Rekuperativ katalytisk udstødsreaktor til stationære gasmotorer Projektrapport Februar 2004 550 0 C 5000C Katalysator Bypass til regulering VARME VEKSLER Fra motor Til skorsten 400 0 C Bypass 450 0 C PSO 2001, Elkraft System, FU 1403 REKUP
Rekuperativ katalytisk udstødsreaktor til stationære gasmotorer Lone M. Schmidt Niels Bjarne K. Rasmussen PSO 2001, Elkraft System, FU 1403 REKUP Dansk Gasteknisk Center a/s Hørsholm 2004
Titel : Rekuperativ katalytisk udstødsreaktor til stationære gasmotorer Rapport kategori : Projektrapport Forfatter : Lone M. Schmidt; Niels Bjarne K. Rasmussen Dato for udgivelse : 29.02.2004 Copyright : Dansk Gasteknisk Center a/s Sagsnummer : 722.73; H:\722\73-Rekup\Rapporter\REKUP_report_final.doc Sagsnavn : REKUP ISBN : 87-7795-255-3 For ydelser af enhver art udført af Dansk Gasteknisk Center a/s (DGC) gælder: at DGC er ansvarlig i henhold til Almindelige bestemmelser for teknisk rådgivning & bistand (ABR 89), som er vedtaget for opgaven, med mindre andet aftales skriftligt. at erstatningsansvaret for fejl, forsømmelser eller skader over for rekvirenten eller tredjemand gælder pr. ansvarspådragende fejl eller forsømmelse. Ansvaret er dog altid begrænset til maksimum 100% af det vederlag, som DGC har modtaget for den pågældende opgave. Rekvirenten holder DGC skadesløs for alle tab, udgifter og erstatningskrav, der måtte overstige DGC s hæftelse. at DGC skal - uden begrænsning - omlevere egne ydelser i forbindelse med fejl, mangler og forsømmelser i DGC s materiale. Dette gælder dog ikke længere end 5 år fra opgavens udførelse. at rekvirenten er ansvarlig for, at de iht. lov gældende sikkerheds- og arbejdsmiljøregler hos rekvirenten kan overholdes af DGC i forbindelse med opgavens udførelse. Såfremt DGC må standse, afbryde og/eller udsætte en opgave, fordi disse regler ikke kan overholdes, må rekvirenten bære DGC s eventuelle ekstraomkostninger i forbindelse hermed. Marts 2000
DGC-rapport 1 Abstract English Considerable efforts have been made in recent years to record the extent of and the reasons for undesired emissions from natural gas fired gas engines that are widely used for decentralised cogeneration. At present, approx. 750 engines with a total electrical output of approx. 950 MW e are installed. These plants have a total annual consumption of approx. 1 billion m 3 natural gas. Previously, NO x emissions were considered to be the primary pollutant. However, today the focus has changed to carbon monoxide (CO), unburned natural gas (UHC), odour and, lately, aldehydes - especially formaldehyde. Taller chimneys, however, are not a means to remedy the consequences of UHC emission, which is contributing considerably to the greenhouse gas emission in the form of methane, thus counteracting the environmental advantages of decentralised cogeneration. In 1998 new Danish regulations imposed stricter limits for UHC emission from new plants, and in 2006 existing plants must also meet these requirements, which are approx. 3% of the fuel consumption of the engine. Therefore, there is a great need for solutions to reduce emissions that will take into account the local and global environment as well as the economical possibilities of the plants, e.g. in the form of efficiency improvements. Several possibilities already exist for reducing undesired emissions from gas engine based CHP plants, ranging from catalytic reduction that is operating at fairly low flue gas temperatures in the exhaust to regenerative incineration plants that increase the flue gas temperature to a level where undesired components are combusted. A previous project investigated the possibility of a solution with a catalyst in direct connection with the exhaust gases. Unfortunately, this solution turned out to be insufficient, particularly due to too low flue gas temperatures. Tests showed that the lower limit for flue gas temperature is above 400 C if UHC is to be combusted sufficiently. The exhaust temperature of modern gas engines is approx. 400 C, and one of the conclusions of the tests was that it is imperative to increase the flue gas temperature, e.g. by supplementary firing or heat recovery. The project also investigated the possibility of modifying the fuel or of using additives to the fuel in order to improve combustion. At present, these solutions are not financially attractive, though. In Nordborg in the South of Jutland a regenerative incineration system has been installed in order to remove undesired odour and UHC from the exhaust of the gas engines. The system is remov-
DGC-rapport 2 ing the major part of UHC and odour and has thus solved the problems. However, it is an expensive solution. The purpose of the REKUP project was to find a solution in between a pure catalyst solution and the incineration solution. Using a heat exchanger would increase the temperature to a level where existing catalysts are operating steadily. The energy content of the unburned gas is used for maintaining the temperature difference in the heat exchanger. Therefore, no external energy is supplied to the reaction during operation. With 3% UHC or above it will be possible to increase the temperature before catalyst by 100 C with an exchanger efficiency of approx. 75%. The main objective of the REKUP system was to reduce the emission of greenhouse gases (UHC). This will at the same time reduce harmful and disturbing emissions to the local environment (aldehydes and odour). It will also be possible to utilize the surplus energy from the process to increase the total efficiency of the plant. The project was carried out by DGC under the auspices of the Elkraft PSO programme 2001, supported by Elkraft System and the Danish gas companies. The partners of the project was Haldor Topsøe (HTAS) - suppliers of catalysts and reactor Balcke-Dürr Energitechnik (BDT), Germany - suppliers of heat exchanger A 30 kw e gas engine of DGC s laboratory was used during tests. Apart from the engine supplying the flue gas, the setup consists of two pipes for cooling of the flue gas, a heat exchanger, and a reactor with a catalyst. Different valves are used for flow regulation and the measurement points where temperatures and emissions of the flue gas are measured. The temperature of the flue gas from the gas engines is approx. 5-600 C. Further cooling can be obtained by adding pressurized air just before the heat exchanger. Cooling is necessary to simulate a colder flue gas than the one supplied by the test engine. Three different catalysts were tested: CKM42, CKM62 and CKM92. All catalysts contain precious metals, the composition of which is confidential. The efficiency of the catalysts increases with increasing temperature. The efficiency of the catalyst was high at the beginning of the test but dropped with the increasing number of operation hours. After regeneration of the catalysts the efficiency increased shortly. It is close to 100% at a temperature around 620 C independent of the number of operation hours and regeneration.
DGC-rapport 3 During one of the measurements, samples were taken for aldehyde measurements. The results of these measurements showed that the catalyst in question removed 90% of the aldehydes in an operation mode where, at the same time, it removed 80% of the UHC. The temperature of the catalyst was 586 C. CO measurements during all tests showed that the CO emission at high catalyst temperatures was always below the regulatory limit for gas engines of 500 mg/m 3 n. The REKUP principle was tested by using the heat exchanger for increasing the inlet temperature of the catalyst. First, the exhaust gas from the test engine was cooled by cooling and addition of pressurized air. The flue gas temperature before heat exchanger was cooled to approx. 360 C and was heated through the heat exchanged to approx. 540 C. The heat exchanger and REKUP thus had the intended effect. The heat exchanger was not used to its full capacity during the test. In other tests, the exhaust temperature was raised from approx. 360 C before heat exchanger to just below 600 C before catalyst. The REKUP principle had the intended effect! Tests showed that it is possible to use a heat exchanger to increase the flue gas temperature before the catalyst. Furthermore, tests showed that when the temperature is raised sufficiently (to approx. 600-650 C) the efficiency of the catalyst is high (UHC is removed), independent of number of operation hours. This applies to all three tested catalyst formulations. It was demonstrated that the catalyst always sufficiently removed CO from the flue gas in operation modes where the UHC has been removed. A few tests indicate that the REKUP principle will additionally remove aldehydes from the flue gases from gas engines to a level that is very close to the existing Danish regulatory limits.
DGC-rapport 4 Indholdsfortegnelse Side Abstract English... 1 1 Introduktion og baggrund for projektet...6 2 Resume og konklusion... 8 3 Opbygning af forsøgsopstilling... 10 3.1 Setup... 10 3.2 Motoren... 11 3.2.1 Test af motor... 11 3.2.2 Forberedelse af motor... 11 3.3 Varmeveksleren... 12 3.3.1 Dimensionering... 12 3.3.2 Konstruktion... 12 3.3.3 Shipping... 12 3.4 Katalysatoren... 12 3.4.1 Dimensioner... 12 3.4.2 Materiale... 13 3.4.3 Reaktor... 13 3.4.4 Temperaturinterval... 13 3.4.5 Forventet effektivitet af katalysator... 14 3.5 Forsøgsopstilling... 14 3.5.1 Test... 14 3.5.2 Isolering... 14 4 Målinger... 15 4.1 Emissionsmålinger... 15 4.2 Temperaturmålinger... 15 4.3 Trykmålinger... 16 4.4 Andre målinger (motor)... 16 4.5 Dataopsamling... 16 4.6 Måleapparatur... 19 4.7 Måleprogram... 19 5 Forsøgsresultater... 21
DGC-rapport 5 5.1 Katalysator... 21 5.1.1 CKM42... 21 5.1.2 CKM92... 27 5.1.3 CKM62... 34 5.2 Røggasanalyser... 39 5.2.1 UHC målinger med Gaschromatograf (GC)... 39 5.2.2 Aldehyd analyser... 41 5.3 Varmeveksler... 42 5.3.1 Effektivitet... 42 5.3.2 Lækage... 42 5.3.3 Holdbarhed af isolering... 43 5.4 Motor... 43 5.4.1 Oliespild... 43 5.4.2 Motorindstilling... 43 6 Diskussion... 44 Appendiks... 46 Appendiks 1 Tegning af varmeveksler... 47 Appendiks 2 Tegning af reaktor... 49 Appendiks 3 Anvendt måleudstyr... 52
DGC-rapport 6 1 Introduktion og baggrund for projektet Der er i de sidste år gjort en betydelig indsats for at kortlægge omfanget af og årsagerne til uønskede emissioner fra naturgasfyrede gasmotorer, som i stor udstrækning anvendes til decentral kraftvarmeproduktion. Der er i dag installeret ca. 750 motorer med en samlet eleffekt på ca. 950 MW e. Disse værker bruger i alt ca. 1 mia. m 3 naturgas pr. år. Mens NO x -emissionen tidligere var betragtet som den væsentligste forureningskomponent, så er opmærksomheden nu rettet mod kulilte (CO), uforbrændt naturgas (UHC), lugt og senest aldehyder især formaldehyd. Højere skorstene kan dog ikke afhjælpe følgerne af UHC-emissionen, som bidrager væsentligt til drivhusgasemission i form af metan og dermed forringer CO 2 -fordelen ved decentral KV. UHC-emissionen er i 1998 blevet begrænset for nye værker og i 2006 skal eksisterende værker også overholde kravene, som svarer til ca. 3% af motorens brændselsforbrug. Der er derfor behov for nogle emissionsbegrænsende løsninger, som både tilgodeser det nære- og det globale miljø, og som samtidig tager hensyn til værkernes økonomiske muligheder, fx i form af effektivitetsforbedringer. Der eksistere flere forskellige muligheder for reduktion af uønskede emissioner fra gasmotorbaserede kraftvarmeværker. Disse strækker sig fra katalytisk reduktion, som kan virke ved ret lave røggastemperaturer i udstødningen, til regenerative incinereringsanlæg, hvor røggastemperaturen hæves til et niveau, hvor de uønskede komponenter forbrændes. I et tidligere projekt er der undersøgt muligheden for en katalysatorløsning alene, direkte på udstødsgasserne. Denne løsning har vist sig ikke at være optimal, især på grund af for lave røggastemperaturer. Afprøvningen viste, at undergrænsen med hensyn til røggastemperatur er over 400 C, såfremt UHC skal omsættes effektivt. Udstødningstemperaturen for moderne gasmotorer er ca. 400 C, og en af undersøgelsens konklusioner var, at røggastemperaturen skal forøges, fx ved støttefyring eller varmegenvinding. Der blev samtidig undersøgt muligheden for modifikation af brændslet eller anvendelse af tilsætningsstoffer hertil for ad den vej at forbedre forbrændingen. Disse løsninger er p.t. ikke økonomisk attraktive.
DGC-rapport 7 I Nordborg på Als er installeret et regenerativt incinereringsanlæg for at fjerne uønsket lugt og UHC fra udstødningen på gasmotorerne. Anlægget fjerner størstedelen af UHC og lugt og har derfor løst problemerne. Anlægget er imidlertid dyrt. Formålet med REKUP projektet er at finde en løsning, som ligger mellem en ren katalysatorløsning og incinereringsløsningen. Med en varmeveksler hæves temperaturen til et niveau, hvor eksisterende katalysatorer fungerer stabilt. Energiindholdet i den uforbrændte gas anvendes til at opretholde temperaturforskellen i varmeveksleren. Der tilføres derfor ingen ekstern energi til reaktionen under drift. Med 3% UHC eller derover vil en hævning af temperaturen før katalysatoren på 100 C kunne opnås med en vekslereffektivitet på ca. 75%. Det overordnet formålet med REKUP-systemet er at reducerer emitterede drivhusgasser (UHC). Samtidig opnås der også reduktion af skadelige og generende emissioner i nærmiljøet (aldehyder og lugt) der bliver omsat i katalysatoren. Det vil yderlige være muligt at benytte overskydende energi fra processen til at øge værkets totalvirkningsgrad. Projektet blev gennemført af DGC under Elkrafts PSO-program, 2001, med støtte fra Elkraft System og gasselskaberne. Samarbejdsparterne i projektet var Haldor Topsøe A/S (HTAS), som leverede katalysatorer og reaktor, samt Balcke-Dürr Energietechnik (BDT) i Tyskland, som leverede varmeveksleren. En 30 kw el gasmotor i DGC s laboratorium blev anvendt i forsøgene. Rapporten er kvalitetssikret af Per G. Kristensen, DGC. Niels Bjarne Rasmussen, DGC har været projektleder. Hørsholm, februar 2004 Niels Bjarne Rasmussen Projektleder Per G. Kristensen Afdelingschef
DGC-rapport 8 2 Resume og konklusion Idéen med forsøgsprojektet REKUP var at finde en løsning, som ligger mellem en ren katalysatorløsning og incinereringsløsningen. Med en varmeveksler hæves røggastemperaturen til et niveau, hvor eksisterende katalysatorer fungerer stabilt. Energiindholdet i den uforbrændte gas anvendes til at opretholde temperaturforskellen i varmeveksleren. Der tilføres derfor ingen ekstern energi til reaktionen under drift. Samtidig opnås der også reduktion af skadelige og generende emissioner i nærmiljøet (CO, aldehyder og lugt), da disse også bliver omsat i katalysatoren. Det vil yderligere være muligt at benytte overskydende energi fra processen til at øge kraftvarmeværkets totalvirkningsgrad. Opstillingen består, foruden af motoren, som leverer røggassen, af to rør til køling af røggassen, en varmeveksler, samt en reaktor med en katalysator. Forskellige ventiler benyttes ved regulering af flow, og der er målepunkter/røggasudtag, hvor der måles temperaturer og emissioner i røggassen. Røggassen fra gasmotoren er ca. 500-600 C. Det er muligt at opnå yderligere køling ved at tilsætte trykluft lige før varmeveksleren. Køling er nødvendig for at simulere en koldere røggas end den, forsøgsmotoren giver. Der blev afprøvet 3 forskellige katalysatorer, CKM42, CKM62 og CKM92. Alle indeholder ædelmetaller, men den nøjagtige sammensætning er hemmelig. Katalysatorernes effektivitet stiger med stigende temperatur. Katalysatoren havde en stor effektivitet i forsøgets start, men faldt med antallet af driftstimer. Efter en regenerering af katalysatorerne steg effektiviteten igen kortvarigt. Effektiviteten er tæt på 100 %, når temperaturen er omkring 620 C uafhængigt af antallet af driftstimer og regenerering. Ved en enkelt måling blev der taget prøver til måling af aldehyder. Resultaterne viste, at den aktuelle katalysator rensede 90% for aldehyder i en driftstilstand, hvor den samtidig rensede for 80% af UHC. Temperaturen i katalysatoren var da 586 C.
DGC-rapport 9 CO-målinger gennem alle forsøg viste, at CO-emissionen ved en høj katalysatortemperatur i alle tilfælde var under grænseværdien på 500 mg/m 3 n, som skal overholdes for gasmotorer. REKUP-princippet blev afprøvet med anvendelse af varmeveksleren til at hæve indgangstemperaturen til katalysatoren. Her blev udstødningsgassen fra forsøgsmotoren først afkølet ved køling og tilsætning af trykluft. Røggastemperaturen før varmeveksleren blev kølet til ca. 360 C og blev opvarmet gennem varmeveksleren til ca. 540 C. Varmeveksleren og REKUP virkede således efter hensigten. Ikke hele varmevekslerens kapacitet blev udnyttet ved forsøget. I andre forsøg blev udstødstemperaturen hævet fra ca. 360 C før varmeveksleren til knapt 600ºC før katalysatoren. REKUP-princippet virkede. Forsøgene viste, at det er muligt at benytte en varmeveksler, således at varmeudviklingen fra katalysatoren benyttes til at hæve røggastemperaturen før katalysatoren. Det blev yderlige konstateret, at når temperaturen hæves højt nok (til ca. 600-650 C), så er katalysatorens effektivitet høj, uafhængigt af antallet af driftstimer. Dette gælder for alle de tre afprøvede katalysatorformuleringer. Det blev påvist, at katalysatoren i alle tilfælde renser røggassen tilstrækkeligt for CO, når også UHC er fjernet. Enkelte målinger indikerer, at REKUP-konceptet endvidere vil kunne rense røggasserne fra gasmotorer for aldehyder til et niveau, som er meget tæt på de gældende grænser.
DGC-rapport 10 3 Opbygning af forsøgsopstilling 3.1 Setup Forsøgsopstillingen er skitseret i figur 1. Opstillingen består af to rør til køling af røggassen, en varmeveksler, samt en katalysator. Syv ventiler benyttes ved regulering af flow. Der er 8 målepunkter, hvor der måles temperaturer, og hvor der også er røggasudtag, hvor der kan måles på røggassen. Følgende røggaskoncentrationer er målt CO, CO 2, O 2, UHC og NO/NO x. Røggassen fra gasmotoren er ca. 500-600 C. Kølingen af røggassen sker ved at regulere på ventil 1, 2 og 3. Det er muligt at opnå yderligere køling ved at tilsætte trykluft lige før varmeveksleren. Det er muligt at lede røggassen uden om opstillingen via ventil 4. Røggassen kan ledes uden om varmeveksleren via ventil 6 og gennem varmeveksleren via ventil 5. Røggasmålingerne er kontinuert fortaget efter katalysatoren i punkt 6. Der er fortaget punktvise målinger af røggassen i resten af målepunkterne. Placering af målepunkter: Punkt 1: Røggas sammensætning direkte fra motor Punkt 2: Røggas sammensætning efter køling Punkt 3: Røggas sammensætning før varmeveksler (efter evt. trykluft) Punkt 4: Røggas sammensætning efter varmeveksler (før katalysator) Punkt 5: Røggas sammensætning før katalysator (efter bypass) Punkt 6: Røggas sammensætning efter katalysator Punkt 7: Røggassammensætning efter varmeveksler (efter katalysator) Målepunkt 5 blev yderligere benyttet til at tilsætte brint ved regenerering af katalysatoren.
DGC-rapport 11 Figur 1. Skitse af REKUP opstilling. 3.2 Motoren 3.2.1 Test af motor Motoren, som står i DGC s laboratorium, havde ikke kørt i nogle år, før REKUP-projektet. Der skulle installeres en ny PLC-styring, og diverse ledningsføringer skulle genetableres. Motoren blev klargjort, og en testkørsel på 10 timer på el-nettet blev gennemført med succes. Varme fra køling af motoren sendes til køletårn. Udnyttelse af varmen ville være for kostbar at etablere. Motoren kan køre på auto og på manuel. Ved auto indstilles eleffekten på en konstant værdi, og resten indretter sig derefter. Ved manuel indstiller man omdrejningstallet på en konstant værdi, som derefter holdes. 3.2.2 Forberedelse af motor Der blev etableret en sikkerhedsafbrydelse af motoren ved for høj målt katalysatortemperatur (målt med termoelement efter katalysator). Denne afbryder lukker brat for motoren og dermed også for gastilførslen. Udstødsrør fra
DGC-rapport 12 motoren til køling og katalysator blev isoleret med varmefast mineraluld. Det blev på forhånd skønnet, at UHC-mængden fra motoren ville være ca. 3-5% af indfyret mængde med en temperatur i udstødningen på ca. 500. 3.3 Varmeveksleren 3.3.1 Dimensionering Fra forprojektet til REKUP blev det konstateret, at der vil være behov for varmevekslereffektivitet på op til 90 %, hvis alle kraftvarmeværker skal dækkes. Tager man imidlertid kun de værker, som har den højeste emission af UHC er behovet kun op til 70-75 %. Det blev valgt at gå efter en effektivitet på veksleren på ca. 85 %. 3.3.2 Konstruktion BDT stod for konstruktionen, fremstillingen og leveringen af varmeveksleren. I Appendiks 1 ses tegninger af varmeveksleren sendt fra BDT. Der blev foretaget enkelte rettelser på den endelige konstruktion i forhold til udkastet fra BDT. Konstruktionen er en pladevarmeveksler. Veksleren blev bygget hos BDT i efteråret 2001. Materialet er stål 1.4571 for alle dele. Vægten er 1200 kg. Længden af selve vekslerenheden er ca. 3,3 m, og den samlede længde er ca. 4,5 m. Højden på vekslerenheden er ca. 1,1 m. Tykkelsen er knapt 20 cm. Der er 12-13 passager i hver retning. Det vil sige, at der er ca. 8 mm til hver passage inklusiv pladetykkelsen. Teoretiske beregninger på effektiviteten af denne konstruktion viste ca. 86%, hvilket var over den dimensionerende effektivitet. 3.3.3 Shipping Varmeveksleren blev leveret med fragtmand fra Tyskland i december 2001. Der måtte lejes kran for at aflæsse varmeveksleren. 3.4 Katalysatoren 3.4.1 Dimensioner Katalysatorerne bestå af 3 skiveformede blokke af monolitter med en diameter på 330 mm og en højde på ca. 150 mm. Hver blok er som oprullet bølgepap med cellediameter på ca. 2,2mm (120 celler/inch). Blokkene monte-
DGC-rapport 13 res med 10 mm mellemrum, således at katalysatorens samlede højde er ca. 480 mm. Det samlede volumen af katalysatoren er derfor ca. 41 liter. 3.4.2 Materiale Alle tre katalysatorer, CKM42, CKM62 og CKM92 består af wash coat pålagt monolitten. Derefter er pålagt ædelmetaller og metaloxider. Der indgår ædelmetallerne Paladium og Rhodium, hvor Rhodium er dyrest. Der er en stor variation i prisen for katalysatorer. Det billigste koster omkring 100kr/l, mens det dyreste koster omkring 2500 kr/l. CKM42: Forholdsvis billig CKM62: Mellempris CKM92: Kostbar Yderligere blev platin overvejet som katalysatormateriale, da det er effektivt. Det blev forkastet, da der opstår problemer med materialet ved temperaturer over 500 C. 3.4.3 Reaktor Reaktoren er konstrueret sådan, at katalysator-blokkene kan nedsænkes deri, og sådan, at den passer til flangetilslutningerne til varmeveksleren. Tegningen i Appendiks 2 viser konstruktionen. Efter levering blev lågets fastgøring ændret, så det blev holdt på plads med en fjederpåvirkning. Herved kan låget virke som eksplosionsklap, hvis utilsigtede pludselig antændelse af brændbare gasser skulle ske. For at undgå skævt flow gennem katalysatoren, blev der placeret en prelplade ca. midt i under låget lige ud for indløbet til reaktoren fra varmeveksleren. Herved bliver trykforskelle neutraliseret over katalysatoren, og strømningen ned gennem katalysatoren er mere ligeligt fordelt. 3.4.4 Temperaturinterval Katalysatorens middeltemperatur skal være over 400 C for alle tre katalysatorer, for at der opnås reaktion. Følgende temperaturinterval blev benyttet for de tre katalysatorer:
DGC-rapport 14 Tabel 1. Temperaturer før/efter katalysator Røggastemperatur Røggastemperatur Middeltemperatur ind i katalysator ud af katalysator CKM42 407 C 537 C 427 C 578 C 436 C 551 C CKM92 376 C 624 C 365 C 650 C 403 C 635 C CKM62 412 C 627 C 359 C 660 C 400 C 635 C 3.4.5 Forventet effektivitet af katalysator Den forventede effektivitet for katalysatorerne var omkring 90% ved start og langsomt aftagende med ældningen/henfaldet af katalysatorerne. Det var forventet, at en udløbstemperatur på ca. 550 ºC ville betyde, at i det mindste én af katalysatorerne ville opnå acceptabel stabil rensning for UHC (om end under 90% ). 3.5 Forsøgsopstilling 3.5.1 Test Der blev kørt nogle testkørsler på forsøgsopstillingen før isoleringen af anlægget. Dels blev dataopsamlingsprogrammet testet, og dels blev tætheden af systemet testet. Målinger af temperaturen gennem varmeveksleren ved forskellige driftsbetingelser blev anvendt til estimering af varmevekslerens virkningsgrad. Denne blev fundet til 88-89%, dvs. lidt over det lovede fra BDT. 3.5.2 Isolering Hele systemet fra motor over varmeveksler til reaktor og tilbage til udsugning ved loft blev herefter isoleret. Varmeveksleren og reaktoren fik en isoleringstykkelse på 40 cm, mens rørene fik en isolering på 10 cm. Det beregnede varmetab fra hele systemet blev beregnet til 1-2 kw svarende til 1-2% af den indfyrede effekt.
DGC-rapport 15 4 Målinger 4.1 Emissionsmålinger Følgende røggaskoncentrationer blev målt kontinuert: Oxygen O 2 Vol % Carbonmonoxid CO Vol % Carbondioxid CO 2 Vol % Nitrogenoxid NO/NO x Vol ppm UHC Vol ppm (CH4 ækvivalent) Målinger blev fortaget kontinuert i målepunkt 6, efter katalysatoren, dog blev der lavet punktvise målinger i de øvrige målepunkter. UHC analyser af røggassen på gaschromatograf (GC) blev fortaget 3x2 gange. Røggassen blev udtaget ved målepunkt 5 og 6 henholdsvis før og efter katalysatoren. Yderligere blev der udtaget 2x2 røggasprøver til eksterne analyser for aldehyder. Prøverne blev udtaget i målepunkt 2 (før varmeveksleren) og i målepunkt 6 (efter katalysatoren). Analyserne blev fortaget af Teknologisk Institut. 4.2 Temperaturmålinger I alt 13 temperaturføler måler løbende temperaturen på opstillingen. T1-T8 svarer til målepunkterne i figur 1. T1 Røggassens udstødningstemperatur fra turbolader T2 Røggastemperaturen efter køling T3 Røggastemperaturen efter evt. tilsætning af trykluft (temperaturen før varmeveksleren) T4 Røggastemperaturen efter fremløb i varmeveksler (før katalysator) T5 Røggastemperaturen før katalysatoren T6 Røggastemperaturen efter katalysatoren T7 Røggastemperaturen efter retur i varmeveksler (efter katalysator) T8 Røggastemperaturen i røggas til afkast
DGC-rapport 16 Yderligere måles Kølevandstemperaturen (til motoren) Kølevandstemperaturen (fra motoren) Gassens temperatur Temperatur af ladeluft Rumtemperaturen 4.3 Trykmålinger Følgende trykmålinger fortages Ladeluftstrykket Gassens tryk Rumtryk Trykfaldet over katalysatoren Udstødningsgassens tryk 4.4 Andre målinger (motor) Gasflow El Vandflow 4.5 Dataopsamling Data fra emissionsmåleudstyret, tryk- og temperaturfølere samt flowmålere blev opsamlet automatisk ved hjælp af et dertil udviklet program (figur 2). Måling foregik typisk med 5 s interval, og data blev gemt med 60 s interval. For de fleste målinger blev der gemt øjebliksværdier. El-effekt blev gemt som gennemsnit over den pågældende periode, dvs. over 60 s. De i dataopsamlingsprogrammet anvendte formler, hhv. kalibreringskurver til omregning af de målte emissions- og tryksignaler er givet i tabel 2.
DGC-rapport 17 Tabel 2. Omregningsformler til målte emissions- og tryksignaler (x = signal [V]) O 2 y = 100 x CO 2 y = 1.5 x CO y = 200 x NOx y = 25 x UHC y = M/10 x (M = måleområde, angives på skærmen) ladeluft tryk y = 499.21 x - 993.83 gas tryk y = 125.1764 x - 248.31506 gas flow y = 1.44 x el effekt y = 4.9872 x - 0.0529 p reaktor y = 20 x udstødning tryk y = 624.85 x - 1258.8 atmosfære tryk y = (-0.0032 + 1.99598 * x + 0.00026 x 2 ) * 1000
DGC-rapport 18 Figur 2. Screen plot for dataopsamlingsprogram
DGC-rapport 19 4.6 Måleapparatur I Appendiks 3 ses data for måleudstyret, som er anvendt i projektet. 4.7 Måleprogram Det oprindelig måleprogram var identisk for de tre katalysator. Kun katalysator CKM42 fulgte til dels forsøgsplanen. Målsætningen var at afprøve katalysatoren ved en udgangstemperatur på 560ºC ud af katalysatoren. Med enkelte temperatur variationer, hvor udgangstemperaturen sænkes til respektive 530ºC og 500ºC. De øvrige katalysatorer blev afprøvet i et betydelig større temperaturinterval. Det planlagte måleprogram ses i tabellen herunder.
DGC-rapport 20 Tabel 3 Planlagt måleprogram for REKUP
DGC-rapport 21 5 Forsøgsresultater 5.1 Katalysator 5.1.1 CKM42 Katalysator CKM42 blev afprøvet i perioden 18/6-2002 til 12/7-2002. Hovedpunkterne fra forsøgets logfil er gengivet i tabel 4 og forsøgsresultaterne er vist i figur 3. Tabel 4. Logfil CKM42 Dato Driftstimer 18-6 Opstart 0 19-6 UHC prøver til gaschromatograf 20 19-6 Trykluft på 22 27 20-6 Trykluft på 44 45 24-6 Afprøvning af REKUP princippet 137 143 røggas gennem varmeveksler + Trykluft 26-6 Ændring på køling for at hæve temperaturen 185 27-6 Ændring på køling for at hæve temperaturen 208 28-6 Fejl UHC målinger 246 248 1-7 Ændring på køling for at hæve temperaturen 304 3-7 UHC måler kalibreres 352 4-7 Regenerering af katalysator med flaskegas 380 5-7 Justering af køling 399-405 6-7 Justering af køling 423 8-7 8-7 9-7 Kalibrering af UHC UHC målinger udeladt 471 471 494 9-7 Forsøg afsluttes 498 9-7 Forsøg genstartes 498 499 Fuld køling +Trykluft 12-7 Genstart af motor 499 12-7 Temperatur afhængighed afprøves 500.3 12-7 Kalibrering af UHC 500.8 12-7 Køling åbnes gradvis 503 12-7 UHC prøver til gaschromatograf 506 12-7 Forsøget afsluttes Fuld køling + trykluft motoren slukkes 507
DGC-rapport 22 Forsøgsresultaterne er vist i figur 3, hvor målte UHC (uforbrændt kulbrinte) koncentrationer og katalysatorens middeltemperatur er vist som funktion af driftstimer. Kun data hvor motoren har været i drift, og hvor katalysatorens middeltemperatur har været over 400 C er regnet som driftstimer. Timer hvor katalysatoren har været under regenerering er ligeledes udeladt. 7000 560 UHC [ ppm ] 6000 5000 4000 3000 2000 1000 540 520 500 480 460 440 420 UHC3 UHC4 UHC5 UHC6 UHC7 tmiddel Temperature [ C ] 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Driftstimer 400 Figur 3. CKM42. UHC målinger og middeltemperatur som funktion af katalysatorens driftstimer. 5.1.1.1 Afprøvning af REKUP princippet REKUP princippet blev afprøvet efter 137 driftstimer. Meningen med REKUP princippet er at benytte en varmeveksler til at hæve udstødningstemperaturen før katalysatoren. I forsøget blev udstødningsgassen afkølet ved køling og tilsætning af trykluft for at simulere en koldere røggas. Herved blev røggassen fortyndet, således at UHC5 (og UHC4) faldt til ca. 3500 ppm. Røggastemperaturen før varmeveksleren (målepunkt 3) faldt til ca. 360 C og blev opvarmet til ca. 540 C (målepunkt 4) gennem varmeveksleren. Varmeveksleren virkede således efter hensigten. Den store variation i
DGC-rapport 23 UHC5 målingerne (3300 ppm til 3900 ppm ) skyldes at der blev fyldt olie på motoren under forsøget. 5.1.1.2 Temperaturafhængighed. Temperaturafhængigheden blev afprøvet efter 500 driftstimer, men UHC6 blev desværre ikke målt. I stedet er benyttet resultater efter 28 driftstimer, 304 driftstimer, 398 driftstimer og 423 driftstimer, hvor kølingen er ændret for at hæve temperaturen. Resultaterne er vist i figur 4, hvor katalysatorens reaktivitet som funktion af katalysatorens middeltemperatur er afbillet. Katalysatorens reaktivitet kan beregnes som: flow UHC5 ln K = ln ln. katvolume UHC6 Enheden på katalysatorens reaktivitet, K, er [timer -1 ], idet flow opgives i Nm 3 /h og kat(alysator)volume i m 3. Reaktionshastigheden, R, for omdannelse af UHC fås derefter af R = K*C hvor C er koncentrationen af UHC. Det målte gasflow er korrigeret for lækage i varmevekslerne. I den første del af forsøget var der en lækage i varmeveksleren mellem de to sider. Lækagen var usandsynlig, men ikke desto mindre sikkert målt til 15% i begyndelsen af forsøget, idet der blev konstateret en større koncentration af UHC ved udløb i punkt 7 efter varmeveksleren end i punkt 6 lige før retur i varmeveksleren. Flowet er korrigeret således, at der antages nul reaktion gennem varmeveksleren, men et bypass af røggas i en vis mængde fra punkt 4 til punkt 7, så de målte koncentrationer stemmer overens. Lækagen udgør ca. 15 % de første 200 timer, falder til ca. 10 % ved 300 timer og udgør ca. 5 % eller mindre efter 350 timer. Der er korrigeret for 15 % lækage fra 0 250 driftstimer og 10 % lækage fra 250 350 driftstimer. De 5 % lækage er inden for usikkerheden på målingerne.
DGC-rapport 24 9 lnk_208 lnk_304 8.5 lnk_398 lnk_423 lnk 8 7.5 7 505 510 515 520 525 530 535 540 545 550 555 Tempeature [ C ] Figur 4. Katalysatorens reaktivitet som funktion af temperaturen for forskellige antal driftstimer. Katalysatorens reaktivitet stiger eksponentielt med stigende temperatur, dvs lnk stiger lineært. Det fremgår tydeligt at reaktiviteten af katalysatoren falder med antallet driftstimer, idet at kurverne er parallelforskudt mod højere temperaturer ved større driftstid. Den sorte kurve er efter regenereringen med flaskegas (380 driftstimer), og det ses at katalysatoren ikke helt opnår den reaktivitet som den havde ved forsøgets start. Den eksponentielle stigning er forventet i henhold til Arrhenius-udtrykket for reaktionen i katalysatoren. 5.1.1.3 Effektivitet Katalysatorens effektivitet, udtrykt som forholdet mellem UHC6/UHC5 er vist som funktion af temperaturen af røggassen ud af katalysatoren (T6) i figur 5.
DGC-rapport 25 CKM42 1 0.9 0.8 0.7 0-20 hours 20-80 hours 80-200 hours 200-380 hours 380-507 hours UHC6/UHC5 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 400 450 500 550 600 650 Average Temperature [ C ] Figur 5. Katalysator CKM42, Effektivitet som funktion af middeltemperaturen og driftstiden (100 % effektivitet ved UHC6/UHC5 = 0). Hovedparten af forsøget er afprøvet ved en udgangstemperatur på ca. 550 C, hvilket svarer til en middeltemperatur noget under 550 C. Som det ses, variere rensningseffektiviteten fra 100 % (UHC6/UHC5 = 0) og ned til ca. 25 % ved de 550 C (UHC6/UHC5 = 0.75). Som nævnt ovenfor, så skyldes det, at katalysatorens reaktivitet falder med stigende antal driftstimer og dermed også katalysatorens effektivitet. Temperaturafhængigheden fremgår ligeledes af figuren, hvor effektiviteten stiger (UHC6/UHC5) falder med stigende temperatur. Som ovenfor skyldes parallelforskydningen af kurverne ved lave temperaturer antallet af driftstimer og evt. regenerering af katalysatoren. 5.1.1.4 Tidsafhængighed I figur 6 er reaktiviteten afbillede som funktion af driftstimer for forskellige temperaturer ± 3 C.
DGC-rapport 26 11 10 T440 T460 T450 T470 9 T480 T490 ln K T500 T510 8 T520 T530 7 T540 T550 6 0 100 200 300 400 500 Driftstimer Figur 6. Katalysator CKM42. De afbillede temperaturer er temperaturintervaller, hvor den angivet temperatur er ± 3 C. Det er tydeligt at reaktiviteten er højest i starten af forsøget, hvor lnk er størst og tæt på at være ens for alle kurverne. Reaktiviteten falder hurtigt i starten og derefter tilnærmelsesvis lineær efter 50 driftstimer og op 380 timer hvor der fortages regenerering af katalysatoren. Hældningen af kurverne falder med stigende temperatur. Det betyder, at katalysatorens reaktivitet falder hurtigst ved lavere temperaturer og mindre ved højere temperaturer. Ligesom ved forsøgets start ses, at reaktiviteten er næsten den samme for alle temperaturer lige efter regenereringen. Til gengæld falder reaktiviteten hurtigere, dvs. kurverne er betydeligt mere stejle end i forsøgets start. Det betyder at regenereringen i praksis ikke er effektiv. Driftstidens indflydelse på rensningseffektiviteten kan ligeledes ses af figur 5.
DGC-rapport 27 5.1.2 CKM92 Katalysator CKM92 blev afprøvet i perioden 20/8-2002 til 1/11-2003. Hovedpunkterne fra forsøgets logfil er gengivet i tabel 5 og forsøgsresultaterne er vist i figur 7. Tabel 5. Logfil CKM92 Dato Driftstimer 20-8 Opstart 0 22-8 Temperaturafhængighed afprøves 43 45 22-8 REKUP princippet afprøves 46 51 26-8 Motorstop 150 29-8 Opstart 150 3-9 UHC prøver til gaschromatograf 265 3-9 Temperaturafhængighed afprøves 269 272 4-9 Trykluft på for at sænke UHC5 290 295 20-9 Motorstop 677 20-9 Opstart 677 22-8 Køling justeres 717 946 25-9 Temperaturafhængighed afprøves 795 799 1-10 Røggas gennem varmeveksler for at hæve temperaturen i 932 984 3-10 katalysatoren 3-10 4-10 Røggas gennem varmeveksler, for at genskabe situation, hvor der dannes UHC i katalysatoren Trykluft på i 5 min for at sænke temperaturen 986 1013 (987) 7-10 Røggas gennem varmeveksler 1078 1084 8-10 Regenerering af katalysatoren med flaskegas 1103 8-10 Temperaturafhængighed afprøves 1103 1105 13-10 Forsøg afsluttes (i første omgang) 1221 25-10 Opstart af motor 1221 25-10 Kalibrering af UHC måler 1223 29-10 UHC prøver til gaschromatograf 1314 28-10 30-10 Røggas gennem varmeveksler, for at genskabe situation, hvor der dannes UHC i katalysatoren Trykluft på 1289 1339 1318 1338 30-10 Køling på for at sænke temperaturen + 1341 1342 Trykluft på 30-10 Motorstop 1342 30-10 Opstart 1342 31-10 Forsøg afsluttes 1360
DGC-rapport 28 Forsøgsresultaterne er vist i figur 7, hvor målte UHC (uforbrændt kulbrinte) koncentrationer og katalysatorens middeltemperatur er vist som funktion af driftstimer. Kun data hvor motoren har været i drift og hvor katalysatorens middeltemperatur har været over 400 C er regnet som driftstimer. Timer hvor katalysatoren har været under regenerering er ligeledes udeladt. 10000 700 9000 650 UHC3 UHC4 8000 600 UHC5 7000 550 UHC6 UHC [ ppm ] 6000 5000 4000 3000 500 450 400 350 Temperatur [ C ] UHC7 tmiddel 2000 300 1000 250 0 200 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 Driftstimer Figur 7. CKM92. UHC målinger og middeltemperatur som funktion af katalysatorens driftstimer. 5.1.2.1 Afprøvning af REKUP princippet REKUP princippet blev afprøvet ved 46 driftstimer. I forsøget blev udstødningsgassen afkølet ved køling og tilsætning af trykluft. Herved blev røggassen fortyndet, således at UHC5 (og UHC4) faldt til ca. 3000 ppm. Røggastemperaturen før varmeveksleren (målepunkt 3) faldt til ca. 360 C. og blev opvarmet til ca. 540 C (målepunkt 4) gennem varmeveksleren. Varmeveksleren virkede således efter hensigten.
DGC-rapport 29 5.1.2.2 Temperatur afhængighed Temperaturafhængigheden blev afprøvet 5 gange i løbet af forsøgsperioden. Efter 43 driftstimer, efter 269 driftstimer og efter 795 driftstimer efter 1103 driftstimer og efter 1290 driftstimer. Resultaterne er vist i figur 8, hvor katalysatorens reaktivitet som funktion af katalysatorens middeltemperatur er afbillet. Opstart efter 150 driftstimer og efter 677 driftstimer er ligeledes vist som punkter. Se figur 8. 10 9.5 lnk_43 lnk_269 lnk_150 lnk_677 9 8.5 lnk_795 lnk_1290 lnk_1103 lnk 8 7.5 7 6.5 6 425 450 475 500 525 550 575 600 625 Middel temperatur [ C ] Figur 8. Katalysatorens reaktivitet som funktion af temperaturen for forskellige antal driftstimer. Det fremgår tydeligt at reaktiviteten af katalysatoren falder med antallet driftstimer, idet at kurverne er parallelforskudt mod højere temperaturer ved længere driftstid. Den sorte kurve er lige efter regenereringen med flaskegas (1103 driftstimer). Det ses, at katalysatoren ikke helt opnår den reaktivitet, som den havde ved forsøgets start, specielt ikke ved lavere temperaturer. Katalysatorens reaktivitet stiger eksponentielt, dvs. lnk stiger lineært med stigende temperatur i opstartssituationerne (punkterne). Forløbet under temperaturafprøvningerne er lidt anderledes, da kurven er S-formet, når temperaturen sænkes, og tilnærmelsesvis lineær, når temperaturen hæves. Den
DGC-rapport 30 sorte kurve er lidt anderledes, idet temperaturafhængigheden er afprøvet umiddelbart efter regenereringen. Det forklarer den næsten konstante høje reaktivitet selv om temperaturen sænkes i starten. 5.1.2.3 Effektivitet Katalysatorens effektivitet, udtrykt som forholdet mellem UHC6/UHC5 er vist som funktion af temperaturen af røggassen ud af katalysatoren (T6) i figur 9. CKM92 1 UHC6/UHC5 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0-20 hours 20-80 hours 80-200 hours 200-500 hours 500-1103 hours 1103-1360 hours 0.3 0.2 0.1 0 400 450 500 550 600 650 Average Temperature [ C ] Figur 9. Katalysator CKM92, Effektivitet som funktion af middeltemperaturen og driftstiden. (100 % effektivitet ved UHC6/UHC5 =0). Billedet er det samme som for katalysator CKM42, katalysatorens effektivitet stiger med stigende temperatur (UHC6/UHC5 falder). Effektiviteten er ca. det samme ved 550 C i udgangstemperatur, hvilket svarer til en middeltemperatur noget under 550 C, hvor effektivitet falder til ca. 30 % efter et vist antal driftstimer. Det er værd at bemærke at effektiviteten er tæt på 100 % (UHC6/UHC5 = 0) når middeltemperaturen er omkring de 620 C uafhængigt af antallet af driftstimer.
DGC-rapport 31 5.1.2.4 Tidsafhængighed. I figur 10 er reaktiviteten afbillet som funktion af driftstimer for forskellige temperaturer ± 3 C. 10 T410 T420 9.5 T430 T440 T450 T460 9 T470 T480 8.5 T490 T500 lnk 8 T510 T520 T530 T540 7.5 T550 T560 7 T570 T580 6.5 T590 T610 T600 T620 6 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 T630 Driftstimer Figur 10. Katalysator CKM92. De afbildede temperaturer er temperaturintervaller, hvor den angivne temperatur er ± 3 C. Forsøgene kørte kun stabilt i en længere periode indenfor temperaturintervallet 517-573 C (middeltemperatur). Det er tydeligt, at reaktiviteten er højest i starten af forsøget, hvor ln(k) er højest og tæt på at være ens for alle kurverne. Reaktiviteten falder hurtigt i starten og derefter tilnærmelsesvis lineær efter 50 driftstimer og op 1000 timer. Hældningen af kurverne falder med stigende temperatur. Det betyder, at katalysatorens reaktivitet falder hurtigst ved lavere temperaturer, og mindre ved højere temperaturer. Omkring 1000 timer hæves reaktiviteten. Det skyldes at der har været trykluft på, og det har haft den effekt, at katalysatoren er blevet delvist regenereret. Ligeledes ses der en stigning i reaktiviteten ved 1103 timer, hvor regenerering fortages. Ligesom ved forsøgets start ses, at reaktiviteten er næsten den samme for alle temperaturer lige efter regenereringen. Til gengæld så falder
DGC-rapport 32 reaktiviteten hurtigere, dvs. kurverne er betydeligt mere stejle end i forsøgets start. Det betyder, at regenereringen i praksis ikke er effektiv. Forsøgene blev genstartet efter en pause på 12 dage ved 1221 driftstimer. Igen ses en stigning i katalysatorens reaktivitet svarende til, at katalysatoren blev regenereret, og igen ses et hurtigt fald i katalysatorens reaktivitet, så snart forsøget er i gang. Det er værd at bemærke, at katalysatorens høje reaktivitet ved de høje temperaturer (600 C) genvindes. Den tidsafhængige reaktivitet kan ligeledes ses af figur 9. 5.1.2.5 Afprøvning af katalysatoren ved høje temperaturer. Når røggassen blev sendt igennem varmeveksleren for at hæve temperaturen i katalysatoren op i nærheden af de 600 C, så skete der noget overraskende i forsøget, idet der skete en reduktion af UHC gennem varmeveksleren og en produktion af UHC gennem katalysatoren. Det blev observeret første gang efter 982 driftstimer og situation blev genskabt efter 1005 driftstimer. 7000 6000 5000 650 600 550 UHC3 UHC4 UHC5 UHC6 UHC7 T3 T4 T5 T6 T7 UHC [ ppm ] 4000 3000 2000 500 450 400 Temperatur [ C ] 1000 350 0 300 975 980 985 990 995 1000 1005 1010 Driftstimer Figur 11. Afprøvning af katalysator ved høje temperaturer.
DGC-rapport 33 UHC falder gennem varmeveksleren fra næsten 6000 ppm (UHC3) til omkring 1500 ppm (UHC4). Reaktionen forsætter uden for varmeveksleren i rørstykket mellem katalysator og varmeveksler, idet UHC5 er helt ned på omkring 150 350 ppm. Gennem katalysatoren dannes der UHC. UHC6 er helt oppe på omkring 900 ppm ved 983 driftstimer. Temperaturen er størst ved målepunkt 7 dvs. ved varmevekslerens udløb. Da røggas temperaturen er lavere i målepunkt 4 og i målepunkt 6, så tyder det på, at reaktionen foregår i begyndelsen af varmeveksleren. Ud over at røggastemperaturen er så høj, at der forbrændes UHC i varmeveksleren, så er det værd at bemærke, at katalysatoren har den modsatte effekt, idet der dannes UHC i katalysatoren. Situation blev genskabt efter regenereringen af katalysatoren ved 1300 til 1350 driftstimer, med en endnu højere middeltemperatur. Dette forsøg viste også, at når temperaturen er høj nok, så er katalysatoren 100 % effektiv, se figur 7, hvor UHC6 og UHC7 er nede på 0, når middeltemperaturen er over 600 C. Det skal her bemærkes at katalysatorens reaktivitet er faldet drastisk ved lavere temperaturer (figur 10).
DGC-rapport 34 5.1.3 CKM62 Katalysator CKM62 blev afprøvet i perioden 6/11-2002 til 6/12-2002. Hovedpunkterne fra forsøgets logfil er gengivet i tabel 6 og forsøgsresultaterne er vist i figur 12. Tabel 6. Logfil CKM62 Dato Driftstimer 6-11 Opstart 0 6-11 Motoreffekt justeres pga. lav UHC 0 5 7-11 Røggas gennem varmeveksler, men REKUP virker ikke 21.6 7-11 Op i motoreffekt for at få mere UHC 21.6 7-11 Blandeskruen stilles så blanding bliver mere magre 23.4 7-11 Temperaturafhængighed afprøves 24.4 28 8-11 Kalibrering af UHC måler 53.5 10-11 Motorstop 100 13-11 Opstart, ingen køling, røggas direkte til katalysator 100 13-11 Justering af motor 104 14-11 Motor stoppet (normal stop procedure) 119 14-11 Opstart 119 15-11 Motor stoppet 139 15-11 Opstart 139 21-11 Justering af motor for at få mere UHC 283 21-11 Ladetryk sættes ned 286.7 22-11 Afprøvning af varmeveksler 305 378 22-11 Justering af flow gennem varmeveksler 305 305.5 22-11 Gasflow sænkes så UHC stiger 305.5 22-11 Motor stoppet 308.3 Opstart umiddelbart efter, gasblandingen reguleret al røggas gennem varmeveksler 25-11 Fuld køling al røggas gennem varmeveksler 378 25-11 Motorstop, genstartes men stopper umiddelbart efter 378.8 2-12 Opstart, Kalibrering af UHC måler 378.8 2-12 Motorstop, genstartes umiddelbart efter justering af gasflow 380.7 3-12 Røggas gennem varmeveksler for at hæve temperaturen 400 449 3-12 Justering af flow gennem varmeveksler 400.3 405.4 4-12 Aldehyd målinger 425.5 430.4 4-12 Åbnes for bypass for at sænke temperaturen 433 5-12 Der lukkes for røggas gennem varmeveksler 449 5-12 Fuld køling for at sænke temperaturen, ændres til halv køling 454 6-12 Fuld køling for at sænke temperaturen 473 6-12 Forsøget afsluttes 478
DGC-rapport 35 Forsøgsresultaterne er vist i figur 12, hvor målte UHC (uforbrændt kulbrinte) koncentrationer og katalysatorens middeltemperatur er vist som funktion af driftstimer. Kun data hvor motoren har været i drift og hvor katalysatorens middeltemperatur har været over 400 C er regnet som driftstimer. 6000 650 5000 600 UHC [ ppm ] 4000 3000 2000 550 500 450 UHC3 UHC4 UHC5 UHC6 UHC7 tmiddel 1000 400 0 350 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Driftstimer Figur 12. Katalysator CKM62. UHC målinger og middeltemperatur som funktion af katalysatorens driftstimer. 5.1.3.1 Afprøvning af REKUP-princippet. Allerede i forsøget start blev det forsøgt at benytte varmeveksleren til at hæve røggastemperaturen. Ved 20 driftstimer var varmetabet fra varmeveksleren for stor til at få REKUP-princippet til at fungere. Varmetabet for varmeveksleren var steget fra ca. 1% til ca. 3% siden maj 2002, hvor den første katalysator blev afprøvet. REKUP-princippet blev afprøvet igen i perioderne 305-378 driftstimer og 400-449 driftstimer, begge gange med succes. Røggastemperaturen steg fra ca. 555 C til ca. 610 C ved den første afprøvning. Ved den anden afprøvning steg temperaturen af røggassen fra ca. 555 C til ca. 575 C. Den store forskel i resultaterne kan forklares ved at motoren var slukket i en mellemliggende periode på 7 dage. Varmevekslerens varmetab er således
DGC-rapport 36 stort ved forsøgets genopstart (efter 380 driftstimer) på grund af opståede utætheder i isoleringen. 5.1.3.2 Temperaturafhængighed. Katalysatorens temperaturafhængighed blev prøvet efter 24 driftstimer, hvor temperaturen blev sænket ved at køle røggassen. Resultatet er vist som den sorte kurve i figur 13. De øvrige kurver er temperaturvariation i forbindelse med opstart efter 100 og 139 driftstimer, justering af gasflow efter 283 og 305 driftstimer, temperaturstigning pga. røggas gennem varmeveksler efter 400 driftstimer og temperaturfald idet røggassen ledes via bypass efter 433 driftstimer. 10 9 lnk 8 LnK_24 LnK_100 lnk_139 lnk_283 lnk_305 lnk_400 lnk_433 7 6 400 450 500 550 600 650 Temperatur [ C ] Figur 13. Katalysator CKM62. Katalysatorens reaktivitet som funktion af temperaturen for forskellige antal driftstimer. Reaktiviteten af katalysatoren falder med antallet driftstimer, idet at kurverne er parallelforskudt mod højere temperaturer ved længere driftstid. Den sorte kurve er den egentlige temperaturafprøvning. Som for den forrige katalysator er kurven S-formet når temperaturen sænkes og tilnærmelsesvis lineær, når temperaturen hæves. Den næsten konstante høje reaktivitet skyldes at afprøvning er fortaget i forsøgets start, hvor reaktiviteten af katalysa-
DGC-rapport 37 toren er højest. For de øvrige forsøg ses ligeledes en tilnærmelsesvis lineær stigning af reaktiviteten med stigende temperatur. 5.1.3.3 Effektivitet Katalysatorens effektivitet, udtrykt som forholdet mellem UHC6/UHC5 er vist som funktion af temperaturen af røggassen ud af katalysatoren (T6) i figur 14. CKM62 1 0.9 0.8 0.7 0-20 hours 20-80 hours 80-200 hours 200-378 hours 378-564 hours UHC6/UHC5 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 400 450 500 550 600 650 Average Temperature [ C ] Figur 14. Katalysator CKM62. Effektivitet som funktion af middeltemperaturen og driftstiden. (100 % effektivitet ved UHC6/UHC5 =0). Billedet er det samme som for katalysator CKM42 og CKM92, katalysatorens effektivitet stiger med stigende temperatur (UHC6/UHC5 falder). Effektiviteten er ca. det samme ved 550 C i udgangstemperatur, som svarer til en noget lavere middeltemperatur, hvor effektivitet falder til ca. 30 % efter et vist antal driftstimer. For katalysator CKM62 er effektiviteten tæt på 100 % (UHC6/UHC5 = 0) når middeltemperaturen er omkring de 640 C uafhængigt af antallet af driftstimer. Det ser ud til, at CKM62 har den højeste effektivitet ved 550 C i middeltemperatur, selv om forskellene er små.
DGC-rapport 38 5.1.3.4 Tidsafhængighed I figur 15 er reaktiviteten afbillet som funktion af driftstimer for forskellige temperaturer ± 3 C. 10 9.5 T410 T430 T420 T440 9 T450 T460 8.5 T470 T480 T490 T500 lnk 8 T510 T520 7.5 T530 T540 T550 T560 7 T570 T580 6.5 T590 T600 T610 T620 6 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 T630 Driftstimer Figur 15. Katalysator CKM62. De afbillede temperaturer er temperaturintervaller, hvor den angivet temperatur er ± 3 C. Katalysatoren CKM62 blev i høj grad benyttet til at variere forskellig forhold, således at temperaturen varierede (se forrige afsnit). Forsøgene kørte kun stabilt i længere periode fra 155 til 280 driftstimer (517-533) C. Som for de øvrige katalysatorer ses, at reaktiviteten samt temperaturen falder med stigende antal driftstimer. Det er værd at bemærke, at ved de høje temperaturer er katalysatorens reaktivitet høj uafhængigt at katalysatorens driftstimer.