способ и устройство для превращения вредного вещества в отработавшем газе на катализаторе

Формула изобретения

1. Способ для превращения вредного вещества в отработавшем газе на катализаторе с реагентом, который вначале дозируют в зависимости от существенных для эксплуатации параметров отработавшего газа, а также температуры катализатора и подводят к отработавшему газу с образованием смеси и смесь направляют через катализатор, отличающийся тем, что температуру определяют рекурсивно в качестве зависящей от места и времени функции в катализаторе из существенных для эксплуатации параметров отработавшего газа, а также существенных для конструкции параметров катализатора за счет того, что катализатор разделяют на частичные области, которые последовательно нагружают отработавшим газом, и температуру для каждой частичной области определяют отдельно и, что активность в катализаторе определяют в качестве зависящей от места и времени функции из температуры, а реагент дозируют в зависимости от активности.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве единственных существенных для эксплуатации параметров определяют массовый поток, а также входную температуру отработавшего газа на входе в катализатор.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что его начинают при начале нагрузки катализатора отработавшим газом, причем температуру катализатора вначале устанавливают постоянной и равной температуре окружающей среды катализатора.

4. Способ по любому из пп. 1 - 3, отличающийся тем, что определение температуры первой частичной области катализатора производят через временной интервал t согласно формуле

T_1t=T₁₀+[M_Abgastc_Abgas(T_ein-T₁₀)/(M_k1c_k)]

5. Способ по любому из пп. 1 - 4, отличающийся тем, что определение температуры каждой частичной области, которая обтекается отработавшим газом после первой частичной области, производят по формуле

T_it=T_iio+[M_Abgastc_Abgas/Luft(T_i-it-T_io)/(M_kic_k)]

6. Способ по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что каталитическую активность частичной области определяют исходя из температуры частичной области.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что общую каталитическую активность катализатора определяют как среднее арифметическое каталитических активностей частичных областей.

8. Устройство для превращения вредного вещества в отработавшем газе на катализаторе с устройством подачи для дозирования и подачи реагента с образованием смеси, с катализатором, через который может направляться смесь, с сенсорными элементами для измерения существенных для эксплуатации параметров отработавшего газа и с блоком управления для управления дозированием в зависимости от существенных для эксплуатации параметров и температуры катализатора, отличающееся тем, что блок управления содержит накопитель, в котором запомнены существенные для конструкции параметры катализатора, и выполнен с возможностью рекурсивного определения температуры в качестве зависящей от места и времени функции в катализаторе в зависимости от существенных для эксплуатации параметров и существенных для конструкции параметров, для чего катализатор разделяют на частичные области, которые последовательно нагружают отработавшим газом, и температуру для каждой частичной области определяют отдельно, для определения активности в катализаторе в качестве зависящей от места и времени функции и для дозирования реагента в зависимости от активности.

9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что предусмотрены сенсорные элементы для измерения массового потока отработавшего газа и температуры отработавшего газа на входе в катализатор.

10. Устройство по любому из пп.8 и 9, отличающееся тем, что сенсорный элемент для измерения массового потока отработавшего газа расположен относительно направления потока отработавшего газа выше по течению от устройства подачи для реагента.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу и устройству для превращения вредного вещества в отработавшем газе на катализаторе с реагентом, который вначале дозируют в зависимости от существенных для эксплуатации параметров отработавшего газа, а также температуры катализатора и подводят к отработавшему газу с образованием смеси и смесь направляют через катализатор. Устройство при этом содержит устройство подачи для дозирования и подачи реагента с образованием смеси, которая может направляться к катализатору, а также сенсорные элементы для измерения существенных для эксплуатации параметров отработавшего газа и блок управления для управления дозированием в зависимости от существенных для эксплуатации параметров и температуры катализатора.

Такой способ и такое устройство следуют из DE 4315278 A1 и DE 3337793 C2. Согласно каждому из этих документов в соответствующем способе и в соответствующем устройстве происходит измерение температуры на катализаторе; дополнительно определяют существенные для эксплуатации параметры отработавшего газа, в частности температуру, массовый расход, химический состав и тому подобное, и управление требующейся подачи реагента производят в зависимости от этих параметров.

Известно, что возникающие при сжигании топлива в двигателе внутреннего сгорания окислы азота могут разлагаться в последующем катализаторе за счет добавления реагента в форме восстановителя в поток отработавшего газа. Так окислы азота после добавки восстановителя, а именно аммиака, разлагаются в восстановительном катализаторе на азот и водяной пар. Подлежащее подаче количество реагента должно точно согласовываться с каталитической активностью катализатора для избежания избытка и недостаточного покрытия.

Для согласования подлежащего подаче количества восстановителя в фазе нагрева катализатора из DE-PS 4310961 является известным применять множество сенсоров для измерения температуры внутри катализатора и с учетом измеренной внутри катализатора температуры для согласования с каталитической активностью отрезков катализатора, предусматривать перед, между и после сенсоров согласованную подачу восстановителя. За счет этого определяют, например уже имеющееся частичное активирование катализатора в фазе нагрева, и таким образом уже в фазе нагрева может подаваться согласованное количество восстановителя.

Из Patents Abstracts of Japan, JP 60197225 далее известно определять температуру катализатора из температуры отработавшего газа на входе катализатора посредством каталитической температурной модели ("catalyst temperature simulators") и учитывать ее при установлении подлежащего подаче количества восстановителя относительно накопительной способности катализатора.

В основе изобретения лежит задача указания способа вышеназванного вида, а также подходящего устройства, в которых можно отказаться от применения температурных сенсоров внутри катализатора, причем, конечно учитывается зависящая от температуры и при малых температурах вообще не имеющаяся каталитическая активность катализатора.

Для решения этой относящейся к способу задачи указан способ для превращения вредного вещества в отработавшем газе на катализаторе с реагентом, который вначале дозируют в зависимости от существенных для эксплуатации параметров отработавшего газа, а также температуры катализатора и подводят к отработавшему газу с образованием смеси и смесь направляют через катализатор, причем температуру определяют рекурсивно в качестве зависящей от места и времени функции в катализаторе из существенных для эксплуатации параметров отработавшего газа, а также существенных для конструкции параметров катализатора таким образом, что катализатор разделяют на частичные области, которые последовательно нагружают отработавшим газом, и температуру для каждой частичной области определяют отдельно, и причем активность в катализаторе определяют из температуры в качестве зависящей от места и времени функции, а реагент дозируют в зависимости от активности.

Соответствующий изобретению способ не требует измерения температуры внутри катализатора; вместо этого температуру внутри катализатора, которая является важной для оценки каталитической активности катализатора, определяют в рамках рекурсивной модели, которая требует только существенные для эксплуатации параметры отработавшего газа и существенные для конструкции, в частности не изменяющиеся во времени параметры катализатора. Производимое в рамках модели вычисление должно в основном воспроизводить тепловые потоки между катализатором и отработавшим газом, а также внутри катализатора; для этих тепловых потоков являются решающими существенные для эксплуатации параметры отработавшего газа, которые описывают подвод тепла за счет отработавшего газа, а также существенные для конструкции параметры катализатора, в частности те параметры, которые определяют его геометрию и массу, а также удельные параметры, как теплоемкость и теплопроводность, вычисление на модели исходит из заданного распределения температуры внутри катализатора, которая в частности тогда, когда устройство испускающее отработавший газ, вводится в эксплуатацию, может быть установлена постоянной и равной температуре окружающей среды катализатора. Модель тогда в зависимости от существенных для эксплуатации параметров определяет временное развитие распределения температуры. Если температура внутри катализатора известна, то из этой температуры через известную зависимость, которая в каждом отдельном случае, при известных обстоятельствах, должна проверяться экспериментально, определяют каталитическую активность катализатора в качестве зависящей от места и времени функции. Из этой функции тогда вычисляют согласованное значение для дозирования реагента в отработавший газ, причем это согласованное значение выбирают, например, таким образом, что достигается возможно полное превращение вредного вещества при условии, что подведенный к отработавшему газу реагент полностью превращается в катализаторе.

При этом пространственную зависимость температуры в катализаторе определяют таким образом, что катализатор для модели разделяют на частичные области, которые последовательно нагружают отработавшим газом, причем температуру для каждой частичной области катализатора определяют отдельно. Определение температуры первой частичной области и определение температуры следующих частичных областей предпочтительно производят по определенным формулам, которые поясняются более подробно с помощью примера выполнения. Исходя из температуры каждой частичной области можно определить соответствующую каталитическую активность частичной области, а каталитическую общую активность катализатора предпочтительно устанавливают как среднее арифметическое каталитических активностей частичных областей.

Соответствующий изобретению способ предусматривает в частности определение существенных для эксплуатации параметров отработавшего газа через сенсорные элементы и направление их дальше на блок управления. Зарегистрированные параметры, а также дополнительные постоянные величины в виде существенных для конструкции параметров катализатора, как масса катализатора, удельные теплоемкости катализатора и отработавшего газа или, соответственно воздуха, используются затем в блоке управления для вычисления соответствующей мгновенной каталитической активности катализатора.

Предпочтительно в рамках способа в качестве единственного существенного для эксплуатации параметра определяют массовый поток притекающего к катализатору отработавшего газа, а также входную температуру, с которой отработавший газ поступает в катализатор.

Кроме того, предпочтительно способ начинают при начале нагрузки катализатора отработавшим газом, причем температуру катализатора вначале устанавливают постоянной и равной температуре окружающей среды катализатора.

В зависимости от определенной каталитической активности катализатора управление дозированием можно производить через устройство подачи, и можно всегда подавать точно такое количество реагента, которое может превращаться в данный момент времени в катализаторе.

Не является необходимым устанавливать внутри катализатора один или несколько температурных сенсоров. В качестве существенных для эксплуатации параметров могут предпочтительно устанавливаться только массовый поток отработавшего газа, а также входная температура, с которой отработавший газ поступает в катализатор. Это означает как раз в случае больших катализаторов заметное упрощение и значительное уменьшение чувствительности к помехам.

За счет осуществления операций способа: измерение существенных для эксплуатации параметров, определение каталитической активности, управление дозирования через равномерные промежутки времени, можно точно согласовывать подлежащее подведению количество реагента с мгновенной каталитической активностью катализатора.

Предпочтительным образом реализуемый с крайне небольшими затратами на устройство способ применяется для оптимированного подвода реагента, как в фазе нагрева, так и в фазе охлаждения катализатора, а также при положительных и отрицательных скачках нагрузки. Появляющиеся при таких скачках нагрузки колебания массового потока отработавшего газа, а также изменение входной температуры, с которой отработавший газ поступает в катализатор, используются опять-таки для вычисления мгновенной каталитической активности катализатора, по которой обеспечивается желательное согласование дозирования с мгновенно повышенным или пониженным уровнем нагрузки.

Для решения относящейся к устройству задачи согласно изобретению указано устройство для превращения вредного вещества в отработавшем газе с устройством подачи для дозирования и подачи реагента с образованием смеси, с катализатором, через который может направляться смесь, с сенсорными элементами для измерения существенных для эксплуатации параметров отработавшего газа, и с блоком управления для управления дозированием в зависимости от существенных для эксплуатации параметров и температуры катализатора, причем в этом устройстве блок управления содержит накопитель, в котором запомнены существенные для конструкции параметры катализатора, и устройство выполнено с возможностью рекурсивного определения температуры в качестве зависящей от места и времени функции в катализаторе в зависимости от существенных для эксплуатации параметров и существенных для конструкции параметров, для чего катализатор разделяют на частичные области, которые последовательно нагружают отработавшим газом, и определяют отдельно температуру для каждой частичной области, для определения активности в катализаторе в качестве зависящей от места и времени функции и для дозирования реагента в зависимости от активности.

Существенные преимущества этого устройства раскрываются из вышеприведенных пояснений к соответствующему изобретению способу, на которые здесь делается ссылка.

Соответствующее изобретению устройство отличается малыми конструктивными затратами и может полностью отказываться от расположенных внутри катализатора сенсорных элементов для определения температуры.

Устройство требует только сенсорные элементы для определения массового потока отработавшего газа и температуры отработавшего газа на входе в катализатор. Предпочтительно предусмотрены только сенсорные элементы для определения массового потока и входной температуры. Для исключения искажения результата измерений сенсорный элемент для измерения массового потока отработавшего газа предпочтительно расположен (относительно направления течения отработавшего газа) выше по течению относительно устройства подачи для реагента.

В рамках пояснений изобретения постоянно делается ссылка на "отработавший газ". Под этим понятием, однако, должен пониматься не исключительно отработавший газ из процесса сжигания; это понятие должно относится к любому содержащему вредные вещества и подлежащему устранению газу, а также к загрязненному отходящему воздуху из промышленной установки.

Примеры выполнения изобретения поясняются ниже более подробно с помощью чертежа. На чертеже показаны:

Фиг. 1 - пример вычисления для определения отдельных температур разделенного на три частичных области катализатора,

Фиг. 2 - диаграмма для определения каталитической активности катализатора, исходя из соответствующей температуры частичной области, а также

Фиг. 3 - схематическое изображение системы установки для сжигания.

Вначале делается ссылка на представленный на фиг. 1 пример вычисления. Исходя из разделенного на три частичных области B₁, В₂ и B₃ катализатора (2) - сравним фиг. 3 - вначале вычисляют температуру T_1t первой частичной области после временного интервала t по уравнению (1): сюда входят выходная температура T_1o первой частичной области B₁, (которая например соответствует температуре окружающей среды), а также определенная соответствующим сенсором входная температура T_ein отработавшего газа и определенный соответствующим сенсором массовый поток m_Abgas отработавшего газа. В качестве остальных величин входят удельная теплоемкость C_Abgas отработавшего газа или, соответственно, c_k катализатора, масса m_ki частичной области B₁ катализатора, а также временной интервал t, в течение которого производят измерение. Определенная температура T_1t служит теперь согласно уравнению (2) для определения температуры T_2t области катализатора В₂. Вычисление происходит по аналогии с уравнением (1) с той разницей, что вместо входной температуры T_ein на входе в катализатор используют температуру T_1t частичной области B₁ катализатора. При этом исходят из того, что выходящий из части катализатора В_i-1 и входящий в следующую часть катализатора B_i воздух имеет температуру части катализатора B_i-1, через которую он как раз прошел.

После аналогичного вычисления температуры частичной области B₂ согласно уравнению (3) после временного интервала t имеются температуры Т_1t, T_2t и T_3t отдельных частичных областей катализатора и согласно фиг. 2 можно предпринимать определение соответствующей каталитической активности k_it для каждой из трех частичных областей B₁, B₂ и B₃.

За счет соответствующего изобретению арифметического усреднения отдельных каталитических активностей k_1t, k_2t и k_3t отдельных частичных областей катализатора может вычисляться каталитическая активность К_t катализатора после временного интервала t и производиться согласование подлежащего подведению к отработавшему газу количества реагента.

После временного интервала Т (причем Т > t) еще раз вычисляют температуры T_1T, Т_2T и Т_3T согласно уравнениям (4) - (6) и через отдельные каталитические активности k_1T или, соответственно k_2T и k_3T получают общую каталитическую активность K_T катализатора после временного интервала Т.

Этот вычислительный цикл может повторяться как угодно часто. После завершения каждого вычислительного цикла подлежащее подаче количество реагента согласуют с соответствующей общей каталитической активностью (в данном случае К_t или, соответственно К_T).

Для дальнейшего пояснения способа на фиг. 3 показано соответствующее устройство в схематичном виде. Исходя из источника отработавшего газа 1 и катализатора 2 определение массового потока отработавшего газа производят сенсорным элементом S1 и установление температуры входящего в катализатор отработавшего газа сенсорным элементом S2. Определенные данные подводят к блоку управления 4 и представленным образом используют для вычисления общей каталитической активности катализатора 2 в соответствующий момент времени. После этого, исходя из блока управления 4, через устройство подачи 3 выдают согласованное в соответствии с мгновенной каталитической активностью К_t дозированное количество реагента.

Сенсорный элемент S1 для определения массового потока отработавшего газа находится напротив места подачи 5 реагента через устройство подачи 3 в положении, лежащем выше по течению относительно направления течения отработавшего газа, чтобы исключить искажение результата измерения вследствие подаваемого количества реагента.

Для пояснения следует список использованных на чертеже ссылочных позиций и обозначений в формулах:

1 - источник отработавшего газа;

2 - катализатор;

3 - устройство подачи для реагента;

4 - блок вычисления и управления;

5 - место подачи реагента;

B_i - частичные области i катализатора, i = 1, 2, 3;

C_Abgas - удельная теплоемкость отработавшего газа;

C_k - удельная теплоемкость катализатора;

k_i - каталитическая активность частичной области B_i;

K_t - каталитическая активность катализатора;

m_Abgas - массовый поток отработавшего газа;

m_ki масса частичной области B_i;

t - временной интервал;

Т - временной интервал;

T_ein - температура отработавшего газа на входе в катализатор;

T_io - температура частичной области B_i в исходный момент времени;

T_it - температура частичной области B_i после временного интервала t;

T_iT - температура частичной области B_i после временного интервала Т.