DE102014203617A1

DE102014203617A1 - Katalysatormodul, Aufnahmeeinheit für ein solches Katalysatormodul sowie Verfahren zum Herstellen eines solchen Katalysatormoduls

Info

Publication number: DE102014203617A1
Application number: DE102014203617.8A
Authority: DE
Inventors: Robert Kleuderlein; Udo Klumpp; Bernd Amon
Original assignee: Johnson Matthey Catalysts Germany GmbH
Current assignee: Johnson Matthey Catalysts Germany GmbH
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2015-08-27
Also published as: EP3111069B1; RU2704194C2; CN106030066A; CN106030066B; RU2016137654A; RU2016137654A3; EP3111069A1; JP2017518163A; KR102350363B1; KR20160125462A; WO2015128659A1; JP6484643B2; US20150238898A1; US9999854B2

Abstract

Das Katalysatormodul (2) ist für den Einsatz in einer Abgasreinigungsanlage einer stationären Verbrennungsanlage ausgebildet. Es umfasst einen Stapelrahmen (4), in den mehrere Aufnahmeeinheiten (6) aneinandergereiht eingesetzt sind. Die Aufnahmeeinheiten (6) weisen eine umlaufende Seitenwandung (22) sowie mehrere miteinander verschränkte Trennwände (24a, 24b) auf, welche ein Gitter mit einer Vielzahl von Aufnahmeschächten (26) ausbilden, in denen jeweils ein Katalysator (10) eingesetzt ist. Die Katalysatoren (10) sind dabei vorzugsweise unter Zwischenlage eines elastischen Einpasselements (30) eingepresst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Katalysatormodul für den Einsatz in einer Abgasreinigungsanlage einer stationären Verbrennungsanlage, eine Aufnahmeeinheit und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Katalysatormoduls.
Unter stationärer Verbrennungsanlage wird jegliche Anlage zur Verbrennung von kohlenwasserstoffbasierenden Brennstoffen verstanden. Beispielsweise handelt es sich um Kohle- oder Öl (Petroleum)- befeuerte Anlagen oder Gasturbinen. Stationäre Verbrennungsanlagen umfassen auch Marine-Anwendungen, beispielsweise Verbrennungsanlagen wie Dieselmotoren, wie sie für große Container- oder Kreuzfahrtschiffe eingesetzt werden. Die stationären Verbrennungsanlagen werden üblicherweise kontinuierlich unter einer gleichen, stationären Last betrieben.
Stationäre Verbrennungsanlagen weisen regelmäßig eine Abgasreinigungsanlage auf, welche mit Katalysatormodulen bestückt ist. Die Katalysatormodule werden dabei in einem Abgaskanal der Abgasreinigungsanlage eingebaut und werden im Betrieb von dem zu reinigenden Abgas durchströmt. Der Abgaskanal weist dabei typischerweise eine Querschnittsfläche von zumindest mehreren Quadratmetern, oft auch von mehreren zehn Quadratmetern auf. Häufig zeigt der Abgaskanal eine rechteckförmige Querschnittsfläche mit einer Kantenlänge jeweils von mehreren Metern, beispielsweise von 10m × 10m. Die gesamte Querschnittsfläche des Abgaskanals ist dabei durch ein oder auch mehrere nebeneinander angeordnete Katalysatormodule überdeckt, sodass das zu reinigende Abgas vollständig durch die Katalysatormodule strömt. Innerhalb des Abgaskanals sind üblicherweise mehrere Katalysatormodule, beispielsweise zwei bis fünf, nebeneinander in Reihen und Spalten in einem Stützgerüst angeordnet. Die Katalysatormodule selbst weisen typischerweise einen rechteckförmigen Querschnitt mit einer Kantenlänge von jeweils mehreren Metern auf.
In Strömungsrichtung des Abgases sind darüber hinaus oftmals die Katalysatormodule in mehreren Ebenen hintereinander angeordnet. Auch in Strömungsrichtung weist eine aus Katalysatormodulen aufgebaute Katalysatoreinrichtung eine Erstreckung von mehreren Metern, insbesondere mehrere zehn Meter, beispielsweise von 25m auf.
Die Katalysatormodule umfassen jeweils einen Stapelrahmen, in den mehrere Aufnahmeeinheiten eingesetzt sind, welche wiederum mit mehreren Katalysatoren bestückt sind. Die einzelnen Katalysatoren werden dabei in Strömungsrichtung des Abgases durchströmt. Bei diesen handelt es sich beispielsweise um Plattenkatalysatoren, im vorliegenden interessierenden Fall vorzugsweise jedoch um sogenannte Wabenkatalysatoren. Bei diesen Wabenkatalysatoren handelt es sich um monolithische Bauteile aus einem keramischen Werkstoff, welcher mit einer Vielzahl von Strömungskanälen in Strömungsrichtung durchsetzt ist. Im Betrieb und im eingebauten Zustand werden die Strömungskanäle von dem zu reinigenden Abgas durchströmt. Dieser monolithische Körper weist eine katalytische Aktivität im Hinblick auf die Abgasreinigung auf. Wahlweise ist der monolithische Träger mit einer katalytisch aktiven Beschichtung versehen oder das Trägermaterial selbst ist katalytisch aktiv. Bei diesen Wabenkatalysatoren handelt es sich dabei insbesondere um extrudierte Wabenkatalysatoren. Ein jeweiliger Katalysator weist typischerweise eine rechteckförmige und insbesondere quadratische Querschnittsfläche mit einer Kantenlänge von etwa 10cm bis 30cm auf.
Bei den Aufnahmeeinheiten handelt es sich bei einer ersten Variante um sogenannte Elementkästen, in denen die einzelnen Katalysatoren matrixförmig aneinander angrenzend einliegen. Dabei sind vorzugsweise zwischen den einzelnen Katalysatoren üblicherweise vliesartige Dichtelemente angeordnet, die Leckageströme durch die Grenzebene zwischen benachbarten Katalysatoren oder zwischen den Katalysatoren und dem Elementkasten verhindern sollen. In einem jeweiligen Elementkasten sind dabei typischerweise zwei bis zehn Katalysatoren mit jeweils rechteckförmiger und insbesondere quadratischer Querschnittsfläche üblicherweise in mehreren Lagen übereinander oder nebeneinander angeordnet.
Die Elementkästen selbst sind innerhalb des Stapelrahmens ebenfalls matrixförmig angeordnet. Die Anzahl der Elementkästen richtet sich dabei nach der Größe des Katalysatormoduls. Die Elementkästen sind üblicherweise aus Blechteile aufgebaut, welche zu Versteifungszwecken randseitig an gegenüberliegenden Stirnseiten jeweils etwa 90°-Umkantungen aufweisen. Diese sind daher im Betrieb senkrecht zu der Strömungsrichtung des zu reinigenden Abgases orientiert und bilden somit unerwünschte Strömungswiderstandsflächen.
Neben den Elementkästen, die typischerweise mehrreihig in einem Stapelrahmen angeordnet werden, sind die Aufnahmeeinheiten gemäß einer zweiten Variante als sogenannte Verpack- und Lagereinheiten ausgebildet, welche jeweils ebenfalls mit Katalysatoren bestückt sind, im Vergleich zu Elementkästen sind diese größer und innerhalb eines Katalysatormoduls typischerweise nur einreihig angeordnet sind. Zwischen den Katalysatoren sind üblicherweise wiederum vliesartige Dicht- und Ausgleichselemente angeordnet.
Die Katalysatormodule werden mit Hilfe der Stapelrahmen in der Abgasreinigungsanlage aneinander befestigt. Die Katalysatormodule werden dabei üblicherweise beispielsweise beim Hersteller der Katalysatoren als Baueinheiten vorgefertigt und als solche eingebaut. Die Katalysatormodule müssen dabei während des Betriebs sowohl mechanischen als auch thermischen Belastungen Stand halten. Die Abgastemperatur in derartigen stationären Anlagen liegt typischerweise im Bereich von beispielsweise 400° bis 500°. Im Hinblick auf eine möglichst effektive Reinigung des Abgases sind Leckageströme möglichst zu vermeiden, sodass also das gesamte Abgas an katalytisch aktiven Flächen vorbei strömt. Im Hinblick auf eine Minimierung von Strömungsdruckverlusten ist es auch wünschenswert, dass ein möglichst großer Anteil der Querschnittsfläche des Abgaskanals ausgenutzt ist.
Bei den Stapelrahmen nach dem Stand der Technik handelt es sich um verschweißte Stahlprofile, in die die einzelnen Aufnahmeeinheiten, also beispielsweise die Elementkästen oder auch die Verpack- und Lagereinheiten eingesetzt werden. Um eine sichere mechanische Befestigung zu erreichen werden dabei die Elementkästen jeweils mit dem Stapelrahmen sowie auch untereinander verschweißt. Um den Stapelrahmen bestücken zu können, weist dieser ein gewisses Übermaß auf. Der verbleibende Spalt wird mit einem streifenförmigen Dichtelement abgedichtet. Hierbei besteht allerdings das Problem, dass aufgrund von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten diese streifenförmigen Dichtelemente sich im Betrieb lösen können, sodass Leckageströme entstehen. Dieses Problem betrifft auch die zwischen den einzelnen Katalysatoren eingelegten Dicht- und Ausgleichselemente. Insgesamt besteht daher bei herkömmlichen Einheiten die Gefahr, dass im Laufe der Betriebszeit Leckageströme entstehen.
Bei Ausgestaltungen mit Verpack- und Lagereinheiten, bei denen beispielsweise pro Katalysatormodul jeweils drei derartige Einheiten aneinander gereiht sind, werden diese heutzutage in einer extra dafür angefertigten, aufwändigen Press- und Schweißvorrichtung miteinander sowie mit dem Stapelrahmen verschweißt. Beim Bestücken einer jeweiligen Verpack- und Lagereinheit mit Katalysatoren werden diese zunächst in einen offenen Rahmen der Einheit eingesetzt, danach durch Aufpressen eines Deckels der Verpack- und Lagereinheit gegeneinander vorgespannt und anschließend werden der Deckel mit den Seitenteilen der Verpack- und Lagereinheit verschweißt. Diese Verpack- und Lagereineiten werden dann wiederum in den Stapelrahmen eingeschlichtet und mit diesem verschweißt. Auch hier muss wiederum eine Abdichtung erfolgen. Aufgrund dieses komplexen Herstellungsverfahrens ist eine aufwendige Schweißvorrichtung erforderlich, die typischerweise auch jeweils auf die Größe eines jeweiligen Katalysatormoduls abgestimmt ist. Dadurch sind insgesamt die Herstellungskosten vergleichsweise hoch.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfache Herstellung eines Katalysatormoduls anzugeben, welche gute Strömungseigenschaften und eine verbesserte Reinigungseffizienz durch geringere Leckageströme zeigen.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Katalysatormodul für den Einsatz in einer Abgasreinigungsanlage einer stornieren Verbrennungsanlage.
Das Katalysatormodul ist daher ausgelegt und konzipiert für solche zuvor beschriebenen Abgasreinigungsanlagen von stationären Verbrennungsanlagen, insbesondere von Kraftwerken zur Energieerzeugung. Im Hinblick auf die grundsätzliche Anordnung sowie im Hinblick auf den grundsätzliche Aufbau und die Größenverhältnisse derartiger Katalysatormodule wird auf die vorhergehenden Ausführungen verwiesen.
Das Katalysatormodul umfasst einen Stapelrahmen mit einem Bodenteil und einem Deckelteil sowie zwei Seitenteilen. Der Stapelrahmen erstreckt sich dabei in einer Längsrichtung sowie in einer Querrichtung und weist zwei in einer Strömungsrichtung gegenüberliegende Stirnflächen auf, die von dem Bodenteil, dem Deckelteil sowie den zwei Seitenteilen umrandet sind. Die Stirnflächen werden dabei von der Längsrichtung und der Querrichtung aufgespannt und sind senkrecht zur Strömungsrichtung eines Abgases orientiert, wenn sie in einem Abgaskanal der Abgasreinigungsanlage eingebaut sind. In den Stapelrahmen ist zumindest eine, vorzugsweise sind mehrere vorgefertigte Aufnahmeeinheiten eingesetzt, welche jeweils eine umlaufende Seitenwandung sowie mehrere vorzugsweise miteinander verschränkte Trennwände aufweist. Die Trennwände bilden dabei ein Gitter mit einer Vielzahl von Aufnahmeschächten in die jeweils ein einziger Katalysator passgenau eingesetzt ist. Unter passgenau eingesetzt wird hierbei verstanden, dass der einzelne Katalysator ggf. bis auf ein Spaltmaß an die Querschnittsgeometrie des jeweiligen Aufnahmeschacht angepasst ist.
Bei den Katalysatoren handelt es sich bevorzugt um monolithische Wabenkatalysatoren bestehend aus einem keramischen Trägermaterial, welches mit einer Vielzahl von einzelnen Strömungskanälen durchsetzt ist. Das Trägermaterial ist dabei wahlweise mit einer katalytisch aktiven Schicht versehen oder ist selbst katalytisch aktiv. Unter Katalysator wird allgemein eine Einheit mit einer für die gewünschte Abgasreinigung katalytischen Aktivität verstanden. Neben (extrudierten) Wabenkatalysatoren können beispielsweise auch Plattenkatalysatoren eingesetzt werden. Die Katalysatoren in einem Katalysatormodul sind vorzugsweise, jedoch nicht zwingend identisch zueinander ausgebildet. In Strömungsrichtung können dabei auch mehrere Katalysator-Teileinheiten, also beispielsweise mehrere monolithische Wabenkörper nacheinander eingesetzt sein. Diese in Strömungsrichtung aneinandergereihten Teileinheiten bilden dann den einen Katalysator. Bei Bedarf sind die Teileinheiten unterschiedlich im Hinblick auf ihre katalytische Wirkung ausgebildet. Bevorzugt sind sie identisch ausgebildet.
Die Aufnahmeeinheit wird nachfolgend auch als Canningeinheit bezeichnet, in Anlehnung an das Canning-Verfahren, welches im Bereich der Katalysatoren für Kraftfahrzeuge zur Montage eines Wabenkatalysators in einem Gehäuse bekannt ist.
Diese Ausgestaltung der Aufnahmeeinheiten als Canningeinheiten geht dabei von der zuvor beschriebenen Ausführungsvariante mit den Verpack- und Lagereinheiten aus, in denen die einzelnen Katalysatoren angeordnet sind. Im Unterschied hierzu sind die Aufnahmeeinheiten ergänzend mit Trennwänden versehen, sodass jeder Katalysator einzelweise in einem jeweiligen Aufnahmeschacht eingesetzt ist.
Durch die Ausbildung der einzelnen Aufnahmeschächte und der einzelweisen Halterung der Katalysatoren ist daher ein aufwendiges Verpressen der Katalysatoren innerhalb der Verpack- oder Lagereinheit, wie dies bisher erforderlich war, nicht mehr notwendig. Dadurch gestaltet sich der Montagevorgang deutlich einfacher. Insbesondere ist auch keine aufwendige Press- und Schweißvorrichtung erforderlich. Durch die einzelweise Aufnahme der einzelnen Katalysatoren ist darüber hinaus auch eine vereinfachte Abdichtung und damit Verbesserung der Strömungseigenschaften erzielt.
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass die einzelnen Katalysatoren nunmehr nur noch geringeren Einpresskräften bei dem Zusammenbau des Stapelrahmens ausgesetzt sind. Die Katalysatoren brauchen daher – im Vergleich zu bisherigen Lösungen – nur noch mit einer geringeren mechanischen Steifigkeit ausgebildet zu sein. Dies wirkt sich günstig auf die Strömungseigenschaften des Katalysators, insbesondere Wabenkatalysators aus, so dass auch hierdurch eine verbesserte Reinigungseffizienz erreicht ist.
Die Katalysatoren sind vorzugsweise allgemein zum jeweiligen Aufnahmeschacht mit Hilfe eines Dichtelements abgedichtet, so dass keine Leckageströme zwischen dem Katalysator und einer Innenwandung des Aufnahmeschachts auftreten. Das Dichtelement ist dabei vorzugsweise umlaufende um den Katalysator angeordnet, so dass es die gesamte umlaufende Wandung des Katalysators umgibt und lediglich noch die beiden in Strömungsrichtung gegenüberliegenden Stirnseiten des Katalysators frei sind.
Zweckdienlicherweise sind hierzu die Katalysatoren jeweils unter Zwischenlage eines insbesondere elastischen Einpasselements als Dichtelement und insbesondere ohne weitere Befestigungsmittel oder Haltelemente in einem jeweiligen Aufnahmeschacht eingesetzt, insbesondere eingepresst. In Folge dieses Einpressens ist daher der jeweilige Katalysator im Aufnahmeschacht klemmend und damit zuverlässig und sicher gehalten. Es sind keine weiteren Haltemittel erforderlich. Gleichzeitig ist durch das elastische Einpasselement eine zuverlässige Abdichtung des Katalysators zu der Innenwandung des jeweiligen Aufnahmeschachts erreicht. Unter elastisches Einpasselement wird zunächst allgemein jedes Element verstanden, welches eine Elastizität aufweist und eine Abdichtung des Leckagespalts dauerhaft auch bei den hohen Betriebstemperaturen von mehreren hundert Grad Celsius gewährleistet. Unter elastisch wird hierbei allgemein verstanden, dass eine Verformung des Einpasselements, beispielsweise eine Veränderung der Dicke um mehr als 10% beispielsweise um 10% bis 30% unter Beibehaltung einer (elastischen) Rückstellkraft möglich ist, so dass also das Einpasselement vorzugsweise alleine durch die elastische Rückstellkraft zwischen der Wandung des Aufnahmeschachts und de Katalysator gehalten ist.
Durch die Verwendung des Einpasselements ist zugleich auch ein Mittel gegeben, welches den Katalysator gegen Kräfte isoliert, die durch Temperaturänderungen während eines Aufheizens und dem Kontakt mit den ihn umgebenden Wänden hervorgerufen werden oder gegen Vibrationen oder Stöße, die im normalen Betrieb auftreten können und auf den Katalysator einwirken. Dies ermöglicht die Verwendung von Katalysatoren, die in ihrer Struktur schwächer als solche sind, die gegenwärtig im Einsatz sind. Gleichzeitig sind damit Vorteile wie reduzierter Gegendruck usw. verbunden, da sie wegen den isolierenden Eigenschaften eben nicht die Festigkeit aufweisen müssen, wie sie herkömmliche Katalysatoren aufweisen.
Vorzugsweise liegt dabei das Einpasselement umlaufend um den jeweiligen Katalysator und insbesondere auch vollfächig an. Bei dem Einpasselement handelt es sich daher insbesondere um ein oder mehrere platten- oder mattenförmige Elemente, insbesondere aus einem Vlies oder einem vliesartigem Material. Derartige mattenförmige Elemente werden auch als Lagermatten bezeichnet. Vorzugsweise ist an jeder Seite des Katalysators eine ebene, plattenartige Lagermatte angeordnet ist. Die Lagermatten greifen an ihren Randseiten beispielsweise klemmend ineinander. Bei den Lagermatten handelt es sich also im Wesentlichen um flache quaderförmige Elemente, die flächenhaft mit einer rechteckförmigen Grundfläche zwischen den Katalysator und einem jeweiligen Wandungsbereich des Aufnahmeschachts eingebracht sind.
Zweckdienlicherweise ist das Einpasselement dabei derart ausgebildet, dass es sich bei einer Temperaturerhöhung gezielt ausdehnt, und zwar derart, dass eine temperaturbedingte Variation eines notwendigen Einpassabstands zwischen dem jeweiligen Katalysator und dem Aufnahmeschacht ausgeglichen wird, sodass eine ausreichende Klemmkraft zur Fixierung des Katalysators aufrechterhalten bleibt. Diese Ausgestaltung geht dabei von der Überlegung aus, dass der Katalysator und die Aufnahmeeinheit aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen. Im Unterschied zu dem keramischen Trägermaterial der Katalysatoren bestehen die Aufnahmeeinheiten und insbesondere die Wände der Aufnahmeschächte aus Stahlbleche. Aufgrund der Temperaturunterschiede zwischen Montage und Normalbetrieb oder auch zwischen einem Anfahrzustand und einem normalen Betriebszustand bei typischerweise etwa 400°C bis 500°C dehnen sich daher die Katalysatoren und die Aufnahmeeinheiten unterschiedlich aus, was zu einer Variation eines Abstands zwischen dem jeweiligen Katalysator und einer Innenwand des jeweiligen Aufnahmeschachts führt. Dieser Abstand, als Einpassabstand bezeichnet, ist erforderlich, um Katalysatoren, insbesondere die keramischen Wabenkatalysatoren in die jeweiligen Aufnahmeschächte einpassen zu können. Der Einpassabstand wird durch das elastische Einpasselement ausgefüllt. Durch das Einpasselement wird nunmehr zuverlässig erreicht, dass die bei der Montage eingebrachten Klemmkraft, die den Katalysator im Aufnahmeschacht hält, auch bei Temperaturveränderungen aufrechterhalten bleibt. Zum Einen ist hierdurch eine dauerhaft zuverlässige Fixierung der Katalysatoren innerhalb der Aufnahmeschächte gewährleistet. Zum Anderen ist damit auch vermieden, dass die Einpasselemente herausfallen und somit sich eventuelle Leckagen ergeben.
Im Hinblick auf einen möglichst einfachen Aufbau sind die Trennwände zur Ausbildung der einzelnen Aufnahmeschächte gebildet durch miteinander verschränkte Bleche, nämlich sich kreuzende vertikale sowie horizontale Bleche. Diese erstrecken sich jeweils über die gesamte Länge beziehungsweise Breite der Aufnahmeeinheiten. Die Trennwände weisen daher insbesondere in einem Rasterabstand, welcher einer Kantenlänge der Aufnahmeschächte entspricht, Schlitze auf und sind an diesen Schlitzen ineinander gesteckt. Grundsätzlich sind auch andere Möglichkeiten gegeben, die Aufnahmeschächte auszubilden.
Die Trennwände weisen Stirnkanten auf, die zu den Stirnflächen des Stapelrahmens hin orientiert sind. Die Stirnkanten liegen also in Strömungsrichtung betrachtet einander gegenüber. Die Stirnkanten, insbesondere die zu einer Anströmseite gerichtete Stirnkante an einer Abgas-Eintrittsseite des Stapelrahmens, weisen bevorzugt lediglich eine Stärke auf, die der normalen Blechstärke entspricht. Die Stirnkanten sind daher insbesondere umkantungsfrei ausgebildet, d.h. sie sind an ihren Stirnkanten nicht umgebogen. Hierdurch wird im Vergleich zu umgekanteten Kanten ein geringerer Strömungswiderstand erreicht. Hierdurch wird die Anströmfläche insbesondere bis nahezu 100% der Fläche der Aufnahmeeinheiten vergrößert.
Diese Anströmfläche einer Aufnahmeeinheit beträgt üblicherweise einige Quadratmeter. Typischerweise weist eine jede Aufnahmeeinheit eine Länge sowie eine Breite im Bereich von einigen Metern auf, beispielsweise im Bereich von 1 m bis 5 m. Die einzelnen Aufnahmeeinheiten weisen dabei eine quadratische oder eine rechteckförmige Grundfläche auf. Innerhalb des Stapelrahmens sind sie vorzugsweise lediglich einreihig – bezogen auf die Querrichtung – angeordnet. Über die Länge des Stapelrahmens sind mehrere Aufnahmeeinheiten, beispielsweise zwei bis fünf Aufnahmeeinheiten in Längsrichtung des Stapelrahmens nebeneinander angeordnet.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist der Stapelrahmen eine umlaufende Wandung auf, die aus einzelnen Seitenrahmenteilen zusammengesetzt ist, welche miteinander über zumindest ein, vorzugsweise mehrere mechanische Verbindungselemente verbunden, insbesondere verschraubt sind. Vorzugsweise sind dabei die Seitenrahmenteile nicht miteinander verschweißt. Ihre Verbindung erfolgt daher vorzugsweise ausschließlich über die mechanischen Verbindungselemente, insbesondere über die Verschraubungen. Bei den mechanischen Verbindungselementen handelt es sich also vorzugsweise um Schraubelemente, beispielsweise Schrauben mit Muttern, Gewindebolzen etc.
Durch diese insbesondere verschraubbare Ausgestaltung entfällt die Notwendigkeit einer Press- und Schweißeinrichtung. Dadurch können daher die einzelnen Katalysatormodule beispielsweise hinsichtlich ihrer Größe flexibel an den jeweiligen Anwendungsfall, also die konkrete Einbausituation in einer Anlage problemlos angepasst werden. Damit werden insgesamt die Herstellungskosten gering gehalten. Auch ist durch die Ausgestaltung mit dem Verbinden der Seitenrahmenteile über die mechanischen Verbinder ein Zusammenbau unmittelbar vor Ort auf der Baustelle vereinfacht. Bisher wurden die Katalysatormodule in einer Produktionsstätte vorgefertigt und als vorgefertigte Einheiten zur Baustelle beziehungsweise zum Einsatzort verfahren. Bei diesem Transport sind auch spezielle Schutzmaßnahmen erforderlich. Der Transport in Einzelteilen ist demgegenüber vereinfacht.
Zweckdienlicherweise ist weiterhin zwischen zumindest einem Seitenrahmenteil und einer angrenzenden Aufnahmeeinheit ein Dichtelement eingepresst und zwar aufgrund eines Verspannens des einen Seitenrahmenteils bei dessen Montage mit Hilfe des mechanischen Verbindungselements. Bei der Herstellung wird daher das Dichtelement zunächst auf eine der randseitigen Aufnahmeeinheiten aufgelegt, bevor das angrenzende Seitenrahmenteil mit den weiteren Seitenrahmenteilen verschraubt wird. Hierbei wird das Dichtelement zwischen dem Seitenrahmenteil und der zumindest einen Aufnahmeeinheit verpresst. Die Presskraft wird dabei von dem mechanischen Verbindungselement aufgebracht. Insgesamt werden hierdurch die Aufnahmeeinheiten in dem Stapelrahmen eingeklemmt. Vorzugsweise wird ein Dichtelement auch zwischen jede der Aufnahmeeinheiten sowie zwischen jeder der Aufnahmeeinheiten und einem Seitenrahmenteil eingelegt.
Bei dem Dichtelement handelt es sich also im Wesentlichen um ein flaches, platten- oder streifenförmig und insgesamt quaderförmige Element, das flächenhaft mit vorzugsweise rechteckförmiger Grundfläche ausgebildet und zwischen den Aufnahmeeinheiten und dem jeweiligen Seitenrahmenteil eingebracht ist.
Durch diese Maßnahme ist der besondere Vorteil erzielt, dass das Dichtelement durch das Verschrauben der Seitenrahmenteile fest eingepresst ist, also aufgrund seiner elastischen Eigenschaften komprimiert wird. Dadurch werden selbst bei thermisch bedingten unterschiedlichen Ausdehnungen der einzelnen Komponenten Variationen in dem Abstand zwischen den Seitenrahmenteilen und den Aufnahmeeinheiten ausgeglichen. Bei Temperaturänderung beispielsweise zwischen Montage und Betrieb oder auch beim Hochfahren der Verbrennungsanlage ist dadurch ein Herausfallen des Dichtelements und damit das Auftreten von Leckageströmen zuverlässig vermieden ist.
Durch die Verwendung des Dichtelelements ist zugleich auch ein Mittel gegeben, welches den Katalysator gegen Kräfte isoliert, die durch Temperaturänderungen während eines Aufheizens und dem Kontakt mit den ihn umgebenden Wänden hervorgerufen werden oder gegen Vibrationen oder Stöße, die im normalen Betrieb auftreten können und auf den Katalysator einwirken. Dies ermöglicht die Verwendung von Katalysatoren, die in ihrer Struktur schwächer als solche sind, die gegenwärtig im Einsatz sind. Gleichzeitig sind damit Vorteile wie reduzierter Gegendruck usw. verbunden, da sie wegen den isolierenden Eigenschaften eben nicht die Festigkeit aufweisen müssen, wie sie herkömmliche Katalysatoren aufweisen.
Im Hinblick auf eine möglichst einfache und kostengünstige Herstellung des Stapelrahmens sind dessen Seitenrahmenteile bevorzugt zumindest zu Teilen aus umgekanteten Blechteilen ausgebildet. Zur Ausbildung der Seitenrahmenteile sind vorzugsweise aus zunächst ebenen Blechen durch Umbiegen von Randteilen beispielsweise U-förmige Profile ausgebildet, die durch ein weiteres Blechelement zu einem geschlossenen Mehrkantprofil ausgebildet sind. Hierdurch ist eine ausreichend hohe Stabilität bei vergleichsweise geringem Materialaufwand erzielt. In Kombination mit der verschraubbaren Ausgestaltung führt diese auch dazu, dass die einzelnen Seitenrahmenteile als Einzelelemente platzsparend transportiert werden können. Das jeweilige Seitenrahmenteil ist dabei durch ein langgestrecktes, ebenes Element gebildet.
Zweckdienlicherweise sind dabei die Seitenrahmenteile jeweils als ein Hohlprofil ausgebildet aus zwei miteinander verbundenen Blechteilen. Zumindest eines dieser Blechteile ist dabei umgekantet und bildet beispielsweise ein U-Profil aus, auf das dann das zweite Blechteil quasi als Deckel aufgesetzt wird. Zur Verbindung dieser beiden Blechteile greifen diese insbesondere über Laschen und Schlitze formschlüssig ineinander, sodass eine hohe mechanische Stabilität erreicht ist.
In bevorzugter Ausgestaltung weisen zumindest einige, vorzugsweise alle Seitenrahmenteile Haltelaschen auf, zwischen denen eine jeweilige Aufnahmeeinheit in Strömungsrichtung formschlüssig gehalten ist. Durch diese Maßnahme ist eine zusätzliche mechanische Sicherung der Aufnahmeeinheiten innerhalb des Seitenrahmenteils erreicht. Zweckdienlicherweise wird auf ein Verschweißen der Aufnahmeeinheiten mit den Seitenrahmenteilen verzichtet und diese werden ausschließlich über die Haltelaschen formschlüssig gehalten. Über die Haltelaschen erfolgt daher eine Fixierung der Aufnahmeeinheiten in Strömungsrichtung. Die Haltelaschen sind dabei in Strömungsrichtung betrachtet vorzugsweise beidseitig der Aufnahmeeinheiten angeordnet.
Zweckdienlicherweise ist eines der Seitenrahmenteile als Deckelteil ausgebildet und weist außenseitig zumindest einen randseitig angeordneten Dichtsteg auf, welcher bevorzugt durch eine Umkantung des Seitenrahmenteils gebildet ist. Dieser Dichtsteg dient zum Verschließen einer Trennebene zwischen zwei benachbarten Katalysatormodulen im eingebauten Zustand. Vorzugsweise ist das Deckelteil insgesamt U-förmig umgekantet, sodass an den Längskanten des Deckelteils beidseitig ein derartiger Dichtsteg als Umkantung ausgebildet ist. In Strömungsrichtung betrachtet wird zwischen diesen Dichtstegen ein benachbartes Katalysatormodul mit einem Bodenelement aufgenommen.
Die hier beschriebene Ausgestaltung des Stapelrahmens, insbesondere der Aspekt der Verbindung der Seitenrahmenteile über mechanische Verbindungselemente, bevorzugt mit dem eingepressten Dichtelement, und / oder der Aspekt der Ausbildung der Seitenrahmenteile als umgekantete Blechteile, wird jeweils als eigenständig erfindereischer Aspekt unabhängig von der speziellen Ausgestaltung der Aufnahmeeinheiten als Canningeinheiten mit den sich kreuzenden Trennwänden angesehen.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung weiterhin gelöst durch eine Aufnahmeeinheit für ein Katalysatormodul, welche eine umlaufende Seitenwandung sowie mehrere Trennwände aufweist, die ein Gitter mit einer Vielzahl von Aufnahmeschächten bilden, in denen jeweils ein Katalysator einsetzbar ist.
Die im Zusammenhang mit dem Katalysatormodul beschriebenen bevorzugten Ausgestaltungen der Aufnahmeeinheit sind sinngemäß auch auf die Aufnahmeeinheit als solches zu übertragen.
Die Erfindung wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Katalysatormoduls bei dem eine jeweilige Aufnahmeeinheit mit Katalysatoren bestückt wird, der Stapelrahmen zunächst nur teilweise zusammengebaut wird, die Aufnahmeeinheiten in den nur teilweise zusammengebauten Stapelrahmen eingesetzt werden und der Stapelrahmen insbesondere unter Verpressung eines Dichtelements zwischen einem Seitenrahmenteil des Stapelrahmens und zumindest einer der Aufnahmeeinheiten geschlossen wird
Bei dem Verfahren wird also zum Einen die als Canningeinheit ausgebildete Aufnahmeeinheit mit den einzelnen Katalysatoren, insbesondere Wabenkatalysatoren, bestückt. Der Stapelrahmen wird zunächst nur teilweise zusammen gebaut und in diesen nur teilweise zusammen gebauten Stapelrahmen werden die einzelnen Aufnahmeeinheiten sukzessive eingesetzt. Anschließend wird der Stapelrahmen verschlossen. Bevorzugt wird dabei zuvor ein insbesondere mattenförmiges Dichtelement, insbesondere eine Vliesmatte, aufgelegt, bevor der Stapelrahmen unter Verpressung des Dichtelements geschlossen wird. Das Dichtelement wird hierbei zwischen einem Seitenrahmenteil des Stapelrahmens und zumindest einer der Aufnahmeeinheit eingepresst. Das Dichtelement liegt dabei allgemein vorzugsweise vollflächig auf den Aufnahmeeinheiten auf. Bei der Montage wird das Dichtelement vorab wahlweise an der jeweiligen Aufnahmeeinheit oder an einem Seitenrahmenteil beispielsweise durch Kleben fixiert.
Die Bestückung der Aufnahmeeinheit erfolgt dabei vorzugsweise mit Hilfe eines Einsetztrichters, wobei hierzu der Katalysator umfangsseitig von einem elastischen Einpasselement mit Ausnahme der in Strömungsrichtung gegenüberliegenden Stirnseiten umgeben ist. Durch eine zumindest leicht konische und damit trichterförmige Ausgestaltung des Einsetztrichters wird der mit dem Einpasselement ummantelte Katalysator durch den Trichter hindurch gepresst, wobei das Einpasselement hierbei komprimiert wird. Der Trichter ist dabei unmittelbar auf einen jeweiligen Aufnahmeschacht aufgesetzt, sodass der ummantelte Katalysator in den jeweiligen Aufnahmeschacht eingeschoben wird. Die Austrittsquerschnittsfläche des Trichters ist hierbei vorzugsweise geringfügig kleiner als die Querschnittsfläche des Aufnahmeschachtes, sodass der ummantelte Katalysator weitgehend problemlos in den Aufnahmeschacht eingeführt werden kann. Aufgrund der Elastizität des Einpasselements wird der Katalysator dann durch die elastischen Kräfte klemmend im Aufnahmeschacht gehalten. Mit Hilfe des Einsetztrichters werden die einzelnen Aufnahmeschächte der Aufnahmeeinheit sukzessive bestückt. Vorzugsweise erfolgt dies automatisiert oder auch vollautomatisiert. In Strömungsrichtung können dabei auch mehrere Katalysator-Teileinheiten nacheinander eingesetzt werden. Diese in Strömungsrichtung aneinandergereihten Teileinheiten bilden dann den Katalysator. Bei Bedarf sind die Teileinheiten unterschiedlich im Hinblick auf ihre katalytische Wirkung ausgebildet. Bevorzugt sind sie identisch ausgebildet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines Katalysatormoduls,
2 eine vergrößerte Darstellung des mit einem Rechteck gekennzeichneten Bereichs in 1,
3 eine perspektivische Ansicht einer Aufnahmeeinheit,
4 eine perspektivische Darstellung eines mit einem Einpasselement ummantelten Katalysator,
5 eine Explosionsdarstellung zur Illustration des Einsetzverfahrens eines ummantelten Katalysators in einen jeweiligen Aufnahmeschacht der Aufnahmeeinheit,
6 eine perspektivische Darstellung eines Stapelrahmens,
7 eine Explosionsdarstellung eines Seitenteils des Stapelrahmens sowie
8 eine Explosionsdarstellung eines Bodenteils des Stapelrahmens.
In den Figuren sind gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Das in der 1 dargestellte Katalysatormodul 2 umfasst einen umlaufenden Stapelrahmen 4, in dessen Innenraum mehrere Aufnahmeeinheiten 6 in einer Reihe aneinander angrenzend eingesetzt sind. Im Ausführungsbeispiel sind drei Aufnahmeeinheiten 6 einreihig nebeneinander eingesetzt. In jedem der Aufnahmeeinheiten 6 ist eine Vielzahl von Katalysatoren 10 eingesetzt.
Das Katalysatormodul 2 erstreckt sich in Längsrichtung 12 sowie in Querrichtung 14 und weist zwei gegenüberliegende offene Stirnflächen 16 auf, die in einer Strömungsrichtung 18 voneinander bevorzugt um die Länge eines jeweiligen Katalysators 10 voneinander beabstandet sind. Die eine Stirnfläche 16 bildet eine An- beziehungsweise Einströmseite und die andere Stirnfläche 16 sowie eine Ausströmseite für ein zu reinigendes Abgas, welches das Katalysatormodul 2 im eingebauten Zustand in Strömungsrichtung 18 durchströmt.
Bei den einzelnen Katalysatoren 10 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um extrudierte, quaderförmige Wabenkatalysatoren mit einer Vielzahl von sich in Strömungsrichtung 18 erstreckenden Strömungskanälen. Alternativ können die Katalysatoren 10 auch eine rechteckförmige Querschnittsfläche aufweisen, bei der die Kantenlängen des Katalysators 10 unterschiedlich sind. Die Katalysatoren 10 weisen üblicherweise eine rechteckige, insbesondere quadratische Querschnitts- und Anströmfläche auf, die eine Kantenlänge von 10 cm bis 30 cm aufweist. Die Länge des Katalysators 10 in Strömungsrichtung 18 liegt typischerweise im Bereich von einigen 10 cm, beispielsweise im Bereich von 15cm bis 60cm. Andere Längen sind auch möglich. Die Breite des Katalysatormoduls 2 in Strömungsrichtung 18 entspricht zumindest in etwa der Länge der Katalysatoren 10.
Die Gesamtlänge des Katalysatormoduls 2 in Längsrichtung 12 sowie auch in Querrichtung 12 liegt typischerweise im Bereich von einigen Metern. Mehrere Katalysatormodule 2 sind üblicherweise in Reihen und Spalten in einem Abgaskanal mit Hilfe eines Stützgerüsts. Eine derartige Lage an Katalysatormodulen 2 erstreckt sich in Längsrichtung 12 sowie in Querrichtung 14 jeweils beispielsweise über 10m bis 20m. In Strömungsrichtung 18 folgen dann üblicherweise mehrere derartiger Lagen bestehend aus mehreren Katalysatormodulen 2. Diese Lagen ermöglichen dem Abgas, durch mehrere Katalysatoren 10 bei seinem Durchgang durch den Abgaskanal zu strömen. Unterschiedliche Katalysatoren können in verschiedenen Lagen angeordnet sein. Unterschiedliche Katalysatoren können auch in verschiedenen Teilbereichen einer Aufnahmeeinheit 6 oder eines Katalysatormoduls 2 positioniert sein.
Wie insbesondere aus 2 zu entnehmen ist, weist der Stapelrahmen 4 an seiner Innenseite mehrere Haltelaschen 20 auf, die in Strömungsrichtung 18 die Aufnahmeeinheit 6 formschlüssig sowohl in Strömungsrichtung 18 als auch entgegen der Strömungsrichtung 18 halten.
Die auch als Canningeinheit bezeichnete Aufnahmeeinheit 6 ist als solche in 3 dargestellt. Sie umfasst eine umlaufende Seitenwandung 22. In dem durch die Seitenwandung 22 definierten Innenraum weist die Aufnahmeeinheit 6 eine Vielzahl von gitterartig angeordneten Trennwänden, nämlich horizontale Trennwände 24a sowie vertikale Trennwände 24b auf. Die Trennwände können alternativ auch entlang von nicht horizontalen bzw. vertikalen Achsen verlaufen. Die Trennwände sind vorzugsweise jeweils gebildet durch (Stahl-)Bleche, die miteinander verbunden, insbesondere verschränkt sind. An Stoßpunkten, an denen sie an der umlaufenden Seitenwandung 22 anstoßen, sind sie beispielsweise durch Schweißen befestigt.
Durch die gitterartige Struktur der Trennwände 24a, b sind eine Vielzahl von Aufnahmeschächten 26 ausgebildet. Diese bilden daher eine nxm Matrix aus, wobei n, m typischerweise im Bereich von 5–15 liegen. Im Ausführungsbeispiel bildet jede Aufnahmeeinheit 6 eine 8×10 Matrix aus. Im endmontierten Zustand ist jeder Aufnahmeschacht 26 mit genau einem Katalysator 10 bestückt. Die Aufnahmeschächte 26 sind zueinander identisch ausgebildet. Alternativ kann die Aufnahmeeinheit 6 auch unterschiedliche Aufnahmeschächte 26 aufweisen. Die Trennwände 24a, 24b weisen jeweils Stirnkanten 28 auf, an denen die Trennwände 24a, 24b die gleiche Materialdicke wie im übrigen Bereich aufweisen, also im Randbereich nicht verstärkt, umgekantet oder dergleichen sind. Die Wandstärke der bevorzugt aus Stahlblech bestehenden Trennwände 24a, 24b ist vorzugsweise etwas geringer als die Wandstärke der ebenfalls bevorzugt aus Stahlblech bestehenden Seitenwandung 22 und liegt beispielsweise im Bereich zwischen 1 mm und 2 mm, wohingegen die Wandstärke der ebenfalls bevorzugt aus Stahlblech bestehenden Seitenwandung 22 im Bereich zwischen 3 mm und 10 mm liegt.
In einen jeden Aufnahmeschacht 26 wird ein ummantelter Katalysator eingepresst, wie er in 4 dargestellt ist. Der Katalysator 10 weist an seinen vier Seiten eine Ummantelung bestehend aus einem elastischen Einpasselement 30 auf, welches im Ausführungsbeispiel der 4 durch vier einzelne Lagermatten 32 gebildet ist. Jeweils eine Lagermatte 32 überdeckt eine Seite des Katalysators 10 vollflächig. Alternativ kann eine Lagermatte 32 auch mehr als eine Seite überdecken, beispielsweise zwei oder mehr Seiten vollständig Die einzelnen Lagermatten 32 sind im Ausführungsbeispiel an den Stoßbereichen miteinander verschränkt, überlappen also einander. Die Dicke des Einpasselements 30 und damit der Lagermatten 32 liegt etwa im Bereich zwischen 6 mm und 10 mm. Es besteht aus einem vliesartigen Trägermaterial mit einem darin eingebrachten Material mit einem thermischen Expansionskoeffizient, der zumindest ähnlich dem des für die Aufnahmeeinheit 6 verwendeten Materials, insbesondere Stahl ist. Unter zumindest ähnlich wird ein thermischer Expansionskoeffizient verstanden, der beispielsweise lediglich um 20% bis 50% von dem des Stahls abweicht. Ein solches Material ist beispielsweise ein sogenannter Vermiculit. Das Material weist zudem eine ausreichende thermische Stabilität auf, um den beim Betrieb auftretenden hohen Temperaturen standzuhalten Hierdurch wird vermieden, dass im laufenden Betrieb bei Temperaturveränderungen die Lagermatten 32 herausfallen können.
Im Ausgangszustand bei der Montage weist der mit dem Einpasselement 30 ummantelte Katalysator 10 ein Übermaß gegenüber den Innenabmessungen des jeweiligen Aufnahmeschachts 26 auf. Zum Einsetzen des ummantelten Katalysators 10 wird ein Einsetztrichter 34 zu Hilfe gezogen, durch den der ummantelte Katalysator 10 hindurchgepresst wird, wie dies in 5 illustriert ist. Hierzu wird der Einsetztrichter 34 insbesondere auf die Aufnahmeeinheit 6 aufgesetzt. Hierbei wird das Einpasselement 30 komprimiert und dehnt sich anschließend aufgrund seiner Elastizität im Aufnahmeschacht 26 wieder aus und klemmt durch seine Elastizität den Katalysator 10 im Aufnahmeschacht 26.
Die Bestückung der ummantelten Katalysatoren 10 wird vorzugsweise automatisiert durchgeführt.
Der Stapelrahmen 4 weist insgesamt eine umlaufende Wandung bestehend aus vier Seitenrahmenteilen, nämlich zwei Seitenteile 40, ein Bodenteil 42 sowie ein Deckelteil 44. Die Seitenrahmenteile 40, 42, 44 sind über Schraubverbindungen beispielsweise mit Hilfe von Schrauben 46 miteinander verbunden. An den Seitenrahmenteilen 40 sind dabei beispielsweise Schraubmuttern fixiert, beispielsweise angeschweißt, in die dann die Schrauben 46 eingeschraubt werden. Alternativ können auch fixierte Schraubbolzen vorgesehen sein, auf die dann Muttern aufgesetzt werden. Auf eine Schweißverbindung zwischen diesen Teilen ist verzichtet. Zur Erhöhung der Steifigkeit weist der Stapelrahmen 4 ergänzend Streben 48 auf, die ebenfalls über Schraubverbindungen 46 an den Seitenteilen 40 beziehungsweise am Bodenteil 42 und dort jeweils randseitig befestigt sind. An jeder Stirnfläche 16 sind dabei zwei etwa V-förmig angeordnete Streben 48 angeschraubt.
In 6 ist an dem rechten Seitenteil 40 noch ein Dichtelement 50 dargestellt, welches im Ausführungsbeispiel nach Art eines mattenförmigen Vlieses und beispielsweise aus Glasfasern ausgebildet ist. Alternativ besteht es aus dem gleichen Material wie die Lagermatten 32. Im montierten Endzustand wie er in 1 dargestellt ist, ist dieses Dichtelement 30 zwischen der rechten Aufnahmeeinheit 6 und dem rechten Seitenteil 40 eingepresst. Das Dichtelement 50 ist dabei auch entlang des Deckelteils 44 geführt und auch an dieser Längsseite zwischen den Aufnahmeeinheiten 6 und dem Deckelteil 44 eingepresst. Bei dem Dichtelement 50 handelt es sich insbesondere um ein flächiges streifenförmiges Element mit einer Breite von beispielsweise einigen Zentimetern. Seine Breite kann auch zumindest etwa der Tiefe der Aufnahmeeinheiten 6 in Strömungsrichtung 18 entsprechen. Seine Dicke liegt beispielsweise im Bereich von einem oder einigen Zentimetern. Zwischen benachbarten Aufnahmeeinheiten 6 können ebenfalls Dichtelemente eingefügt sein.
Sowohl die Seitenteile 40 als auch das Bodenteil 42 sind im Ausführungsbeispiel, wie in den 7 und 8 dargestellt, als Hohlprofile aus miteinander verbundenen Blechteilen ausgebildet. Die Blechteile können dabei miteinander verschweißt sein. Sowohl die Seitenteile 40 als auch das Bodenteil 42 weisen ein U-förmiges Teil, vorzugsweise Blechteil 52a und ein ebenes Teil, vorzugsweise Blechteil 52b auf, die miteinander beispielsweise durch Schweißen verbunden sind. An den Stirnseiten ist das Hohlprofil durch Blenden 54 oder Endkappen verschlossen. Bei den Seitenteilen 40 ist an den Blenden 54 jeweils ein Haken, insbesondere ein Ringhaken 56 befestigt. Die Ringhaken 56 dienen beispielsweise zum Anheben oder zur Handhabung des gesamten Katalysatormoduls 2 beispielsweise mit Hilfe eines Krans. Entlang des U-förmigen Blechteils 52a ist weiterhin zumindest eine Leiste 58 befestigt, insbesondere angeschweißt. Über diese ist ein hier nicht dargestelltes Dichtelement gehalten, welches im eingebauten Zustand eine Abdichtung des Stapelrahmens 4 zu einem Stützgerüst im Abgaskanal der Abgasreinigungsanlage bewirkt.
Die Wangen des U-förmigen Blechteils 52a sind endseitig zinnenförmig und bilden die Haltelaschen 20 aus. Die Haltelaschen 20 sind dabei in einem vorgegebenen Rastermaß angeordnet, welches insbesondere im Bereich der 1-3-fachen Kantenlänge der Katalysatoren 10 in Längsrichtung 12 liegt. In Strömungsrichtung 18 liegen die Haltelaschen 40 bevorzugt einander gegenüber und sind um die Tiefe der Aufnahmeeinheit 6 voneinander beabstandet, sodass diese in Strömungsrichtung 18 zwischen den Haltelaschen 20 gehalten ist.
Entsprechend zu den Haltelaschen 20 sind ebenfalls im gleichen Rastermaß in dem ebenen Blechteil 52b Schlitze 62 beispielsweise durch Laserschneiden eingebracht, durch die die Haltelaschen 20 hindurchtreten. Die beiden Blechteile 52a, b sind daher quasi miteinander verzahnt und sind ergänzend vorzugsweise miteinander verschweißt. Zur (Schraub-)Befestigung der einzelnen Seitenrahmenteile 40 bis 44 aneinander können ergänzend Halteelemente 64 wie beispielsweise Winkel oder dergleichen angeordnet sein, beispielsweise in den Eckbereichen, an denen die Seitenrahmenteile 40 an das Bodenteil 42 anstoßen (vergleiche hierzu 1, 6). Alternativ oder Ergänzend sind beispielsweise an den Seitenrahmenteilen 40 Schraubmuttern fixiert, insbesondere an den stirnseitigen Blenden 54. Das Deckelteil 44 liegt auf den Seitenrahmenteilen 40 auf und ist mit diesen über die Schraubverbindungen 46 verbunden.
Die ebenen Blechteile 52b überstehen die Seitenwangen des U-förmigen Blechteils 52a in Strömungsrichtung 18 beidseitig jeweils um einen Randstreifen 63. An diesem Randstreifen erfolgt beispielsweise die Befestigung der Streben 48.
Das Deckelteil 44 ist im Unterschied zu den Seitenteilen 40 sowie dem Bodenteil 42 als ein einfaches, U-förmig abgekantetes Blech ausgebildet, wobei die abstehenden Wangen nach außen, also von den Aufnahmeeinheiten 6 abgewandt orientiert sind. Diese abstehenden Wangen bilden Dichtstege 66 aus. Beim Aneinanderreihen mehrerer Katalysatormodule 2 in Querrichtung 14 nimmt das Deckelteil 44 des einen Katalysatormoduls 2 das Bodenteil 42 des benachbarten Katalysatormoduls 2 zwischen den beiden Dichtstegen 66 auf, sodass eine Trennebene zwischen den beiden Katalysatormodulen 2 abgedichtet ist.
Der Stapelrahmen 4 ist insgesamt durch Stahlbauteile, insbesondere flächige Blechteile gebildet, wobei die einzelnen Bauteile eine Wandstärke von beispielsweise 3mm bis 10mm aufweisen.
Der Zusammenbau des Katalysatormoduls 2 ist vorzugsweise wie folgt:
Zunächst werden die Seitenrahmenteile 40, 42, 44 bereitgestellt und soweit erforderlich zur Ausbildung der Hohlprofile zusammengebaut. Anschließend wird zunächst lediglich das linke Seitenteil 40 sowie das Bodenteil 42 zur Ausbildung eines L-förmigen Teilrahmens miteinander verschraubt. Alternativ kann auch ein U-förmiger Teilrahmen bereitgestellt werden. In diesen L-Rahmen werden sukzessive die zuvor mit den Katalysatoren 10 bestückten Aufnahmeeinheiten 6 eingesetzt. Diese werden dabei vorzugsweise ausschließlich durch die Haltelaschen 20 fixiert. Nach dem Einsetzen der Aufnahmeeinheiten 6 wird zunächst das rechte Seitenteil 40 am L-Rahmen befestigt, wobei hierbei das Dichtelement 50 zwischen der äußersten Aufnahmeeinheit 6 und dem rechten Seitenteil 40 gepresst wird. Das Dichtelement 50 wird hierbei zunächst an dem Seitenteil 40 mechanisch und insbesondere durch Kleben fixiert, bevor das Seitenteil 40 dann angeschraubt wird. In gleicher Weise wird danach das Deckelteil 44 unter Verpressung des Dichtelements 50 befestigt. Das Dichtelement 50 wird also durch das Verschrauben gegen die oberste Lage der Aufnahmeeinheiten 6 verpresst. Das Dichtelement 50 ist beispielsweise in mehrere Teilstücke unterteilt sein, nämlich insbesondere eines für das Seitenteil 40 und eines für das Deckelteil 44. Am Ende werden schließlich noch die Streben 28 angebracht. Durch diesen Herstellvorgang sind daher die einzelnen Aufnahmeeinheiten 6 sicher und zuverlässig zwischen den Seitenrahmenteilen 40, 42, 44 eingeklemmt. Da das Dichtelement 50 bei der Montage eingeklemmt wird, wird dieses über seine gesamte Fläche elastisch komprimiert und ist zuverlässig eingeklemmt.
Durch den hier beschriebenen Aufbau sowie das spezielle Verfahren zum Zusammenbau des Katalysatormoduls werden insbesondere folgende Vorteile erzielt:

– Beim Befüllen des Stapelrahmens 4 mit den Aufnahmeeinheiten 6 ist keine komplexe Verpressvorrichtung sowie Schweißanlage erforderlich. Durch die Einlage des Dichtelements 50 ist eine leckagefreie Abdichtung und Montage ermöglicht.
– Eine horizontale Abdichtung in Querrichtung 14 erfolgt in einfacher Weise durch die U-förmig abgekanteten Deckelteile 44.
– Aufgrund des Wegfalls der Schweißverbindungen zwischen den Aufnahmeeinheiten 6 untereinander sowie zwischen diesen und dem Stapelrahmen 4 ergibt sich eine erhebliche Zeitersparnis bei der Montage. Dies führt auch zu erheblichen Kosteneinsparungen insbesondere auch durch den Wegfall der erforderlichen Schweiß- und Verpressvorrichtung.
– Weiterhin ist durch das hier beschriebene modulare Konzept mit den verschraubten Seitenrahmenteilen 40, 42, 44 auch ein Versand des Katalysatormoduls 2 in Einzelteilen möglich. Hierdurch lässt sich das Transportvolumen reduzieren. Auch ist hierdurch ein sicherer Transport ermöglicht, da eine sichere Verpackung der Einzelkomponenten möglich ist.
– durch die Verwendung des Einpasselements 30 und des Dichtelements 50 ist zugleich auch ein Mittel gegeben, welches die Katalysatoren 10 gegen Kräfte isoliert, die durch Temperaturänderungen während eines Aufheizens und dem Kontakt mit anderen Teilen des Katalysatormoduls 2 hervorgerufen werden oder gegen Vibrationen oder Stöße, die im normalen Betrieb auftreten können und auf die Katalysatoren 10 einwirken. Das Katalysatormodul 2 ermöglicht die Verwendung von Katalysatoren 10, die in ihrer Struktur schwächer als solche sind, die gegenwärtig im Einsatz sind. Gleichzeitig sind damit Vorteile wie reduzierter Gegendruck usw. verbunden, da die Katalysatoren wegen den isolierenden Eigenschaften eben nicht die Festigkeit aufweisen müssen, wie sie herkömmliche Katalysatoren aufweisen.
– Schließlich ergibt sich auch eine verbesserte Strömungsführung da zumindest nahezu 100% der Fläche der Aufnahmeeinheiten 6 zur Verfügung stehen.

Bezugszeichenliste

2: Katalysatormodul
4: Stapelrahmen
6: Aufnahmeeinheit
10: Katalysator
12: Längsrichtung
14: Querrichtung
16: Stirnfläche
18: Strömungsrichtung
20: Haltelasche
22: Seitenwandung
24a: Horizontale Trennwand
24b: Vertikale Trennwand
26: Aufnahmeschacht
28: Stirnkante
30: Einpasselement
32: Lagermatte
34: Einsetztrichter
40: Seitenteil
42: Bodenteil
44: Deckelteil
46: Schraubverbindung
48: Streben
50: Dichtelement
52a: U-förmiges Blechteil
52b: ebenes Blechteil
54: Blende
56: Ringhaken
58: Leiste
62: Schlitze
63: Randteil
64: Halteelement
66: Dichtsteg

Claims

Katalysatormodul (2) für den Einsatz in einer Abgasreinigungsanlage einer stationären Verbrennungsanlage – umfassend einen Stapelrahmen (4), der sich in einer Längsrichtung (12) sowie in einer Querrichtung (14) erstreckt und zwei in einer Strömungsrichtung (18) gegenüberliegende Stirnflächen (16) aufweist, – in den Stapelrahmen (4) ist zumindest eine Aufnahmeeinheit (6) eingesetzt, – die zumindest eine Aufnahmeeinheit (6) weist jeweils eine umlaufende Seitenwandung (22) sowie mehrere Trennwände (24a, 24b) auf, – die Trennwände (24a, 24b) bilden ein Gitter mit einer Vielzahl von Aufnahmeschächten (26), – in jeden der Aufnahmeschächte (26) ist jeweils ein Katalysator (10) eingesetzt.
Katalysatormodul (2) nach Anspruch 1, bei dem ein jeweiliger Katalysator (10) unter Zwischenlage eines elastischen Einpasselements (30) in einem jeweiligen Aufnahmeschacht (26) eingepresst ist.
Katalysatormodul (2) nach Anspruch 2, bei dem das Einpasselement (30) umlaufend um den jeweiligen Katalysator (10) gelegt ist.
Katalysatormodul (2) nach Anspruch 2 oder 3, bei dem das Einpasselement (30) sich bei einer Temperaturerhöhung derart ausdehnt, so dass eine temperaturbedingte Variation eines notwendigen Einpassabstands zwischen dem jeweiligen Katalysator (10) und dem Aufnahmeschacht (26) ausgeglichen wird, so dass das Einpasselement (30) eingeklemmt bleibt.
Katalysatormodul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Trennwände (24a, 24b) gebildet sind durch miteinander verschränkte, sich kreuzende vertikale sowie horizontale Bleche.
Katalysatormodul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Trennwände (24a, 24b) zu den Stirnflächen (16) orientierte Stirnkanten (28) aufweisen, die umkantungsfrei sind.
Katalysatormodul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Stapelrahmen (4) eine umlaufende Wandung zusammengesetzt aus Seitenrahmenteile (40, 42, 44) aufweist und die Seitenrahmenteile (40, 42, 44) miteinander über zumindest ein mechanisches Verbindungselement miteinander verbunden sind und weiter vorzugsweise zumindest an einem der Seitenrahmenteilen (40, 44) ein Dichtelement (50) zwischen dem Seitenrahmenteil (40, 44) und einer angrenzenden Aufnahmeeinheit (6) mit Hilfe des zumindest einen mechanischen Verbindungselements eingepresst ist.
Katalysatormodul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Stapelrahmen (4) eine umlaufende Wandung zusammengesetzt aus Seitenrahmenteile (40, 42, 44) aufweist und die Seitenrahmenteile (40, 42, 44) umgekantete Blechteile aufweisen.
Katalysatormodul (2) nach Anspruch 8, bei dem die Seitenrahmenteile (40, 42) jeweils als ein Hohlprofil aus zwei miteinander verbundenen Blechteilen (52a, 52b) ausgebildet sind.
Katalysatormodul (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem zumindest einige der Seitenrahmenteile (40, 42) Haltelaschen (20) aufweisen, zwischen denen eine jeweilige Aufnahmeeinheit (6) gehalten ist.
Katalysatormodul (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem eines der Seitenrahmenteile als Deckelteil (44) ausgebildet ist und außenseitig zumindest einen randseitig angeordneten Dichtsteg (66) aufweist, welcher insbesondere durch eine Umkantung gebildet ist, wobei der Dichtsteg (66) zum Verschließen einer Trennebene zwischen zwei benachbarten Katalysatormodulen (2) im eingebauten Zustand ausgebildet ist.
Aufnahmeeinheit (6) für ein Katalysatormodul (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, welche eine umlaufende Seitenwandung (22) sowie mehrere Trennwände (24a, 24b) aufweist, die ein Gitter mit einer Vielzahl von Aufnahmeschächten (26) bilden, in denen jeweils ein Katalysator (10) einsetzbar ist.
Verfahren zum Herstellen eines Katalysatormoduls (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem – eine jeweilige Aufnahmeeinheit (6) mit Katalysatoren (10) bestückt wird, – der Stapelrahmen (4) zunächst nur teilweise zusammengebaut wird, – die Aufnahmeeinheiten (6) in den nur teilweise zusammengebauten Stapelrahmen (4) eingesetzt werden – der Stapelrahmen (4) insbesondere unter Verpressung eines Dichtelements (50) zwischen einem Seitenrahmenteil (40, 44) des Stapelrahmens (4) und zumindest einer der Aufnahmeeinheiten (6) geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Katalysatoren (10) mit Hilfe eines Einsetztrichters (34) in einen jeweiligen Aufnahmeschacht (26) unter Zwischenlage eines elastischen Einpasselements (30) eingepresst werden.