CN1934348A - 带有催化转化器的燃烧废气再生器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带有排气催化转化器(KAT)的燃烧废气再生器(VG)，其中利用热进行工作的催化转化器(KAT)与耐高温的扩散隔膜(MEM)邻接，该扩散隔膜在另一侧与再生气体收集器(RS)邻接，该再生气体收集器保持在比当时存在的催化转化器内压(pk)更低的压力(pr)下，对于这样积累的再生气体(RG)，作为附加的燃料将其输送到设置在再生器(1)之前的燃烧装置(COMB)，和/或以其他方式利用其化学能。

Description

带有催化转化器的燃烧废气再生器
本发明涉及一种带有废气催化转化器的燃烧气体再生器。
专利文献DE 34 13 419 A1公开了在内燃机的废气返回管道中设置一个加热裂化催化转化器，以便将该催化转化器产生的再生气体附加地输送到进气道中。
另外，专利文献DE 100 19 007 A1公开了一种用于将含水的燃料催化重整为氢气，其中氢气是借助催化转化器形成并且产生的氢气通过隔膜与其他气体隔开。在这里，内燃机的废气用于加热重整催化转化器，氢气在进口侧附加地输送到该内燃机。
再者，已经公开了，利用空气和烃燃料工作的燃烧设备特别是内燃机的燃烧废气通过催化转化器装置，在该装置中，逐步地通过催化再燃烧把未燃烧的烃燃料和燃烧中间产物如Nox，转变成如CO2、H2O蒸汽和N2的无害的废气终产物。一般地在正常工作时，由于再燃烧在催化转化器中会出现大约1000℃的温度，并且由于在相连的消声器中的背压，一般在其外壳内具有几个bar的压力。常规的催化转化器由紧挨的大面积的薄板支撑结构构成，该结构涂有薄层铂族金属或者金属混合物作为活性的催化剂原料。根据化学计算称出的空气和燃料供给的成分，由一调节装置进行控制，废气探测仪的测量值作为实际值输入到该调节装置，该废气探测仪测量Nox的含量。燃烧气体含有的热能和化学能以热的形式无用地释放在催化转化器中。
另外，已经公开了分出一部分热的燃烧气体并混入燃烧空气，因此，有利地在下面的燃烧过程中利用燃烧气体中含有的一部分能量。然而由于仍然很热的燃烧气体而升高的进气温度导致内燃机的增压量小，由此导致最大功率的降低，并且在很多情况下提高了Nox的形成。Nox形成的提高本身带来了不受欢迎的从燃烧室到催化转化器的能量转移。
本发明的任务是，简化开头描述的装置并使热的燃烧气体含有的能量可以被更好地利用。
该任务的解决办法在于，利用热进行工作的催化转化器与耐高温的扩散隔膜邻接，该扩散隔膜在另一侧与再生气体收集器邻接，该再生气体收集器保持在比当时存在的催化转化器内压更低的压力下，对于这样积累的再生气体，作为附加的燃料将其输送到设置在再生器之前的燃烧装置，和/或以其他方式利用其化学能。
有利的设计方案在从属权利要求中得到说明。
经证明，多微孔的、开孔的氧化铝可作为价廉的扩散隔膜，该氧化铝来可以用氧化锆来加强作用，其中孔径为0.5-2μm经证实有利于从催化转化器室排出可燃烧的再生气体，特别是氢气。已证明，由碱土硅酸盐和/或碱土铝酸盐例如钙铝氧化硅组成的耐热的多微孔的隔膜也是有利的。
已表明，再生气体是以较低的温度从隔膜逸出并且在隔膜内会产生幅度为1000℃或更大的温度下降。
优选地，试车时使用在商业上通用的汽车催化转化器。该催化转化器在一侧上用隔膜密封。在催化转化器体内的横向通道使再生气体更容易从侧向选出。
为了使通过隔膜的压降尽可能大，在催化转化器室的逸出侧设置产生高的背压的碰撞板(Prallblech)。
为了在运行休息之后更快地起动催化转化器进程，有用的是如公知用于柴油机的电热塞，以及可能是电点火的火焰预热塞，它们插入催化转化器外壳并且深入到催化转化器室内。只要催化转化器的温度达到大约900℃最低工作温度，关闭辅助加热器。然后，位于燃烧气体中的NOX部分和烃的碳部分的催化燃烧，使工作温度直线上升，该工作温度可升高到1300℃。
有利的是把再生气体用作燃料，而且将其输送到处于低压的燃烧装置进气道内。通过这种方式，还会提高通过隔膜的压降，这还促进再生气体的扩散。
因此，燃烧气体含有的部分能量以再生气体的化学能的形式从催化转化器中重新获得，并且得到利用。因为再生气体主要是由冷的氢气组成，所以在燃烧装置是内燃机时不减小增压(Aufladung)；此外还由于其良好的可点燃性和高的燃烧性能而促进燃烧过程。
内燃机可以在不改动的情况下借助设置在前的增压压缩机和连接在催化转化器上的消声器进行工作。还可进行公知的在进气管内的水雾或水蒸汽喷射，该喷射用于缓和燃烧。有利的是，燃烧气体中由此而增加的水蒸汽部分在催化转化器内有利地进行裂化，从而产生附加的再生气体。可选的是，以不超过1000℃的工作温度的程度把水雾或水蒸汽喷射到催化转化器室内。由隔热材料组成的外罩减少了反应热的损失。
在本发明的一种有利的实施方式中，扩散隔膜由多个圆形的单个隔膜组成，这些单个隔膜分别镶在金属衬套内并且与该衬套一起保持密封地被压在支撑板内。该支撑板优选是由多个不锈钢板组成，这些钢板分别在插入云母密封件的情况下相互堆叠并且全部在再生气体收集器和催化转化器壁之间在插入密封件的情况下保持旋紧在法兰上。
图1至5表示本发明有利的设计方案。
图1显示再生器的方块图；
图2显示带有隔膜的断面图；
图3显示改进的催化转化器；
图4显示单个隔膜布置的俯视图；
图5显示隔膜结构的侧视图。
图1的方块图示意地显示再生器1在内燃机COMB等的催化转化器KAT中的布置，该内燃机热的燃烧废气VG被输送到催化转化器室内。经过催化处理之后，有害物质含量少的废气AG通过消声器SD离开催化转化器室，该废气在出口侧的碰撞板P1上挡住，因此在工作时，在催化转化器室内存在一内压pk。
催化转化器外壳的一部分被去除并且用由多微孔的陶瓷材料组成的隔膜MEM代替。在背向催化转化器的一侧形成一个作为再生收集器的腔室，再生气体RG从该腔室中被抽出。
优选的是，再生气体RG被输送到内燃机COMB的进气管AS内，若有可能，燃烧空气L通过增压装置LD输入到该进气管内。烃燃料BS，例如汽油、柴油机燃料或丙烷气体，通过已知的方式用喷射器I引入到燃烧室内，其中调节装置RV依赖于λ-测量探测仪信号S和相应要求的发动机功率确定相应供给的最优燃料空气氧气混合物的量，以便进行有害物质含量少的燃烧，包括催化再燃烧。
催化转化器在外部用隔热材料WD覆盖，以保持热损失小。在催化转化器薄板块中设有用于导向隔膜侧的横向钻孔Q。
在催化转化器室内插入用于预热的电热塞GK和/或要另外供给燃料BS的火焰预热塞FK。这些预热塞GK，FK，与一电压U接通以便加热，燃料BS在起动阶段时是通过阀BV控制而进行供给。在实施例中，催化转化器室在流入侧也配有碰撞板P2，该碰撞板特别是在开始加热时抑制压力和反应热。
再生气体RG通过连接到进气管AS处于一低压，即再生气体压力pr，以便再生气体通过从高压pk到低压pr的压降透过隔膜MEM而进行扩散。冷的再生气体RG和由此而冷却的隔膜MEM也对隔膜的镶框和整个再生气体收集器RS进行冷却。优选的是，电热塞或者火焰预热塞GK，FK是导热地与隔膜框E相连或者本身插入到隔膜MEM内，以便它们不会由于在催化转化器KAT内部高的工作温度而被损坏。
在一个有利的改进方案中，燃烧装置COMB在进口侧按剂量进行水雾或蒸汽D的喷射，根据专利文献DE 28 43 335，水雾或蒸汽用于缓和燃烧温度，从而减少NOX的含量，并且另外作为再生气体产生的基础，还有利于催化转化器。在另一种实施方式中，可选地或作为补充，按剂量地把水蒸汽D*直接输送到催化转化器KAT或者直接输送到位于催化转化器KAT之前的燃烧气体VG中。
图2显示再生器的断面图。在催化转化器KAT外壳上焊有框架R，外壳G和再生气体收集器保持在该框架上。外壳G具有一个厚壁侧DW，在该厚壁侧内旋入电热塞GK。此外，由多微孔的陶瓷组成的隔膜MEM在一密封的镶框E内从该厚壁侧延伸到其他外壳壁。因此存在从电热塞GK经由外壳壁DW和镶框E到扩散冷却的隔膜MEM的散热的连接。再生气体管道RL从收集室RS导向再生气体使用装置或者贮藏容器。隔膜MEM优选地是通过孔板B支撑并且与利用边缘斜面MR密封而被镶上。
图3显示催化转化器KAT的局部剖开的透视图，该催化转化器包括隔膜MEM、火焰预热塞FK以及电热塞GK。从该图可看到惯穿催化转化器体的横向钻孔Q。
同样也示出了碰撞板P1，P2，它们以狭长的间隙隔开并且设有狭窄的通口，在进口侧和出口侧封闭催化转化器体。
一般是H2的再生气体的生成在200℃时已经开始，但是约1000℃至1200℃的催化转化器温度是有益的。
在废气催化转化器中常用的铂族金属，钯等，当其以合适的表面结构涂在支架上时，有时也可用非贵重金属代替。压印结构可以由已知的金属或陶瓷蜂窝构成。这些蜂窝提供例如20000qm/l的表面。
在商业上通用的汽车催化转化器中，隔膜的合适尺寸为100×150×30mm3。
图4显示由多个单个隔膜MEM1-MEM6组成的扩散隔膜的结构，这些单个隔膜分别为圆形薄板并且保持在金属衬套2内。
衬套2借助高压压力机压入到支撑板3内，并且因此即使是在高的温差下也保持密封。在边缘上可看到螺纹钻孔。
图5显示装配好的隔膜的装配侧视图，隔膜的支撑板3在分别插入云母密封件5，6的情况下用螺纹保持在设有法兰的催化转化器外壳W和再生气体收集器RS的法兰之间。支撑板3是通过在两个不锈钢板30，31之间插入一密封垫4以夹层结构形式构成。密封垫4优选地是由耐高温的云母材料组成，并且如不锈钢板30，31一样包围各衬套终止于狭窄的镶框内。
附图标记列表：
COMB：燃烧装置
KAT：废气催化转化器
L：空气
BS：燃料
I：喷射器
LD：增压装置
AG：废气
MEM：扩散隔膜
RG：再生气体
RS：再生气体收集器
Q：横向通道
P1，P2：碰撞板
VG：燃烧气体
AS：进气管
FK：火焰预热塞
BV：燃料阀
U：火花塞电连接
GK：电热塞
S：λ-探测仪
RV：调节装置
1：再生器
pr：再生气体压力
pk：催化转化器内压
SD：消音器
WD：隔热材料
RL：再生气体管道
R：框架
G：外壳
E：镶框
DW：外壳壁
D，D*：蒸汽
B：孔板
MR：边缘斜面
W：催化转化器壁
2：衬套
3：支撑板
30：不锈钢板
31：不锈钢板
4：密封垫
5：云母密封件
6：云母密封件
MEM1：单个隔膜
MEM2：单个隔膜

Claims (20)

1.带有废气催化转化器(KAT)的燃烧废气(VG)再生器，其特征在于，所述热工作的催化转化器(KAT)与耐高温的扩散隔膜(MEM)邻接，该扩散隔膜在另一侧与再生气体收集器(RS)邻接，该再生气体收集器保持在比当时存在的催化转化器内压(pk)更低的压力(pr)下，这样积累的再生气体(RG)，作为附加的燃料被输送到设置在再生器(1)之前的燃烧装置(COMB)，和/或以其他方式利用其化学能。
2.如权利要求1所述的再生器，其特征在于，所述扩散隔膜(MEM)由耐高温的多微孔的开孔的陶瓷组成。
3.如权利要求2所述的再生器，其特征在于，所述隔膜(MEM)由碱土硅酸盐和/或铝酸盐组成。
4.如权利要求2或3所述的再生器，其特征在于，所述隔膜(MEM)由氧化铝和/或氧化锆组成。
5.如前述权利要求中任一项所述的再生器，其特征在于，所述隔膜(MEM)保持在外壳(G)内的合适的镶框(E)内，该外壳是借助框架(R)焊接在催化转化器(KAT)的壁(W)上。
6.如权利要求5所述的再生器，其特征在于，所述隔膜(MEM)具有朝着压降(pk，pr)的方向逐渐变细的边缘斜面(R)。
7.如前述权利要求中任一项所述的再生器，其特征在于，所述隔膜(MEM)在再生气体收集器(RG)一侧用孔板(B)支撑。
8.如权利要求5至7中任一项所述的再生器，其特征在于，在壁(W)或厚壁(DW)或者框架(R)上插有至少一个电热塞(GK)和/或要供给燃料的火焰预热塞(FK)，用于加热催化转化器。
9.如前述权利要求中任一项所述的再生器，其特征在于，所述催化转化器(KAT)在出口和/或进口侧分别安装有碰撞板(P1，P2)。
10.如前述权利要求中任一项所述的再生器，其特征在于，所述催化转化器(KAT)至少包含涂有催化剂金属的薄板组，该薄板组被横向通道(Q)贯穿，所述横向通道通至靠近隔膜(MEM)的位置。
11.如前述权利要求中任一项所述的再生器，其特征在于，所述催化转化器(KAT)被耐高温的隔热材料(WD)包围.
12.如前述权利要求中任一项所述的再生器，其特征在于，所述燃烧装置(COMB)通过调节装置(RV)供应空气(L)和烃燃料(BS)，该调节装置借助λ-探测仪(S)连接在催化转化器(KAT)的进口侧。
13.如权利要求12所述的再生器，其特征在于，水雾或水蒸汽(D，D*)直接按剂量输送到所述燃烧装置(COMB)或者催化转化器(KAT)。
14.如前述权利要求中任一项所述的再生器，其特征在于，燃烧装置(COMB)是内燃机。
15.如权利要求14所述的再生器，其特征在于，在所述内燃机(COMB)之前设有空气增压装置。
16.如权利要求14或15所述的再生器，其特征在于，在催化转化器(KAT)之后设有消声器。
17.如权利要求14至16中任一项所述的再生器，其特征在于，再生气体(RG)利用再生气体管道(RL)被引导到内燃机(COMB)的进气管道(AS)内。
18.如前述权利要求中任一项所述的再生器，其特征在于，扩散隔膜(MEM1-MEM6)是由多个圆形的单个隔膜组成，这些单个隔膜分别镶在耐高温的金属衬套(2)内并且密封地插在支撑板(3)内。
19.如权利要求18所述的再生器，其特征在于，所述支撑板(3)是由至少两块带有分别插入在中间的密封垫(4)的不锈钢板(30，31)组成，所述衬套(2)是通过高压压入保持在支撑板(3)内。
20.如权利要求19所述的再生器，其特征在于，所述密封垫(4)是由云母密封材料组成，所述支撑板(3)是借助云母密封件(5，6)保持旋紧在催化转化器(KAT)壁(W)和再生气体收集器(RS)之间。
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