Stickoxidminderung

 

Einführung

Stickoxide oder Stickstoff-Sauerstoffverbindungen, insbesondere NO und NO2 können nicht durch einfache Oxidation in unschädliche Stoffe umgewandelt werden, sondern nur durch Abgabe des Sauerstoffs – also durch Reduktion – wieder in den gewünschten elementaren Stickstoff rückversetzt werden.

Abgase von Motoren, die nach dem dieselmotorischen Prinzip arbeiten, haben systembedingt immer einen hohen Sauerstoffüberschuss, wodurch das Prinzip des Dreiwegekatalysators zur Reduktion der Stickoxide unter Sauerstoffmangel bei Dieselmotoren keine Anwendung findet.

Begrenzte Wirkung und damit auch Anwendung findet bei Dieselmotoren jedoch ein ähnliches Prinzip, der NOx-Speicher-Kat. Hier werden Stickoxide in einem speziellen Katalysator zwischengespeichert und in kurzen Abständen durch kurzzeitige Fettphasen verringert. Wirkung und Dauerhaltbarkeit sind jedoch begrenzt, der Kraftstoffmehrverbrauch ist nicht unerheblich. Exomission bietet daher keine NOx-Speicherkat-Systeme an.

 

SCR-Verfahren

Selektive Katalytische Reduktion - SCR

Seit Jahrzehnten in der industriellen Anwendung und seit einigen Jahren auch in der mobilen Anwendung erfolgreich ist die Stickoxidminderung durch die selektive katalytische Reduktion (SCR).

Das SCR-System lässt sich grob in die SCR-Katalysatoren und das Dosiersystem inkl. der Sensorik unterteilen. Ausführliche Informationen über SCR-Katalysatoren finden Sie [hier].

Die SCR-Technologie bringt Ammoniak in Form des Trägermittels  (AdBlue®) in den Abgasstrang vor einem SCR-Katalysator ein, mit dessen Hilfe Stickoxide selektiv zu elementarem Stickstoff mit Konvertierungsraten von bis zu 90% und höher reduziert werden können.

Das Verfahren funktioniert mit einer Harnstoff-Wasser-Lösung (AdBlue®), die in einer Vorstufe Ammoniak in einer ungiftigen und platzsparenden Form speichert. Die SCR-Technologie ist bereits in verschiedenen Anwendungsbereichen seit Jahrzehnten im Einsatz. Das Ammoniak reagiert im Katalysator mit den Stickoxiden zu den unschädlichen Produkten Wasser und elementarem Stickstoff.

Nach der Eindüsung des Harnstoffs in den Abgasstrang muss für die SCR-Reaktion zunächst NH3 gebildet werden. Die Aufbereitung unterteilt sich in die folgenden beiden Reaktionsschritte:

 

Thermolyse     (NH2)2C­­­­O  → NH3 + HNCO

 

Hydrolyse         HNCO + H2O → NH3 + CO2



In der ersten Reaktion, der Thermolyse, wird durch den Einfluss der Temperatur Harnstoff in Ammoniak NH3 und Isocyansäure (HNCO) umgewandelt. Im zweiten Schritt folgt unter Anwesenheit von Wasser die Hydrolyse, in der die Isocyansäure ebenfalls in Ammoniak unter Bildung von Kohlendioxid (CO2) gebildet wird. Die letzte Reaktion läuft vor allem bei geringen Temperaturen von unter 250°C ohne Katalysator nur langsam ab, weshalb dem SCR-Katalysator für Niedertemperaturanwendungen entweder ein Hydrolysekatalysator vorgeschaltet oder dieser in den SCR-Katalysator integriert wird.

Nach der Umwandlung von Harnstoff zu NH3 lagert sich dieses an den aktiven Zentren des SCR-Katalysators ab. Anschließend kommt es durch die folgenden maßgebenden chemischen Reaktionen zur Reduktion von NOx durch NH3:

 

Standard-SCR    4NO + 4NH3 + O2   4N2 + 6H2O

 

Schnelle-SCR     NO + NO2 +2NH3→ 2N2 + 3H2O

 

Der Ablauf der Reaktionen ist unter anderem vom NO2/NOx-Verhältnis abhängig. Da im Rohabgas überwiegend  NO3 vorliegt, ist die Standard-SCR-Reaktion nach die dominante. Die schnelle SCR-Reaktion ist die entscheidende Reaktionsgleichung bei niedrigen Temperaturen unter 300°C. Somit ist diese Reaktion hinsichtlich einer guten Umsatzrate über dem sonst schwer zu beherrschenden Niedertemperaturbereich zu begünstigen. Dies kann durch einen vorgeschalteten Dieseloxidationskatalysator bewerkstelligt werden.

 

SCR-Systeme

Einführung

Unsere Systeme zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden sind für alle motorischen Anwendungsbereiche, bei denen der Kraftstoff mit Luftüberschuss verbrannt wird, einsetzbar. Zu den Hardwarekomponenten der AdBlue®-Dosiersysteme gehören das Dosiermodul mit integriertem Steuergerät, der Injektor bzw. die Einspritzdüse, die AdBlue®-Leitungen sowie die NOx- und Temperatursensoren. Im Gegensatz zu anderen auf dem Markt erhältlichen Auslegungen basieren die beiden von uns angebotenen Systeme auf einer sensorbasierten Regelungsstrategie mit geschlossenem Regelkreis (closed loop control). Der Vorteil dieser Regelung mit zwei NOx-Sensoren liegt in einem ständigen Abgleich von Ist- zu Sollwert. Dadurch agiert die Regelung unmittelbar, wodurch ein bestmöglicher Stickoxidumsatz in jedem Betriebspunkt erzielt wird.

Die Grundlagen der Regelungssoftware bilden zwei NOx-Sensoren sowie, je nach Anforderung, ein oder zwei Temperatursensoren. Zur Ermittlung des Abgasmassenstroms können - je nach Anwendungsfall - unterschiedliche Strategien gewählt werden. So besteht etwa die Möglichkeit, den Luftmassenstrom über einen separaten Luftmassensensor zu erfassen.  Ist dies nicht realisierbar, kann der Luftmassenstrom aus den Daten motoreigener oder separater Sensoren berechnet werden. Vereinfacht beschrieben, werden diese Eingangsgrößen im Steuergerät mit dem SCR-Speichermodell und der alpha-Steuerung verrechnet, um die optimale Menge an benötigten AdBlue® bereitzustellen.

Diese von uns angebotenen Systemvarianten werden bereits seit Jahren eingesetzt und haben sich bei vielfältigen Anwendungen bewährt. Beide Systeme verfügen über ein  Anzeigemodul, das Daten wie etwa niedrigen Tankvorrat oder Fehlfunktionen dem Betreiber unmittelbar anzeigt. Zudem verfügen die Systeme über eine Diagnoseschnittstelle, über die unsere Servicetechniker alle relevanten Daten auslesen können.

Im Folgenden werden die beiden von uns angebotenen SCR-Systeme kurz erläutert.

 

Luftunterstützes System (Air Assisted System)

Dieses System arbeitet mit einer vollständig aus Edelstahl bestehenden Düse. Zum Betrieb der Anlage wird ein separater Druckluftanschluss benötigt, ihr Einsatzgebiet sind primär stationäre Anlagen - aber auch Mobile Maschinen, bei denen „on Board“ Druckluft vorhanden ist. Durch die Druckluftunterstützung wird innerhalb der Dosiereinheit ein sehr feines Spray erzeugt. Infolge des vollständigen Wegfalls der elektronischen Steuerungskomponenten muss die Düse nicht separat gekühlt werden, wodurch dieses System besonders für sehr hohe Temperaturen geeignet ist.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Luftloses System (Airless System)

Dieses System wird vorwiegend für mobile Anwendungen genutzt, da es ohne zusätzliche Luftzufuhr betrieben wird. Der genutzte Injektor wird mittels eines pulsweitenmodulierten Signals angesteuert, um die bedarfsgerechte Menge an AdBlue® einzudüsen. Der Injektor entspricht einer Weiterentwicklung einer Ottomotor-Einspritzdüse und wurde hinsichtlich AdBlue®-Verträglichkeit modifiziert. Je nach Ort der Anordnung des Injektors im Abgasstrang muss dieser zusätzlich gekühlt werden. Dies kann über den motorseitigen oder über einen separaten Kühlkreislauf bewerkstelligt werden.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ammoniak-Schlupfkatalysatoren

Der entscheidende Parameter im SCR-Prozess ist die dosierte AdBlue®-Menge und die daraus gebildete NH3-Konzentration. Wird mehr Reduktionsmittel bereitgestellt als es bei der Reduktion der NOx-Emissionen umgesetzt wird, kommt es zum sogenannten NH3-Schlupf. Diese Bezeichnung bezieht sich auf die NH3-Konzentration im Abgas, die stromabwärts im SCR-Katalysator vorhanden ist. Da gasförmiges NH3 eine sehr niedrige Geruchsschwelle von 15 ppm  aufweist, kommt es bereits bei geringem Ammoniakschlupf zu einer Geruchsbelästigung. Darüber hinaus ist NH3 giftig und führt bei höheren Konzentrationen zu Verätzungen von Augen, Atemwegen sowie der Haut.

Daher gilt es, den Ausstoß von Ammoniak aus dem Abgasnachbehandlungssytem unbedingt zu vermeiden. Trotz sorgfältigster Applikation des SCR-Systems empfehlen wir daher _ gerade bei hohen geforderten NOx-Konvertierungsraten – den Einsatz eines Ammoniak-Sperrkatalysators.

Mehr Informationen finden Sie hier.


 

                           

 

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