DE19523142A1 - Vorrichtung zum Dekontaminieren von Gasen - Google Patents

Vorrichtung zum Dekontaminieren von Gasen

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Entfernen zumindest eines gasförmigen Schadstoffs mit niedriger Konzentration aus kontaminierten Gasen, wie beispielsweise Umgebungsluft, Abgase, Heizgase oder dergleichen mit in Strömungsrichtung verlaufender hoher Volumenströmung , mit zumindest einem Adsorbens zur Adsorption eines der Schadstoffe, mit zumindest einer diesem zugeordneten Heizung zum Freisetzen des adsorbierten Schadstoffs und zumindest einem Katalysator zum Umsetzen des freigesetzten Schadstoffs.
Solche Vorrichtungen sind bekannt. Dabei wird ein gasförmiger Schadstoff in der Adsorptionsvorrichtung adsorbiert, die Schadstoffe werden nach der Adsorption durch Erwärmen wieder freigesetzt und anschließend in räumlich von der Adsorptionsvorrichtung getrennten Reaktionsvorrichtungen mit einem auch beheizten Katalysator umgewandelt, um sie in einen umweltverträglicheren Zustand zu überführen. Diese räumlich getrennten Vorrichtungen benötigen einen komplizierten raumaufwendigen Aufbau, Verbindungsleitungen zwischen Adsorptions- und Reaktionsvorrichtungen sowie gesonderte Heizungsvorrichtungen für beide. Zudem sind sie für die kontinuierliche Entfernung niedriger Konzentrationen von gasförmigen Schadstoffen aus kontaminierter Umgebungsluft mit geringem Energieaufwand nicht geeignet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, demgegenüber einfache Vorrichtungen zu schaffen, die einen kompakten und einfachen Aufbau haben und weniger Heizenergie erfordern.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren gemäß den Oberbegriff des Hauptanspruchs erfindungsgemäß durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gekennzeichnet.
Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß nur der Schichtaufbau mit den bereits darin befindlichen Schadstoffen aufgeheizt werden muß und nicht der gesamte Volumenstrom der Umgebungsluft, wie es üblicherweise im Stand der Technik geschieht. Die aufgeheizte Luft erwärmt dann wiederum den Katalysator auf Reaktionstemperatur.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zum Entfernen aller Schadstoffe aus kontaminierter Umgebungsluft dienen. Insbesondere können stickstoffhaltige Schadstoffe, wie Stickoxide oder Ammoniak, kohlenstoffhaltige Schadstoffe, wie Kohlenmonoxid oder Kohlenwasserstoffe, und auch Ozon aus kontaminierter Umgebungsluft entfernt werden.
Die Adsorptionsmittel und die Katalysatoren sind auf bzw. in der flächigen Schicht in unmittelbarer räumlicher Nähe zueinander angeordnet; sie können als unmittelbar benachbarte, aber räumlich getrennte Schichtungen ausgebildet sein; sie können aber auch miteinander vermischt in einer einzigen oder mehreren Schichten vorliegen. Im einfachsten Fall können in der Schicht zwei unterschiedliche Schichtungen, nämlich eine Adsorbensschichtung und eine Katalysatorschichtung räumlich übereinander oder nebeneinander angeordnet sein. In speziellen Fällen kann auch eine einzige Schichtung vorliegen, in der derselbe chemische Stoff beispielsweise bei niedrigerer Temperatur als Adsorbens wirkt und bei höherer Temperatur als Katalysator.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Partikel des Adsorbens und die Teilchen des Katalysators miteinander so zu vermischen, daß sie in der Mischung in unmittelbarer räumlicher Nähe zueinander vorliegen. Die Mischung kann aus mikroskopisch kleinen oder auch aus makroskopisch größeren Einheiten der Partikel des Adsorbens und der Teilchen des Katalysators bestehen.
Die aus den Mischungen oder aus den Schichtungen der Partikel des Adsorbens und der Teilchen des Katalysators gebildeten Schichten erstrecken sich vorzugsweise rechtwinklig zur Strömungsrichtung der die Vorrichtung um­ bzw. durchströmenden Umgebungsluft.
Die zumindest eine Schicht kann vorzugsweise auf einem Träger angeordnet sein, beispielsweise in Form eines Blechs oder einer Folie. Auf dem Träger kann eine Isolatorschicht vorgesehen sein, auf der beispielsweise ein elektrischer Heizleiter als Widerstandsheizschicht angeordnet sein kann.
Alle Elemente, wie beispielsweise die Widerstandsheizschicht, die Schichten oder die Schichtungen der Partikel des Adsorbens oder die Teilchen des Katalysators können mit Dickschichttechniken aufgebracht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind zwei oder mehr voneinander getrennte flächige, poröse Schichten in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet, wobei die Partikel des Adsorbens und die Teilchen des Katalysators jeder Schicht für die Adsorption bzw. Reaktion von einem von verschiedenen gasförmigen Schadstoffen ausgelegt ist. Dabei kann die von dem der Schicht zugeordneten elektrischen Heizleiter erzeugbare Desorptionstemperatur für die an den Partikeln des Adsorbens adsorbierten Schadstoffe und die Umsetzungstemperatur für die desorbierten Schadstoffe für jede der in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Schichten verschieden sein. Dabei ist es bevorzugt, daß die Temperaturen in Strömungsrichtung ansteigen.
Die jeder Schicht zugeordneten Heizleiter können bevorzugt so ausgelegt sein, daß sie eine bestimmte Temperatur erzeugen und selektiv ausschaltbar sind.
Es können mehrere Vorrichtungen, die beispielsweise mehrere Schichten aufweisen, auf Trägern, die parallel zueinander angeordnet sein können, in einem Rahmen angeordnet sein.
Als Partikel des Adsorbens können Partikel bekannter adsorbierender Stoffe eingesetzte werden, wie beispielsweise Aktivkohle, Stoffe, die als Molekularsiebe wirken, Silikagel, synthetische Harze und dergleichen, Oxide, wie FeO oder CuO,
Für Stickoxide eignen sich insbesondere Molekularsiebe oder FeO bzw. CuO , vorzugsweise auf einem inerten Träger, für kohlenstoffhaltige Schadstoffe, wie CO oder Kohlenwasserstoffe Aktivkohle oder Molekularsiebe, insbesondere der Typen 4A bzw. 5A, für Ozon Edelmetalle, wie beispielsweise Ag, vorzugsweise auf einem Träger, wie Aktivkohle, für Kohlenwasserstoffe Aktivkohle oder Molekularsiebe, vorzugsweise vom Typ Y oder auch synthetische Harze.
Zur Umsetzung der Schadstoffe können Teilchen der Katalysatoren aus den folgenden Stoffen verwendet werden: Edelmetalle, wie Pt, Pt/Pd oder Ag, Oxide, wie Vanadiumoxide, Manganverbindungen, wie CuMn₂O₄, oder Stoffe mit Molekularsiebwirkung.
Für die Umsetzung von Stickoxiden eigen sich insbesondere Vanadiumoxide, vorzugsweise auf einem Träger, wie Anatas, oder Molekularsiebe, für die Umsetzung von kohlenstoffhaltigen Schadstoffen CuMn₂O₄, vorzugsweise auf einem Träger aus Aluminiumoxid oder Cordierit, oder Pt/Pd, vorzugsweise auf einem Träger, wie z. B. gamma-Aluminiumoxid, für die Umsetzung von Ozon beispielsweise Ag, vorzugsweise auf einem Träger, wie Aktivkohle.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figurenbeschreibung und der Beispiele näher erläutert. In der Figurenbeschreibung zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Vorderansicht der Vorrichtung;
Fig. 2 eine Ansicht eines Trägers von oben mit drei nebeneinander angeordneten Schichten;
Fig. 3 einen Schnitt III-III gemäß der Fig. 2.
Fig. 4 eine Ansicht der Vorrichtung von oben und von der Seite;
Fig. 5 eine Darstellung der Heizleiteranordnung;
Fig. 6 einen schematischen Schnitt durch eine Schicht;
Fig. 7 eine Darstellung mehrerer Schichten in Strömungsrichtung hintereinander.
In Fig. 1 ist ein Gehäuse 10 dargestellt, in der fünf Träger 20 für Schichten 12 übereinander und zueinander parallel und parallel zur Strömungsrichtung angeordnet sind. Die Strömungsrichtung der durch die Vorrichtung geleiteten Umgebungsluft ist durch einen Pfeil 22 dargestellt.
In Fig. 2 sind auf dem Träger insgesamt drei Schichten 12a, 12b und 12c nebeneinander so angeordnet, daß sie in der durch einen Pfeil 22 dargestellten Strömungsrichtung hintereinander liegen.
Die Fig. 3 stellt einen Schichtaufbau einer der Schichten 12 dar. Auf dem Träger 20 ist der Heizleiter 14 angeordnet, darüber die Adsorbensschichtung 16 und über dieser die Katalysatorschichtung 18. In dieser Anordnung können die Adsorbensschichtung und Katalysatorschichtung auch gegeneinander vertauscht angeordnet sein.
Fig. 4 zeigt eine weitere Möglichkeit der Anordnung der Vorrichtung, in der die Schichten 12 bzw. die Schichtungen 16 und 18 auf gewellten Trägern 20 angeordnet sind. Der gewellte Träger 20 ist in der Vergrößerung deutlich erkennbar.
Die Anordnung der Heizleiter ist in Fig. 5 dargestellt. An den Heizleitern 14 sind Kontaktelemente 26 angeordnet, die S-förmig gebogen sind und infolge dieser Anordnung eine zugkraftentlastende Wirkung haben.
Eine weitere mögliche Anordnung eines Schichtaufbaus ist in der Fig. 6 dargestellt. Auf dem Träger 20 ist eine Isolatorschicht 24 angeordnet, die beispielsweise aus einer Glaskeramik bestehen kann. Auf der Isolatorschicht sind die Heizleiter 14 angeordnet. Sie werden von einer Adsorbensschichtung 16 vollständig bedeckt. Über der Adsorbensschichtung 16 ist die Katalysatorschichtung 18 angeordnet.
Beispiel 1
Eine Schicht wurde auf einen Träger aus Edelstahlblech einer Dicke von 0,15 mm wie folgt aufgebracht:
Zunächst wurde eine Isolatorschichtung aus einem Gemisch aus Si₂O, Al₂O₃, ZrO₂, BaO, Bi₂O₃ wurde im Siebdruckverfahren aufgebracht und bei 1100°C 2 Std. gesintert. Dann wurde ein Heizleiter aus einem Ag/Pd-Gemisch mit Siebdruck aufgedruckt und bei 850° 30 min gesintert. Darüber wurde eine Adsorbensschichtung aus Zeolith mit Siebdruck aufgedruckt und 40 min bei 850°C gesintert. Über diese Schicht wurde eine Katalysatorschichtung aus CuMn₂O₄ auf Cordierit im Vol.-Verhältnis 20 : 80 mit Siebdruck aufgebracht und 30 min bei 800° gesintert.
Über diese Schicht wurde Luft mit einem Gehalt von 5 ppm CO geleitet. Es wurden 80% des CO adsorbiert, wovon 60% abgebaut wurden.

Claims (16)

1. Vorrichtung zum Entfernen zumindest eines gasförmigen Schadstoffs mit niedriger Konzentration aus kontaminierten Gasen mit in Strömungsrichtung verlaufender hoher Volumenströmung, mit zumindest einem Adsorbens zur Adsorption eines der Schadstoffe, mit zumindest einer diesem zugeordneten Heizung zum Freisetzen des adsorbierten Schadstoffs und einem Katalysator zum Umsetzen des freigesetzten Schadstoffs, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung zumindest eine flächige poröse Schicht (12) aufweist;
daß der Schicht (12) ein elektrischer Heizleiter (14) als Heizung zugeordnet ist; und
daß in der zumindest einen Schicht (12) Partikel des Adsorbens (16) und Teilchen des Katalysators (18) in unmittelbarer räumlicher Nähe zueinander angeordnet sind,
wobei die Partikel des Adsorbens (16) und die Teilchen des Katalysators (18) in der zumindest einen Schicht (12)
  • a) in Form von zumindest einer Adsorbensschichtung (26) und einer dazu räumlich benachbarten Katalysatorschichtung (28) oder
  • b) als Mischungen der Partikel des Adsorbens (16) und der Teilchen des Katalysators (18)
angeordnet sein können.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel des Adsorbens (16) und die Teilchen des Katalysators (18) chemisch und/oder physikalisch identisch sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr voneinander getrennte flächige poröse Schichten (12a, 12b, . . .) in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind, und daß die Partikel des Adsorbens (16) und die Teilchen des Katalysators (18) jeder Schicht (12) zum Adsorbieren bzw. Umsetzen von einem der verschiedenen Schadstoffe ausgelegt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel des Adsorbens (16) und die Teilchen des Katalysators (18) in fein verteilter Form in der Schicht (12) miteinander angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem elektrischen Heizleiter (14) erzeugbare Desorptionstemperatur für die an den Partikeln des Adsorbens (16) adsorbierten Schadstoffe und die Umsetzungstemperatur für die desorbierten Schadstoffe in den Teilchen des Katalysators (18) für jede der in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Schichten (12) verschieden ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei rechtwinklig zur Strömungsrichtung räumlich übereinander angeordnete Schichtungen, nämlich eine Adsorbensschichtung (26) und eine Katalysatorschichtung (28) vorgesehen sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatorschichtung (28) außen der Umgebungsluft direkt ausgesetzt angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung auf einem Blech oder einer Folie als Träger (20) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Träger (20) eine Isolationsschicht (24) aufgebracht ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Isolationsschicht (24) ein elektrischer Heizleiter (14) als Widerstandsheizschicht aufgebracht ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsheizschicht (14), die Isolationsschicht (24), die Adsorbensschichtung (16) und/oder die Katalysatorschichtung (18) in Dickschichttechnik aufgebracht sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsheizschicht Edelmetalle, wie Platin, aufweist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturen in Strömungsrichtung ansteigen.
13. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die jeder Schicht zugeordneten elektrischen Heizleiter (14) zur Erzeugung einer bestimmten Temperatur ausgelegt und selektiv ausschaltbar sind.
14. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Vorrichtungen auf zueinander im wesentlichen parallelen Trägern (20) in einem Rahmen (10) angeordnet sind.
15. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (12) zur Adsorption bzw. Umsetzung von Ozon, CO, HC, Stickoxiden oder Ammoniak ausgelegt ist.
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