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Abgasrückkühler verringert Schadstoffe aus 2- und 4-Takt-Schiffsdieselmotoren

GEA bietet für die Schifffahrt eine effiziente Lösung zur Reduktion von Stick- und Schwefeloxiden

Die Herausforderung im Sinne der Nachhaltigkeit:

In den großen Frachtcontainerschiffen arbeiten vorwiegend  niedertourige 2-Takt-Dieselmotoren. Sie verbrennen Schweröl und stoßen neben Stickoxiden auch Schwefeloxide aus. Die IMO (International Maritime Organisation) schreibt vor, die Schadstoffemission im Schiffsverkehr bis 2016 stufenweise um 80 % zu reduzieren. Im ersten Schritt der IMO-Vorgaben greifen seit Juli 2010 strengere Umweltbedingungen für den Schadstoffausstoß von Stick- und Schwefeloxiden in den stark frequentierten Emissionskontrollgebieten.

Die Ausgangssituation:

Die Druck- und Temperaturbelastungen bei Großdieselmotoren stellen für die Abgasreinigung eine konstruktive Herausforderung dar. Das Zuführen eines inerten Gases (wie Abgas) senkt die Entstehung von Stickoxiden, denn die schnelle Oxidation von Kraftstoffmolekülen wird durch Abgasmoleküle behindert. Wird das rückgeführte Abgas zusätzlich gekühlt, wird dieser Effekt noch verstärkt.
Dabei müssen bei Großdieselmotoren Abgase bei Drücken von teilweise mehr als 7 bar verlässlich gekühlt werden. Ein Abgasrückkühler muss dem hohen Temperaturgefälle von mehr als 600 °C, den systembedingten Druckschwankungen, den vom Motor auf den Kühler übertragenden Schwingungen sowie der Korrosion durch Kondensationseffekte im Abgas problemlos standhalten und darüber hinaus auch hocheffizient arbeiten.

Die Lösung:

Bei Dieselmotoren ist die Abgasrückführung eine der wichtigsten Maßnahmen zur Senkung der Stickoxidemissionen. Je niedriger die Verbrennungstemperatur, desto geringer der Stickoxid-Anteil. Ein kompakter Wärmetauscher aus temperatur- und korrosionsbeständigem Edelstahl kühlt die Abgastemperatur von bis zu 700 °C auf 50 °C herunter, bevor die Abgase der Verbrennungsluft zugemischt werden. Sein Rippenrohrsystem, eingebettet in das Wasserführungsgehäuse, hat eine neu entwickelte Rippengeometrie, die auch die Verschmutzungsanfälligkeit minimiert. Die Oberflächenstruktur der Edelstahlrippe sorgt im Gasstrom für Turbulenzen und dadurch für einen Wärmeübertrag über die gesamte Fläche.
Die Arbeitsweise des Hochdruck-Abgasrückkühlers von GEA ist so einfach wie effizient: Ein Teil des Abgases wird vor dem Turbolader dem Kreislauf entnommen und über den AGR-Kühler wieder der Verbrennungsluft zurückgeführt. Dadurch erhöht sich die Ladungsmasse im Verbrennungsraum. Mehr Masse benötigt gleichzeitig eine höhere Energiemenge, um aufgeheizt zu werden. In Folge dessen sinkt die Verbrennungs-temperatur, die für die Entstehung des NOx-Gehalts ausschlaggebend ist.
Als Baukastensystem ausgelegt, wird der Abgasrückkühler als Hoch- sowie als Niedertemperaturversion angeboten. Bei letztgenannter Variante ist die Kondensation von schwefliger Säure und Wasser im Prozess unvermeidlich. Feuchte Rußpartikel müssen aus dem Kühler entfernt werden. Ein Kondensationsabscheider schützt die nachfolgenden Motorkomponenten vor Korrosion und reduziert die Partikelzahl des in die Verbrennungsluft zurückgeführten Abgases.
In der neuesten Kühlergeneration hat GEA die AGR-Technologie für Schwerölbetrieb auch auf die niedertourige 2-Takt-Dieselmotoren übertragen. Dem Rückkühler wurde einen Gaswäscher (Scrubber) vorgeschaltet, der das Abgas entschwefelt. Durch das Einblasen von Wasser wird die Abgastemperatur noch vor Eintritt ins Kühlergehäuse deutlich verringert und liegt bei unter 150 °C. Während des Kühlprozesses verdampft jedoch nur ein Teil des Wassers. Der andere Teil bleibt flüssig und trifft mit hoher Abgasgeschwindigkeit auf den Rippenrohrblock. Neben der Erosion der Kühlrippen und der Korrosion bewältigt das neu entwickelte Edelstahlrippenrohr-Kompaktsystem auch diese Belastungsprobe.

Die nachhaltigen Stärken:

Mit dem AGR können die internationalen Vorgaben der IMO (stufenweise Reduzierung der Schadstoffe im Schiffsverkehr bis 2016) eingehalten werden. Ebenso werden durch einen zusätzlichen Gaswäscher auch bei 2-Takt-Dieselmotoren im Schwerölbetrieb die strengen SOx-Grenzwerte künftig unterschritten. In der Niedertemperaturversion verringert der AGR durch einen nachgeschalteten Kondensationsabscheider außerdem die Partikelzahl des in die Verbrennungsluft zurückgeführten Abgases.

Die Erfinder:

GEA Heat Exchangers provides one of the most extensive product portfolios on the heat exchange market worldwide for a wide range of applications. With GEA plate heat exchangers, shell and tube heat exchangers, air-cooled heat exchangers, air filter systems, synthetic fillings for numerous areas of application, wet cooling towers and dry cooling systems as well as air-conditioning technology GEA Heat Exchangers gives comprehensive coverage of the spectrum.

Kurzprofil des Unternehmens:

Name: GEA Maschinenkühltechnik, Tochtergesellschaft von GEA Heat Exchangers
Hauptsitz: Herne
Lösungen: Klimatechnische Geräte und kältetechnische Komponenten bzw. Lösungen für die Industrie und das Gewerbe
Internationalität: weltweit
URL: www.gea.com, www.gea-heatexchangers.com