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DE19648219C1 - Reducing nitrogen oxide(s) and black smoke in diesel engine exhaust gases - Google Patents

Reducing nitrogen oxide(s) and black smoke in diesel engine exhaust gases

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DE19648219C1
DE19648219C1 DE19648219A DE19648219A DE19648219C1 DE 19648219 C1 DE19648219 C1 DE 19648219C1 DE 19648219 A DE19648219 A DE 19648219A DE 19648219 A DE19648219 A DE 19648219A DE 19648219 C1 DE19648219 C1 DE 19648219C1
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Friedrich Dr Wirbeleit
Horst Dipl Ing Bergmann
Walter Dipl Ing Jehle
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Burkhard Dipl Ing Wagner
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Daimler Benz AG
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Abstract

Process for reducing nitrogen oxides and black smoke in diesel engine exhaust gases comprising spraying water into the combustion chamber of the diesel engine (50). The water being sprayed is obtained from the exhaust gas of the diesel engine. Water vapour from the exhaust gas stream is removed through a porous membrane (5) into gas chamber (4) limited by the membrane (5) and a cooling surface (7). The water vapour is condensed in the gas chamber (4). An appts. for carrying out the process is also claimed comprising a porous membrane (5), a gas chamber (4) and a cooling device.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wasserabtrennung aus Verbrennungs­ abgasen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for separating water from combustion exhaust gases according to the preamble of claim 1, and a device for Execution of the procedure.

Die einfachste Art, Wasser in einem Fahrzeug bereitzustellen, ist die Mitfüh­ rung eines Wassertanks. Damit ist jedoch ein zusätzlicher Raumbedarf im Fahrzeug sowie zusätzlich mitgeführtes Gewicht verbunden. Auch im Hinblick auf die Logistik an Tankstellen erweist sich diese Ausführung als nachteilig.The easiest way to provide water in a vehicle is to take it with you tion of a water tank. However, this is an additional space requirement in the Vehicle and additional weight carried. Also with regard this version proves to be disadvantageous for logistics at petrol stations.

Auf dem Gebiet der H2-Verbrennungsmotoren (DE 31 02 088) ist es bereits bekannt, das bei bestimmten Betriebsbedingungen für den Motor benötigte Wasser on board aus den Motorabgasen durch Kondensation zu gewinnen. Das Abgas eines Dieselmotors enthält wie jedes Abgas eines Verbrennungs­ prozesses Wasserdampf als Verbrennungsprodukt. Die Wasserdampfkonzen­ tration schwankt dabei je nach Betriebsweise im Bereich Leerlauf und Vollast zwischen 3 und 11 Vol%.In the field of H 2 internal combustion engines (DE 31 02 088), it is already known to obtain the water required for the engine on board from the engine exhaust gases by condensation under certain operating conditions. The exhaust gas of a diesel engine contains water vapor as a combustion product, like any exhaust gas from a combustion process. The water vapor concentration fluctuates between 3 and 11 vol% depending on the operating mode in the idle and full load range.

Die Abgastemperaturen können Werte bis zu 700°C unmittelbar am Abgas­ krümmer erreichen. Der Taupunkt des Abgases liegt dagegen in einem Tem­ peraturbereich von 40-60°C, so daß bei einem typischen Nutzfahrzeug-Die­ selmotor eine Wasserrückgewinnung über Oberflächenkühlung (Kondensa­ tion) mit einer hohen erforderlichen Kühlleistung von ca. 50-60 kW verbun­ den ist.The exhaust gas temperatures can reach values up to 700 ° C directly at the exhaust gas reach manifold. The dew point of the exhaust gas, however, is in a tem  temperature range of 40-60 ° C, so that in a typical commercial vehicle die selmotor a water recovery via surface cooling (condensate tion) with a high required cooling capacity of approx. 50-60 kW that is.

Das Wasser adsorptiv aus dem Abgasstrom abzutrennen, scheidet aufgrund des erforderlichen Adsorbervolumens und der hohen Regenerationstempera­ turen aus.Separating the water from the exhaust gas stream adsorptively is not possible the required adsorber volume and the high regeneration temperature doors out.

Eine weitere Möglichkeit zur Wassergewinnung aus dem Abgas von Verbren­ nungsmotoren ist aus der US 4,725,359 bekannt. Die Wasserabtrennung aus dem Abgasstrom erfolgt unter Einsatz einer dichten Lösungs/Diffusions­ membran. Zur Aufrechterhaltung der notwendigen Wasserpartialdruckdiffe­ renz ist permeatseitig eine Vakuumpumpe angeschlossen. Die Kondensation des mit der Pumpe abgesaugten Wasserdampfs erfolgt in einem separaten Kondensator vor oder hinter der Vakuumpumpe. Durch den Einsatz einer hy­ drophilen, dichten Membran wird ein trinkfähiges Wasser hoher Reinheit er­ halten. Nachteilig an dem Verfahren ist jedoch die geringe Trennleistung, so­ wie die mit den Einsatz der Vakuumpumpe verbundene aufwendige Konstruk­ tion der Vorrichtung.Another way of extracting water from the exhaust gas from Verbren voltage motors is known from US 4,725,359. The water separation from the exhaust gas flow takes place using a dense solution / diffusion membrane. To maintain the necessary water partial pressure differences A vacuum pump is connected on the permeate side. The condensation the water vapor drawn off with the pump is carried out in a separate one Condenser in front of or behind the vacuum pump. By using a hy drophilic, dense membrane becomes a drinkable water of high purity hold. The disadvantage of the method, however, is the low separation performance such as the complex construction associated with the use of the vacuum pump tion of the device.

Aufgabe der Erfindung ist es, das aus der US 4,725,359 bekannte Verfah­ ren zur Wasserabtrennung aus Verbrennungsabgasen zu verbessern, so daß die beschriebenen Nachteile vermieden werden.The object of the invention is the method known from US 4,725,359 ren to improve water separation from combustion gases, so that the disadvantages described are avoided.

Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Eine vorteil­ hafte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind Gegenstände weiterer Ansprüche.This object is achieved with the method according to claim 1. An advantage execution of the method according to the invention and a device  to carry out the method are the subject of further claims.

Gemäß der Erfindung wird zur Abtrennung des Wasserdampfs aus den Ver­ brennungsabgasen eine poröse Membran eingesetzt. Der Wasserdampf tritt durch die Membran sowie einen sich an die Membran anschließenden Gas­ raum hindurch und wird an einer Kühlfläche kondensiert. Die treibende Kraft für den Transport des Wasserdampfes durch die Membran ist wie bei der US 4,725,359 die Wasser-Partialdruckdifferenz auf den beiden Seiten der Mem­ bran. Der permeatseitige Wasserpartialdruck ist jedoch bei dem erfindungsge­ mäßen Verfahren im wesentlichen gleich dem H2O-Dampfdruck über dem Kondensatfilm. Ein Abpumpen zur Verringerung des permeatseitigen Wasser­ partialdrucks ist deshalb nicht notwendig.According to the invention, a porous membrane is used to separate the water vapor from the combustion exhaust gases. The water vapor passes through the membrane and a gas space adjoining the membrane and is condensed on a cooling surface. The driving force for the transport of water vapor through the membrane is, as in US 4,725,359, the water partial pressure difference on both sides of the membrane. However, the permeate-side water partial pressure in the method according to the invention is essentially equal to the H 2 O vapor pressure over the condensate film. Pumping down to reduce the permeate water partial pressure is therefore not necessary.

Es findet vorzugsweise ein konvektiver Transport des Wasserdampfs durch die poröse Membran an den Kondensatfilm statt. Wasser sowie die sonstigen kondensierbaren Bestandteile des Abgases treten durch die Membran hin­ durch, die nicht kondensierbaren Bestandteile bleiben im wesentlichen in der Abgasströmung. Aufgrund des konvektiven Transports erfolgt eine schnellere Abtrennung des Wasserdampfs durch eine dichte Membran, die einen bedeu­ tend höheren Transportwiderstand darstellt.There is preferably a convective transport of the water vapor the porous membrane to the condensate film instead. Water and others condensable components of the exhaust gas pass through the membrane through, the non-condensable components remain essentially in the Exhaust gas flow. Due to the convective transport there is a faster one Separation of the water vapor by a dense membrane that means one represents higher transport resistance.

Mit der Erfindung kann eine hohe H2O-Trennleistung erreicht werden.A high H 2 O separation performance can be achieved with the invention.

Als Membranmaterialien können vor allem solche mit geringer Wärmeleitung verwendet werden. Vorteilhaft wird eine keramische Membran oder eine Poly­ mermembran oder eine metall-keramische Compositmembran eingesetzt. Beispiele hierfür sind Teflon, oxidkeramische Materialien wie z. B. ZrO2, Al2O3 sowie mit ZrO2 gefüllte Metallstrukturen.Above all, those with low heat conduction can be used as membrane materials. A ceramic membrane or a polymer membrane or a metal-ceramic composite membrane is advantageously used. Examples include Teflon, oxide ceramic materials such as. B. ZrO 2 , Al 2 O 3 and metal structures filled with ZrO 2 .

Besonders vorteilhaft werden makroporöse Membranen verwendet, bevorzugt mit einer Porenweite im Bereich von 100 nm bis 10.000 nm, und insbesonde­ re im Bereich von 100 nm und 1000 nm.Macroporous membranes are used particularly advantageously, preferably with a pore size in the range of 100 nm to 10,000 nm, and in particular re in the range of 100 nm and 1000 nm.

Die Erfindung wird anhand von Figur näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail with reference to figures. Show it:

Fig. 1 die Prinzipskizze einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens; Figure 1 is a schematic diagram of an apparatus for performing the method according to the Invention.

Fig. 2 das Prozeßschema gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren; Figure 2 shows the process scheme according to the inventive method.

Fig. 3 eine konkrete Ausführung der Vorrichtung zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens. Fig. 3 shows a concrete embodiment of the device for performing the inventive method.

Fig. 2 zeigt das Prozeßschema gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, mit dem Wasser aus dem Abgasstrom eines Dieselmotors 50 abgetrennt wird. Kern dieser Anordnung ist das Membranmodul 10, in dem die Wasserabtren­ nung erfolgt. Dieses ist in vergrößertem Maßstab in Fig. 1 dargestellt ist. Es weist folgende räumliche Unterteilung auf: Fig. 2 shows the process scheme according to the method according to the invention, is separated with the water from the exhaust stream of a diesel motor 50. The core of this arrangement is the membrane module 10 , in which the water separation takes place. This is shown on an enlarged scale in FIG. 1. It has the following spatial division:

  • 1. Abgasraum 2, der von einer porösen Membran 5 begrenzt wird;1. exhaust gas space 2 , which is delimited by a porous membrane 5 ;
  • 2. Gasraum 4, der auf einer Seite von der porösen Membran 5 und auf der anderen Seite von einer Wärmetauscherplatte 7 begrenzt wird; Membran 5 und Wärmetauscherplatte 7 verlaufen in der gezeigten beispielhaften Aus­ führung im wesentlichen parallel zueinander;2. gas space 4 , which is delimited on one side by the porous membrane 5 and on the other side by a heat exchanger plate 7 ; Membrane 5 and heat exchanger plate 7 in the exemplary embodiment shown run essentially parallel to one another;
  • 3. Kühlmittelraum 6, der auf einer Seite von der Wärmetauscherplatte 7 be­ grenzt wird;3. coolant chamber 6 , which is bounded on one side by the heat exchanger plate 7 ;

Das Abgas des Dieselmotors 50 wird in den Abgasraum 2 des Membranmo­ duls 10 geleitet. Der Wasserdampf im Abgasstrom wird durch die poröse Membran 5 in den Gasraum 4 abgetrennt. Der Gasraum 4 schließt sich unmit­ telbar an die dem Abgas abgewandten Membranseite an. Er wird von einer gekühlten Wärmetauscherplatte 7 begrenzt, die mit einem Kühlmittel (vor­ zugsweise glykolhaltige Sole), das sich im Kühlmittelraum 6 befindet, im Wär­ mekontakt steht. An der gekühlten Platte 7 kondensiert der durch die Poren der Membran 5 und den Gasraum 4 diffundierte Wasserdampf (Kondensatfilm 9) und wird in einem Kondensatabscheider 54 mit angeschlossenem Puffer­ speicher 56 gesammelt. Das Wasser kann daraus, z. B. über eine Dosierpum­ pe 58, zur weiteren Verwendung abgeführt werden.The exhaust gas of the diesel engine 50 is passed into the exhaust gas chamber 2 of the membrane module 10 . The water vapor in the exhaust gas stream is separated through the porous membrane 5 into the gas space 4 . The gas space 4 immediately adjoins the membrane side facing away from the exhaust gas. It is limited by a cooled heat exchanger plate 7 , which is in thermal contact with a coolant (preferably glycol-containing brine), which is located in the coolant chamber 6 . On the cooled plate 7 , the water vapor diffused through the pores of the membrane 5 and the gas space 4 (condensate film 9 ) and is collected in a condensate separator 54 with a connected buffer 56 . The water can, e.g. B. via a Dosierpum pe 58 , are discharged for further use.

Die treibende Kraft für den Transport des Wasserdampfes durch die Membran 5 hindurch wird durch die Partialdruckdifferenz zwischen dem Abgasstrom im Abgasraum 2 und dem Kondensatfilm 9 an der gekühlten Platte 7 erzeugt.The driving force for the transport of the water vapor through the membrane 5 is generated by the partial pressure difference between the exhaust gas flow in the exhaust gas space 2 and the condensate film 9 on the cooled plate 7 .

Das Kühlmittel, mit dem die bei der Kondensation freiwerdende Wärme, des Wassers (ca. 0,7 kW/kg Wasser) konvektiv aus dem Membranmodul 10 abge­ führt wird, wird über eine Leitung 70 und mit Hilfe einer Umwälzpumpe 72 in einem Kreislauf geführt. Die Temperatur des Kühlmittels muß so eingestellt werden, daß der erforderliche Taupunkt des Abgasstromes erreicht wird. Im Kreislauf des Kühlmittels befindet sich eine Kühlvorrichtung 74 zur Abfuhr des vom Kühlmittel aufgenommenen Wärme.The coolant with which the heat released during the condensation of the water (approx. 0.7 kW / kg of water) is convectively discharged from the membrane module 10 is conducted in a circuit via a line 70 and with the aid of a circulation pump 72 . The temperature of the coolant must be set so that the required dew point of the exhaust gas flow is reached. In the circuit of the coolant there is a cooling device 74 for removing the heat absorbed by the coolant.

Neben den angegebenen Begrenzungen durch Membran 5 und Wärmeaus­ tauscherplatte 7 kann der Gasraum 4 im übrigen zur Umgebung hin offen sein, so daß das Innere des Gasraums auf Umgebungsdruckniveau liegt.In addition to the limits indicated by the membrane 5 and heat exchanger plate 7 , the gas space 4 can be open to the surroundings, so that the interior of the gas space is at ambient pressure level.

Membran 5 und Gasraum 4 zusammen bilden einen Spalt zwischen heißem Abgas und dem kondensierten Wasserfilm 9, der eine geringe Wärmeleitfä­ higkeit aufweist (z. B. Teflon als Membranmaterial λ = 0,23 W/mK im Vergleich zu Aluminium mit λ = 200 W/mK bei Entfeuchtung mit einem Oberflächenküh­ ler). Dadurch muß bei der erfindungsgemäßen Verfahrensführung nicht der gesamte Abgasstrom unter den entsprechenden Taupunkt gekühlt werden. Aufgrund der um den Faktor 1000 höheren Wärmeleitfähigkeit wird in erster Linie die Kondensationswärme über die Wärmeaustauscherplatte an das Kühlmittel abgegeben. Im Idealfall ist nur eine der Kondensationswärme ent­ sprechende Kühlleistung für das Kühlmittel erforderlich, was zu einer signifi­ kanten Energieeinsparung für die Kühlung führt.Membrane 5 and gas space 4 together form a gap between the hot exhaust gas and the condensed water film 9 , which has a low thermal conductivity (e.g. Teflon as membrane material λ = 0.23 W / mK compared to aluminum with λ = 200 W / mK when dehumidifying with a surface cooler). As a result, the entire exhaust gas flow does not have to be cooled below the corresponding dew point in the process according to the invention. Due to the fact that the thermal conductivity is higher by a factor of 1000, the heat of condensation is primarily released to the coolant via the heat exchanger plate. Ideally, only one of the condensation heat corresponding cooling capacity for the coolant is required, which leads to significant energy savings for cooling.

Im Hinblick auf eine ausreichende thermische Isolation zwischen Abgas und kondensiertem Wasserfilm 9 wird der Abstand zwischen Membran 5 und Wär­ meaustauscherplatte 7 bevorzugt im Bereich von 2 bis 10 mm gewählt.In view of sufficient thermal insulation between the exhaust gas and the condensed water film 9 , the distance between the membrane 5 and heat exchanger plate 7 is preferably selected in the range from 2 to 10 mm.

Ablagerungen von Rußpartikeln auf der Abgasseite der Membran können pe­ riodisch durch Rückspülung mit Druckluft aus dem bordeigenen Druckluftsy­ stem abgelöst und mit dem Abgasstrom ausgetragen werden.Deposits of soot particles on the exhaust side of the membrane can pe periodically by backwashing with compressed air from the on-board compressed air system stem detached and discharged with the exhaust gas stream.

Fig. 3 zeigt die konkrete Ausführung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei sind mehrere einzelne Membranmo­ dule 10 nach Fig. 1 zu einem Stapel integriert. Benachbarte Membranmodule 10, 10' sind hier vorteilhaft derart zueinander angeordnet, daß der Abgasraum 2 auf zwei Seiten von der porösen Membran 5 begrenzt wird. An die Membra­ nen 5 schließen sich jeweils die Gasräume 4 mit den Wärmetauscherplatten 7 als Begrenzung an. Die Wärmetauscherplatten 7 stehen im Wärmekontakt mit dem flüssigen Kühlmittel, daß sich in den Kühlmittelräumen 6 befindet. Mit Pfeilen 30,32 ist die Zuleitung und Ableitung des Kühlmittels angedeutet. Pfeil 34 weist auf die Abführung des Kondensats 9 hin. In den einzelnen Räumen sind Abstandshalter 40 vorhanden. Der gesamte Stapel ist von einer Hülle 42 umgeben. Die Vorrichtung weist insgesamt einen plattenförmigen Aufbau auf. Fig. 3 shows a concrete embodiment of an apparatus for carrying out the method according to the invention. Several individual membrane modules 10 according to FIG. 1 are integrated into a stack. Adjacent membrane modules 10 , 10 'are advantageously arranged with respect to one another in such a way that the exhaust gas space 2 is delimited on two sides by the porous membrane 5 . At the Membra NEN 5 each the gas spaces 4 with the heat exchanger plates 7 as a limitation. The heat exchanger plates 7 are in thermal contact with the liquid coolant that is in the coolant spaces 6 . Arrows 30 , 32 indicate the supply and discharge of the coolant. Arrow 34 indicates the removal of the condensate 9 . Spacers 40 are provided in the individual rooms. The entire stack is surrounded by an envelope 42 . Overall, the device has a plate-shaped structure.

Claims (7)

1. Verfahren zur Wasserabtrennung aus Verbrennungsabgasen, wobei man mittels einer Membran (5) Wasserdampf aus dem Abgasstrom ab­ trennt und den Wasserdampf anschließend kondensiert, dadurch ge­ kennzeichnet, daß man als Membran (5) eine poröse Membran ein­ setzt und die Kondensation des aus dem Abgasstrom abgetrennten Wasserdampfs in einem von der Membran (5) und einer Kühlfläche (7) begrenzten Gasraum (4) durchführt.1. A method for separating water from combustion gases, whereby water vapor is separated from the exhaust gas stream by means of a membrane ( 5 ) and the water vapor is then condensed, characterized in that a porous membrane is used as membrane ( 5 ) and the condensation of the Exhaust gas stream separated water vapor in a gas space ( 4 ) delimited by the membrane ( 5 ) and a cooling surface ( 7 ). 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Kühlmittel, welches mit der Kühlfläche (7) im Wärmekontakt steht, in ei­ nem Kreislauf führt.2. The method according to claim 1, characterized in that the coolant, which is in thermal contact with the cooling surface ( 7 ), leads in a circuit. 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, ge­ kennzeichnet durch eine poröse Membran (5), einen Gasraum (4) und eine Kühlfläche (7).3. A device for performing the method according to claim 1, characterized by a porous membrane ( 5 ), a gas space ( 4 ) and a cooling surface ( 7 ). 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Po­ renweite der porösen Membran (5) 100 nm bis 10.000 nm, bevorzugt 100 bis 1000 nm, beträgt.4. The device according to claim 3, characterized in that the Po renbreite the porous membrane ( 5 ) 100 nm to 10,000 nm, preferably 100 to 1000 nm. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (5) eine keramische Membran oder eine Polymermembran oder eine metall-keramische Compositmembran ist. 5. Apparatus according to claim 3 or 4, characterized in that the membrane ( 5 ) is a ceramic membrane or a polymer membrane or a metal-ceramic composite membrane. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Membran (5) und Kühlfläche (7) im wesentlichen parallel zueinander im Abstand von 2 bis 10 mm verlaufen.6. Device according to one of claims 3 to 5, characterized in that the membrane ( 5 ) and cooling surface ( 7 ) are substantially parallel to each other at a distance of 2 to 10 mm. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie nach Art eines Plattenmoduls aufgebaut ist.7. Device according to one of claims 3 to 6, characterized records that it is constructed in the manner of a plate module.
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