und eine dem Katalysator vorgelagerte Mischkammer umfasst, wobei der Katalysator ein Katalysatorvolumen VKat und die Mischkammer ein Mischkammervolumen VMisch aufweist, ii) eine Eindüsungsvorrichtung zur Einbringung der Lösung der Ammoniakvorläufersubstanz in die Mischkammer, und iii) einen Auslass für das gebildete Ammoniakgas, umfasst wobei die Eindüsungsvorrichtung eine Düse umfasst, die Tropfen mit einem Sauterdurchmesser D32 von 26 bis 100 μm erzeugt. Insbesondere kann die Eindüsungsvorrichtung eine Düse umfassen, die Tropfen mit einem Sauterdurchmesser D32 von 26 bis 49 μm erzeugt.Thus, an ammonia gas generator for generating ammonia from a solution of an ammonia precursor substance is the subject of the present invention comprising i) a catalyst unit comprising a catalyst for decomposing and / or hydrolysing ammonia precursors in ammonia and a mixing chamber upstream of the catalyst, wherein the catalyst is a catalyst volume V Kat and the mixing chamber, a mixing chamber volume V mixer having, ii) an injection device for introducing the solution of the ammonia precursor into the mixing chamber, and iii) an outlet for the formed ammonia gas, wherein the injection device comprises a nozzle, the droplets having a Sauter mean diameter D 32 produced from 26 to 100 microns. In particular, the injection device may comprise a nozzle which generates drops with a Sauter diameter D 32 of 26 to 49 microns.
Hervorzuheben ist an dieser Stelle, dass ein Ammoniakgasgenerator gemäß der vorliegenden Erfindung eine separate Baueinheit zur Erzeugung von Ammoniak aus Ammoniakvorläufersubstanzen ist. Eine solche Baueinheit kann beispielsweise zur Reduktion von Stickoxiden in Industrieabgasen oder zur Abgasnachbehandlung von Abgasen aus Verbrennungsmotoren, wie beispielsweise Dieselmotoren eingesetzt werden. Dieser Ammoniakgasgenerator kann autark arbeiten oder auch mit Hilfe von Abgasseitenströmen betrieben werden, wobei jedoch in jedem Fall der gebildete Ammoniak in den Abgasstrom eingebracht und erst in einem nachfolgenden Prozessschritt eine Reduzierung von Stickoxiden mittels Ammoniak stattfindet. Falls ein erfindungsgemäßer Ammoniakgasgenerator als separates Bauteil in einer Abgasnachbehandlungsanlage eines Verbrennungsmotors, beispielsweise eines Dieselmotors verwendet wird, kann somit eine Reduzierung der Stickoxide im Abgasstrom vorgenommen werden, ohne weitere Katalysatoren zur Spaltung von Ammoniakvorläufersubstanzen oder andere Bauteile in den Abgasstrom selbst einzubringen. Der mit dem erfindungsgemäßen Ammoniakgasgenerator erzeugte Ammoniak kann somit bedarfsgerecht in den Abgasstrom eingeleitet werden. Eine eventuelle Verkürzung der Lebensdauer des SCR-Katalysators durch Verunreinigungen in Form von Ablagerungen aus beispielsweise Ammoniakvorläufersubstanzen oder Produkten der Spaltung von Ammoniakvorläufersubstanzen wird ebenfalls vermieden.It should be emphasized at this point that an ammonia gas generator according to the present invention is a separate unit for generating ammonia from ammonia precursor substances. Such a structural unit can be used for example for the reduction of nitrogen oxides in industrial exhaust gases or for the exhaust aftertreatment of exhaust gases from internal combustion engines, such as diesel engines. This ammonia gas generator can operate independently or operated with the aid of exhaust gas side streams, but in any case the ammonia formed is introduced into the exhaust gas flow and only in a subsequent process step, a reduction of nitrogen oxides by means of ammonia takes place. If an inventive ammonia gas generator is used as a separate component in an exhaust aftertreatment system of an internal combustion engine, such as a diesel engine, thus reducing the nitrogen oxides in the exhaust stream can be made without introducing additional catalysts for the separation of ammonia precursors or other components in the exhaust stream itself. The ammonia generated by the ammonia gas generator according to the invention can thus be introduced as needed into the exhaust gas stream. A possible shortening of the life of the SCR catalyst by impurities in the form of deposits of, for example, ammonia precursors or products of cleavage of ammonia precursors is also avoided.
Weiterhin soll im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung unter einer Eindüsungsvorrichtung, die eine Düse umfasst, jedwede Vorrichtung oder Düse verstanden sein, die eine Lösung, vorzugsweise wässrige Lösung, einer Ammoniakvorläufersubstanz versprüht, vernebelt oder anderweitig zu Tropfen ausbildet, wobei die Lösung der Ammoniakvorläufersubstanz in Form von Tropfen ausgebildet wird, die einen Tropfen- oder Tröpfchendurchmesser D32 von 26 bis 100 μm aufweisen. Der Tropfen- oder Tröpfchendurchmesser D32 bezieht sich im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung auf den Sauterdurchmesser entsprechend der Deutschen Industrienorm
Des Weiteren soll unter einer Katalysatoreinheit gemäß der vorliegenden Erfindung eine Baueinheit verstanden sein, die ein Gehäuse zur Aufnahme eines Katalysators, eine in Strömungsrichtung dem Katalysator vorgelagerte Mischkammer und mindestens einen Katalysator zur Zersetzung und/oder Hydrolyse von Ammoniakvorläufersubstanzen in Ammoniak umfasst, wobei der Katalysator ein Katalysatorvolumen VKat und die Mischkammer ein Mischkammervolumen VMisch aufweist. Die Mischkammer wird dabei in Strömungsrichtung begrenzt durch die Katalysatorstirnfläche einerseits und andererseits durch das Gehäuse der Katalysatoreinheit oder falls vorhanden durch eine Lochscheibe begrenzt. Gegebenenfalls kann die Katalysatoreinheit zusätzlich eine dem Katalysator in Strömungsrichtung nachgelagerte Auslasskammer zum Auslass des gebildeten Ammoniakgases umfassen.Furthermore, a catalyst unit according to the present invention should be understood to mean an assembly comprising a housing for accommodating a catalyst, a mixing chamber upstream of the catalyst and at least one catalyst for decomposition and / or hydrolysis of ammonia precursors in ammonia, wherein the catalyst Catalyst volume V Kat and the mixing chamber has a mixing chamber volume V mixed . The mixing chamber is limited in the flow direction limited by the catalyst end face on the one hand and on the other hand by the housing of the catalyst unit or, if present, by a perforated disc. Optionally, the catalyst unit may additionally comprise a catalyst in the flow direction downstream outlet chamber to the outlet of the ammonia gas formed.
Es hat sich gezeigt, dass trotz optimaler Eindüsgeometrie (Winkel und Abstand), insbesondere bei einer Anwendung mit Trägergasstrom, eine nicht optimale Gleichverteilung der Tröpfchen auf der Katalysatorstirnwand erreicht wird. Vollkommen überraschend konnte dieser Mangel behoben werden, indem eine Düse zum Einsatz gebracht wird, die Tropfen mit einem Sauterdurchmesser D32 von 26 bis 100 μm erzeugt. Durch die gezielte Auswahl der Düse bzw. des gezielten Einsatzes einer Düse, die Tropfen mit einem Sauterdurchmesser von 26 bis 100 μm erzeugt, erfolgt eine Verteilung der Tropfen über nahezu den gesamten Strömungsquerschnitt und somit eine gleichförmigere Benetzung der Katalysatorstirnfläche. Hierdurch wiederum werden Ablagerungen vermieden und die Umsatzrate verbessert. Ohne an die Theorie gebunden zu sein, kann gesagt werden, dass Tropfen zu kleiner Größe eine zu geringe Trägheit aufweisen. Hierdurch wird die tropfenhaltige Strömung lediglich auf einen Teilbereich der Katalysatorstirnfläche aufgebracht. Durch die größere Trägheit der größeren Tropfen kann eine tropfenhaltige Strömung bereitgestellt wird, die nahezu 100% der Katalysatorstirnfläche benetzt, insbesondere auch in Gegenwart eines Trägergasstroms.It has been found that, despite optimal injection geometry (angle and distance), in particular in an application with carrier gas flow, a non-optimal uniform distribution of the droplets on the catalyst end wall is achieved. Completely surprisingly, this defect could be corrected by a nozzle is put to use, which produces droplets with a Sauter diameter D 32 26-100 microns. By the targeted selection of the nozzle or the targeted use of a nozzle that produces drops with a Sauter diameter of 26 to 100 microns, a distribution of the drops over almost the entire flow cross-section and thus a more uniform wetting of the catalyst end face. In turn, deposits are avoided and the turnover rate is improved. Without being bound by theory, it can be said that small size drops are too slow in inertia. As a result, the droplet-containing flow is applied only to a portion of the catalyst end face. Due to the greater inertia of the larger droplets, a droplet-containing flow is provided which wets almost 100% of the catalyst end face, especially in the presence of a carrier gas stream.
Zudem konnte festgestellt werden, dass sich Tröpfchen mit einem Sauterdurchmesser D32 von 26 bis 100 μm durch die Trägergasströmung weniger ablenken lassen und es zu einem homogeneren Sprühbild, speziell in den äußeren Bereichen (Bereich größer 80% des Durchmessers) der Katalysatorstirnfläche und einer insgesamt gleichmäßigeren Verteilung auf dem Katalysator kommt. Tröpfchen mit einem Sauterdurchmesser D32 von 26 bis 100 μm behalten durch ihre Trägheit den ursprünglichen durch die Düse vorgegebenen Sprühwinkel bis zum Auftreffen auf die Katalysatorstirnfläche bei und es kommt deshalb zu einer gleichmäßigeren Benetzung der Katalysatorstirnfläche entsprechend des gegebenen Sprühwinkels der Düse.In addition, it was found that droplets with a Sauter diameter D 32 of 26 to 100 microns can be deflected less by the carrier gas flow and it to a more homogeneous spray pattern, especially in the outer regions (range greater than 80% of the diameter) of the catalyst face and a more uniform overall Distribution on the catalyst comes. Keep droplets having a Sauter mean diameter D 32 26-100 microns by its inertia to the original predetermined by the nozzle spray angle until impact with the catalyst face at and it comes, therefore, to a more uniform wetting of the catalyst end surface corresponding to the given spray angle of the nozzle.
Gleichzeitig konnte durch den Einsatz einer Düse, die Tropfen mit einem Sauterdurchmesser D32 von 26 bis 100 μm erzeugt, ein einfacher Aufbau und eine kompakte Bauweise des Ammoniakgasgenerators selbst verwirklicht werden.At the same time could be realized by the use of a nozzle, the drops with a Sauter diameter D 32 of 26 to 100 microns, a simple construction and a compact design of the ammonia gas generator itself be realized.
Weiterhin vollkommen unvorhersehbar konnte festgestellt werden, dass der notwendige Energiebedarf bzw. Druck zur Zerstäubung von Tröpfchen mit größerem Sauterdurchmesser (entspricht Bildung weniger neuer Flüssigkeitsoberfläche) deutlich geringer ist. Hierdurch ergibt sich eine besonders einfache Bauweise des Generators.Furthermore, completely unforeseeable, it could be stated that the necessary energy requirement or pressure for atomizing droplets with a larger Sauter diameter (corresponding to formation of less new liquid surface) is significantly lower. This results in a particularly simple construction of the generator.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung kann die Eindüsungsvorrichtung eine Düse umfassen, die Tropfen mit einem Sauterdurchmesser D32 von 26 μm, insbesondere mindestens 30 μm und besonders bevorzugt mindestens 32 μm erzeugt, wobei die Tropfen gleichzeitig oder unabhängig hiervon einen Sauterdurchmesser von höchstens 100 μm, insbesondere höchstens 90 μm, besonders bevorzugt höchstens 80 μm, besonders bevorzugt höchstens 70 μm, ganz besonders bevorzugt höchstens 60 μm und am meisten bevorzugt höchstens 49 μm aufweisen.According to a preferred embodiment of the present invention, the injection device may comprise a nozzle, the droplets having a Sauter mean diameter D 32 of 26 microns, especially at least 30 microns and more preferably generates at least 32 microns, said droplets at the same time or independently thereof, a Sauter mean diameter of at most 100 microns , in particular at most 90 .mu.m, particularly preferably at most 80 .mu.m, particularly preferably at most 70 .mu.m, very particularly preferably at most 60 .mu.m and most preferably at most 49 .mu.m.
Damit ist gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass die Eindüsungsvorrichtung ihrerseits eine Düse umfasst, die Tröpfchen mit einem Tröpfchendurchmesser D32 in einem definierten Bereich erzeugt. Durch die Verwendung von solchen Düsen kann ein Ammoniakbildungsgrad AG von > 97% erreicht werden. Zudem kann eine besonders gleichmäßige Verteilung der Lösung auf die Katalysatorstirnfläche erfolgen. Der Ammoniakbildungsgrad AG ist hierbei und im Folgenden definiert als die im Ammoniakgasgenerator erzeugte Molmenge NH3 bezogen auf die theoretisch bei vollständiger Hydrolyse der Ammoniakvorläufersubstanz zu erzeugende Molmenge an Ammoniak. Ein Ammoniakbildungsgrad von > 97% wird gemäß der vorliegenden Erfindung als vollständige Umsetzung betrachtet.It is thus provided according to the present invention that the injection device in turn comprises a nozzle which generates droplets with a droplet diameter D 32 in a defined region. By using such nozzles, an ammonia degree AG of> 97% can be achieved. In addition, a particularly uniform distribution of the solution can take place on the catalyst end face. The degree of ammonia AG is here and hereinafter defined as the molar amount NH 3 produced in the ammonia gas generator, based on the molar amount of ammonia theoretically to be produced upon complete hydrolysis of the ammonia precursor substance. An ammonia formation level of> 97% is considered as a complete reaction according to the present invention.
Es wird erfindungsgemäß durch eine gleichmäßige Tröpfchenbelastung eine Überschreitung der maximalen Stirnflächenbelastung in einzelnen Ringbereichen vermieden. Nur dadurch kann gewährleistet bleiben, dass eine annähernd vollständige Umsetzung auf der gesamten Katalysatorstirnfläche erfolgt und es nicht bei längerem Einsatz zu ringförmigen Ablagerungen an der Katalysatorstirnfläche kommt. Damit kann eine zusätzliche Wartung vermieden werden.It is inventively avoided by a uniform droplet load exceeding the maximum end load in individual ring areas. This is the only way to ensure that an approximately complete conversion takes place over the entire catalyst end face and that there is no longer any prolonged use of annular deposits on the catalyst end face. Thus, additional maintenance can be avoided.
Gemäß einer besonders bevorzugten Variante kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Eindüsungsvorrichtung ihrerseits eine Düse umfasst, die gemäß der vorliegenden Erfindung eine sogenannte Zweistoffdüse ist. Unter einer Zweistoffdüse wird hierbei eine Düse verstanden, die als Treibmittel ein unter Druck stehendes Gas, im Allgemeinen Luft, zum Oberflächenaufbruch der flüssigen Phase und damit zur Tröpfchenbildung verwendet. Dies unter Druck stehende Gas wird auch als Zerstäubungsluft bezeichnet. Damit ist auch ein Ammoniakgasgenerator Gegenstand der vorliegenden Erfindung, der eine Eindüsungsvorrichtung umfasst, die eine Zweistoffdüse ist, in der die in die Mischkammer einzubringende Lösung mit Druckluft beaufschlagt wird.According to a particularly preferred variant, provision may in particular be made for the injection device in turn to comprise a nozzle, which according to the present invention is a so-called two-substance nozzle. In this case, a two-fluid nozzle is understood to mean a nozzle which uses a pressurized gas, generally air, as the propellant for the surface breakdown of the liquid phase and thus for droplet formation. This pressurized gas is also referred to as atomizing air. Thus, an ammonia gas generator is the subject of the present invention, which comprises an injection device, which is a two-fluid nozzle, in which the solution to be introduced into the mixing chamber is subjected to compressed air.
Alternativ oder unabhängig hiervon kann auch vorgesehen sein, dass der Ammoniakgasgenerator eine Düse umfasst, die eine erste Anzahl an Düsenöffnungen zur Einbringung der Lösung in die Mischkammer aufweist, die von einer zweiten Anzahl an Düsenöffnungen zur Einbringung von Druckluft oder Trägergas in die Mischkammer ringförmig umgeben ist.Alternatively or independently thereof, it may also be provided that the ammonia gas generator comprises a nozzle which has a first number Having nozzle openings for introducing the solution in the mixing chamber, which is surrounded by a second number of nozzle openings for introducing compressed air or carrier gas in the mixing chamber annular.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der Ammoniakgasgenerator eine Düse umfasst, die druckluftlos betrieben wird. Diese sogenannte Einstoffdüse oder Injektor arbeitet mit einem mechanischen Flüssigkeitsaufbruch ohne zusätzlichen Luftstrom. Bevorzugt wird eine Einstoffdüse, die Tropfen mit einem Sauterdurchmesser D32 von 26 bis 100 μm erzeugt. Dabei ist besonders bevorzugt eine Einstoffdüse mit mehreren Öffnungen bzw. Bohrlöchern. Ganz besonders bevorzugt ist die Kombination von mehr als einer Einstoffdüse für die Einbringung der Lösung in den Ammoniakgasgenerator.Alternatively it can also be provided that the ammonia gas generator comprises a nozzle which is operated without compressed air. This so-called single-fluid nozzle or injector works with a mechanical fluid break-up without additional air flow. Preference is given to a single-substance nozzle which generates drops with a Sauter diameter D 32 of 26 to 100 μm. In this case, a single-substance nozzle with a plurality of openings or boreholes is particularly preferred. Very particularly preferred is the combination of more than one single-substance nozzle for the introduction of the solution into the ammonia gas generator.
Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist auch vorgesehen, dass das Verhältnis des Volumens der Mischkammer VMisch zum Volumen des Katalysators VKat dem Verhältnis von 1:1 bis 5:1 entspricht. Überraschender Weise hat sich gezeigt, dass die eingesprühte Ammoniakvorläufersubstanz dann vollständig (Umsatz > 97%) in Ammoniak zersetzt werden kann, wenn die Tröpfchen der Lösung bereits vor dem Auftreffen auf die Katalysatorstirnfläche teilweise verdampft werden. Dies kann dadurch gewährleistet sein, dass das Volumen der Mischkammer größer ist als das Volumen des Katalysators. Durch ein teilweises Verdampfen der Tröpfchen wird der Lösung bereits genügend Energie zugeführt, so dass ein zu starkes Abkühlen an der Katalysatorstirnfläche durch zu große Tropfen vermieden wird und damit einer schlechteren Zersetzung bzw. Nebenproduktbildung entgegengewirkt wird. Außerdem wird durch ein entsprechendes Mischkammervolumen VMisch sichergestellt, dass die versprühte Ammoniakvorläufersubstanz als Aerosol homogen im Transportgasstrom verteilt über den Querschnitt auf dem Katalysator auftrifft und Spots mit zu hoher Konzentration, was wiederum eine schlechtere Umsetzung zur Folge hätte, vermieden werden. Ganz besonders bevorzugt ist hierbei vorgesehen, dass das Verhältnis des Volumens der Mischkammer VMisch zum Volumen des Katalysators VKat von 2:1 bis 5:1, besonders bevorzugt von 1:1 bis 5:1, besonders bevorzugt 3:1 bis 5:1 und ganz besonders bevorzugt 3,5:1 bis 5:1 beträgt.According to a development of the present invention, it is also provided that the ratio of the volume of the mixing chamber V mixing to the volume of the catalyst V Kat corresponds to the ratio of 1: 1 to 5: 1. Surprisingly, it has been shown that the sprayed ammonia precursor substance can then be completely (conversion> 97%) decomposed in ammonia, if the droplets of the solution are already partially evaporated before impinging on the catalyst end face. This can be ensured by the fact that the volume of the mixing chamber is greater than the volume of the catalyst. By partially evaporating the droplets, sufficient energy is already supplied to the solution, so that overcooling at the catalyst end face due to excessively large drops is avoided and thus poorer decomposition or by-product formation is counteracted. In addition, it is ensured by a corresponding mixing chamber volume V mixing that the sprayed ammonia precursor substance as an aerosol homogeneously distributed in the transport gas stream over the cross section impinges on the catalyst and spots with too high concentration, which in turn would result in a poorer implementation, can be avoided. Very particularly preferably, it is provided that the ratio of the volume of the mixing chamber V mixing to the volume of the catalyst V Kat of 2: 1 to 5: 1, more preferably from 1: 1 to 5: 1, more preferably 3: 1 to 5: 1 and most preferably 3.5: 1 to 5: 1.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung umfasst der Ammoniakgasgenerator gemäß der vorliegenden Erfindung weiterhin mindestens einen Einlass für ein Trägergas, der insbesondere einen senkrecht zur Katalysatorstirnfläche gerichteten Trägergasstrom erzeugt. Hierbei kann weiterhin bevorzugt sein, dass der Ammoniakgasgenerator eine Lochscheibe umfasst, in dessen Zentrum die Düsenöffnung der Düse angeordnet ist. Dabei weist die Lochscheibe weiterhin bevorzugt eine Vielzahl an Öffnungen auf, durch die der eingebrachte Trägergasstrom in eine Vielzahl an Teilströme gespalten wird. Die Öffnungen sind besonders bevorzugt derart gestaltet, dass eine Vielzahl an parallelen Trägergasteilströmen (parallel zur Strömungsrichtung der Katalysatoreinheit) erzeugt werden kann.According to a further preferred embodiment, the ammonia gas generator according to the present invention further comprises at least one inlet for a carrier gas, which in particular generates a carrier gas flow directed perpendicular to the catalyst end face. In this case, it may further be preferred for the ammonia gas generator to comprise a perforated disk, in the center of which the nozzle opening of the nozzle is arranged. In this case, the perforated disc further preferably has a multiplicity of openings through which the introduced carrier gas flow is split into a multiplicity of partial flows. The openings are particularly preferably designed such that a plurality of parallel carrier gas partial flows (parallel to the flow direction of the catalyst unit) can be generated.
Damit ist auch unabhängig von einem Ammoniakgasgenerator der zuvor beschriebenen Art ein Ammoniakgasgenerator zur Erzeugung von Ammoniak aus einer Lösung einer Ammoniakvorläufersubstanz Gegenstand der vorliegenden Erfindung, der i) eine Katalysatoreinheit, die einen Katalysator zur Zersetzung und/oder Hydrolyse von Ammoniakvorläufersubstanzen in Ammoniak und eine dem Katalysator vorgelagerte Mischkammer umfasst, wobei der Katalysator ein Katalysatorvolumen VKat und die Mischkammer ein Mischkammervolumen VMisch aufweist, ii) eine Eindüsungsvorrichtung zur Einbringung der Lösung der Ammoniakvorläufersubstanz in die Mischkammer, und iii) einen Auslass für das gebildete Ammoniakgas, wobei der Ammoniakgasgenerator weiterhin iv) mindestens einen Einlass für ein Trägergas umfasst, der einen senkrecht zur Katalysatorstirnfläche gerichteten Trägergasstrom erzeugt.Thus, regardless of an ammonia gas generator of the type described above, an ammonia gas generator for producing ammonia from a solution of an ammonia precursor substance of the present invention, the i) a catalyst unit comprising a catalyst for the decomposition and / or hydrolysis of ammonia precursors in ammonia and a catalyst upstream mixing chamber, said catalyst having a catalyst volume V Kat and the mixing chamber, a mixing chamber volume V compound, ii) an injection device for introducing the solution of the ammonia precursor into the mixing chamber, and iii) an outlet for the formed ammonia gas, the ammonia gas generator further iv) includes at least one inlet for a carrier gas, which generates a directed perpendicular to the catalyst end face carrier gas stream.
Insbesondere umfasst dieser Ammoniakgasgenerator auch die Eindüsungsvorrichtung, die ihrerseits eine Düse umfasst, die Tropfen mit einem Sauterdurchmesser D32 von 26 bis 100 μm erzeugt. Insbesondere kann die Eindüsungsvorrichtung eine Düse umfassen, die Tropfen mit einem Sauterdurchmesser D32 von 26 bis 49 μm erzeugt.In particular, this ammonia gas generator also includes the injection device, which in turn comprises a nozzle which generates drops with a Sauter diameter D 32 of 26 to 100 microns. In particular, the injection device may comprise a nozzle which generates drops with a Sauter diameter D 32 of 26 to 49 microns.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass im Betrieb des Ammoniakgasgenerators mit einem senkrecht zur Katalysatorstirnfläche geführten Trägergasstrom (nachfolgend synonym auch Transportgasstrom) Ablagerungen an den Wandungen der Katalysatoreinheit im Bereich der Mischkammer unterbunden werden können und eine dauerhaft gute Durchmischung von Trägergas (nachfolgend synonym auch Transportgas) und der Lösung der Ammoniakvorläufersubstanz bereitgestellt werden kann. Wird ein solcher senkrecht zur Katalysatorstirnfläche geführten Trägergasstrom nicht eingesetzt, so können durch das Versprühen der Lösungen von Ammoniakvorläufersubstanz in die Mischkammer ein Benetzen der Wandung der Katalysatoreinheit im Bereich der Mischkammer erfolgen und unerwünschte Nebenreaktionen wie beispielsweise eine Polymerisation der Ammoniakvorläufersubstanz erfolgen. Diese Nebenreaktionen führen zu unerwünschten Ablagerungen im Bereich der Mischkammer, wodurch eine für die Funktion des Generators außerordentlich wichtige Durchmischung von Trägergas und Lösung der Ammoniakvorläufersubstanz dauerhaft nicht weiter ermöglicht ist. Aufgrund der mangelhaften Durchmischung des Trägergases mit der Lösung sind zudem weitere Ablagerungen im und am Katalysator selbst zu beobachten. Durch den senkrecht zur Katalysatorstirnfläche geführten Trägergasstrom wird eine Schleierströmung mit den Tröpfchen erzeugt, die axial in Richtung des Hydrolysekatalysators auf die Hydrolysekatalysatorstirnfläche geführt wird. Diese Schleierströmung ermöglicht eine sehr gute Umsetzung zum Ammoniak am Katalysator.Surprisingly, it has been found that in the operation of the ammonia gas generator with a guided perpendicular to the catalyst end face carrier gas flow (synonymously also transport gas flow) deposits on the walls of the catalyst unit in the mixing chamber can be prevented and a permanent good mixing of carrier gas (synonymous synonymous transport gas) and the solution of the ammonia precursor substance can be provided. If such a carrier gas stream conducted perpendicular to the catalyst end face is not used, the walls of the catalyst unit in the mixing chamber can be wetted by spraying the solutions of ammonia precursor substance into the mixing chamber and unwanted secondary reactions such as polymerization of the ammonia precursor substance take place. These side reactions lead to undesirable deposits in the mixing chamber, whereby a permanently important for the function of the generator mixing of carrier gas and solution of ammonia precursor substance is not possible. Due to the poor mixing of the carrier gas In addition, with the solution, further deposits can be observed in and on the catalyst itself. The carrier gas flow, which is conducted perpendicular to the catalyst end face, produces a fog flow with the droplets, which is guided axially in the direction of the hydrolysis catalytic converter onto the end face of the hydrolysis catalytic converter. This fog flow allows a very good conversion to the ammonia on the catalyst.
Die Zuführung des Trägergases erfolgt im Kopfbereich des Generators, vorzugsweise in Höhe der Eindüsungsvorrichtung der Ammoniakvorläuferlösung in die Katalysatoreinheit bzw. in die Mischkammer.The supply of the carrier gas takes place in the head region of the generator, preferably in the amount of the injection device of the ammonia precursor solution into the catalyst unit or into the mixing chamber.
Das Trägergas und insbesondere der senkrecht zur Katalysatorstirnfläche geführten Trägergasstrom, wird vorzugsweise mit einer Temperatur von bis zu 550°C, bevorzugt mit einer Temperatur von 250 bis 550°C, weiterhin bevorzugt mit einer Temperatur von 250 bis 400°C und ganz besonders bevorzugt mit einer Temperatur von 300 bis 350°C in die Mischkammer eingeführt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Trägergas und insbesondere der senkrecht zur Katalysatorstirnfläche geführten Trägergasstrom, mit einer Temperatur von weniger als 250°C, insbesondere von weniger als 200°C, weiterhin bevorzugt von weniger als 150°C, besonders bevorzugt von weniger als 100°C und ganz besonders bevorzugt von weniger als 80°C in die Mischkammer eingebracht wird, wobei die Temperatur gleichzeitig mindestens 10°C, insbesondere mindestens 20°C und ganz besonders bevorzugt 25°C betragen soll.The carrier gas and in particular the carrier gas stream conducted perpendicular to the catalyst end face, is preferably at a temperature of up to 550 ° C, preferably at a temperature of 250 to 550 ° C, more preferably at a temperature of 250 to 400 ° C and most preferably with introduced a temperature of 300 to 350 ° C in the mixing chamber. However, it can also be provided that the carrier gas and in particular the carrier gas stream guided perpendicular to the catalyst end face, with a temperature of less than 250 ° C, in particular less than 200 ° C, more preferably less than 150 ° C, particularly preferably less is introduced as 100 ° C and most preferably of less than 80 ° C in the mixing chamber, wherein the temperature should be at least 10 ° C, in particular at least 20 ° C and very particularly preferably 25 ° C.
Weiterhin überraschend hat sich gezeigt, dass durch den Einsatz einer Lochscheibe der eingebrachte Trägergasstrom in eine Vielzahl an Teilströme aufgespalten werden kann, und hierdurch eine besonders gleichmäßige Verteilung der gebildeten Tropfen auf der Katalysatorstirnfläche erzeugt werden kann. Die gleichmäßige Verteilung der gebildeten Tropfen auf der Katalysatorstirnfläche kann dabei insbesondere weiterhin verbessert werden, wenn im Zentrum der Lochscheibe die Düsenöffnung der Düse angeordnet ist. Somit kann mit der Vielzahl an Teilströmen des Trägergases ein allseits umhüllender Mantel für die eingesprühten Tropfen bereitgestellt werden. Dieser Mantel verhindert die Ablagerung von Ammoniakvorläufersubstanzen oder nicht erwünschten Abbauprodukten hieraus an den Innenwandungen der Katalysatoreinheit.Furthermore, it has surprisingly been found that the introduced carrier gas stream can be split into a multiplicity of partial streams through the use of a perforated disk, and thus a particularly uniform distribution of the droplets formed on the catalyst end face can be produced. The uniform distribution of the droplets formed on the catalyst end face can in particular be further improved if the nozzle opening of the nozzle is arranged in the center of the perforated disk. Thus, with the multitude of partial flows of the carrier gas, a jacket enveloping the sides for the sprayed drops can be provided. This jacket prevents the deposition of ammonia precursors or unwanted degradation products therefrom on the inner walls of the catalyst unit.
Insbesondere wird mit der vorliegenden Erfindung ein Ammoniakgasgenerator bereitgestellt, der autark vom Abgasstrom eines Verbrennungsmotors oder einer Industrieanlage, das heißt ohne Zuhilfenahme eines Abgasstroms oder Abgasteilstroms aus einem Verbrennungsgas als Trägergas arbeitet. Insbesondere wird in dem erfindungsgemäßen Ammoniakgasgenerator Ammoniak aus einer Ammoniakvorläufersubstanz gebildet in Abwesenheit eines Abgasstroms.In particular, the present invention provides an ammonia gas generator which operates autonomously from the exhaust gas stream of an internal combustion engine or an industrial plant, that is to say without the aid of an exhaust gas stream or partial exhaust gas stream from a combustion gas as the carrier gas. In particular, in the ammonia gas generator of the present invention, ammonia is formed from an ammonia precursor substance in the absence of an exhaust gas flow.
Damit ist gemäß einem weiteren Aspekt auch ein Verfahren zur Herstellung von Ammoniak, insbesondere zur kontinuierlichen Herstellung von Ammoniak, aus einer Lösung einer Ammoniakvorläufersubstanz Gegenstand der vorliegenden Erfindung, indem der hiermit beschriebene Ammoniakgasgenerator zum Einsatz gebracht wird. In diesem Verfahren wird die Lösung derart in die Katalysatoreinheit eingebracht, dass die Lösung in Form von Tropfen mit einem Sauterdurchmesser D32 von 26 bis 100 μm in Katalysatoreinheit eingedüst wird. Besonders bevorzugt ist ein Verfahren, in dem ein Trägergas in Form eines senkrecht zur Katalysatorstirnfläche geführten Trägergasstroms, insbesondere in Form von parallelen Strahlen, in die Katalysatoreinheit eingebracht wird. Hierbei kann weiterhin besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass die Lösung der Ammoniakvorläufersubstanz als Aerosol in eine Vielzahl an parallelen Strahlen des Trägergases eingebracht wird.Thus, according to a further aspect, a process for the production of ammonia, in particular for the continuous production of ammonia, from a solution of an ammonia precursor substance is the subject of the present invention by using the ammonia gas generator described herewith. In this process, the solution is introduced into the catalyst unit in such a way that the solution is injected in the form of droplets having a Sauter diameter D 32 of 26 to 100 μm into the catalyst unit. Particularly preferred is a method in which a carrier gas is introduced into the catalyst unit in the form of a carrier gas stream guided perpendicular to the catalyst end face, in particular in the form of parallel beams. In this case, it can furthermore be particularly preferred that the solution of the ammonia precursor substance is introduced as aerosol into a plurality of parallel jets of the carrier gas.
Gleichzeitig oder unabhängig hiervon kann dieses Verfahren mit einem Trägergas oder einem senkrecht zur Katalysatorstirnfläche geführten Trägergasstrom ausgeführt werden, das/der eine Temperatur von bis zu 550°C aufweist. Bevorzugt weist dieses Trägergas oder dieser Trägergasstrom eine Temperatur von von 250 bis 550°C oder 10 bis 200°C auf. Überraschender Weise hat sich herausgestellt, dass der Ammoniakgasgenerator auch mit einem Trägergas oder einem Trägergasstrom mit einer Temperatur unterhalb der Zersetzungstemperatur der Ammoniakvorläufersubstanz betrieben werden kann. Die benötigte Energie zur Zersetzung wird hierbei im Wesentlichen durch den beheizbaren Katalysator bereitgestellt. Überraschender Weise ist diese Energiezufuhr ausreichend um einen vollständigen Umsatz und eine hohe Umsatzrate von > 97% zu erzielen.Simultaneously or independently thereof, this process can be carried out with a carrier gas or with a carrier gas stream conducted perpendicular to the catalyst end face, which has a temperature of up to 550 ° C. Preferably, this carrier gas or this carrier gas stream has a temperature of from 250 to 550 ° C or 10 to 200 ° C. Surprisingly, it has been found that the ammonia gas generator can also be operated with a carrier gas or a carrier gas stream having a temperature below the decomposition temperature of the ammonia precursor substance. The energy required for decomposition is provided here essentially by the heatable catalyst. Surprisingly, this energy supply is sufficient to achieve a complete conversion and a high conversion rate of> 97%.
Somit ist insbesondere auch ein Verfahren Gegenstand der vorliegenden Erfindung, in dem ein Trägergas mit einer Temperatur T(K) im Bereich von 10 bis 200°C in die Mischkammer (51) eingebracht wird, wobei die Lösung in Form von Tropfen mit einem Sauterdurchmesser D32 von 26 bis 100 μm in Katalysatoreinheit eingedüst wird.Thus, in particular, a method of the present invention, in which a carrier gas at a temperature T (K) in the range of 10 to 200 ° C in the mixing chamber (51) is introduced, wherein the solution in the form of drops with a Sauter diameter D. 32 is injected from 26 to 100 microns in the catalyst unit.
Weiterhin bevorzugt kann das Trägergas und insbesondere der senkrecht zur Katalysatorstirnfläche geführten Trägergasstrom, mit einer Temperatur von weniger als 200°C, weiterhin bevorzugt von weniger als 150°C, besonders bevorzugt von weniger als 100°C und ganz besonders bevorzugt von weniger als 80°C in die Mischkammer eingebracht oder eingedüst werden, wobei die Temperatur gleichzeitig mindestens 10°C, insbesondere mindestens 20°C und ganz besonders bevorzugt 25°C betragen soll.Further preferably, the carrier gas and in particular the carrier gas stream guided perpendicular to the catalyst end face, with a temperature of less than 200 ° C, further preferably less than 150 ° C, more preferably less than 100 ° C and most preferably less than 80 ° C introduced into the mixing chamber or be injected, wherein the temperature should be at least 10 ° C, especially at least 20 ° C and very particularly preferably 25 ° C simultaneously.
Als Katalysator zur Zersetzung und/oder Hydrolyse von Ammoniakvorläufersubstanzen kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung jeder Katalysator verwendet werden, der die Freisetzung von Ammoniak aus der Vorläufersubstanz unter katalytischen Bedingungen ermöglicht. Ein bevorzugter Katalysator hydrolisiert die Ammoniakvorläufersubstanz zu Ammoniak und weiteren unschädlichen Stoffen wie Stickstoff und Kohlendioxid und Wasser. Bevorzugt handelt es sich bei dem Katalysator somit um einen Hydrolysekatalysator.As a catalyst for the decomposition and / or hydrolysis of ammonia precursor substances, any catalyst which enables the liberation of ammonia from the precursor substance under catalytic conditions can be used in the context of the present invention. A preferred catalyst hydrolyzes the ammonia precursor substance to ammonia and other innocuous substances such as nitrogen and carbon dioxide and water. The catalyst is thus preferably a hydrolysis catalyst.
Wird beispielsweise eine Guanidiniumsalz-Lösung, insbesondere eine Guanidiniumformiat-Lösung, eine Harnstoff-Lösung oder Mischungen hiervon verwendet, so kann die katalytische Zersetzung zu Ammoniak in Gegenwart von katalytisch aktiven, nicht oxidationsaktiven Beschichtungen aus Oxiden, ausgewählt aus der Gruppe Titandioxid, Aluminiumoxid und Siliciumdioxid sowie deren Mischungen, oder/und hydrothermal stabilen Zeolithen, die vollständig oder teilweise metallausgetauscht sind, insbesondere Eisenzeolithen vom ZSM 5- oder BEA-Typ, vorgenommen werden. Als Metalle kommen hierbei insbesondere die Nebengruppen-Elemente und vorzugsweise Eisen oder Kupfer in Frage. Die Metalloxide wie Titanoxid, Aluminiumoxid sowie Siliciumdioxid werden vorzugsweise auf metallischen Trägermaterialien wie z. B. Heizleiter-Legierungen (insbesondere Chrom-Aluminium-Stähle) aufgebracht.If, for example, a guanidinium salt solution, in particular a guanidinium formate solution, a urea solution or mixtures thereof, is used, the catalytic decomposition to ammonia in the presence of catalytically active, non-oxidation active coatings of oxides selected from the group titanium dioxide, alumina and silica and their mixtures, or / and hydrothermally stable zeolites which are completely or partially metal-exchanged, in particular iron zeolites of the ZSM 5 or BEA type. Suitable metals in this case are in particular the subgroup elements and preferably iron or copper. The metal oxides such as titanium oxide, alumina and silica are preferably supported on metallic support materials such. B. heating conductor alloys (especially chromium-aluminum steels) applied.
Besonders bevorzugte Katalysatoren sind Hydrolysekatalysatoren, die insbesondere katalytisch aktive Beschichtungen aus Titandioxid, Aluminiumoxid und Siliciumdioxid sowie deren Mischungen hiervon umfassen.Particularly preferred catalysts are hydrolysis catalysts which comprise, in particular, catalytically active coatings of titanium dioxide, aluminum oxide and silicon dioxide and mixtures thereof.
Alternativ kann die katalytische Zersetzung der Guanidiniumformiat-Lösungen bzw. der übrigen Komponenten auch zu Ammoniak und Kohlendioxid erfolgen, wobei katalytisch aktive Beschichtungen aus Oxiden, ausgewählt aus der Gruppe Titandioxid, Aluminiumoxid und Siliciumdioxid sowie deren Mischungen, oder/und hydrothermal stabilen Zeolithen, die vollständig oder teilweise metallausgetauscht sind, eingesetzt werden, die mit Gold und/oder Palladium als oxidationsaktive Komponenten imprägniert sind. Die entsprechenden Katalysatoren mit Palladium und/oder Gold als Aktivkomponenten weisen vorzugsweise einen Edelmetallgehalt von 0,001 bis 2 Gew.-%, insbesondere 0,01 bis 1 Gew.-% auf. Mit Hilfe derartiger Oxidationskatalysatoren ist es möglich, die unerwünschte Bildung von Kohlenmonoxid als Nebenprodukt bei der Zersetzung des Guanidiniumsalzes, insbesondere bei der Zersetzung von Formiaten, bereits bei der Ammoniakerzeugung zu vermeiden.Alternatively, the catalytic decomposition of the guanidinium formate solutions or the other components can also be carried out to ammonia and carbon dioxide, wherein catalytically active coatings of oxides selected from the group of titanium dioxide, alumina and silica and their mixtures, or / and hydrothermally stable zeolites, the complete or partially metal exchanged, are used, which are impregnated with gold and / or palladium as oxidation-active components. The corresponding catalysts with palladium and / or gold as active components preferably have a noble metal content of 0.001 to 2% by weight, in particular 0.01 to 1% by weight. With the aid of such oxidation catalysts, it is possible to avoid the undesired formation of carbon monoxide as a by-product in the decomposition of the guanidinium salt, in particular in the decomposition of formates, already in the production of ammonia.
Bevorzugt wird für die katalytische Zersetzung des Guanidiniumformiats sowie ggf. den weiteren Komponenten eine katalytische Beschichtung mit Palladium oder/und Gold als Aktivkomponenten mit einem Edelmetallgehalt von 0,001 bis 2 Gew.-%, insbesondere 0,01 bis 1 Gew.-% eingesetzt.For the catalytic decomposition of the guanidinium formate and optionally the further components, preference is given to using a catalytic coating with palladium or / and gold as active components having a noble metal content of 0.001 to 2% by weight, in particular 0.01 to 1% by weight.
Somit ist auch ein Ammoniakgasgenerator Gegenstand der vorliegenden Erfindung, der einen Hydrolysekatalysator mit einer katalytisch aktive Beschichtung umfasst, die mit Gold und/oder Palladium imprägniert ist, insbesondere mit einem Gehalt an Gold und/oder Palladium von 0,001 bis 2 Gew.-% (bezogen auf die katalytische Beschichtung). Weiterhin bevorzugt weist dieser Katalysator eine katalytisch aktive Beschichtung aus Oxiden ausgewählt aus der Gruppe Titandioxid, Aluminiumoxid und Siliciumdioxid sowie deren Mischungen, oder/und hydrothermal stabilen Zeolithen auf, die mit Gold und/oder Palladium imprägniert ist, wobei weiterhin bevorzugt der Gehalt an Gold und/oder Palladium 0,001 bis 2 Gew.-% (bezogen auf die katalytische Beschichtung) beträgt.Thus, an ammonia gas generator is the subject of the present invention, which comprises a hydrolysis catalyst having a catalytically active coating which is impregnated with gold and / or palladium, in particular with a content of gold and / or palladium of 0.001 to 2 wt .-% (relative on the catalytic coating). Further preferably, this catalyst has a catalytically active coating of oxides selected from the group of titanium dioxide, alumina and silica and mixtures thereof, and / or hydrothermally stable zeolites which is impregnated with gold and / or palladium, wherein further preferably the content of gold and or palladium 0.001 to 2 wt .-% (based on the catalytic coating).
Es ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich, dass man einen Hydrolysekatalysator einsetzt, der in Strömungsrichtung aus mindestens zwei Abschnitten besteht, wobei der erste Abschnitt nicht oxidationsaktive Beschichtungen und der zweite Abschnitt oxidationsaktive Beschichtungen enthält. Vorzugsweise besteht 5 bis 90 Vol.-% dieses Katalysators aus nicht oxidationsaktiven Beschichtungen und 10 bis 95 Vol-% aus oxidationsaktiven Beschichtungen. Insbesondere bestehen 15 bis 80 Vol-% dieses Katalysators aus nicht oxidationsaktiven Beschichtungen und 20 bis 85 Vol-% aus oxidationsaktiven Beschichtungen. Alternativ kann man die Hydrolyse auch in Gegenwart von zwei hintereinander angeordneten Katalysatoren durchführen, wobei der erste Katalysator nicht oxidationsaktive Beschichtungen und der zweite Katalysator oxidationsaktive Beschichtungen enthält. Weiterhin bevorzugt kann es sich bei dem ersten Hydrolysekatalysator auch um einen beheizten Katalysator und bei dem zweiten Hydrolysekatalysator um einen nicht beheizten Katalysator handeln.It is within the scope of the present invention possible to use a hydrolysis catalyst which consists of at least two sections in the flow direction, the first section containing non-oxidation-active coatings and the second section oxidation-active coatings. Preferably, 5 to 90% by volume of this catalyst consists of non-oxidation-active coatings and 10 to 95% by volume of oxidation-active coatings. In particular, 15 to 80% by volume of this catalyst consist of non-oxidation-active coatings and 20 to 85% by volume of oxidation-active coatings. Alternatively, the hydrolysis can also be carried out in the presence of two catalysts arranged one behind the other, the first catalyst containing oxidation-active coatings and the second catalyst oxidation-active coatings. Furthermore, the first hydrolysis catalyst may also be a heated catalyst and the second hydrolysis catalyst may be a non-heated catalyst.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass man einen Hydrolysekatalysator einsetzt, der aus mindestens zwei Abschnitten besteht, wobei der in Strömungsrichtung angeordnete erste Abschnitt in Form eines beheizten Katalysators und der in Strömungsrichtung angeordnete zweite Abschnitt in Form eines nicht beheizten Katalysators vorliegt. Vorzugsweise besteht der Katalysator zu 5 bis 50 Vol.-% aus dem ersten Abschnitt und zu 50 bis 95 Vol-% aus dem zweiten Abschnitt.In addition, it can be provided that one uses a hydrolysis catalyst, which consists of at least two sections, wherein the arranged in the flow direction of the first section in the form of a heated catalyst and arranged in the flow direction second section is in the form of a non-heated catalyst. Preferably, the catalyst is 5 to 50 vol% of the first portion and 50 to 95 vol% of the second portion.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist daher vorgesehen, dass der Ammoniakgasgenerator eine Katalysatoreinheit mit einem mindestens zweigeteilten, besonders bevorzugt mindestens dreigeteilten, Hydrolysekatalysator umfasst, dessen in Strömungsrichtung erster Teil in Form eines beheizten Katalysators, der vorzugsweise eine direkte elektrische Widerstandsheizung und/oder eine Mantelheizung aufweist, ausgebildet ist, während der zweite Teil in Form eines nicht beheizten Katalysators ausgeführt ist, dem ganz besonders bevorzugt stromab als dritter Teil ein nicht beheizter Katalysator mit Mischerstruktur folgt. According to a particularly preferred embodiment of the present invention, it is therefore provided that the ammonia gas generator comprises a catalyst unit having at least two divided, more preferably at least three, hydrolysis catalyst, the first part in the flow direction in the form of a heated catalyst, preferably a direct electrical resistance heating and / or has a jacket heating, is formed, while the second part is designed in the form of a non-heated catalyst, which very particularly preferably downstream as the third part of a non-heated catalyst follows with mixer structure.
Es hat sich ergeben, dass für eine vollständige katalytische Umsetzung der Ammoniakvorläufersubstanzen vorzugsweise Katalysatoren mit einer Katalysatorzellenzahl von mindestens 60 cpsi (cpsi: cells per square inch – Zellenanzahl an der Stirnfläche des Katalysators) und den bereits oben beschriebenen Katalysatorvolumina eingesetzt werden. Dabei begrenzt der ansteigende Gegendruck (Druckverlust über den Katalysator) die Katalysatorzellenzahl auf höchstens 800 cpsi für eine Anwendung in einem Ammoniakgasgenerator. Besonders bevorzugt sind solche Katalysatoren, insbesondere Hydrolysekatalysatoren, die eine Katalysatorzellenzahl von 100 bis 600 cpsi pro inch2 Stirnfläche, von 100 bis 500 cpsi pro inch2 Stirnfläche und ganz besonders bevorzugt von 100 bis 400 cpsi pro inch2 Stirnfläche des Katalysators aufweisen.It has been found that, for complete catalytic conversion of the ammonia precursor substances, preference is given to using catalysts having a catalyst cell count of at least 60 cpsi (cpsi: cells per square inch) and the catalyst volumes already described above. The increasing back pressure (pressure drop across the catalyst) limits the number of catalyst cells to at most 800 cpsi for use in an ammonia gas generator. Especially preferred are those catalysts, in particular hydrolysis catalysts having a catalyst cell number of 100 to 600 cpsi per inch 2 end face, from 100 to 500 cpsi per inch 2 face and very particularly preferably from 100 to 400 cpsi per inch 2 end face of the catalyst.
Hinsichtlich der Ausgestaltung der Katalysatoreinheit hat sich in den Testungen herausgestellt, dass eine zylindrische Bauform besonders gut geeignet ist. Hierbei kann der Trägergasstrom seine volle Wirkung entfalten. Andere Bauformen sind hingegen weniger geeignet, da hierbei eine zu starke Verwirbelung zu beobachten ist. Somit ist auch ein Ammoniakgasgenerator Gegenstand der vorliegenden Erfindung, der eine Katalysatoreinheit umfasst, die in Form eines Zylinders ausgebildet ist.With regard to the configuration of the catalyst unit, it has been found in the tests that a cylindrical design is particularly well suited. In this case, the carrier gas flow can develop its full effect. Other designs, however, are less suitable, since in this case an excessive turbulence is observed. Thus, an ammonia gas generator is also an object of the present invention comprising a catalyst unit formed in the shape of a cylinder.
Darüber hinaus hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der Ammoniakgasgenerator eine Katalysatoreinheit umfasst, die ihrerseits mindestens eine thermische Isolationsschicht, insbesondere eine thermische Isolationsschicht aus mikroporösem Dämmmaterial aufweist.Moreover, it has proved to be particularly advantageous if the ammonia gas generator comprises a catalyst unit, which in turn has at least one thermal insulation layer, in particular a thermal insulation layer of microporous insulating material.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass der Ammoniakgasgenerator weiterhin eine Dosiereinheit zur Dosierung der Lösung der Ammoniakvorläufersubstanz umfasst, die der Eindüsungsvorrichtung vorgeschaltet ist. Somit kann eine präzise Regelung des zu Erzeugenden Ammoniaks über diese Dosiereinheit erfolgen. Wird beispielsweise ein vermehrter Ausstoß an Stickoxiden im Abgas eines Motors verzeichnet, so kann über die gezielte Steuerung der mit der Eindüsungsvorrichtung eingedüsten Menge an Vorläufersubstanz eine definierte Menge an Ammoniak freigesetzt werden.Furthermore, it can be provided that the ammonia gas generator further comprises a metering unit for metering the solution of the ammonia precursor substance, which is connected upstream of the injection device. Thus, a precise control of the ammonia to be generated via this metering unit. If, for example, an increased emission of nitrogen oxides in the exhaust gas of an engine is recorded, a defined amount of ammonia can be liberated via the targeted control of the amount of precursor substance injected with the injection device.
Als Ammoniakvorläufersubstanzen werden gemäß der vorliegenden Erfindung chemische Substanzen verstanden, die in eine Lösung überführt werden können und die Ammoniak mittels physikalischer und/oder chemischer Prozesse abspalten oder in sonstiger Form freisetzen können. Als Ammoniakvorläuferverbindungen können gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere Harnstoff, Harnstoffderivate, Guanidine, Biguanidine sowie Salze dieser Verbindungen sowie Salze des Ammoniaks eingesetzt werden. Insbesondere können gemäß der vorliegenden Erfindung Harnstoff und Guanidine oder Salze hiervon eingesetzt werden. Insbesondere können solche Salze eingesetzt werden, die aus Guanidinen und organischen oder anorganischen Säuren gebildet werden. Als besonders bevorzugt sind hierbei Guanidiniumsalze der allgemeinen Formel (I) anzusehen, wobei
R = H, NH2 oder C1-C12-Alkyl,
X⊝ = Acetat, Carbonat, Cyanat, Formiat, Hydroxid, Methylat oder Oxalat, bedeuten.According to the present invention, ammonia precursor substances are understood as meaning chemical substances which can be converted into a solution and which can split off the ammonia by means of physical and / or chemical processes or release it in any other form. As ammonia precursor compounds according to the present invention, in particular urea, urea derivatives, guanidines, biguanidines and salts of these compounds and salts of ammonia can be used. In particular, urea and guanidines or salts thereof can be used according to the present invention. In particular, it is possible to use those salts which are formed from guanidines and organic or inorganic acids. Particularly preferred are guanidinium salts of the general formula (I), in which
R = H, NH 2 or C 1 -C 12 -alkyl,
X ⊝ = acetate, carbonate, cyanate, formate, hydroxide, methylate or oxalate.
Besonders bevorzugt ist Guanidiniumformiat.Particularly preferred is guanidinium formate.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können diese Guanidiniumsalze als Einzelsubstanz oder als Mischung aus zwei oder mehreren unterschiedlichen Guanidiniumsalzen verwendet werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die erfindungsgemäß eingesetzten Guanidiniumsalze mit Harnstoff und/oder Ammoniak und/oder Ammoniumsalzen kombiniert. Alternativ können gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung jedoch auch wässrige Harnstofflösungen eingesetzt werden. Die Mischungsverhältnisse von Guanidiniumsalz mit Harnstoff sowie Ammoniak bzw. Ammoniumsalzen können in weiten Grenzen variiert werden. Es hat sich jedoch als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Mischung von Guanidiniumsalz und Harnstoff einen Guanidiniumsalz-Gehalt von 5 bis 60 Gew.-% und einen Harnstoff-Gehalt von 5 bis 40 Gew.-%, insbesondere von 5 bis 35 Gew.-% besitzt. Des Weiteren sind Mischungen von Guanidiniumsalzen und Ammoniak bzw. Ammoniumsalzen mit einen Gehalt an Guanidiniumsalz von 5 bis 60 Gew.-% und von Ammoniak bzw. Ammoniumsalz von 5 bis 40 Gew.-% als bevorzugt anzusehen. Alternativ kann jedoch auch eine Harnstoff-Lösung insbesondere eine wässrige Harnstofflösung verwendet werden.In the context of the present invention, these guanidinium salts can be used as a single substance or as a mixture of two or more different guanidinium salts. According to a preferred embodiment, the guanidinium salts used according to the invention are combined with urea and / or ammonia and / or ammonium salts. Alternatively, according to a further embodiment of the present invention, however, aqueous urea solutions can also be used. The mixing ratios of guanidinium salt with urea and ammonia or ammonium salts can be varied within wide limits. However, it has proved to be particularly advantageous if the mixture of guanidinium salt and urea a guanidinium salt content of 5 to 60 wt .-% and a urea content of 5 to 40 wt .-%, in particular from 5 to 35 wt. % owns. Furthermore, mixtures of guanidinium salts and ammonia or ammonium salts with a content of guanidinium salt of 5 to 60 wt. % and of ammonia or ammonium salt of 5 to 40 wt .-% to be regarded as preferred. Alternatively, however, it is also possible to use a urea solution, in particular an aqueous urea solution.
Als Ammoniumsalze haben sich hierbei vor allem Verbindungen der allgemeinen Formel (II) bewährt wobei
R = H, NH2 oder C1-C12-Alkyl,
X⊝ = Acetat, Carbonat, Cyanat, Formiat, Hydroxid, Methylat oder Oxalat bedeuten.In particular, compounds of the general formula (II) have proven to be suitable as ammonium salts in which
R = H, NH 2 or C 1 -C 12 -alkyl,
X ⊝ = acetate, carbonate, cyanate, formate, hydroxide, methylate or oxalate.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Ammoniakvorläufersubstanzen, insbesondere Guanidiniumsalze sowie ggf. die weiteren Komponenten, bestehend aus Harnstoff bzw. Ammoniumsalzen kommen in Form einer Lösung zum Einsatz, wobei als Lösemittel vor allem Wasser und/oder ein C1-C4-Alkohol bevorzugt eingesetzt werden. Die wässrigen und/oder alkoholischen Lösungen weisen hierbei einen bevorzugten Feststoffgehalt von 5 bis 85 Gew.-%, insbesondere 30 bis 80 Gew.-%, auf.The ammonia precursor substances used according to the invention, in particular guanidinium salts and possibly the other components consisting of urea or ammonium salts, are used in the form of a solution, with water and / or a C 1 -C 4 -alcohol being the preferred solvents. The aqueous and / or alcoholic solutions in this case have a preferred solids content of 5 to 85 wt .-%, in particular 30 to 80 wt .-%, on.
Dabei hat sich überraschend gezeigt, dass gemäß der vorliegenden Erfindung sowohl wässrige Guanidinformiatlösung in der Konzentration von 20 bis 60 Gew.-%, als auch wässrige Harnstofflösung in der Konzentration von 25 bis 40 Gew.-% als auch wässrige Mischungen aus Guanidiniumformiat und Harnstoff-Lösungen, wobei Guanidiniumformiat und Harnstoff in einer Konzentration von 5 bis 60 Gew.-% Guanidiniumformiat und 5 bis 40 Gew.-% Harnstoff in der Mischung enthalten ist, besonders gut eingesetzt werden können.It has surprisingly been found that according to the present invention, both aqueous Guanidinformiatlösung in the concentration of 20 to 60 wt .-%, and aqueous urea solution in the concentration of 25 to 40 wt .-% and aqueous mixtures of guanidinium formate and urea Solutions, wherein guanidinium formate and urea in a concentration of 5 to 60 wt .-% guanidinium and 5 to 40 wt .-% urea in the mixture contained, can be used particularly well.
Die wässrigen Lösung der Ammoniakvorläufersubstanzen, insbesondere der Guanidiniumsalze, der Gemische von Guanidiniumsalze oder der Guanidiniumsalze in Kombination mit Harnstoff in Wasser besitzen hierbei ein bevorzugtes Ammoniak-Bildungspotential von 0,2 bis 0,5 kg Ammoniak pro Liter Lösung, insbesondere 0,25 bis 0,35 kg Ammoniak pro Liter Lösung.The aqueous solution of the ammonia precursor substances, in particular the guanidinium salts, the mixtures of guanidinium salts or guanidinium salts in combination with urea in water in this case have a preferred ammonia formation potential of 0.2 to 0.5 kg of ammonia per liter of solution, in particular 0.25 to 0 , 35 kg of ammonia per liter of solution.
Die hierin beschriebenen Ammoniakgasgeneratoren sind aufgrund ihrer kompakten Bauweise besonders für den Einsatz in Industrieanlagen, in Verbrennungsmotoren wie beispielsweise Dieselmotoren und Benzinmotoren, sowie Gasmotoren geeignet. Daher umfasst der vorliegenden Erfindung auch die Verwendung eines Ammoniakgasgenerators gemäß der beschriebenen Art sowie die Verwendung des beschriebenen Verfahrens zur Reduktion von Stickoxiden in Abgasen aus Industrieanlagen, aus Verbrennungsmotoren wie beispielsweise Dieselmotoren und Benzinmotoren, sowie aus Gasmotoren. Des Weiteren umfasst die vorliegende Erfindung damit auch ein Abgasnachbehandlungssystem umfassend einen Ammoniakgasgenerator der hiermit beschriebenen Art.The ammonia gas generators described herein are particularly suitable for use in industrial plants, in internal combustion engines such as diesel engines and gasoline engines, and gas engines due to their compact design. Therefore, the present invention also includes the use of an ammonia gas generator according to the described type and the use of the described method for the reduction of nitrogen oxides in exhaust gases from industrial plants, internal combustion engines such as diesel engines and gasoline engines, as well as gas engines. Furthermore, the present invention thus also includes an exhaust aftertreatment system comprising an ammonia gas generator of the type described herewith.
Insbesondere umfasst die vorliegende Erfindung auch ein Abgasnachbehandlungssystem das weiterhin einen Venturimischer umfasst, wobei der Auslass für das gebildete Ammoniakgas und der Venturimischer durch eine Leitung verbunden sind, insbesondere direkt verbunden sind. Ganz besonders bevorzugt umfasst die Erfindung auch ein Abgasnachbehandlungssystem, das weiterhin einen Venturimischer umfasst, wobei der Auslass für das gebildete Ammoniakgas und der Venturimischer durch eine Leitung verbunden sind, insbesondere direkt verbunden sind, und der Venturimischer Bestandteil der Abgasleitung eines Fahrzeugs ist, wobei der Venturimischer in Strömungsrichtung des Abgases vor einem SCR-Katalysator angeordnet ist.In particular, the present invention also includes an exhaust aftertreatment system which further comprises a Venturi mixer, wherein the outlet for the ammonia gas formed and the Venturi mixer are connected by a line, in particular directly connected. Most preferably, the invention also includes an exhaust aftertreatment system, further comprising a Venturi mixer, wherein the outlet for the ammonia gas formed and the Venturi mixer are connected by a line, in particular directly connected, and the venturi is part of the exhaust pipe of a vehicle, wherein the Venturi mixer is arranged upstream of an SCR catalyst in the flow direction of the exhaust gas.
Es hat sich besonders überraschend herausgestellt, dass durch die direkte Verbindung zwischen dem Ausgang des Ammoniakgasgenerators für das Ammoniakgas und einem Venturimischer in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs, ein Druckgefälle aufgebaut werden kann, mit welchem der erzeugte Ammoniak ohne weitere Hilfsmittel in den Abgasstrang eingebracht werden kann. Wesentlich hierbei ist, dass das Ammoniakgas direkt in den Venturimischer eingebracht wird. Somit kann gleichzeitig auch eine genügend hohe Verwirbelung des zu reduzierenden Abgases und dem Ammoniakgas erfolgen.It has been found particularly surprising that a pressure gradient can be established by the direct connection between the outlet of the ammonia gas generator for the ammonia gas and a venturi mixer in an exhaust system of a motor vehicle, with which the generated ammonia can be introduced into the exhaust system without further aids. It is essential here that the ammonia gas is introduced directly into the Venturi mixer. Thus, at the same time, a sufficiently high turbulence of the exhaust gas to be reduced and the ammonia gas can take place.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Zeichnungen und zugehörigen Beispielen näher erläutert. Hierbei zeigtIn the following, the present invention will be explained in more detail with reference to drawings and associated examples. This shows
Mit
Mit
Mit
BeispieleExamples
Ausführungsbeispiel 1:Embodiment 1
Der Aufbau entspricht prinzipiell dem mit
Um die Düsenöffnung befindet sich eine Lochscheibe mit 90 mm Durchmesser über den gesamten Querschnitt mit einer Aussparung von 30 mm um die zentral angeordnete Düse. Die Düsenöffnung befindet sich auf Höhe der Lochscheibe. Die Bohrungen der Lochscheibe betragen alle 5 mm und sind gleichmäßig über den Querschnitt verteilt.Around the nozzle opening there is a perforated disk with 90 mm diameter over the entire cross section with a cutout of 30 mm around the centrally arranged nozzle. The nozzle opening is located at the height of the perforated disc. The holes of the perforated disc are every 5 mm and distributed evenly over the cross section.
Bei einer weiteren Ausführung werden die Bohrungen von innen (3 mm) nach außen (8 mm) hin größer. Durch die Lochscheibe vor dem Düsenaustritt wird ein geringer Staudruck von 0,2 bis 2 mbar erzeugt und damit eine gleichmäßige axiale Strömung des Transportgasstroms und damit vor allem im Randbereich eine Strömung erzwungen, die sich als Schleier schützend um den Wandbereich legt (Schleierströmung). Dadurch wird verhindert, dass durch eine zu starke Wirbelströmung Tröpfchen an die Wand geschleudert werden, zu Ablagerungen führen und der Gesamtammoniakbildungsgrad von üblich 97% auf unter 90% absinkt.In another embodiment, the holes from the inside (3 mm) to the outside (8 mm) towards larger. Through the perforated disc in front of the nozzle outlet, a low back pressure of 0.2 to 2 mbar is generated, thereby forcing a uniform axial flow of the transport gas flow and thus, especially in the edge region, a flow which forms a protective covering around the wall area (fog flow). This will prevent that Droplets are thrown against the wall due to excessive turbulence, lead to deposits and the overall ammonia formation level drops from the usual 97% to below 90%.
Der gesamte Bereich der Mischkammer inklusive der metallischen Lochscheibe sind mit einem Hydrolysekatalysator (katalytisch aktivem TiO2, Anatas, washcoat ca. 100 g/l, Fa. Interkat) beschichtet zur Vermeidung unerwünschter Nebenreaktionen der eventuelle an den Flächen landenden, versprühten Lösung.The entire area of the mixing chamber, including the metallic perforated disk, is coated with a hydrolysis catalyst (catalytically active TiO 2 , anatase, washcoat about 100 g / l, from Interkat) in order to avoid undesirable side reactions of any sprayed solution that lands on the surfaces.
Es hat sich gezeigt, dass durch die gleichmäßige Verteilung der Tröpfchen auf der Katalysatorstirnfläche es nicht zu einer unerwünschten, punktuellen Überbelastung der Katalysatorfläche kommt. In diesem Fall wird die gesamte Fläche für die Umsetzung der Lösung in Ammoniak ohne Nebenprodukte genutzt. Dadurch können keine Ablagerungen entstehen, wie sich bei Tests mit Laufzeiten von mehreren 100 Stunden gezeigt hat. Zeigen sich keine Ablagerungen ist von einer vollständigen Umsetzung der Ammoniakvorläuferlösung auszugehen. Wartung bzgl. Ablagerungen wird in diesem Fall nicht mehr notwendig.It has been shown that the uniform distribution of the droplets on the catalyst end surface does not lead to an undesired, pointwise overloading of the catalyst surface. In this case, the entire area is used for the reaction of the solution in ammonia without by-products. This can not lead to deposits, as has been shown in tests with maturities of several hundred hours. If no deposits show complete conversion of the ammonia precursor solution. Maintenance regarding deposits is no longer necessary in this case.
Dabei hat sich gezeigt, dass für diesen Aufbau als Ammoniakvorläuferlösung sowohl wässrige Guanidiniumformiatlösung in der Konzentration von 20% bis 60% verwendet werden kann als auch wässrige Harnstofflösung in der Konzentration von 25% bis 40% als auch wässrige Mischungen aus Guanidiniumformiat und Harnstoff.It has been found that both aqueous Guanidiniumformiatlösung in the concentration of 20% to 60% can be used for this construction as ammonia precursor solution and aqueous urea solution in the concentration of 25% to 40% and aqueous mixtures of guanidinium and urea.
Durch die noch vorhandenen Tröpfchen kommt es an der Katalysatorstirnfläche zu einer Abkühlung von etwa 120–150°C. Aus diesem Grund ist der Reaktor derart ausgeführt, dass die mit dem heißen Trägergasstrom zugeführte Wärmemenge, der integrierte heizbare Hydrolysekatalysator und weitere Energiezuführungen soviel Energie einbringen, dass für die dosierte Menge Lösung keine Abkühlung unter ca. 280°C stattfindet.Due to the remaining droplets, a cooling of about 120-150 ° C occurs at the catalyst end face. For this reason, the reactor is designed in such a way that the amount of heat supplied with the hot carrier gas stream, the integrated heatable hydrolysis catalytic converter and other energy supplies bring in so much energy that no cooling takes place below about 280 ° C. for the metered amount of solution.
Neben der versprühten Lösung wird ein heißer Trägergasstrom von etwa 1–5 kg/h ebenfalls im Kopfbereich des Ammoniakgasgenerators derart eingeleitet, dass er sich in einer Schleierströmung um die Innenwand der Katalysatoreinheit legt und laminar durch die Mischkammer geleitet wird. Dadurch wird weiter verhindert, dass versprühte Tröpfchen mit der Innenwand in Kontakt kommen. Der Trägergasstrom wird vor Turbo abgezweigt und über eine Drosseleinrichtung dem Ammoniakgenerator zugeführt. Durch den höheren Druck vor Turbo wird die notwendige Druckdifferenz von 10 mbar über den Reaktor zur Einmischstelle im Abgasstrom vor SCR-Katalysator überwunden und damit der Trägergasstrom durch den Reaktor bewegt. Die Temperatur des Abgasteilstroms beträgt je nach Betriebszustand zwischen 250°C und 550°C. Die Temperaturregelung erfolgt in Verbindung mit an der Katalysatorstirnfläche, im und nach dem Katalysator angeordneten Temperatursensoren (Typ K). Alle Außenflächen des Reaktors sind mit einer Isolierung umgeben. Nur der Kopfbereich, in dem sich die Eindüsung der Lösung befindet ist zur besseren Wärmeableitung nicht isoliert.In addition to the sprayed solution, a hot carrier gas flow of about 1-5 kg / h is also introduced in the head region of the ammonia gas generator such that it lays in a veiling flow around the inner wall of the catalyst unit and is passed through the mixing chamber in a laminar manner. This further prevents sprayed droplets from coming into contact with the inner wall. The carrier gas stream is branched off before turbo and fed via a throttle device to the ammonia generator. Due to the higher pressure before turbo, the necessary pressure difference of 10 mbar is overcome via the reactor to the mixing point in the exhaust gas flow upstream of the SCR catalyst and thus the carrier gas flow is moved through the reactor. Depending on the operating condition, the temperature of the partial exhaust gas stream is between 250 ° C and 550 ° C. The temperature control takes place in conjunction with temperature sensors (type K) arranged at the catalyst end face, in and after the catalyst. All outer surfaces of the reactor are surrounded by insulation. Only the head area in which the injection of the solution is located is not isolated for better heat dissipation.
Im Anschluss an die Mischkammer ist ein beheizbarer Metallträgerkatalysator mit 90 mm Durchmesser und 300 cpsi angeflanscht (Emitec Emicat, maximale Leistung 900 W). Dieser ist als Hydrolysekatalysator ausgeführt, mit katalytisch aktivem TiO2 (Anatas, washcoat ca. 100 g/l, Fa. Interkat) beschichtet und wird so geregelt, dass die Temperatur an der Katalysatorstirnfläche zwischen 280 und 400°C liegt. Dabei wird lediglich soviel Energie zugeführt, dass die Abkühlung durch die Verdunstung der Tröpfchen kompensiert wird. Zur Erreichung einer Raumgeschwindigkeit von bis zu minimal 7.000 1/h wird ein weiterer Hydrolysekatalysator mit 400 cpsi nachgeschaltet, so dass sich ein Gesamtkatalysatorvolumen von etwa 900 ml ergibt.Following the mixing chamber is a heated metal support catalyst with 90 mm diameter and 300 cpsi flanged (Emitec Emicat, maximum power 900 W). This is designed as a hydrolysis, coated with catalytically active TiO 2 (anatase, washcoat about 100 g / l, Fa. Interkat) and is controlled so that the temperature at the catalyst end face between 280 and 400 ° C. In this case, only enough energy is supplied that the cooling is compensated by the evaporation of the droplets. To achieve a space velocity of up to a minimum of 7,000 1 / h, a further hydrolysis catalyst with 400 cpsi is connected downstream, resulting in a total catalyst volume of about 900 ml.
Der am heißen Hydrolysekatalysator erzeugte Ammoniak strömt frei im Fußbereich, zentral aus einer Auslassöffnung aus dem Reaktorendstück aus. Dabei wird der Auslassbereich vorzugsweise konisch geformt, um Wirbelbildung an Kanten und damit Ablagerungen von möglichen Rückständen zu vermeiden. Das Gasgemisch aus dem Ammoniakgasgenerator wird vorzugsweise mit einer Temperatur > 80 °C zur Vermeidung von Ammoniumcarbonatablagerungen dem motorischen Abgasstrom vor SCR-Katalysator zugeben und in diesem Abgasstrom homogen über einen statischen Mischer verteilt.The ammonia generated at the hot hydrolysis catalyst flows freely in the foot region, centrally from an outlet opening out of the reactor end piece. In this case, the outlet region is preferably conically shaped in order to avoid vortex formation on edges and thus deposits of possible residues. The gas mixture from the ammonia gas generator is preferably at a temperature> 80 ° C to avoid ammonium carbonate deposits the engine exhaust gas stream before SCR catalyst admit and distributed homogeneously in this exhaust stream via a static mixer.
Als Material für alle metallischen Bauteile wird 1.4301 (V2A, DIN X 5 CrNi18-10) alternativ 1.4401 (V4A, DIN X 2 CrNiMo 17-12-2), 1.4767 oder auch andere abgaskatalysatortypische Fe-Cr-Al-Legierungen verwendet.The material used for all metallic components is 1.4301 (V2A, DIN X 5 CrNi18-10) or alternatively 1.4401 (V4A, DIN X 2 CrNiMo 17-12-2), 1.4767 or other catalytic converter type Fe-Cr-Al alloys.
Ausführungsbeispiel 2:Embodiment 2:
In Ausführungsbeispiel 2 ist der Ammoniakgenerator derart ausgeführt, dass anstelle einer Zweistoffdüse eine Einstoffdüse (Injektor, Hilite Gen 2 Liquid Only) mit vergleichbarem Sprühbild zum Einsatz kommt. Dabei wird die Zerstäubung vollkommen ohne zusätzliche Druckluft erreicht. Der Sauterdurchmesser liegt bei dieser Ausführung bei D32 = 29 μm.In embodiment 2, the ammonia generator is designed in such a way that, instead of a two-substance nozzle, a single-substance nozzle (injector, Hilite Gen 2 Liquid Only) with a comparable spray pattern is used. The atomization is achieved completely without additional compressed air. The Sauter diameter in this design is D 32 = 29 μm.
Entsprechend ist bei dieser Ausführung keine Druckluft bzw. zusätzliche Luftpumpe für den Betrieb der Zerstäubung notwendig.Accordingly, no compressed air or additional air pump for the operation of the atomization is necessary in this embodiment.
Ausführungsbeispiel 3: Embodiment 3
In Ausführungsbeispiel 3 wird der Ammoniakgenerator derart betrieben, dass Umgebungsluft als Trägergasstrom durch den Ammoniakgenerator gesaugt wird. Der Generator entspricht der Ausführung in Beispiel 1. Als Trägergasstrom wird kalte Umgebungsluft anstelle von einem heißen Abgasnebenstrom verwendet. Die Temperatur der Umgebungsluft beträgt zwischen 10°C und 25°C. Die Druckdifferenz über den Reaktor bis zur Einmischstelle im Abgasstrom wird mittels einer Venturidüse im Abgasstrom überwunden. Im Abgasstrom ist stromauf des SCR-Katalysators ein Venturigasmischer derart eingebaut, dass ein entsprechender Unterdruck Umgebungsluft als Trägergasstrom in und durch den Reaktor saugt und mit Ammoniak angereichertes Gas in den Abgasstrom einmischt. Dabei liegt die Einmischstelle des ammoniakhaltigen Gases aus dem Reaktor mittig in der in der Abgasströmung integrierten Venturidüse im engsten Querschnitt. Über mehrere Bohrungen in der Venturidüsenengstelle wird das Gas aus dem Reaktor gesaugt und radial gleichmäßig verteilt dem Abgasstrom zugeführt.In Embodiment 3, the ammonia generator is operated such that ambient air is sucked as a carrier gas stream through the ammonia generator. The generator corresponds to the embodiment in Example 1. As the carrier gas flow, cold ambient air is used instead of a hot exhaust gas secondary flow. The temperature of the ambient air is between 10 ° C and 25 ° C. The pressure difference across the reactor to the mixing point in the exhaust stream is overcome by means of a Venturi nozzle in the exhaust stream. In the exhaust gas stream, a venturi gas mixer is installed upstream of the SCR catalytic converter in such a way that a corresponding negative pressure draws in ambient air as carrier gas flow into and through the reactor and mixes ammonia-enriched gas into the exhaust gas flow. In this case, the mixing point of the ammonia-containing gas from the reactor is located centrally in the venturi integrated in the exhaust gas flow in the narrowest cross-section. Through several holes in the Venturidüsenengstelle the gas is sucked out of the reactor and radially distributed evenly distributed to the exhaust gas stream.
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