废气回流的脱硫方法和设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于内燃机的废气回流的脱硫方法和设备，所述废气回流在内燃机的新鲜空气侧(8)供入内燃机中，其中使用氨用于废气回流(7”)中的脱硫，并且其中从所述内燃机(1)的废气流(2)中分支出至少一个废气分流(7,17)。本发明建议，将至少一种离解出氨的反应物(12)供入从内燃机(1)的废气流(2)中分支出的废气分流(7)中，并将如此加载的废气分流(7’)部分作为废气回流(7”)供入新鲜空气侧(8)以及部分作为后处理分流(9)供入废气后处理装置。供入新鲜空气侧(8)的废气回流量和供入废气后处理装置的后处理分流(9)的量，借助于控制设备和/或调节设备根据至少一个定义内燃机(1)的各运行工况的运行参数来给定和/或改变。
【专利说明】废气回流的脱硫方法和设备发明领域
[0001]本发明涉及根据权利要求1的前序部分，在内燃机情况下用于废气回流的脱硫方法以及根据权利要求11的前序部分用于实施该方法的设备。
【背景技术】
[0002]在内燃机情况下，废气回流用于降低NOx-排放，其中问题在于，在使用硫含量高的燃料时形成二氧化硫和在冷却的废气返回中形成硫酸和/或亚硫酸，这导致发动机部件如增压空气管、进气阀、气缸套等的强烈腐蚀。
[0003]从技术而言，通常通过加入CaOH或CaO和继而形成硫酸钙而使废气脱硫(DE000003603365 C2)。但其难以在AGR-管中使用，因为CaOXaOH和形成的CaSO4是相对强磨损性的，其导致气缸套上的强磨损。
[0004]也可借助于NH3形成硫酸铵而脱硫(DE 3636554 Al)，但由于所用NH3的高成本和复杂的过程控制而未得以实现:
2NH3+S03 + H20— (NH4)2SO4
NH3+ SO3 +H2O — (NH4) HSO4
因此在使用时，必需将废气温度降到300°C以下，有利地降到100°C以下的温度，因为高于该温度硫酸铵或硫酸氢铵将再次分解，或甚至完全不形成硫酸铵或硫酸氢铵。
[0005]另一方面，通过选择性催化还原(简称为SCR-法)，可借助于NH3以催化减少内燃机下游的氮氧化物。在汽车中大多使用尿素代替NH3，尿素在热的废气中释出NH3。通过使用所谓的水解催化剂，例如DE 4038054中所述的，可改善这种分解。
[0006]此外，由EP 1052009已知一种在分流中实施尿素分解的方法。
[0007]原则上，在废气返回输送装置中存在使废气回流富集NH3的可能性，以在所谓的“选择性非催化还原”(SNCR)中按下列方程降低氧化氮排放:
2NH3 + 2N0 + O2 — 2N2 + 3H20
由于该反应不良的选择性，与达95 %以上的NOx-转化率的催化SCR-法相反，其转化率仅可为15-25 %。
[0008]由DE 10357402 Al已知一种用于运行内燃机的方法，该内燃机具有带产氨-催化剂的废气净化装置。借助于产氨-催化剂，在由内燃机通向废气涡轮增压器的废气流中产生氨。在该废气涡轮增压器的涡轮机前从该富集氨的废气流中分支出废气分流，将该废气分流作为废气回流供入到该内燃机的新鲜空气侧。借助提供的节流阀可调节该废气回流，但未向该废气回流中针对性地供氨，因此，没有提供适配于为该返回的废气流的最佳脱硫所需的NH3-量。这导致在该废气返回中的NH3-浓度相应于SCR-催化剂前的NH3-浓度。此夕卜，在硫含量高的燃料的情况中存在另一问题:在废气流可供入该新鲜空气中前，必需冷却该废气流，因为否则可导致增高的NOx-排放、较低的输出功率和在最不利的情况下导致发动机受损。但在未超过约300°C和存在氨时，在为此所需的冷却器上发生硫酸铵或硫酸氢铵的析出，这又导致该冷却器的堵塞。
[0009]由WO 2012/096123 Al已知一种用NH3运行的内燃机，在该内燃机中，在涡轮增压器的涡轮机的下游由废气流中分支出废气回流至该涡轮增压器的压缩机的新鲜空气侧。在此，向废气回流中注入氨的水溶液。其用于两方面:一方面由此冷却返回的废气，另一方面氨在燃烧室中以已述及的“选择性非催化还原”(SNCR)与那里形成的氮氧化物反应形成氮。由于这两个功能，既通过NH3冷却废气和减少氮氧化物的结合，不可能相互无关地改变部分不同的要求，更不用说实现附加的独立的功能，如通过形成铵盐而脱硫。
[0010]这两种方法的共同之处是，它们不使用氨前体物质如尿素、甲酸胍、氰尿酸或甲酸铵。其原因在于这些化合物或由其形成的产物如异氰酸和蚁酸的高腐蚀性。
[0011]此外，由JP 2009-85011 A已知一种方法，在该方法中根据在入口侧测量的pH-值，在需要时产生NH3和供入新鲜空气侧，以调节该pH-值。
【发明内容】
[0012]本发明的目的在于提供一种在内燃机情况下用于废气后处理的方法，用此方法可尽可能低成本地实现有针对性的脱硫。
[0013]本发明的目的借助权利要求1的特征得以实现。本发明的特别有利的扩展方案公开在与其相关的从属权利要求中。
[0014]根据专利权利要求1的特征部分，向内燃机的废气流分支出的废气分流中加入至少一种离解出氨的反应物，经如此加载的废气分流，其部分作为废气回流供入新鲜空气侧和部分作为后处理分流供入废气后处理装置，其中供入新鲜空气侧的废气回流的量和供入废气后处理装置的后处理分流的量根据至少一个定义内燃机各自的运行工况的运行参数来给定和/或改变。通过将氨供入分支出的废气分流中可用较少的氨供给及由此相应以低成本实施废气回流的脱硫。如上所述,其通过形成硫酸铵实现:
2NH3+S03 + H20— (NH4)2SO4
与现有技术相反，供入废气返回或新鲜空气侧的NH3-量可通过改变供入废气返回或新鲜空气侧的加载有NH3的废气分流量和供入该废气后处理装置的加载有NH3的废气分流量以适配脱硫所需的要求。因为废气中的硫氧化物的浓度通常低于氮氧化物的浓度，这意味着将进入燃烧室前的NH3-浓度调整为低于NOx-浓度，但大于等于SOx-浓度。
[0015]与现有技术相比，该方法的另一优点在于，不仅可使用氨，而且还可使用其前体物质如尿素、甲酸胍(GUFO)、氰尿酸或甲酸铵，因为由于在涡轮增压器上游主要呈高温水平，所以有利于NH3的释出。此外，其可以通过在离解出氨的反应物的供入点的下游使用化剂来加以改进。在尿素、氰尿酸或甲酸铵的情况中下，采用含氧化钛和/或含氧化硅和/或含氧化铁和/或含氧化钨和/或含氧化铝和/或含氧化钒和/或含沸石的催化剂，在GUFO情况下采用含金的催化剂。
[0016]废气分流原则上可在废气涡轮增压器的涡轮机的下游分支出。但特别优选的实施方案是，在用废气涡轮增压器增压的内燃机情况下，废气分流在废气涡轮增压器的涡轮机的上游分支出。在涡轮增压器的高压侧取出可实现简单的整体构造，因为由于压差通常可弃用含NH3的废气流的输送设备。
[0017]将含氨分流供入废气回流或新鲜空气中适宜在废气冷却器的下游进行，或在增压式内燃机的情况下，在增压空气冷却器的下游进行。与现有技术对比，由此可避免被硫酸铵堵塞冷却器。
[0018]该第一废气分流优选分成废气回流和用于催化还原的第二废气分流，其中该第二废气分流供入通向SCR-催化剂的废气流中。以此方式，该供入分支出的第一废气分流中的氨也可按比例用于在SCR-催化剂中的选择性催化还原。
[0019]该废气返回装置也可如此运行，即将在SCR-催化剂下游分支出的另一废气分流供入该内燃机的新鲜空气侧。通过不同的分支出的废气分流的节流可实施有针对性的废气返回，以此确保废气回流的脱硫。
[0020]将负载有氨的分流供入新鲜空气侧或废气返回中优选在一个或多个新鲜空气侧的冷却器或废气返回侧的冷却器的下游进行。如果没有单独的冷却器且在功能上与增压空气冷却器组合，即增压空气和废气返回在增压空气冷却器的上游一起供入，则该含氨分流又在该冷却器的下游供入。
[0021]可将在废气涡轮增压器的涡轮机的上游分支出的第三废气分流供入该内燃机的新鲜空气侧。该第三废气分流优选借助于热交换器冷却到合适的废气温度。
[0022]该废气分流和/或供入SCR-催化剂的第二废气分流的节流优选根据整个系统的运行参数来进行。由此不仅对所需的脱硫而且还对所实施的选择性催化还原均达到最佳运行条件。如果供入的NH3-量依据该整个系统的运行参数来调节，则是特别有利的。
[0023]此外，本发明的目的还在于提供一种用于内燃机中的废气回流的脱硫的设备，用该设备特别可实施本发明的方法。
[0024]通过权利要求11中给出的特征得到了与设备有关的所述目的的解决方案。本发明设备的特别有利的扩展方案公开在与此相关的从属权利要求中。
[0025]根据权利要求11的特征部分提供，由从内燃机通向废气后处理装置的废气管道上分支出第一分支管道，该分支管道将第一废气分流作为载有氨的废气回流供入该内燃机的新鲜空气侧或废气返回，其中该第一分支管道与供入至少一种离解出氨的反应物的供料设备耦合。此外，提供从该第一分支管道分支出的第二分支管道，该第二分支管道将一部分用于废气后处理的第一废气分流返回废气后处理装置，其中提供有控制设备和/或调节设备，该设备依据至少一个定义该内燃机的各运行工况的运行参数来给定和/或改变供入新鲜空气侧的废气回流量和供入废气后处理装置的后处理分流的量。因此，还原剂分解在此可优选平行于其中存在高的氨浓度的废气涡轮增压器进行。这里存在的高压力水平使得通常不需附加的输送设备。
[0026]如果从通向涡轮机的废气管道中分支出第三分支管道也是有利的，该第三分支管道经热交换器连接在内燃机的新鲜空气管道上。由此可将附加的其温度经降低的废气回流供入该内燃机的新鲜空气侧。该涡轮增压器的压缩机的高压侧和第一分支管道可连接在新鲜空气管道上。
[0027]为了能够实现根据运行参数的气流的最佳控制，优选在从第一分支管道分支出第二分支管道之前和之后，在该第一分支管道上布置可控的节流设备。
[0028]在此，表述新鲜空气侧在表述上有宽的意义，并且当然不仅应包括将废气回流供入新鲜空气流，还当然应包括在该新鲜空气侧供入一种或多种流入的物质流或回流的物质流的供给可能性，特别是还表示供入到废气返回设备的废气返回流中。
[0029]下面借助附图所示的实施例详述本发明。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1示出具有废气返回装置的内燃机，在该废气返回装置中，含NH3废气流在压缩机的吸入侧供入，
图2示出具有废气返回装置的内燃机，在该废气返回装置中，含NH3废气流在内燃机的压缩机下游的新鲜空气侧供入，
图3示出具有废气返回装置的内燃机，在该废气返回装置中，含NH3废气流在压缩机的压力侧供入。
[0031]图1的示意图示出内燃机1，其废气流经废气管道2供入涡轮增压器4的涡轮机3中。该涡轮机3驱动该涡轮增压器4的压缩机5，经由该压缩机，空气通过新鲜空气管道6供入内燃机I中。
[0032]从废气管道2经第一分支管道7a分支出第一废气分流7，其部分作为载有氨的废气回流7”以将描述的方式在压缩机5的吸入侧8a处混入吸进的空气中。从第一分支管道7a分支出第二分支管道9a，经第二分支管道将第二废气分流9供入通向SCR-催化器10的废气管道11中。经废气管道11将内燃机I的废气主流供入SCR-催化器10中。
[0033]经注入管道12将NH3以适于废气回流7”的脱硫的量供入第一废气分流7中。此夕卜，借助于节流设备13-15根据整个系统的运行参数控制或调节该分支出的分流。由此，在所示的实施例中，使节流设备14和15形成为借助于控制设备和/或调节设备(未示出)可调节的和/或可控制的节流设备。供入的NH3-量和在不同分支管道中的分流的节流可根据燃料的硫含量、空气/燃料比和在内燃机I的新鲜空气侧8处供入的废气量来控制。整个系统的其它参数也可一同并入控制中，以获得返回到内燃机I的废气回流的最佳脱硫，对此在下面还将详述和描绘。
[0034]在图1中还示出另一分支管道16a，经该管道在SCR-催化器10的下游，在内燃机I的新鲜空气侧8上实现废气分流的另一返回，而且优选经与控制设备和/调节设备耦合的节流设备24来控制和/或节流。
[0035]图3示出与图1相类似的结构。但其差别在于，在此，载有氨的分流V在增压空气冷却器21的下游才供入新鲜空气侧8中，该冷却器在压缩机5的下游接入新鲜空气管道6中。由此意在避免增压空气冷却器21被硫酸铵堵塞。
[0036]在图2中示出的实施方案中，内燃机I连接在驱动涡轮增压器4的涡轮机3的废气管道2上。涡轮增压器4的压缩机5抽吸空气，并经新鲜空气管道6将空气输送到内燃机I的新鲜空气侧。
[0037]从废气管道2分支出第三分支管道17a，经该管道在新鲜空气侧将第三废气分流17供入新鲜空气管道6中。借助于热交换器18将该第三废气分流17冷却到合适的过程温度。载有氨的废气回流7”与废气返回或新鲜空气管道6在热交换器18的下游处合并，以避免该冷却器或热交换器18被硫酸铵堵塞。
[0038]从废气管道2经第一分支管道7a分支出的第一废气分流7经该分支管道到达内燃机I的新鲜空气侧8。第一废气分流7的其余部分作为载有氨的废气分流7’经第二分支管道9到达废气后处理装置，该装置在这里示例性包括SCR-催化器10。此外，在第一分支管道7a中可使用催化器19来分解释出氨的反应物，以有助于MH3的释出并避免不希望的腐蚀性反应产物的形成。
[0039]为调节在废气返回中所含的NH3的比例，可借助于前面已提及的或单独的控制设备和/或调节设备来控制或调节NH3的供入。
[0040]此外，优选提供可控的节流设备或可调的节流设备20，22和23，以控制或调节在不同气体管道中的流体通过量。由此可相互独立运行或调节或控制由废气返回、脱硫和SCR-催化剂所组成的整个系统的各部件。原则上，下面的适用于此:
供入废气返回或新鲜空气侧的NH3-量和/或供入废气返回或新鲜空气侧的分流量取决于下列因素，并用相应的控制部件改变:
?燃料的硫含量 ?空气/燃料比 ?增压压力 ?空气湿度
?返回的废气量(AGR-比率)
在废气返回时取决于下列因素:
?额定-NOx-原值(Rohwert)
?炭黑额定值 ?空气/燃料比下列参数影响SCR-反应:
?NOx-原排放(Rohemiss1n)
?NOx-额定浓度
?SCR-催化剂温度
例如其结果是，经注入管道12供入的反应物量由废气返回的脱硫所需的NH3-量和SCR-反应所需的NH3-量的总和而定。该供入的NH3-量通常由上述量值中的至少4个量值而定。
[0041]随后，经由布置在分流中的节流设备，即在所示实施例中经由节流设备13，14，15，20，22，23和24，将该量分成分装置SCR所需的和脱硫所需的分量。
【权利要求】
1.内燃机的废气回流的脱硫方法，所述废气回流在内燃机的新鲜空气侧(8)供入内燃机(I)中，其中使用氨用于废气回流(7”)中的脱硫，并且其中从所述内燃机(I)的废气流(2)中分支出至少一个废气分流(7，17)，其特征在于，将至少一种离解出氨的反应物(12)供入从内燃机(I)的废气流(2)中分支出的废气分流(7)中，并将如此加载的废气分流(7’)部分作为废气回流(7”)供入新鲜空气侧(8)以及部分作为后处理分流(9)供入废气后处理装置，其中供入新鲜空气侧(8)的废气回流量和供入废气后处理装置的后处理分流(9)的量根据至少一个定义所述内燃机(I)的各运行工况的运行参数来给定和/或改变。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，在用废气涡轮增压器⑷增压的内燃机⑴的情况中，所述废气分流(7)在所述废气涡轮增压器(4)的涡轮机(3)的上游分支。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，从内燃机⑴的废气流(2)中分支出的载有氨的废气分流(7’ )被分成废气回流(7”)和用于催化还原的第二后处理分流(9)，特别是将所述后处理分流(9)供入通向SCR-催化器(10)的废气流(11)中。
4.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，将在废气后处理装置的至少一个后处理设备(10)的下游，特别是在SCR-催化器(10)的下游分支出的另一废气分流(16)供入到新鲜空气侧(8)，其中供入新鲜空气侧(8)的废气分流(16)的量根据供入新鲜空气侧(8)的废气回流量和/或供入废气后处理装置的后处理分流(9)的量来控制和/或调节，和/或根据至少一个定义内燃机(I)的各运行工况的运行参数来给定和/或改变。
5.根据权利要求2-4之一的方法，其特征在于，将在废气涡轮增压器(4)的涡轮机(3)的上游分支出的、优选经冷却的另外的废气分流(17)供入新鲜空气侧(8)，其中所述供入新鲜空气侧(8)的另外的废气分流(17)的量根据供入新鲜空气侧(8)的废气回流量和/或供入废气后处理装置的后处理分流(9)的量来控制和/或调节，和/或根据至少一个定义内燃机(I)的各运行工况的运行参数来给定和/或改变。
6.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，在至少一种离解出氨的反应物的供入处的下游布置至少一个催化器(19)用于在由废气流分支出的载有氨的废气分流(7’)中分解所述反应物，其中用于分解所述离解出氨的反应物的催化器(19)优选含下列化合物或元素(任选以其氧化物形式)中的至少一种作为活性成分: ?钛， ?硅， ?钒， ?钨， ?铁， ?铝， ?金, ?沸石。
7.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，所述供入新鲜空气侧(8)的和供入废气后处理装置的流量通过借助于至少一个节流设备(13，14，15，20，22，23，24)的节流来控制和/或调节。
8.根据权利要求2-7之一的方法，其特征在于，在废气涡轮增压器(4)的压缩机(5)的上游和/或下游将载有氨的废气回流(7”)供入新鲜空气侧(8)和/或在安装在新鲜空气侧的冷却器(21)的下游将载有氨的废气回流(7”)供入新鲜空气侧(8)。
9.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，供入的NH3-量根据给定的运行参数来控制和/或调节，特别是根据至少4个下列提及的运行参数来控制和/或调节: ?燃料的硫含量 ?空气/燃料比 ?增压压力 ?空气湿度 ?返回的废气量(AGR-比率) ?NOx原排放 ?NOx-额定浓度 ?SCR-催化剂温度。
10.用于废气回流脱硫的设备，所述废气回流在内燃机的新鲜空气侧供入优选配置有废气涡轮增压器(4)的内燃机(I)中，所述设备特别用于实施根据前述方法权利要求之一的方法，其特征在于，从内燃机(I)通向废气后处理装置的废气管道(2)中分支出第一分支管道(7a)，所述分支管道将第一废气分流作为载有氨的废气回流(7”)供入内燃机(I)的新鲜空气侧(8)，其中所述第一分支管道(7a)与用于供入至少一种离解出氨的反应物的供料装置耦合，并提供由第一分支管道(7a)分支出的第二分支管道(9a)，所述第二分支管道将第一废气分流的一部分供入废气后处理装置以进行废气后处理，其中提供控制设备和/或调节设备，所述控制设备和/或调节设备根据至少一个定义内燃机(I)的各运行工况的运行参数来给定和/或改变供入新鲜空气侧(8)的废气回流量和供入废气后处理装置的后处理分流(9)的量。
11.根据权利要求10的设备，其特征在于，在用废气涡轮增压器(4)增压的内燃机(I)的情况中，所述第一分支管道(7a)在所述废气涡轮增压器(4)的涡轮机(3)的上游分支。
12.根据权利要求11的设备，其特征在于，从通向涡轮机(3)的废气管道(2)中分支出第三分支管道(17a)，所述第三分支管道经由热交换器(18)连接在内燃机(I)的新鲜空气管道(6)上，其中涡轮增压器⑷的压缩机(5)的高压侧和第一分支管道(7a)优选连接在新鲜空气管道(6)上。
13.根据权利要求10-12之一的设备，其特征在于，在所述废气后处理装置的至少一个后处理设备(10)的下游，特别是在SCR-催化器的下游，从废气管道(11)中分支出另一分支管道(16a)并供入新鲜空气侧(8)，特别是接入供入新鲜空气侧(8)的第一分支管道(7a)中。
14.根据权利要求10-13之一的设备，其特征在于，所述第一废气分支管道(7a)在新鲜空气侧(8)上，在废气涡轮增压器(4)的压缩机(5)的上游和/或下游通入新鲜空气管道(6)中，和/或所述第一废气分支管道(7a)在新鲜空气侧(8)上在安装于新鲜空气侧的冷却器(21)的下游通入新鲜空气管道(6)中。
15.根据权利要求10-14之一的设备，其特征在于，借助于控制设备和/或调节设备通过控制至少一个布置在管道侧的节流设备(13，14，15，20，22，23，24)来控制和/或调节供入新鲜空气侧(8)的流量和供入废气后处理装置的流量。
【文档编号】F01N3/22GK104234795SQ201410248404
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年6月6日 优先权日:2013年6月7日
【发明者】德林 A. 申请人:曼卡车和巴士股份公司