DE4419977A1 - Verfahren zur Verminderung der Rußemission von Diesellokomotiven und -katzen im Untertagebetrieb und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung der Ruß­ emission von Diesellokomotiven und -katzen im Untertagebetrieb, wie sie durch die Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 charakterisiert werden. Darüber hinaus betrifft sie eine Vor­ richtung zur Durchführung dieses Verfahrens, d. h. eine entspre­ chende apparative Abwandlung der vorgenannten Diesellokomotiven und -katzen in der Weise, daß das Verfahren bei ihrem Betrieb auch tatsächlich zur Anwendung kommt.

Die vorgenannten Diesellokomotiven und -katzen beruhen hinsicht­ lich der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 herausgestellten Merkmale primär auf den aus dem Untertagebetrieb erwachsenden Anforderungen, daß die Oberflächentemperatur sowohl des Abgas­ sammelrohres als auch des - normalerweise senkrecht nach unten verlaufend angeordneten - Verbindungsrohres zwischen Abgassam­ melrohr und Auspufftopf nicht höher sein darf als 150°C und die Temperatur des aus dem Auspufftopf austretenden Abgases nicht höher als 70°C. Das aus der im Krümmer angeordneten Düse austre­ tende Einspritzwasser wird dabei für den ordnungsgemäßen Betrieb mengenmäßig so eingestellt, daß es gerade das vom Abgas aus dem wassergefüllten Labyrinth im Auspufftopf über die diesen ab­ schließenden - üblicherweise zwei - Plattenschutzpakete mitge­ rissene Wasser ersetzt. Eine Beeinflussung der stofflichen Zu­ sammensetzung der Abgase ist hier in keiner Weise vorgesehen.

Diese Abgase enthalten jedoch im allgemeinen neben Kohlenmon­ oxid, Stickstoffoxiden und Schwefeldioxid auch die bei einer Py­ rolyse, d. h. bei einer unvollständigen Verbrennung aufgrund von Sauerstoffmangel, entstehenden polycyclischen Kohlenwasserstoffe (PAH), die sich zum größten Teil an den außerdem entstehenden Ruß anlagern und denen eine erhebliche cancerogene Wirkung zuge­ schrieben wird. Dies bedeutet jedoch bereits im normalen Überta­ gebetrieb ein erhebliches Gesundheitsrisiko für alle in der Um­ gebung einer dieselbetriebenen Maschine über einen längeren Zeitraum Beschäftigten, erst recht aber im Untertagebetrieb mit seiner räumlichen Enge und den Schwierigkeiten, auch trotz eines erheblichen apparativen Aufwandes nicht zu jedem Zeitpunkt eine optimale Wetterführung in allen Bereichen des Grubengebäudes herbeiführen zu können.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, zur Verminderung der Gesundheitsgefährdung der unter Tage Beschäf­ tigten zunächst ein Verfahren und außerdem eine zu seiner Durch­ führung geeignete Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit dem die Emission von Ruß und damit auch von den daran angelagerten PAH durch die in Rede stehenden Diesellokomotiven und -katzen in deutlich bemerkbarem Umfang eingeschränkt wird.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit Hilfe der Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 bzw. derjenigen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 6.

Dabei erweist es sich als besonders vorteilhaft, daß dem Ein­ spritzwasser vor dem Austritt aus der Düse rußbindende oder ruß­ lösende Substanzen zugesetzt werden und das Einspritzwasser in einem dem Auspufftopf zugeschalteten Kondensator zurückgewonnen und über eine Filtereinrichtung in den Tank für das Einspritz­ wasser zurückgeführt wird, weil so auf einfache Art und Weise ein merklicher Anteil des Rußes und damit der dort angelagerten PAH zunächst aus dem Abgas in das Einspritzwasser überführt wird und dieses anschließend mit einfachen Mitteln weitgehend bekann­ ter Art seinerseits aus dem Abgas entfernt und einer aus dem Stand der Technik geeignet ausgewählten Filtereinrichtung zuge­ führt wird, die den im Einspritzwasser gelösten Ruß und mit ihm die dort angelagerten PAH an definierter Stelle für eine geziel­ te Entsorgung zurückhält. Darüber hinaus erfordert dieses Ver­ fahren vorteilhafterweise nur einen apparativen Aufwand, der sich mit weitgehend bekannten Bauelementen auch unter den beeng­ ten Platzverhältnissen in den in Rede stehenden Diesellokomoti­ ven und -katzen verifizieren läßt.

Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erweist es sich auch als vorteilhaft, daß eine intensive Verwirbelung der Abgase mit dem Einspritzwasser erzeugt wird, da mit einer solchen Maßnahme eine merkliche Erhöhung des im Einspritzwasser gelösten Anteils von Ruß aus dem Abgas und damit auch der daran angelagerten PAH erreicht wird.

Als vorteilhaft erweist sich auch eine Weiterbildung des vorlie­ genden Verfahrens, bei der die Verwirbelung im Gegenstromverfah­ ren vor dem Eintritt der Abgase in das Auspuffsystem erfolgt, da so allein mit einer angepaßten Ausrichtung der Düse für das Ein­ spritzwasser gegen den Abgasstrahl eine intensive Verwirbelung des Abgases mit dem Einspritzwasser erzeugt wird.

Bei einer speziellen Verfahrensvariante ist es auch als Vorteil anzusehen, daß als rußbindende Mittel Tenside verwendet werden, weil es sich dabei um weitgehend bekannte Substanzen handelt, die einerseits auf einfache Weise und preiswert zu beschaffen sind und deren Entsorgung andererseits in anderen technischen Bereichen bereits erprobt ist. Die Rußteilchen werden in diesem Fall einschließlich der angelagerten PAH vorteilhafterweise an die im Einspritzwasser gelösten Tenside gebunden und anschlie­ ßend mit diesen in definierter Weise aus dem Wasser entfernt.

Bei einer anderen Verfahrensvariante erweist es sich dagegen als vorteilhaft, wenn als rußlösende Substanz N-Methylpyrolydon (NMP) verwendet wird, weil es sich auch hier um eine in ihren Eigenschaften weitgehend bekannte Substanz handelt, mit der eine merkliche Löslichkeit des Rußes einschließlich der angelagerten PAH im Einspritzwasser erzeugt wird und die anschließend gemein­ sam mit dem Ruß und den PAH wieder aus dem Einspritzwasser separiert werden kann.

Als besonders vorteilhaft für die Durchführung des Verfahrens erweist sich eine Vorrichtung, bei der die Diesellokomotive oder -katze einerseits mit einem zusätzlichen Tank zur Aufnahme einer rußbindenden oder rußlösenden Substanz versehen ist, der mit der Leitung des Einspritzwassers zur Düse im Krümmer verbunden ist, und andererseits eine Einspritzwasser-Rückführung aus einem dem Auspufftopf zugeschalteten Kondensator und einer eine Pumpe und eine Filtereinrichtung umfassende Rückführungsleitung zum Tank für das Einspritzwasser aufweist, weil eine solche Kombination im wesentlichen aus Bauteilen weitgehend bekannter Art konstru­ iert werden kann, die darüber hinaus gestattet, die wenigen er­ forderlichen zusätzlichen Bauelemente so zu dimensionieren oder auszuwählen, daß sie in den in Rede stehenden Diesellokomotiven und -katzen auch noch unter den dort üblichen beengten Platzver­ hältnissen unterzubringen sind.

Bei einer speziellen Ausführungsform der vorgenannten Vorrich­ tung erweist es sich auch als vorteilhaft, daß zwischen dem Aus­ gang des Abgassammelrohres und dem Eingang des Auspufftopfes eine Anordnung mit mindestens einem Leitblech zur Erzeugung ei­ ner Verwirbelung von Abgas und Einspritzwasser angeordnet ist, da mit einer solchen Einrichtung eine besonders intensive Ver­ wirbelung von Abgas und Einspritzwasser und damit eine besonders hohe Löslichkeit von Ruß mit angelagerten PAH im Einspritzwasser erzielt wird.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens ist in der Zeichnung dargestellt, wobei deren Erläuterung gleichzeitig das Verfahren selbst demonstriert.

Es zeigt die einzige

Fig. 1 schematische Darstellung einer Vorrichtung im Inneren einer Diesellokomotive oder -katze für den Untertage­ betrieb zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens.

Die Fig. 1 zeigt einen Dieselmotor 1 bekannter Art mit einem doppelwandigen, wassergekühlten Abgassammelrohr 2, von dessen Wasserkühlung im vorliegenden Fall vorausgesetzt ist, daß diese in den Kühlkreislauf des Dieselmotors 1 integriert ist - was je­ doch nicht die einzige mögliche Konstruktion bekannter Art der Wasserkühlung eines Abgassammelrohres 2 darstellt. Das Abgassam­ melrohr 2 mündet in bekannter Weise in einen Krümmer 3, der sei­ nerseits in ein Verbindungsrohr 4 führt, das das Abgas in den Auspufftopf 5 leitet. Das Verbindungsrohr 4 ist bei den in Rede stehenden Diesellokomotiven und -katzen normalerweise so ange­ ordnet, daß der Abgasstrom in ihm senkrecht von oben nach unten geführt wird - was jedoch ebenfalls nicht zwangsläufig ist und auch durch eine andere Anordnung des Verbindungsrohres 4 ersetzt werden kann. Der Auspufftopf 5 enthält in den hier betrachteten Fällen im allgemeinen ein nicht explizit dargestelltes wasserge­ fülltes Labyrinth zur endgültigen Abkühlung des Abgases auf sei­ ne maximal zulässige Austrittstemperatur von 70°C und - ohne Be­ schränkung der Allgemeinheit - zwei Plattenschutzpakete 6, durch die das Abgas in die Grubenwetter gelangt.

Um einerseits den Aufwand für eine externe Kühlung des Verbin­ dungsrohres 4 zu vermeiden und andererseits das heiße Abgas - des sen Temperatur im Abgassammelrohr 2 die maximal zulässige Temperatur an der äußeren Oberfläche des Dieselmotors 1 und des wassergekühlten Abgassammelrohres 2 in Höhe von 150°C noch deut­ lich übersteigt - nicht allein im Auspufftopf 5 auf die vorge­ nannte Austrittstemperatur von 70°C herunterkühlen zu müssen, wobei außerdem zu berücksichtigen ist, daß selbstverständlich auch die äußere Oberfläche des Verbindungsrohres 4 nur eine maximal zulässige Temperatur von 150°C aufweisen darf, ist im Krümmer 3 eine Düse 7 angeordnet, mit der aus einem Tank 8 über eine Leitung 9 unter Zwischenschaltung einer Pumpe 10 Wasser in feinverteilter Form in das vom Abgassammelrohr 2 zum Auspufftopf 5 strömende Abgas eingespritzt wird. Dabei kann der Tank 8 ein separater Wasserbehälter sein oder auch gleichzeitig der Vor­ ratsbehälter für den Kühlkreislauf des Dieselmotors 1 und des Abgassammelrohres 2. Mit den vorbeschriebenen Bestandteilen der Fig. 1 weist deren Gegenstand zunächst alle erforderlichen Merkmale zur Motor- und Abgaskühlung gemäß dem bekannten Stand der Technik auf.

Für den Fall, daß das Einspritzwasser jedoch gemäß der vorlie­ genden Erfindung gleichzeitig zur Verminderung der Emission von Ruß und damit von cancerogenen PAH verwendet werden soll, zeigt die Fig. 1 zusätzlich zu den bisher angegebenen Bestandteilen der dort gezeigten Vorrichtung einerseits einen weiteren Tank 11 zur Aufnahme von rußbindenden oder rußlösenden Substanzen, der über eine Leitung 12 mit der Leitung 9 für das Einspritzwasser vor deren Erreichen der Düse 7 verbunden ist, und andererseits einen dem Auspufftopf 5 zugeschalteten Kondensator 13, der über eine Leitung 14 unter Zwischenschaltung einer weiteren Pumpe 15 und einer Filtereinrichtung 16 mit dem Tank 8 für das Einspritz­ wasser verbunden ist. Der Tank 11 gibt in dosierter Menge eine rußbindende Substanz, beispielsweise Tenside, oder eine rußlö­ sende Substanz, beispielsweise N-Methylpyrolydon (NMP), an das Einspritzwasser in der Leitung 9 ab, wobei die Dosierung in be­ kannter Art und Weise erfolgt, beispielsweise mittels eines üblichen Drosselventils 17. Der erforderliche Druck zur Einspei­ sung der rußbindenden oder rußlösenden Substanz in das Ein­ spritzwasser wird ebenfalls auf bekannte Art und Weise erzeugt, beispielsweise durch Verwendung einer Venturi-Düse in der Lei­ tung 9 oder durch eine zusätzliche Pumpe in der Leitung 12 oder durch Verbinden der Leitungen 12 und 9 auf der Ansaugseite der Pumpe 10 oder - wie im dargestellten Fall - durch Ausbilden des Tanks 11 als eines solchen mit veränderlichem Volumen, der mit einem von außen mit einem - hier durch einen symbolischen Dop­ pelpfeil 18 schematisch angedeuteten - Druckmedium beaufschlag­ baren verfahrbaren Kolben 19 versehen ist.

Das mit der rußbindenden oder rußlösenden Substanz versetzte Einspritzwasser wird dann durch die Düse 7 in fein verteilter Form in das Abgas eingespritzt, wobei der in diesem befindliche Ruß einschließlich der an ihm angelagerten cancerogenen PAH zu einem mehr oder weniger großen Anteil im Einspritzwasser gebun­ den oder gelöst wird. Der Anteil des im Einspritzwasser gebunde­ nen oder gelösten Rußes ist dabei um so größer, je intensiver das Einspritzwasser mit dem Abgas verwirbelt wird. Eine Möglich­ keit, eine solche intensive Verwirbelung zu erreichen, wird be­ reits - wie in der Zeichnung dargestellt - dadurch gegeben, daß das Einspritzwasser im Gegenstrom in das Abgas eingespritzt wird. Eine andere oder auch eine eine weitere Verbesserung erge­ bende Möglichkeit ist das Anbringen einer Anordnung aus minde­ stens einem Leitblech 20 geeigneter Form im Weg des Abgases vom Abgassammelrohr 2 zum Auspufftopf 5. Eine solche Anordnung aus mindestens einem Leitblech 20 kann beispielsweise durch einen um die Düse 7 angeordneten und von dieser auch gehaltenen Ring aus mehreren geeignet gebogenen Blechschaufeln verifiziert werden oder durch einen ähnlichen, im Ausgangsbereich des Abgassammel­ rohres 2 angeordneten und dort arretierten Ring aus schaufel­ artig verformten Blechen oder auch - wie im dargestellten Fall - durch einen solchen Ring im Verbindungsrohr 4 zwischen Düse 7 und Auspufftopf 5 oder auch durch mehrere derartige Ringe in verschiedenen der vorgenannten Bereiche.

Um den im Einspritzwasser gebundenen oder gelösten Ruß mit den angelagerten PAH definiert aus dem Abgas entfernen zu können, wird dieses unmittelbar vor oder nach dem Eintritt in den Aus­ pufftopf 5 zunächst in einen diesem zugeschalteten Kondensator 13 geleitet, wo das Einspritzwasser gezielt kondensiert, um dann - im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik, bei dem das Ein­ spritzwasser stets nur das vom Abgas über die Plattenschutz­ pakete 6 in die Grubenwetter mitgerissene Wasser aus dem Laby­ rinth des Auspufftopfes 5 ersetzt - mittels der Pumpe 15 über die Leitung 14 zunächst in die Filtereinrichtung 16 und von dort zurück in den Tank 8 für das Einspritzwasser transportiert zu werden. Die Filtereinrichtung ist dabei mit Filtern bekannter Art bestückt, die sowohl den Ruß sowie die PAH als auch die ruß­ bindende oder rußlösende Substanz zurückhalten, so daß die Ge­ samtheit der vorgenannten Stoffe mit dem Wechsel der Filterein­ sätze gezielt entsorgt werden kann.

Auf diese Weise ermöglicht die vorliegende Erfindung eine erhebliche Reduzierung der Gesundheitsgefährdung der unter Tage Beschäftigten.

Bezugszeichenliste

1 Dieselmotor
2 Abgassammelrohr
3 Krümmer
4 Verbindungsrohr
5 Auspufftopf
6 Plattenschutzpakete
7 Düse
8 Tank für Einspritzwasser
9, 12, 14 Leitungen
10, 15 Pumpen
11 Tank für rußbindende oder rußlösende Substanzen
13 Kondensator
16 Filtereinrichtung
17 Drosselventil
18 Symbolischer Doppelpfeil für Druckmedium-Beauf­ schlagung
19 Kolben
20 Leitblech-Anordnung.

Claims (7)

1. Verfahren zur Verminderung der Rußemission von Dieselloko­ motiven und -katzen im Untertagebetrieb, die mit einem was­ sergekühlten Auspuffsystem versehen sind, das neben einem wassergekühlten doppelwandigen Abgassammelrohr und einem wassergefüllten Labyrinth im Auspufftopf eine im Krümmer angeordnete Düse zum Einspritzen von Wasser in das Abgas vor dessen Eintritt in das zwischen Abgassammelrohr und Auspufftopf befindliche Verbindungsrohr aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß dem Einspritzwasser vor dem Austritt aus der Düse ruß­ bindende oder rußlösende Substanzen zugesetzt werden und das Einspritzwasser in einem dem Auspufftopf zugeschalteten Kondensator zurückgewonnen und über eine Filtereinrichtung in den Tank für das Einspritzwasser zurückgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine intensive Verwirbelung der Abgase mit dem Ein­ spritzwasser erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verwirbelung im Gegenstromverfahren vor dem Ein­ tritt der Abgase in das Auspuffsystem erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als rußbindende Mittel Tenside verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als rußlösende Substanz N-Methylpyrolydon (NMP) verwen­ det wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Diesellokomotive oder -katze einerseits mit einem zusätzlichen Tank (11) zur Aufnahme einer rußbindenden oder rußlösenden Substanz versehen ist, der mit der Leitung (9) des Einspritzwassers zur Düse (7) im Krümmer (3) verbunden ist, und
andererseits eine Einspritzwasser-Rückführung aus einem dem Auspufftopf (5) zugeschalteten Kondensator (13) und einer eine Pumpe (15) und eine Filtereinrichtung (16) umfassende Rückführungsleitung (14) zum Tank (8) für das Einspritz­ wasser aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des Abgassammelrohres (2) und dem Eingang des Auspufftopfes (5) eine Anordnung mit mindestens einem Leitblech (20) zur Erzeugung einer Verwirbelung von Abgas und Einspritzwasser angeordnet ist.