DE102010022276A1 - Catalyst useful for catalytic evaporation or gasification of liquid fuels with precious metals as a catalytically active material, comprises a catalyst support, which is a sheet provided with openings - Google Patents

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Abstract

Catalyst comprises a catalyst support (1), which is a sheet with a thickness of not > 1 mm. The sheet is provided with openings (2), which amounts to at least 30% of the sheet surface. An aluminum-alloy stainless steel with aluminum content of 3-6% is used as a material for the catalyst support. An aluminum oxide layer (3) of at least 20 mu thickness is produced on the sheet by long term calcination in air.

Description

In DE 10 2006 060 669 wird die Katalytische Verdampfung beschrieben. Bei diesem Verfahren reagieren Brennstoffdampf und Luft an einem Katalysator. Der flüssige Brennstoff befindet sich als Flüssigkeitsfilm auf einer Fläche, die parallel zum Katalysator angeordnet ist. Die am Katalysator entstehende Reaktionswärme wird durch Wärmestrahlung vom Katalysator an den flüssigen Brennstoff übertragen. Dadurch wird bis zum Austritt aus dem Katalytischen Verdampfer der gesamte Brennstoff verdampft. Bei der Katalytischen Verdampfung kann auch eine chemische Umwandlung des Brennstoffs stattfinden. Dies wird als Vergasung bezeichnet.In DE 10 2006 060 669 the catalytic evaporation is described. In this process, fuel vapor and air react on a catalyst. The liquid fuel is located as a liquid film on a surface which is arranged parallel to the catalyst. The heat of reaction generated at the catalyst is transferred by thermal radiation from the catalyst to the liquid fuel. As a result, all the fuel is vaporized until it leaves the catalytic evaporator. In the case of catalytic evaporation, a chemical conversion of the fuel can also take place. This is called gasification.

Bei dieser Katalytischen Verdampfung läuft somit eine Gasphasenreaktion am Katalysator ab. Die Lambdazahl ist kleiner als 1, das heisst es herrschen unterstöchiometrische Bedingungen für die Oxydation des Brennstoffs mit der zugeführten Luft. Die Temperatur am Katalysator kann nach unserer Erfahrung bis zu 850°C betragen. Es treten hohe Temperaturgradienten auf. So kann die Katalysator-Temperatur innerhalb weniger Sekunden von 300°C auf 850°C steigen. Der erforderliche Wirkungsgrad der katalytischen Reaktion beträgt höchstens 90%, somit viel weniger als beispielsweise beim Automobil-Abgaskatalysator, wo Wirkungsgrade über 99% verlangt werden. Die Restluft, die am Katalysator infolge des kleinen Wirkungsgrades nicht umgesetzt wird, verlässt den Katalytischen Verdampfer zusammen mit dem verdampften Brennstoff. Diese Restluft stört nicht im verdampften Brennstoff.In this catalytic evaporation, therefore, a gas phase reaction takes place on the catalyst. The lambda number is less than 1, that is, there are substoichiometric conditions for the oxidation of the fuel with the supplied air. The temperature at the catalyst can be up to 850 ° C in our experience. There are high temperature gradients. Thus, the catalyst temperature can rise from 300 ° C to 850 ° C within a few seconds. The required efficiency of the catalytic reaction is at most 90%, thus much less than, for example, the automotive catalytic converter, where efficiencies above 99% are required. The residual air, which is not reacted on the catalyst due to the low efficiency, leaves the catalytic evaporator together with the evaporated fuel. This residual air does not interfere with the vaporized fuel.

Für katalytische Gasphasenreaktionen werden Wabenkörper-Katalysatoren eingesetzt, wenn ein hoher Wirkungsgrad verlangt wird. Da bei der Katalytischen Verdampfung kein hoher Wirkungsgrad verlangt wird, müssen hier keine Wabenkörper-Katalysatoren eingesetzt werden. Wir verwenden deshalb ein dünnes Blech als Katalysatorträger für die Katalytische Verdampfung.For catalytic gas phase reactions, honeycomb catalysts are used when high efficiency is required. Since no high efficiency is required in the catalytic evaporation, no honeycomb catalysts need to be used here. We therefore use a thin sheet metal catalyst support for catalytic evaporation.

Üblicherweise wird auf dem Träger ein Washcoat zur Oberflächenvergrösserung angebracht. Als Washcoat hat sich poröses Aluminiumoxid (Al2O3) für die Katalytische Verdampfung bewährt. Darauf wird eine Edelmetallauflage als katalytisch aktive Substanz angebracht. Wenn metallische Katalysatorträger mit Washcoat für die Katalytische Verdampfung eingesetzt werden, so besteht die Gefahr des Abplatzens des Washcoats infolge der hohen Temperaturgradienten bei der Katalytischen Verdampfung.Usually, a washcoat for surface enlargement is applied to the carrier. As a washcoat, porous alumina (Al 2 O 3 ) has proven to be suitable for catalytic evaporation. Then a precious metal coating is applied as a catalytically active substance. When metallic catalyst carriers with washcoat are used for the catalytic evaporation, there is a risk of the washcoat from flaking off due to the high temperature gradients in the catalytic evaporation.

Es sind Methoden bekannt um die Haftung des Washcoats auf metallischen Trägern zu erhöhen. So wird in US 2007 0828 10 A1 der metallische Träger mit einer Dispersion von Aluminiumsilikat und Aluminiumoxid beschichtet. Für die hohen Temperaturgradienten, die bei der Katalytischen Verdampfung auftreten, ist die mit dieser Methode erreichte Haftung des Washcoats nicht ausreichend.Methods are known for increasing the adhesion of the washcoat to metallic substrates. So will in US 2007 0828 10 A1 the metallic carrier coated with a dispersion of aluminum silicate and aluminum oxide. For the high temperature gradients that occur in the catalytic evaporation, the adhesion of the washcoat achieved with this method is not sufficient.

In DE 103 32 995 A1 wird ein aus gestrickten oder gewickelten Drähten bestehender Katalysatorträger zunächst mit Lot beschichtet um die Haftung des Washcoat zu erhöhen. Auf dem Lot wird ein Aluminiumoxid-Washcoat angebracht und darauf die katalytisch aktive Schicht. Für die hohen bei der Katalytischen Verdampfung auftretenden Temperaturen ist das verwendete Lot weniger geeignet.In DE 103 32 995 A1 For example, a catalyst support consisting of knitted or wound wires is first coated with solder in order to increase the adhesion of the washcoat. An aluminum oxide washcoat is applied to the solder and then the catalytically active layer. For the high temperatures occurring in the catalytic evaporation, the solder used is less suitable.

Gemäss DE 44 03 500 A1 wird ein metallischer Wabenkörper aus Aluminium-legierten Stahl kalziniert, so dass eine Aluminiumoxid-Schicht von 3 μ Dicke entsteht. Darauf wird eine Zwischenschicht aus Gamma-Al2O3 von 1 bis 5 μ Dicke aufgebracht und darauf eine Zeolithschicht. Die Zwischenschicht dient der Erhöhung der Haftung der Zeolithschicht. Generell weisen Wabenkörper ein relativ hohes Gewicht auf. Temperaturgradienten der katalytischen Reaktion werden dadurch abgeschwächt. Für die Katalytische Verdampfung soll jedoch ein dünnes Blech als Katalysatorträger verwendet werden. Hier wirken sich Temperaturgradienten der katalytischen Reaktion stärker aus als bei einem Wabenkörper. Die in DE 44 03 500 A1 beschriebene Methode zur Verbesserung der Haftung des Washcoat bei einem Wabenkörper genügt deshalb nicht für die Katalytische Verdampfung.According to DE 44 03 500 A1 For example, a metallic honeycomb made of aluminum-alloyed steel is calcined to form an aluminum oxide layer 3 μ thick. Then an intermediate layer of gamma-Al 2 O 3 of 1 to 5 μ thickness is applied and thereon a zeolite layer. The intermediate layer serves to increase the adhesion of the zeolite layer. In general, honeycomb bodies have a relatively high weight. Temperature gradients of the catalytic reaction are thereby attenuated. For the catalytic evaporation, however, a thin sheet should be used as a catalyst support. Here, temperature gradients of the catalytic reaction have a stronger effect than with a honeycomb body. In the DE 44 03 500 A1 described method for improving the adhesion of the washcoat in a honeycomb body is therefore not sufficient for the catalytic evaporation.

Unserer Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde einen Katalysator für die Katalytische Verdampfung bereit zu stellen, bei dem die Nachteile der bekannten Katalysatoren vermieden werden. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.Our invention is based on the object to provide a catalyst for the catalytic evaporation, in which the disadvantages of the known catalysts are avoided. This object is solved by the characterizing features of the claims.

Da bei der Katalytischen Verdampfung kein hoher Wirkungsgrad verlangt wird, müssen hier keine Wabenkörper-Katalysatoren verwendet werden. Ausserdem besteht mit Wabenkörper-Katalysatoren nach unserer Erfahrung die Gefahr der Rußbildung infolge der unterstöchiometrischen Bedingungen bei der Katalytischen Verdampfung. Beim erfindungsgemässen Katalysator für die Katalytische Verdampfung wird deshalb ein dünnes metallisches Blech als Katalysatorträger verwendet. Metalle haben eine höhere Wärmeleitfähigkeit als beispielsweise Keramik. Deshalb werden mit dem metallischen Katalysatorträger lokal hohe Katalysator-Temperaturen, die den Katalysator schädigen können, abgebaut. Bei lokal tiefen Temperaturen am Katalysator können unwirksame Bereiche des Katalysators entstehen, wenn die Katalysator-Anspringtemperatur unterschritten wird. Auch lokal tiefe Temperaturen werden durch den metallischen Katalysatorträger ausgeglichen.Since no high efficiency is required in the catalytic evaporation, no honeycomb catalysts need to be used here. Moreover, in our experience, honeycomb catalysts are susceptible to soot formation due to the substoichiometric conditions of catalytic vaporization. In the catalyst according to the invention for catalytic evaporation, therefore, a thin metallic sheet is used as catalyst support. Metals have a higher thermal conductivity than, for example, ceramics. Therefore, with the metallic catalyst support locally high catalyst temperatures, which can damage the catalyst degraded. At locally low temperatures on the catalyst, ineffective regions of the catalyst can form if the catalyst light-off temperature is not reached. Even locally low temperatures are compensated by the metallic catalyst carrier.

Der Träger besteht aus einem Blech mit einer Dicke von höchstens 1 mm. Für die Katalytische Verdampfung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Blech mit Öffnungen zu versehen. Dadurch wird eine Homogenisierung des den Katalysator umspülenden Gasgemisches bewirkt. Es hat sich als vorteilhaft für die Katalytische Verdampfung erwiesen, wenn die Öffnungen mindestens 30% der Blechfläche ausmachen. The support consists of a sheet with a thickness of at most 1 mm. For the catalytic evaporation, it has proven to be advantageous to provide the sheet with openings. As a result, a homogenization of the gas flowing around the catalyst gas mixture is effected. It has proved advantageous for catalytic evaporation when the openings make up at least 30% of the sheet surface area.

Als Werkstoff für den Katalysatorträger wird ein Aluminium-legierter rostfreier Stahl mit einem Aluminiumgehalt von 3 bis 6% verwendet. Auf dem Katalysatorträger wird eine Al2O3-Schicht von mindestens 20 μ Dicke durch Kalzination erzeugt. Für die weitere Herstellung des Katalysators für die Katalytische Verdampfung gibt es zwei Möglichkeiten, die je nach den Anforderungen angewendet werden. Die erste Möglichkeit besteht darin, die Edelmetallauflage direkt auf die durch Kalzination erzeugte Al2O3-Schicht aufzubringen. Infolge der relativ kleinen Oberfläche, die bei der kalzinierten Al2O3-Schicht vorhanden ist, ist eine relativ grosse Katalysatorfläche erforderlich. Der entsprechende Katalytische Verdampfer wird dann relativ gross, hat aber den Vorteil, dass die Al2O3-Schicht extrem gut haftet am metallischen Träger. Dieser Katalysator ist deshalb geeignet für Katalytische Verdampfungen bei extrem hohen Temperaturen, beispielsweise 850°C. Die Edelmetallauflage wird direkt auf der durch Kalzination erzeugten Aluminiumoxidschicht angebracht.As a material for the catalyst support, an aluminum-alloyed stainless steel having an aluminum content of 3 to 6% is used. On the catalyst support an Al 2 O 3 layer of at least 20 μ thickness is produced by calcination. For the further production of the catalyst for the catalytic evaporation, there are two possibilities, which are applied depending on the requirements. The first option is to apply the precious metal coating directly to the calcined Al 2 O 3 layer. Due to the relatively small surface area present in the calcined Al 2 O 3 layer, a relatively large catalyst area is required. The corresponding catalytic evaporator then becomes relatively large, but has the advantage that the Al 2 O 3 layer adheres extremely well to the metallic carrier. This catalyst is therefore suitable for catalytic evaporations at extremely high temperatures, for example 850 ° C. The precious metal overlay is applied directly to the calcined alumina layer.

Die zweite Möglichkeit der Katalysatorherstellung wird angewendet, wenn die Temperatur der Katalytischen Verdampfung auf 750°C begrenzt werden kann. In diesem Fall wird auf die durch Kalzination erzeugte Al2O3-Schicht ein Washcoat aus porösem Gamma-Al2O3 aufgebracht. Die Edelmetallauflage wird darauf angebracht.The second possibility of catalyst production is used when the temperature of the catalytic evaporation can be limited to 750 ° C. In this case, a 3 layer washcoat of porous gamma-Al 2 O 3 is applied to the generated by calcining Al 2 O. The precious metal overlay is attached to it.

Unterschiedliche Brennstoffe haben unterschiedliche Höchsttemperaturen der Katalytischen Verdampfung. Je nach Brennstoff, der katalytisch verdampft werden soll, wird eine der beiden Herstellmöglichkeiten des Katalysators gewählt.Different fuels have different maximum temperatures of catalytic evaporation. Depending on the fuel that is to be catalytically vaporized, one of the two production possibilities of the catalyst is selected.

Die Erfindung wird anhand der Figur näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to FIG.

1 zeigt einen Querschnitt durch den Katalysator in vergrössertem Massstab. Der Katalysatorträger 1 besteht aus einem Blech von höchstens 1 mm Dicke, vorzugsweise 0.5 mm Dicke. Als Werkstoff wird der Aluminium-legierter rostfreier Stahl WstNr. 1.4767 mit einem Aluminiumgehalt von 4 bis 5.5% verwendet. 1 shows a cross section through the catalyst in an enlarged scale. The catalyst carrier 1 consists of a sheet of at most 1 mm thick, preferably 0.5 mm thick. The material used is the aluminum-alloyed stainless steel WstNr. 1.4767 used with an aluminum content of 4 to 5.5%.

Das Blech des Katalysatorträgers 1 ist mit Öffnungen 2 versehen. Diese entstehen durch Schnitte im Blech und Auswalzen. Dies wird als Streckmetall bezeichnet. Wir verwenden Streckmetall mit einer Grösse der Öffnungen von 1 bis 5 mm und einer Breite der metallischen Stege von 0.2 bis 2 mm.The sheet of the catalyst carrier 1 is with openings 2 Mistake. These arise from cuts in the sheet and rolling. This is called expanded metal. We use expanded metal with a size of the openings of 1 to 5 mm and a width of the metal bars of 0.2 to 2 mm.

Der Katalysator soll für die Katalytische Verdampfung von Dieselöl mit relativ tiefem Siedpunkt geeignet sein.The catalyst should be suitable for the catalytic evaporation of diesel oil with a relatively low boiling point.

Für diesen Anwendungsfall wird auf dem Katalysatorträger durch Kalzination eine Al2O3-Schicht 3 von 20 μ Dicke erzeugt. Nach unseren Untersuchungen ist dazu eine Kalzination in Luft bei 970°C während 40 Tagen erforderlich. Anschliessend wird darauf ein Washcoat 4 aus porösem Gamma-Al2O3 aufgebracht. Darauf folgt die Edelmetallauflage 5. Die Edelmetallauflage 5 ist in 1 durch Punkte dargestellt.For this application, an Al 2 O 3 layer is formed on the catalyst support by calcination 3 produced by 20 μ thickness. According to our investigations, this requires calcination in air at 970 ° C. for 40 days. Subsequently, a washcoat is applied 4 made of porous gamma-Al 2 O 3 . This is followed by the precious metal overlay 5 , The precious metal pad 5 is in 1 represented by dots.

Dieser Katalysator ist für Katalytische Verdampfungen bis höchstens 750°C Katalysatortemperatur geeignet.This catalyst is suitable for catalytic evaporations up to a maximum of 750 ° C catalyst temperature.

Für den Fall dass Heizöl mit relativ hohem Siedepunkt katalytisch verdampft werden soll, wird der Katalysator ohne Washcoat gewählt. In diesem Fall wird auf dem Katalysatorträger aus WSt.Nr. 1.4767 durch Kalzination eine Al2O3-Schicht von 34 μ Dicke erzeugt, wozu nach unseren Untersuchungen eine Kalzination in Luft bei 970°C während 65 Tagen erforderlich ist. Die Edelmetallauflage wird direkt auf der durch Kalzination erzeugten Al2O3-Schicht aufgebracht. Dieser Katalysator ist für Katalytische Verdampfungen bis 850°C geeignet.In the event that fuel oil with a relatively high boiling point is to be catalytically vaporized, the catalyst is selected without washcoat. In this case, on the catalyst support from WSt.Nr. 1.4767 by calcination an Al 2 O 3 layer of 34 μ thickness produced, which according to our investigations, a calcination in air at 970 ° C for 65 days is required. The precious metal overlay is applied directly to the calcined Al 2 O 3 layer. This catalyst is suitable for catalytic evaporations up to 850 ° C.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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  • US 2007082810 A1 [0005] US 2007082810 A1 [0005]
  • DE 10332995 A1 [0006] DE 10332995 A1 [0006]
  • DE 4403500 A1 [0007, 0007] DE 4403500 A1 [0007, 0007]

Claims (3)

Katalysator für die Katalytische Verdampfung oder Vergasung flüssiger Brennstoffe mit Edelmetall als katalytisch aktivem Material, dadurch gekennzeichnet dass der Katalysatorträger (1) ein Blech mit einer Stärke von höchstens 1 mm ist, dass das Blech mit Öffnungen (2) versehen ist, wobei diese mindestens 30% der Blechfläche ausmachen, dass als Werkstoff für den Katalysatorträger (1) ein Aluminium-legierter rostfreier Stahl mit einem Aluminiumgehalt von 3 bis 6% verwendet wird, dass auf dem Blech eine Aluminiumoxidschicht (3) von mindestens 20 μ Dicke durch Langzeitkalzination in Luft erzeugt wird.Catalyst for the catalytic vaporization or gasification of liquid fuels with noble metal as the catalytically active material, characterized in that the catalyst support ( 1 ) a sheet with a thickness of at most 1 mm is that the sheet with openings ( 2 ), which make up at least 30% of the sheet surface, that as material for the catalyst support ( 1 ) an aluminum-alloyed stainless steel with an aluminum content of 3 to 6% is used, that on the sheet an aluminum oxide layer ( 3 ) of at least 20 μ thickness is produced by long-term calcination in air. Katalysator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff für den Katalysatorträger (1) der Aluminium-legierte rostfreie Stahl WstNr. 1.4767 mit einem Aluminiumgehalt von 4 bis 5.5% verwendet wird, dass als Blech für den Katalysatorträger (1) Streckmetall mit einer Grösse der Öffnungen (2) von 1 bis 5 mm und einer Breite der Stege von 0.2 bis 5 mm verwendet wird, dass die Aluminiumoxidschicht (3) durch Kalzination in Luft bei 970°C während 65 Tagen erzeugt wird, dass die Edelmetallauflage (5) direkt auf der Aluminiumoxidschicht (3) aufgebracht wird.Catalyst according to claim 1, characterized in that as a material for the catalyst support ( 1 ) the aluminum-alloyed stainless steel WstNr. 1.4767 with an aluminum content of 4 to 5.5% is used as a metal sheet for the catalyst support ( 1 ) Expanded metal with a size of the openings ( 2 ) of 1 to 5 mm and a width of the webs of 0.2 to 5 mm is used, that the aluminum oxide layer ( 3 ) is produced by calcination in air at 970 ° C for 65 days that the precious metal coating ( 5 ) directly on the aluminum oxide layer ( 3 ) is applied. Katalysator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff für den Katalysatorträger (1) der Aluminium-legierte rostfreie Stahl WstNr. 1.4767 mit einem Aluminiumgehalt von 4 bis 5.5% verwendet wird, dass als Blech für den Katalysatorträger (1) Streckmetall mit einer Grösse der Öffnungen (2) von 1 bis 5 mm und einer Breite der Stege von 0.2 bis 5 mm verwendet wird, dass die Aluminiumoxidschicht (3) durch Kalzination in Luft bei 970°C während 40 Tagen erzeugt wird, dass auf der Aluminiumoxidschicht (3) ein Washcoat (4) aufgebracht wird und darauf die Edelmetallauflage (5).Catalyst according to claim 1, characterized in that as a material for the catalyst support ( 1 ) the aluminum-alloyed stainless steel WstNr. 1.4767 with an aluminum content of 4 to 5.5% is used as a metal sheet for the catalyst support ( 1 ) Expanded metal with a size of the openings ( 2 ) of 1 to 5 mm and a width of the webs of 0.2 to 5 mm is used, that the aluminum oxide layer ( 3 ) is produced by calcination in air at 970 ° C for 40 days, that on the alumina layer ( 3 ) a washcoat ( 4 ) is applied and then the precious metal overlay ( 5 ).
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