廢氣回流的脫硫方法和設備的製作方法

2023-11-03 19:45:32

廢氣回流的脫硫方法和設備的製作方法
【專利摘要】本發明涉及用於內燃機的廢氣回流的脫硫方法和設備，所述廢氣回流在內燃機的新鮮空氣側(8)供入內燃機中，其中使用氨用於廢氣回流(7」)中的脫硫，並且其中從所述內燃機(1)的廢氣流(2)中分支出至少一個廢氣分流(7,17)。本發明建議，將至少一種離解出氨的反應物(12)供入從內燃機(1)的廢氣流(2)中分支出的廢氣分流(7)中，並將如此加載的廢氣分流(7』)部分作為廢氣回流(7」)供入新鮮空氣側(8)以及部分作為後處理分流(9)供入廢氣後處理裝置。供入新鮮空氣側(8)的廢氣回流量和供入廢氣後處理裝置的後處理分流(9)的量，藉助於控制設備和/或調節設備根據至少一個定義內燃機(1)的各運行工況的運行參數來給定和/或改變。
【專利說明】廢氣回流的脫硫方法和設備發明領域
[0001]本發明涉及根據權利要求1的前序部分，在內燃機情況下用於廢氣回流的脫硫方法以及根據權利要求11的前序部分用於實施該方法的設備。

【背景技術】
[0002]在內燃機情況下，廢氣回流用於降低NOx-排放，其中問題在於，在使用硫含量高的燃料時形成二氧化硫和在冷卻的廢氣返回中形成硫酸和/或亞硫酸，這導致發動機部件如增壓空氣管、進氣閥、氣缸套等的強烈腐蝕。
[0003]從技術而言，通常通過加入CaOH或CaO和繼而形成硫酸鈣而使廢氣脫硫(DE000003603365 C2)。但其難以在AGR-管中使用，因為CaOXaOH和形成的CaSO4是相對強磨損性的，其導致氣缸套上的強磨損。
[0004]也可藉助於NH3形成硫酸銨而脫硫(DE 3636554 Al)，但由於所用NH3的高成本和複雜的過程控制而未得以實現:
2NH3+S03 + H20— (NH4)2SO4
NH3+ SO3 +H2O — (NH4) HSO4
因此在使用時，必需將廢氣溫度降到300°C以下，有利地降到100°C以下的溫度，因為高於該溫度硫酸銨或硫酸氫銨將再次分解，或甚至完全不形成硫酸銨或硫酸氫銨。
[0005]另一方面，通過選擇性催化還原(簡稱為SCR-法)，可藉助於NH3以催化減少內燃機下遊的氮氧化物。在汽車中大多使用尿素代替NH3，尿素在熱的廢氣中釋出NH3。通過使用所謂的水解催化劑，例如DE 4038054中所述的，可改善這種分解。
[0006]此外，由EP 1052009已知一種在分流中實施尿素分解的方法。
[0007]原則上，在廢氣返回輸送裝置中存在使廢氣回流富集NH3的可能性，以在所謂的「選擇性非催化還原」(SNCR)中按下列方程降低氧化氮排放:
2NH3 + 2N0 + O2 — 2N2 + 3H20
由於該反應不良的選擇性，與達95 %以上的NOx-轉化率的催化SCR-法相反，其轉化率僅可為15-25 %。
[0008]由DE 10357402 Al已知一種用於運行內燃機的方法，該內燃機具有帶產氨-催化劑的廢氣淨化裝置。藉助於產氨-催化劑，在由內燃機通向廢氣渦輪增壓器的廢氣流中產生氨。在該廢氣渦輪增壓器的渦輪機前從該富集氨的廢氣流中分支出廢氣分流，將該廢氣分流作為廢氣回流供入到該內燃機的新鮮空氣側。藉助提供的節流閥可調節該廢氣回流，但未向該廢氣回流中針對性地供氨，因此，沒有提供適配於為該返回的廢氣流的最佳脫硫所需的NH3-量。這導致在該廢氣返回中的NH3-濃度相應於SCR-催化劑前的NH3-濃度。此夕卜，在硫含量高的燃料的情況中存在另一問題:在廢氣流可供入該新鮮空氣中前，必需冷卻該廢氣流，因為否則可導致增高的NOx-排放、較低的輸出功率和在最不利的情況下導致發動機受損。但在未超過約300°C和存在氨時，在為此所需的冷卻器上發生硫酸銨或硫酸氫銨的析出，這又導致該冷卻器的堵塞。
[0009]由WO 2012/096123 Al已知一種用NH3運行的內燃機，在該內燃機中，在渦輪增壓器的渦輪機的下遊由廢氣流中分支出廢氣回流至該渦輪增壓器的壓縮機的新鮮空氣側。在此，向廢氣回流中注入氨的水溶液。其用於兩方面:一方面由此冷卻返回的廢氣，另一方面氨在燃燒室中以已述及的「選擇性非催化還原」(SNCR)與那裡形成的氮氧化物反應形成氮。由於這兩個功能，既通過NH3冷卻廢氣和減少氮氧化物的結合，不可能相互無關地改變部分不同的要求，更不用說實現附加的獨立的功能，如通過形成銨鹽而脫硫。
[0010]這兩種方法的共同之處是，它們不使用氨前體物質如尿素、甲酸胍、氰尿酸或甲酸銨。其原因在於這些化合物或由其形成的產物如異氰酸和蟻酸的高腐蝕性。
[0011]此外，由JP 2009-85011 A已知一種方法，在該方法中根據在入口側測量的pH-值，在需要時產生NH3和供入新鮮空氣側，以調節該pH-值。


【發明內容】

[0012]本發明的目的在於提供一種在內燃機情況下用於廢氣後處理的方法，用此方法可儘可能低成本地實現有針對性的脫硫。
[0013]本發明的目的藉助權利要求1的特徵得以實現。本發明的特別有利的擴展方案公開在與其相關的從屬權利要求中。
[0014]根據專利權利要求1的特徵部分，向內燃機的廢氣流分支出的廢氣分流中加入至少一種離解出氨的反應物，經如此加載的廢氣分流，其部分作為廢氣回流供入新鮮空氣側和部分作為後處理分流供入廢氣後處理裝置，其中供入新鮮空氣側的廢氣回流的量和供入廢氣後處理裝置的後處理分流的量根據至少一個定義內燃機各自的運行工況的運行參數來給定和/或改變。通過將氨供入分支出的廢氣分流中可用較少的氨供給及由此相應以低成本實施廢氣回流的脫硫。如上所述,其通過形成硫酸銨實現:
2NH3+S03 + H20— (NH4)2SO4
與現有技術相反，供入廢氣返回或新鮮空氣側的NH3-量可通過改變供入廢氣返回或新鮮空氣側的加載有NH3的廢氣分流量和供入該廢氣後處理裝置的加載有NH3的廢氣分流量以適配脫硫所需的要求。因為廢氣中的硫氧化物的濃度通常低於氮氧化物的濃度，這意味著將進入燃燒室前的NH3-濃度調整為低於NOx-濃度，但大於等於SOx-濃度。
[0015]與現有技術相比，該方法的另一優點在於，不僅可使用氨，而且還可使用其前體物質如尿素、甲酸胍(GUFO)、氰尿酸或甲酸銨，因為由於在渦輪增壓器上遊主要呈高溫水平，所以有利於NH3的釋出。此外，其可以通過在離解出氨的反應物的供入點的下遊使用化劑來加以改進。在尿素、氰尿酸或甲酸銨的情況中下，採用含氧化鈦和/或含氧化矽和/或含氧化鐵和/或含氧化鎢和/或含氧化鋁和/或含氧化釩和/或含沸石的催化劑，在GUFO情況下採用含金的催化劑。
[0016]廢氣分流原則上可在廢氣渦輪增壓器的渦輪機的下遊分支出。但特別優選的實施方案是，在用廢氣渦輪增壓器增壓的內燃機情況下，廢氣分流在廢氣渦輪增壓器的渦輪機的上遊分支出。在渦輪增壓器的高壓側取出可實現簡單的整體構造，因為由於壓差通常可棄用含NH3的廢氣流的輸送設備。
[0017]將含氨分流供入廢氣回流或新鮮空氣中適宜在廢氣冷卻器的下遊進行，或在增壓式內燃機的情況下，在增壓空氣冷卻器的下遊進行。與現有技術對比，由此可避免被硫酸銨堵塞冷卻器。
[0018]該第一廢氣分流優選分成廢氣回流和用於催化還原的第二廢氣分流，其中該第二廢氣分流供入通向SCR-催化劑的廢氣流中。以此方式，該供入分支出的第一廢氣分流中的氨也可按比例用於在SCR-催化劑中的選擇性催化還原。
[0019]該廢氣返回裝置也可如此運行，即將在SCR-催化劑下遊分支出的另一廢氣分流供入該內燃機的新鮮空氣側。通過不同的分支出的廢氣分流的節流可實施有針對性的廢氣返回，以此確保廢氣回流的脫硫。
[0020]將負載有氨的分流供入新鮮空氣側或廢氣返回中優選在一個或多個新鮮空氣側的冷卻器或廢氣返回側的冷卻器的下遊進行。如果沒有單獨的冷卻器且在功能上與增壓空氣冷卻器組合，即增壓空氣和廢氣返回在增壓空氣冷卻器的上遊一起供入，則該含氨分流又在該冷卻器的下遊供入。
[0021]可將在廢氣渦輪增壓器的渦輪機的上遊分支出的第三廢氣分流供入該內燃機的新鮮空氣側。該第三廢氣分流優選藉助於熱交換器冷卻到合適的廢氣溫度。
[0022]該廢氣分流和/或供入SCR-催化劑的第二廢氣分流的節流優選根據整個系統的運行參數來進行。由此不僅對所需的脫硫而且還對所實施的選擇性催化還原均達到最佳運行條件。如果供入的NH3-量依據該整個系統的運行參數來調節，則是特別有利的。
[0023]此外，本發明的目的還在於提供一種用於內燃機中的廢氣回流的脫硫的設備，用該設備特別可實施本發明的方法。
[0024]通過權利要求11中給出的特徵得到了與設備有關的所述目的的解決方案。本發明設備的特別有利的擴展方案公開在與此相關的從屬權利要求中。
[0025]根據權利要求11的特徵部分提供，由從內燃機通向廢氣後處理裝置的廢氣管道上分支出第一分支管道，該分支管道將第一廢氣分流作為載有氨的廢氣回流供入該內燃機的新鮮空氣側或廢氣返回，其中該第一分支管道與供入至少一種離解出氨的反應物的供料設備耦合。此外，提供從該第一分支管道分支出的第二分支管道，該第二分支管道將一部分用於廢氣後處理的第一廢氣分流返回廢氣後處理裝置，其中提供有控制設備和/或調節設備，該設備依據至少一個定義該內燃機的各運行工況的運行參數來給定和/或改變供入新鮮空氣側的廢氣回流量和供入廢氣後處理裝置的後處理分流的量。因此，還原劑分解在此可優選平行於其中存在高的氨濃度的廢氣渦輪增壓器進行。這裡存在的高壓力水平使得通常不需附加的輸送設備。
[0026]如果從通向渦輪機的廢氣管道中分支出第三分支管道也是有利的，該第三分支管道經熱交換器連接在內燃機的新鮮空氣管道上。由此可將附加的其溫度經降低的廢氣回流供入該內燃機的新鮮空氣側。該渦輪增壓器的壓縮機的高壓側和第一分支管道可連接在新鮮空氣管道上。
[0027]為了能夠實現根據運行參數的氣流的最佳控制，優選在從第一分支管道分支出第二分支管道之前和之後，在該第一分支管道上布置可控的節流設備。
[0028]在此，表述新鮮空氣側在表述上有寬的意義，並且當然不僅應包括將廢氣回流供入新鮮空氣流，還當然應包括在該新鮮空氣側供入一種或多種流入的物質流或回流的物質流的供給可能性，特別是還表示供入到廢氣返回設備的廢氣返回流中。
[0029]下面藉助附圖所示的實施例詳述本發明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1示出具有廢氣返回裝置的內燃機，在該廢氣返回裝置中，含NH3廢氣流在壓縮機的吸入側供入，
圖2示出具有廢氣返回裝置的內燃機，在該廢氣返回裝置中，含NH3廢氣流在內燃機的壓縮機下遊的新鮮空氣側供入，
圖3示出具有廢氣返回裝置的內燃機，在該廢氣返回裝置中，含NH3廢氣流在壓縮機的壓力側供入。
[0031]圖1的示意圖示出內燃機1，其廢氣流經廢氣管道2供入渦輪增壓器4的渦輪機3中。該渦輪機3驅動該渦輪增壓器4的壓縮機5，經由該壓縮機，空氣通過新鮮空氣管道6供入內燃機I中。
[0032]從廢氣管道2經第一分支管道7a分支出第一廢氣分流7，其部分作為載有氨的廢氣回流7」以將描述的方式在壓縮機5的吸入側8a處混入吸進的空氣中。從第一分支管道7a分支出第二分支管道9a，經第二分支管道將第二廢氣分流9供入通向SCR-催化器10的廢氣管道11中。經廢氣管道11將內燃機I的廢氣主流供入SCR-催化器10中。
[0033]經注入管道12將NH3以適於廢氣回流7」的脫硫的量供入第一廢氣分流7中。此夕卜，藉助於節流設備13-15根據整個系統的運行參數控制或調節該分支出的分流。由此，在所示的實施例中，使節流設備14和15形成為藉助於控制設備和/或調節設備(未示出)可調節的和/或可控制的節流設備。供入的NH3-量和在不同分支管道中的分流的節流可根據燃料的硫含量、空氣/燃料比和在內燃機I的新鮮空氣側8處供入的廢氣量來控制。整個系統的其它參數也可一同併入控制中，以獲得返回到內燃機I的廢氣回流的最佳脫硫，對此在下面還將詳述和描繪。
[0034]在圖1中還示出另一分支管道16a，經該管道在SCR-催化器10的下遊，在內燃機I的新鮮空氣側8上實現廢氣分流的另一返回，而且優選經與控制設備和/調節設備耦合的節流設備24來控制和/或節流。
[0035]圖3示出與圖1相類似的結構。但其差別在於，在此，載有氨的分流V在增壓空氣冷卻器21的下遊才供入新鮮空氣側8中，該冷卻器在壓縮機5的下遊接入新鮮空氣管道6中。由此意在避免增壓空氣冷卻器21被硫酸銨堵塞。
[0036]在圖2中示出的實施方案中，內燃機I連接在驅動渦輪增壓器4的渦輪機3的廢氣管道2上。渦輪增壓器4的壓縮機5抽吸空氣，並經新鮮空氣管道6將空氣輸送到內燃機I的新鮮空氣側。
[0037]從廢氣管道2分支出第三分支管道17a，經該管道在新鮮空氣側將第三廢氣分流17供入新鮮空氣管道6中。藉助於熱交換器18將該第三廢氣分流17冷卻到合適的過程溫度。載有氨的廢氣回流7」與廢氣返回或新鮮空氣管道6在熱交換器18的下遊處合併，以避免該冷卻器或熱交換器18被硫酸銨堵塞。
[0038]從廢氣管道2經第一分支管道7a分支出的第一廢氣分流7經該分支管道到達內燃機I的新鮮空氣側8。第一廢氣分流7的其餘部分作為載有氨的廢氣分流7』經第二分支管道9到達廢氣後處理裝置，該裝置在這裡示例性包括SCR-催化器10。此外，在第一分支管道7a中可使用催化器19來分解釋出氨的反應物，以有助於MH3的釋出並避免不希望的腐蝕性反應產物的形成。
[0039]為調節在廢氣返回中所含的NH3的比例，可藉助於前面已提及的或單獨的控制設備和/或調節設備來控制或調節NH3的供入。
[0040]此外，優選提供可控的節流設備或可調的節流設備20，22和23，以控制或調節在不同氣體管道中的流體通過量。由此可相互獨立運行或調節或控制由廢氣返回、脫硫和SCR-催化劑所組成的整個系統的各部件。原則上，下面的適用於此:
供入廢氣返回或新鮮空氣側的NH3-量和/或供入廢氣返回或新鮮空氣側的分流量取決於下列因素，並用相應的控制部件改變:
?燃料的硫含量 ?空氣/燃料比 ?增壓壓力 ?空氣溼度
?返回的廢氣量(AGR-比率)
在廢氣返回時取決於下列因素:
?額定-NOx-原值(Rohwert)
?炭黑額定值 ?空氣/燃料比下列參數影響SCR-反應:
?NOx-原排放(Rohemiss1n)
?NOx-額定濃度
?SCR-催化劑溫度
例如其結果是，經注入管道12供入的反應物量由廢氣返回的脫硫所需的NH3-量和SCR-反應所需的NH3-量的總和而定。該供入的NH3-量通常由上述量值中的至少4個量值而定。
[0041]隨後，經由布置在分流中的節流設備，即在所示實施例中經由節流設備13，14，15，20，22，23和24，將該量分成分裝置SCR所需的和脫硫所需的分量。
【權利要求】
1.內燃機的廢氣回流的脫硫方法，所述廢氣回流在內燃機的新鮮空氣側(8)供入內燃機(I)中，其中使用氨用於廢氣回流(7」)中的脫硫，並且其中從所述內燃機(I)的廢氣流(2)中分支出至少一個廢氣分流(7，17)，其特徵在於，將至少一種離解出氨的反應物(12)供入從內燃機(I)的廢氣流(2)中分支出的廢氣分流(7)中，並將如此加載的廢氣分流(7』)部分作為廢氣回流(7」)供入新鮮空氣側(8)以及部分作為後處理分流(9)供入廢氣後處理裝置，其中供入新鮮空氣側(8)的廢氣回流量和供入廢氣後處理裝置的後處理分流(9)的量根據至少一個定義所述內燃機(I)的各運行工況的運行參數來給定和/或改變。
2.根據權利要求1的方法，其特徵在於，在用廢氣渦輪增壓器⑷增壓的內燃機⑴的情況中，所述廢氣分流(7)在所述廢氣渦輪增壓器(4)的渦輪機(3)的上遊分支。
3.根據權利要求1或2的方法，其特徵在於，從內燃機⑴的廢氣流(2)中分支出的載有氨的廢氣分流(7』 )被分成廢氣回流(7」)和用於催化還原的第二後處理分流(9)，特別是將所述後處理分流(9)供入通向SCR-催化器(10)的廢氣流(11)中。
4.根據前述權利要求之一的方法，其特徵在於，將在廢氣後處理裝置的至少一個後處理設備(10)的下遊，特別是在SCR-催化器(10)的下遊分支出的另一廢氣分流(16)供入到新鮮空氣側(8)，其中供入新鮮空氣側(8)的廢氣分流(16)的量根據供入新鮮空氣側(8)的廢氣回流量和/或供入廢氣後處理裝置的後處理分流(9)的量來控制和/或調節，和/或根據至少一個定義內燃機(I)的各運行工況的運行參數來給定和/或改變。
5.根據權利要求2-4之一的方法，其特徵在於，將在廢氣渦輪增壓器(4)的渦輪機(3)的上遊分支出的、優選經冷卻的另外的廢氣分流(17)供入新鮮空氣側(8)，其中所述供入新鮮空氣側(8)的另外的廢氣分流(17)的量根據供入新鮮空氣側(8)的廢氣回流量和/或供入廢氣後處理裝置的後處理分流(9)的量來控制和/或調節，和/或根據至少一個定義內燃機(I)的各運行工況的運行參數來給定和/或改變。
6.根據前述權利要求之一的方法，其特徵在於，在至少一種離解出氨的反應物的供入處的下遊布置至少一個催化器(19)用於在由廢氣流分支出的載有氨的廢氣分流(7』)中分解所述反應物，其中用於分解所述離解出氨的反應物的催化器(19)優選含下列化合物或元素(任選以其氧化物形式)中的至少一種作為活性成分: ?鈦， ?矽， ?釩， ?鎢， ?鐵， ?鋁， ?金, ?沸石。
7.根據前述權利要求之一的方法，其特徵在於，所述供入新鮮空氣側(8)的和供入廢氣後處理裝置的流量通過藉助於至少一個節流設備(13，14，15，20，22，23，24)的節流來控制和/或調節。
8.根據權利要求2-7之一的方法，其特徵在於，在廢氣渦輪增壓器(4)的壓縮機(5)的上遊和/或下遊將載有氨的廢氣回流(7」)供入新鮮空氣側(8)和/或在安裝在新鮮空氣側的冷卻器(21)的下遊將載有氨的廢氣回流(7」)供入新鮮空氣側(8)。
9.根據前述權利要求之一的方法，其特徵在於，供入的NH3-量根據給定的運行參數來控制和/或調節，特別是根據至少4個下列提及的運行參數來控制和/或調節: ?燃料的硫含量 ?空氣/燃料比 ?增壓壓力 ?空氣溼度 ?返回的廢氣量(AGR-比率) ?NOx原排放 ?NOx-額定濃度 ?SCR-催化劑溫度。
10.用於廢氣回流脫硫的設備，所述廢氣回流在內燃機的新鮮空氣側供入優選配置有廢氣渦輪增壓器(4)的內燃機(I)中，所述設備特別用於實施根據前述方法權利要求之一的方法，其特徵在於，從內燃機(I)通向廢氣後處理裝置的廢氣管道(2)中分支出第一分支管道(7a)，所述分支管道將第一廢氣分流作為載有氨的廢氣回流(7」)供入內燃機(I)的新鮮空氣側(8)，其中所述第一分支管道(7a)與用於供入至少一種離解出氨的反應物的供料裝置耦合，並提供由第一分支管道(7a)分支出的第二分支管道(9a)，所述第二分支管道將第一廢氣分流的一部分供入廢氣後處理裝置以進行廢氣後處理，其中提供控制設備和/或調節設備，所述控制設備和/或調節設備根據至少一個定義內燃機(I)的各運行工況的運行參數來給定和/或改變供入新鮮空氣側(8)的廢氣回流量和供入廢氣後處理裝置的後處理分流(9)的量。
11.根據權利要求10的設備，其特徵在於，在用廢氣渦輪增壓器(4)增壓的內燃機(I)的情況中，所述第一分支管道(7a)在所述廢氣渦輪增壓器(4)的渦輪機(3)的上遊分支。
12.根據權利要求11的設備，其特徵在於，從通向渦輪機(3)的廢氣管道(2)中分支出第三分支管道(17a)，所述第三分支管道經由熱交換器(18)連接在內燃機(I)的新鮮空氣管道(6)上，其中渦輪增壓器⑷的壓縮機(5)的高壓側和第一分支管道(7a)優選連接在新鮮空氣管道(6)上。
13.根據權利要求10-12之一的設備，其特徵在於，在所述廢氣後處理裝置的至少一個後處理設備(10)的下遊，特別是在SCR-催化器的下遊，從廢氣管道(11)中分支出另一分支管道(16a)並供入新鮮空氣側(8)，特別是接入供入新鮮空氣側(8)的第一分支管道(7a)中。
14.根據權利要求10-13之一的設備，其特徵在於，所述第一廢氣分支管道(7a)在新鮮空氣側(8)上，在廢氣渦輪增壓器(4)的壓縮機(5)的上遊和/或下遊通入新鮮空氣管道(6)中，和/或所述第一廢氣分支管道(7a)在新鮮空氣側(8)上在安裝於新鮮空氣側的冷卻器(21)的下遊通入新鮮空氣管道(6)中。
15.根據權利要求10-14之一的設備，其特徵在於，藉助於控制設備和/或調節設備通過控制至少一個布置在管道側的節流設備(13，14，15，20，22，23，24)來控制和/或調節供入新鮮空氣側(8)的流量和供入廢氣後處理裝置的流量。
【文檔編號】F01N3/22GK104234795SQ201410248404
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年6月6日 優先權日:2013年6月7日
【發明者】德林 A. 申請人:曼卡車和巴士股份公司