AT396434B

AT396434B - Katalysator, insbesondere oxidationskatalysator

Info

Publication number: AT396434B
Application number: AT0077792A
Authority: AT
Original assignee: Jenbacher Energiesysteme Ag
Priority date: 1992-04-15
Filing date: 1992-04-15
Publication date: 1993-09-27
Also published as: ITBZ930017A1; ITBZ930017A0; ATA77792A; DE4311513A1; IT1265491B1

Description

10 AT396434B 15 20 25 30 35 40 45

Die Erfindung betrifft einen Katalysator, insbesondere Oxidationskatalysator für den Einbau in eine Abgasleitung eines Motors der Leistung (N), insbesondere eines Gasmagermotors, mit mehreren von den Abgasen durchströmten Zellen,derenWändemitkatalytischaktivemMaterialversehensmdiindmiteinerAnstromfläehe(A), durch welche die Abgase in den Katalysator bzw. dessen Zellen eintreten. Derartige Katalysatoren werden in die Abgasleitung von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Gasmotoren, eingebaut, um die bei der Verbrennung entstehenden Schadstoffe zumindest teilweise in unschädliche Folgeprodukte umzuwandeln. Bei Gasmagermotoren ist die Schadstoffprimäremission vonvomeherein wesentlich geringer als bei Motoren, die mit stöchiometrischem Verbrennungsgas-Luft-Verhältnis betrieben werden. Bei solchen Gasmagermotoren werden hauptsächlich Oxidationskatalysatoren zur katalytischen Oxidation von Schadstoffen, insbesondere von Kohlenmonoxid (CO) eingesetzt Neben der Umsetzrate (Prozentsatz eines Schadstoffes, der im Katalysator in unschädliche Folgeprodukte umgewandeltwird) ist vor allem das Alterungsveihalten von Katalysatoren eine wesentliche Katalysatoreigenschaft Es ist bekannt daß Katalysatoren im Lauf der Zeit an Aktivität verlieren und somit ihre Umsetzrate abnimmt Die Alterung eines Katalysators geht unter anderem auf die Verringerung der aktiven Oberfläche (aktive Materialien sind beispielsweise Platin-Rhodium und Platin-Iridium-Legierungen) aufgrund verschiedener Vorgänge und Effekte während der Einsatzzeit zurück. Die wichtigsten Ursachen sind Feststoffpartikel-Abrieb, Porenverschmutzung, thermische Sinterung und Vergiftung. Der Hauptursache der Alterung bei Oxidationskatalysatoren sind Porenverstopfung und chemische Inaktivierung der katalytisch aktiven Edelmetalle durch Abgasverunreinigungen. Bei erdgasbetriebenen Motoren stammen die im Abgas enthaltenen Katalysatorgifte hauptsächlich von Schmieröladditiven. Beim Betrieb mit Deponiegas wirken die üblicherweise darin enthaltenen Halogene (Chlor, Fluor) als starke Katalysatorgifte. Diese sind derart schädlich, daß ein Katalysator in einer typischen Deponiegasanlage mit einem Gasmagermotor nach einer Laufzeit von beispielsweise 2000 Betriebsstunden praktisch wirkungslos ist Nach derzeitigem Stand wäre die Anwendung von Oxidationskatalysatoren bei einem Schadstoffgehalt im Treibgas von mehr als etwa 10 mg/m^ wegen der hohen Katalysatoikosten wirtschaftlich nicht mehr vertretbar. Aufgabe der Erfindung ist es, einen kostengünstigen Katalysator, insbesondere Oxidationskatalysator für einen Gasmagermotor, zu schaffen, der ein verbessertes Alterungsverhalten aufweist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß für das Verhältnis des Durchmessers einer mit der Anström-fläche flächengleicher Kreisfläche zu der als Quotient von Katalysatorvolumen durch die Anströmfläche definierten Länge des Katalysators (L=V/A) die Beziehung d/L VN1 £ 90 [V kW ] gilt, wobei N die Motorleistung in Kilowatt (kW) ist. Die Kosten eines Katalysators stehen bei gegebener spezifischer Zeilenzahl (beispielsweise 200 bis 500 epi) in direkten Zusammenhang mit dem Katalysatorvolumen, d. h. dem von den Zellen und deren Wänden des Katalysators (häufig auch als Katalysatorwabe bezeichnet) insgesamt eingenommenen Volumen. Man ist daher bestrebt, bei gegebenen möglichst geringem Katalysatorvolumen günstige Katalysatoreigenschaften zu erzielen. Die Erfindung beruht auf der grundsätzlichen Erkenntnis, daß sich das Alterangsverhalten des Katalysators durch Optimierung der Geometrie günstig beeinflussen läßt. Während bei bisher üblichen Katalysatorgeometrien das im folgenden noch näher definierte Durch-messer/Längen-Verhältnis des Katalysators bei Motoren mit typisch 500 kW Leistung in der Größenordnung von etwa 1 bis 2 gelegen ist, wurde von der Anmelderin herausgefunden und mittlerweile in zahlreichen Versuchen bestätigt, daß sich bei gegebener Motorleistung wesentlich größere Durchmesser/Längen-Veihältnisse äußerst positiv auf das Alterungsveihalten des Katalysators auswirken, d. h. es nimmt die Umsetzrate für einen bestimmten Schadstoff mit der Zahl der Betriebsstunden nur geringfügig ab, sodaß auch nach einer hohen Zahl von Betriebsstunden (beispielsweise in derGrößenordnung von 10.000) immernoch eine zufriedenstellende Katalysatoraktivität bzw. Umsetzrate gegeben ist Dies wird es in Zukunft erlauben, Katalysatoren auch bei mit deponiegasbetriebenen Motoren, bei welchen die im Treibgas enthaltenen Schadstoffe besonders aggressive Katalysatorgifte darstellen, 50

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutere. Es zeigen dieFig. leine schematische Ansichteiner Katalysatoreinheit miteinem zylindrischen Katalysator unter Angabe der für die Erfindung relevanten geometrischen Parameter, die Hg. 2 den CO-Anteil nach dem Katalysator im Verhältnis zum CO-Anteil vor dem Katalysator (Kehrwert der Umsetzrate) als Funktion der Betriebsstunden für verschiedene Duichmesser/Längen-Verhältnisse des Katalysators, die Fig. 3 das nötige Katalysatorvolumen als Funktion des Durchmesser/Längen-Verhältnisses des Katalysators für die Einhaltung einer bestimmten Umsetzrate innerhalb dreier verschiedener Standzeiten, die Hg. 4 einen axialen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer eifindungsgemäßen Katalysatoreinheit und die Hg. 5 eine perspektivische Ansicht eines zum Einsatz in ein Gehäuse geeigneten Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Katalysators und die Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels. -2- 55

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In Fig. 1 ist in die Abgasleitung (1) eines nicht näher dargestellten Gasmagermotors eine Katalysatoreinheit (3) eingesetzt Diese weist ein Gehäuse (2) und darin einen zylindrischen Katalysator (4) auf, dessen Anströmfläche (A) kreisförmig ist und der eine Länge (Zylindeihöhe) (L) aufweist Das von den nicht näher dargestellten Zellen und Wänden mitkatalytisch aktivem Material des Katalysator insgesamt eingenommene Volumen ist mit (V) bezeichnet S Der Durchmesser der kreisförmigen Anströmfläche (A) ist mit (d) bezeichnet Erfindungsgemäß beträgt das Verhältnis des Durchmessers (d) zur Länge (L) des Katalysators bei einer Motorleistung N (kW) mindestens d/L. Vn’ ä 90 [V kW ]; bei etwa 510 kW ergibt sich etwa d/L 14.

Wie bereits erwähnt beruht nämlich die Erfindung auf der in Fig. 2 dargestellten Erkenntnis, daß sich das Alterungsverhalten eines Katalysators bei gegebener relativen Zeilenzahl (beispielsweise 200 cpi) und gegebenen 10 Volumen (in Fig. 2 beispielsweise 7,61) verbessert ist wenn bei gegebener Motorleistung höhne Durchmes-ser/Längen-Verhältnisse des Katalysators gewählt werden. In Fig. 2 ist der Kohlenmonoxidanteil nach dem Katalysator gegenüber dem Kohlenmonoxidanteil vor dem Katalysator (also der Kehrwert der Umsetzrate) aufgetragen. Mit der Linie (G) ist beispielsweise eine Grenze eingezeichnet die einem bestimmten erlaubten Restschadstoffanteil nach dem Katalysator bzw. einer bestimm ten Umsetzrate entspricht Der Motor in Fig. 2 hat eine 15 Leistung von etwa 510 kW. Während bei einem Durchmesser/Längen-Verhältnis d/L = 1,3 die anfängliche Umsetzrate im Neustand höher und damit der Schadstoffanteil nach dem Katalysator gering»' ist, steigt der Schadstoff (Kohlenmonoxid)-Anteil in den Abgasen nach dem Katalysator bei diesem Durchmesser/Längen-Verhältnis von d/L = 13 über die Zahl der Betriebsstunden relativ stark an, sodaß bei etwa 7.500 Betriebsstunden der vorgeschriebene Grenzwat (G) 20 überschritten ist. Wählt man nun gemäß der Erfindung höhere Durchmesser/Längen-Verhältnisse (sodaß d/L V 510 > 90), so sieht man, daß mit zunehmendem d/L-Verhältnis die Steigung der Kurven (also die alterungs-bedingte Abnahme der Umsetzrate) abnimmt, während die Anfangsumsetzrate gering» wird.

Durch die flachere Steigung der Kurven mit höherem Durchmesser/Längen-V»hältnis des Katalysators, kann (wenngleich auch im Neustand die Umsetzrate etwas geringer ist, als bei dem bekannten niedrigen Durch-25 messer/Längen-Verhältnis) über eine große Zahl von Betriebsstunden in Fig. 2 (beispielsweise 12.000) ein vorgegebener Grenzwert (G) für die Schadstoffemission unterschritten bleiben. Je größer das Durchmessa/Längen-V»hältnis ist, desto langsamer altert der Katalysator. Bei gegebenem Grenzweit(G) fürdiezulässigeSchadstoffmenge nach dem Katalysator und bei der Forderung, diesen Grenzwert (G) über eine bestimmte Zahl von Betriebsstunden genau einzuhalten, läßt sich der Katalysator durch Wahl des Durchmesser/Längen-Verhältnisses d/L so dimensionieren, 30 daß d» Grenzwert (G) gerade am Ende der vorgegebenen Standzeit erreicht wird. Zu große Durchmesser/Längen-

Verhältnisse führen zwar zu ein» noch geringeren Alterung, bringen ab» eine geringere Umsetzrate im Neustand und wegen d» dann relativ großflächigen und dünnen Katalysatoren konstruktive Mehraufwände mit sich. Es hat sich gezeigt, daß das mit d» Wurzel der Motorleistung (kW) multiplizierte Durchmess»/Längen-V»hältnis eines insbesondere als Oxidationskatalysator eines Gasmagermotors geeigneten Katalysators bei den geforderten typi-35 schoi Standzeiten günstigerweise in der Größenordnung von ISO bis 315 liegt

Die Hg. 3 zeigt die Abhängigkeit des minimal nötigen Katalysatorvolumens vom Durchmesser/Längen-Verhältnis des Katalysators zur Einhaltung einer bestimmten Umsetzrate bzw. erlaubten Schadstoffemission üb» drei verschiedene Standzeiten, für einen Motor von etwa 510 kW. Fordert man, daß die Umsetzrate nach 6.000 Betriebsstunden (Bh) gerade noch einen vorgegebenen Grenzwat trotz der Alterung des Katalysators aufweist, so 40 ergibt sich das dafür nötige Katalysatorvolumen in Abhängigkeit von Durchmesser/Längen-Verhältnis des Kataly sators aus der untersten Kurve der Fig. 3. Man sieht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel, daß man bei einem Durchmesser/Längen-Verhältnis von etwa 6 bereits ein sehr geringes Katalysatorvolumen von 31 erzielt Höhere Durchmesser/Längen-Verhältnissedes Katalysators bringenkaum mehr eine Verringerung des benötigen Katalysatorvolumens und daher kaum mehr eine Reduzierung der Kosten für das Katalysatormaterial. Umgekehrt hat man mit 45 höheren Durchmesser/Längen-Verhältnissen etwas geringere Umsetzraten im Neustand und außerdem mit einem konstruktiven Mehraufwand zu rechnen, sodaß im vorliegenden Fall ein Durchmesser/Längen-Verhältnis von etwa 6 für den Fall, daß der Emissionsgrenzwat innerhalb von 6.000 Betriebsstunden eingehalten werden muß, am günstigsten ist Soll derselbe Emissionsgrenzwert üb» mehr Betriebsstunden (in Fig. 3 beispielsweise 12.000 od» 24.000 Betriebsstunden) aufrecht erhalten bleiben, so sind dafür klarerweise höhere Katalysatorvolumina nötig. 50 Auch verschiebt sich die Lage des Durchmesser/Längen-Verhältnisses, ab dem sich keine wesentliche Reduzierung des Katalysatorvolumens mehr erzielen läßt, für höhere geforderte Betrieibsstunden (d. h. höhere Alterungsbeständigkeit) zu höhoenDurchmesser/Längen-Vahältniswoten. Bei 12.000Betriebsstunden beträgt ein günstiges Durchmesser/Längen-Verhältnis 9, bei 24.000 Betriebsstunden beispielsweise 12.

Inden obigen Ausführungen wurde der Einfachheithalbervon einem zylindrischen Katalysator (4) ausgegangen. 55 Selbstvoständlich kann die »findungsgemäße Dimensionierungsvorschrift auch bei nichtzylindrischen Katalysa toren angewandt werden. Man braucht dazu nur die zu ein» beliebig geformten Anströmfläche flächengleiche gedachte Kreisfläche zu »mittein und dann deren Durchmesser als den in die »findungsgemäßen Formeln -3-

Claims

AT396434B eingehenden Durchmesser einzusetzen. Auch braucht die Länge des Katalysators über die gesamte Querschnitts· fläche nicht gleich sein, wenn man dieLänge des Katalysators allgemein als Quotient vom Katalysatorvolumen durch die Anströmfiäche definiert. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel fällt die als Quotient als Katalysatorvolumen und Anströmfiäche gebildete Länge (L) natürlich mit der geometrischen Länge zusammen. Ist 5 die geometrische Länge bzw. Dicke nicht über die gesamte Fläche konstant, so läßt sich durch die Vorschrift L * V/A dennoch eine klare („mittlere“) Länge definieren, mit der die erfindungsgemäße Dimensionierung vorgenommen werden kann. Zur Erziehlung hoher Durchmesser/Längen-Verhältnisse benötigt man relativ großflächige dünne Katalysatoren. Um den insgesamt von einem solchen Katalysator eingenommenen Platzbedarf zu verringern, ist es gemäß der 10 Erfindung günstig, wenn die Anströmfiäche des Katalysators gekrümmt isL Insbesondere ist es aus konstruktiven Gründen günstig, wenn der Katalysator über die gesamte Fläche dieselbe Länge (bei geringen Längen könnte man dies auch als Dicke bezeichnen) auf weisen. In diesem Fall sind also die Anströmfiäche und die Ausströmfläche des Katalysators gleichsinnig gekrümmt und der Abstand von Anström-bzw. Ausströmfläche überall gleich. Besonders günstige Eigenschaften weist ein Katalysator auf, für den L. Z έ 8000 gilt, wobei (L) die Länge in Millimeter und IS (Z) die Zellendichte in cpi ist. Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein zylindrisch gekrümmter Katalysator (4) als Einsatz in einem Gehäuse (2) einer Katalysatoreinheit untergebracht. Der Katalysator weist die Form eines Hohlzylinders auf, dessen innere Mantelfläche die Anströmfiäche (A) bildet. Die als Quotient von Katalysatorvolumen zur Anströmfiäche (A) definierte Länge L = V/A des Katalysators entspricht bei dünnen Wandstärken (D) des Hohl-20 Zylinders zahlenmäßig in etwa dem Wert 0)) der Wandstärke. Da man normalerweise im Bereich der Abgasleitung nur bestimmte maximale Durchmesser zur Verfügung hat, ist es bei der Ausführungsform der Fig. 4 günstig, wenn eine Normale auf die Anströmfiäche (A) einen Winkel von mindestens 60°, vorzugsweise im wesentlichen 90°, zur Eins trömrichtung der Abgase in das Gehäuse (2) einschließt Damit nimmt der Katalysator in radial« Richtung weniger Platz ein. Die Tatsache, daß ein derart angeordneter 25 Katalysator eine größere Länge (gesehen in Hauptströmungsrichtung der Abgase) einnimmt, stört in der Praxis nicht. Ist der Katalysator, wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt, im wesentlichen hohlzylinderförmig, so kann die Achse des Hohlzylinders im wesentlichen mit der Einströmrichtung der Gase in das Gehäuse (2) zusammenfallen. Der radiale Platzbedarf ist bei ein« solchen Anordnung trotz d« großen Anströmfiäche (A) gering. Verschließt man das Ende des Hohlzylinders durch eine Abschlußplatte (5), so werden alle Abgase gezwungen, in etwa radial nach außen durch 30 den Katalysator (4) bzw. durch dessen Zellen zu strömen. Wie in Fig. 4 gezeigt, kann auch das Gehäuse an die hohlzylindrische Katalysatorform angepaßt sein, indem es zu diesen eine koaxiale zylindrische Wand auf weist, die den Katalysator (4) im Abstand radial außerhalb d« Ausströmfläche des Katalysators (4) umgibt In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel eines hohlzylindrischen Katalysators gemäß der Erfindung gezeigt, der beispielsweise in das in Fig. 4 dargestellte Gehäuse (2) ersetzbar ist. Wegen der geringen Wandstärke (D), kann der 35 zunächst ebene Katalysator zu den in Fig. 5 dargestellten Hohlzylinder gebogen werden. Durch Innenringe (6) und Außenringe (7) kann der Katalysator in d« hohlzylindrischen Form zusammengehalten w«den. An der Stoßstelle (8) können kreisförmige Einsatzkörper (9) vorgesehen sein, die dem Umstand Rechnung tragen, daß die Zellen des Katalysators (4) schräg zur radialen Richtung verlaufen. Die Hg. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem hohlzylindrischen Katalysator (4). Die Abgase 40 strömen zunächst in ein Rohr (2') und von dort in Richtung des Pfeiles (11) üb« eine Eintrittsöffnung (10) im wesentlichen tangential an die Anstrümfläche (A) des Katalysators (4). Die Abgase treten von außen nach innen in den Katalysator ein und strömen in Richtung des Pfeiles (14) aus. Die Erfindung ist nicht auf Oxidationskatalysatoren für Magermotoren beschränkt Auch bei sonstigen Abgaskatalysatoren kann durch die erfindungsgemäße Dim«isionierung und Ausbildung die Alterungsbeständigkeit 45 erhöht werden. 50 PATENTANSPRÜCHE 1. Katalysator, insbesondere Oxidationskatalysator für den Einbau in eine Abgasleitung eines Motors d« Leistung (N), insbesondere eines Gasmagermotors, mit mehreren von den Abgasen durchströmten Zellen, deren Wände mit katalytisch aktivem Material versehen sind und mit ein« Anströmfiäche, durch welche die Abgase in den Katalysator -4- AT396434B bzw. dessen Zellen eintreten, dadurch gekennzeichnet, daß für das Verhältnis des Durchmessers (d) einer mit der Anströmfläche (A) flächengleichen Kreisfläche zu der als Quotient von Katalysatorvolumen (V) durch die Anströmfläche (A) definierten Länge des Katalysators (L=V/A) die Beziehung d/L VTT > 90 [VkW ] gilt, wobei N die Motorleistung in Kilowatt (kW) ist.
2. Katalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß d/L £ 180 gilt.
3. Katalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß 180 < d/L έ 315 gilt.
4. Katalysator, insbesondere Oxidationskatalysator für den Einbau in eine Abgasleitung eines Gasmagermotors, mit mehreren von den Abgasen durchströmten Zellen, deren Wände mit katalytisch aktivem Material versehen sind und mit einer Anströmfläche, durch welche die Abgase in den Katalysator bzw. dessen Zellen eintreten, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anströmfläche (A) des Katalysators (4) gekrümmt ist
5. Katalysator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anströmfläche (A) und die Ausstiömfläche des Katalysators (4), durch die die Abgase aus dem Katalysator (4) bzw. dessen Zellen austreten, derart gleichsinnig gekrümmt sind, daß der Abstand von Anström- und Ausstiömfläche überall gleich ist
6. Katalysator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anströmfläche (A) zylindrisch gekrümmt ist.
7. Katalysator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (4) die Form eines Hohlzylinders aufweist.
8. Katalysator insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus der als Quotient von Katalysatorvolumen durch die Anströmfläche definierten Länge ((L) in Millimetern) und der Zellendichte ((Z) in Zellen pro Zoll = cpi) L [mm]. Z [cpi] i 8000 [mm. cpi] ist.
9. Katalysatoreinheit mit einem in die Abgasleitung eines Motors einsetzbaren Gehäuse, in welchem ein Katalysator insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Normale auf die Anströmfläche (A) einen Winkel von mindestens 60°, vorzugsweise im wesentlichen 90°, zur Einströmrichtung der Abgase in das Gehäuse (2) einschließt.
10. Katalysatoreinheit nach Ansprach 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des hohlzylindrischen Katalysators im wesentlichen mit der Einströmrichtung der Abgase in das Gehäuse (2) zusammenfällt und daß der Hohlzylinder an dem der Abgas-Eintrittsöffnung in das Gehäuse (2) abgewandten Ende vorzugsweise verschlossen ist.
11. Katalysatoreinheit mit einem in die Abgasleitung des Motors einsetzbaren Gehäuse, in welchem ein Katalysator, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgabe über mindestens eine Eintrittsöffnung (10) im wesentlichen tangential an die Anströmfläche (A) des Katalysators (4) strömen.
12. Katalysator nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse eine zum hohlzylindrischen Katalysator (4) koaxiale zylindrische Wand (2a) auf weist, die den Katalysator (4) mit Abstand radial außerhalb der Anströmfläche des Katalysators (4) umgibt. Hiezu 5 Blatt Zeichnungen -5-