DE19647400A1

DE19647400A1 - Plattenkatalysator

Info

Publication number: DE19647400A1
Application number: DE19647400A
Authority: DE
Inventors: Erich Dipl Chem Dr Hums; Frank Dipl Ing Dr Witzel; Guenther Dipl Chem Dr Pajonk; Michael Dipl Ing Faber; Ralf Dipl Ing Sigling
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Johnson Matthey Catalysts Germany GmbH
Priority date: 1996-11-15
Filing date: 1996-11-15
Publication date: 1998-05-28

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Plattenkatalysator, wel cher eine Anzahl von in einer Halterungsvorrichtung gestapel ten Platten mit katalytisch aktiver Oberfläche umfaßt.

Ein derartiger Plattenkatalysator wird u. a. zur Verminderung von Stickoxiden im Abgas einer Verbrennungsanlage eingesetzt. Bei dem Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Verfahren) werden dabei die Stickoxide unter Verwendung eines Reduktionsmittels, meist Ammoniak NH₃, an der kataly tisch aktiven Oberfläche zu Wasser und molekularem Stickstoff umgesetzt. Die katalytisch aktive Oberfläche umfaßt hierzu in der Regel Titandioxid TiO₂ und einen oder mehrere der Zusätze Wolframtrioxid WO₃, Molybdäntrioxid MoO₃ und Vanadinpentoxid V₂O₅.

Als eine Halterungsvorrichtung für die mit der katalytisch aktiven Oberfläche versehenen Platten wird in der Regel ein sogenannter Elementkasten verwendet, in welchen die Platten gleichmäßig beabstandet und parallel zueinander orientiert eingesetzt sind. Der Elementkasten hat dabei meist die Form eines an den Stirnflächen offenen Quaders, wodurch dieser parallel zu den Längsseiten von einem Strömungsmedium bzw. Abgas durchströmbar wird. Die Ebenen der einzelnen Platten des Katalysators sind dazu parallel zu der durch den Element kasten definierten Hauptströmungsrichtung des Strömungsmedi ums angeordnet.

Für ein Katalysator-Modul werden mehrere dieser mit kataly tisch aktiven Platten bestückten Elementkästen nebeneinander angeordnet. Eine komplette Abgasreinigungsanlage umfaßt wie derum mehrere in einem Abgaskanal hintereinander geschaltete Ebenen derartiger Katalysator-Module. So hat beispielsweise eine sogenannte DeNOx-Anlage zur Verminderung von Stickoxiden im Abgas einer Verbrennungsanlage meist drei bis fünf Ebenen derartiger Katalysator-Module.

Zur Beabstandung der einzelnen Platten in einem Elementkasten sind die Platten meist mit einer ohne Unterbrechung entlang der Platte verlaufenden Struktur in Form einer Sicke verse hen. Auf diese Weise werden zwischen zwei unmittelbar benach barten Platten mehrere voneinander getrennte Unterräume ge schaffen. Diese Unterräume werden im wesentlichen laminar von dem Strömungsmedium durchströmt, wodurch sich bei fortschrei tender Durchströmungsstrecke ein für die katalytische Umset zung zweier Reaktanten, beispielsweise der Stickoxide unter Verwendung von Ammoniak, zunehmend unvorteilhafter werdendes Strömungsprofil und eine inhomogener werdende Gasverteilung aufgrund einer mangelhaften Durchmischung der Komponenten des Strömungsmediums ergibt.

Zur Verbesserung dieser Durchmischung sind aus der DE 43 13 393 A1, der WO 95/26226 A1 und der US 5,489,153 A1 statische Mischer bekannt, die in Strömungsrichtung des Strö mungsmediums vor dem Plattenkatalysator angeordnet sind und durch in das Strömungsmedium hineinragende Mischelemente eine Verwirbelung und damit eine Homogenisierung des Strömungsme diums erreichen. Ein derartiger Mischer beansprucht jedoch eine nicht unerhebliche Wegstrecke im Nachlaufgebiet und ver ursacht zusätzlich einen nicht unerheblichen Druckabfall in der Leitung für das Strömungsmedium.

Ein das Problem der mangelhaften Durchmischung der Komponen ten des Strömungsmediums lösender Plattenkatalysator ist in der WO 94/26411 A1 beschrieben. Hierbei sind die einzelnen Platten, welche zur Beabstandung eine zwischen zwei Platten rändern ohne Unterbrechung verlaufende und senkrecht dazu wiederholte Struktur aufweisen, derart in einem Elementkasten gestapelt, daß die Plattenebenen parallel zueinander, jedoch die einzelnen Platten abwechselnd in der Plattenebene gegen einander gedreht sind. Durch diese Maßnahme ist der Reakti onsraum des Katalysators nicht durch benachbarte Strukturen begrenzt, sondern erstreckt sich über die gesamte Quer schnittsfläche einer Platte und ist begrenzt durch zwei be nachbarte Platten sowie durch die Seitenflächen des Element kastens. Durch die in unterschiedliche Richtungen verlaufende Strukturen benachbarter Platten wird das durchströmende Strö mungsmedium zumindest teilweise von der Hauptströmungsrich tung abgelenkt, wodurch sich sowohl lokal als auch über den gesamten Reaktionsraum hinweg eine gute Durchmischung der Komponenten des Strömungsmediums ergibt.

Ohne eine Kombination bestimmter, den Strömungsverlauf beein flussender Geametriefaktoren stellt ein derart aufgebauter Katalysator jedoch keine Verbesserung hinsichtlich der Um setzrate der gewünschten katalytischen Reaktion und des Druckabfalls gegenüber einem herkömmlichen Katalysator dar. Vielmehr neigt ein derartiger Katalysator zur Verstapfung des Reaktionsraums durch in dem Abgas enthaltene Ruß- und Asche partikel, da sich diese durch eine geringe Strömungsgeschwin digkeit leicht absetzen können. Auch ist eine gleichmäßige Ausnutzung der katalytisch aktiven Oberfläche infolge der teilweise turbulenten Strömung gerade nicht gegeben. Aus die sem Grund werden derartige Katalysatoren bisher nicht einge setzt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Plattenkatalysator mit parallel gestapelten, jedoch in der Plattenebene gegen einander verdreht angeordneten Katalysatorplatten anzugeben, welcher durch eine Anpassung der Geometriefaktoren gegenüber herkömmlichen Plattenkatalysatoren zur Umsetzung von wenig stens zwei Reaktanten eines Strömungsmediums bei gleicher Baugröße eine deutliche Erhöhung der Umsetzrate bei einem vergleichbaren oder besseren Druckabfall aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Plat tenkatalysator, welcher eine Anzahl von in einer Halterungs vorrichtung gestapelten Platten mit jeweils einer katalytisch aktiven Oberfläche und mit jeweils einer zwischen zwei Plat tenrändern in einer Hauptrichtung verlaufenden und senkrecht zur Hauptrichtung wiederholten Struktur umfaßt, wobei die Hauptrichtungen der Strukturen zweier benachbarter Platten nicht parallel sind und wobei die Platten in zwei Substapeln mit gleicher Hauptrichtung der Strukturen der darin angeord neten Platten gestapelt sind, und die Hauptrichtung der Strukturen des ersten Substapels mit der Hauptrichtung der Strukturen des zweiten Substapels einen Winkel ϕ bildet, wel cher kleiner oder gleich 90° ist.

Durch diese Anordnung der Katalysatorplatten wird überra schenderweise ein besonders geringer Druckverlust bei einer optimalen Durchmischung der Komponenten bzw. Reaktanten eines durchströmenden Strömungsmediums erzielt. Auf ein vorgeschal tetes Mischelement kann daher verzichtet werden. Im übrigen eignet sich ein derartiger Katalysator insbesondere selbst als ein solches Mischelement. Ein derartiger Katalysator weist aufgrund der Strömungsführung einen hohen Stoffumsatz auf und besitzt daher ein günstigeres Verhältnis aus kataly tischer Aktivität und Druckabfall als ein vergleichbarer Ka talysator mit parallel gestapelten und nicht gegeneinander gedrehten Katalysatorplatten. Die Struktur kann dabei als eine Welle, eine Sicke oder als ein Dreieck ausgebildet sein. Es ist aber auch vorstellbar, die Platten mit einer beliebig anders geformten Struktur zu versehen.

Als Halterungsvorrichtung eignet sich ein quaderförmiger Ele mentkasten mit offenen Stirnflächen. Es ist aber auch vor stellbar, die Katalysatorplatten direkt in einen Abgaskanal zu montieren, wobei der Abgaskanal dann der Halterungsvor richtung entspricht.

Vorteilhafterweise besitzen alle Platten des Katalysators eine einheitliche Struktur, wobei der Winkel ϕ, den die Hauptrichtungen der Strukturen der beiden Substapel ein schließen, 90° beträgt. Die Substapel sind dabei derart in der Halterungsvorrichtung angeordnet, daß die Hauptrichtung der Strukturen der Platten des ersten Substapels parallel zu einer Hauptströmungsrichtung verläuft, in welcher die Halte rungsvorrichtung von dem Strömungsmedium durchströmbar ist. Durch die quer zur Hauptströmungsrichtung verlaufenden Struk turen der Platten des zweiten Substapels wird eine teilweise Auslenkung des Strömungsmediums senkrecht zur Hauptströmungs richtung und damit mit Hilfe der längs verlaufenden Struktu ren eine gute Durchmischung der Komponenten des Strömungsme diums über den gesamten durch benachbarte Platten gebildeten Reaktionsraum erreicht.

Für eine hohe katalytische Aktivität ist es vorteilhaft, wenn die einheitliche Struktur eine Welle ist. Idealerweise ist die Wellenlänge der Welle in dem Substapel mit parallel zur Hauptströmungsrichtung verlaufender Struktur kleiner als die Wellenlänge der Welle in dem Substapel mit quer zur Haupt strömungsrichtung verlaufender Struktur. Zusätzlich wird eine Verbesserung der katalytischen Aktivität erreicht, wenn die Amplitude der Welle in dem Substapel mit längs zur Hauptströ mungsrichtung verlaufender Struktur größer ist als die Ampli tude der Welle des Substapels mit quer verlaufender Struktur. Liegt das Verhältnis aus Wellenlänge und Amplitude in beiden Substapeln in einem Bereich zwischen 5 und 20, so wird er reicht, daß die Komponenten des Strömungsmediums besonders häufig an die Oberfläche der mit der katalytisch aktiven Masse beschichteten Platten geführt werden und gleichzeitig eine gute Durchmischung des Strömungsmediums erzielt wird.

Wird als einheitliche Struktur eine Sicke verwendet, so ist es für das Verhältnis aus katalytischer Aktivität und Druck verlust besonders vorteilhaft, wenn die Sickenhöhe 3 bis 20 mm beträgt und der Abstand der Sicken quer zur Hauptrich tung zwischen 20 und 200 mm liegt.

Alternativ können die Platten des ersten Substapels mit einer anderen Struktur versehen sein als die Platten des zweiten Substapels. Hier hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Struktur des ersten Substapels eine Welle und die Struktur des zweiten Substapels eine Sicke ist, der Winkel ϕ 90° beträgt und die Substapel derart in der Halterungsvor richtung angeordnet sind, daß die Hauptrichtung der Struktu ren der Platten des ersten Substapels parallel zu einer Hauptströmungsrichtung verläuft, in welcher die Halterungs vorrichtung von einem Strömungsmedium durchströmbar ist.

Ein sehr gutes Verhältnis der Aktivität gegenüber dem Druck verlust wird erreicht, wenn die Struktur des ersten Substa pels eine Welle und die Struktur des zweiten Substapels eine Sicke ist, der Winkel ϕ 60° beträgt und die Substapel derart in der Halterungsvorrichtung angeordnet sind, daß die Haupt richtungen der Strukturen der Platten der Substapel jeweils mit der Hauptströmungsrichtung, in welcher die Halterungsvor richtung von einem Strömungsmedium durchströmbar ist, einen Winkel von 30° bilden.

Der Plattenkatalysator läßt sich äußerst günstig herstellen, da keine wesentliche Änderung des Herstellungsverfahrens ge genüber einem herkömmlichen Katalysator erfolgen muß. Ledig lich beim Einbau der Platten muß auf die Ausrichtung der ein zelnen Platten zueinander geachtet werden. Mit einem derarti gen Katalysator läßt sich gegenüber dem Stand der Technik mit einem verringerten Bauvolumen und ohne ein zusätzliches Mischelement eine gleich hohe katalytische Aktivität erzie len. Auf diese Weise lassen sich sowohl die Herstellungsko sten für den Katalysator als auch die Einbaukosten in eine Abgasreinigungsanlage, welche mit derartigen Katalysatoren bzw. mit derartigen Katalysator-Modulen zu versehen ist, sen ken.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeich nung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene Ansicht eines Elementka stens mit darin angeordneten Katalysatorplatten;

Fig. 2 in perspektivischer Darstellung zwei um 90° gegenein ander gedrehte, aufeinander gestapelte Katalysator platten mit einer Struktur in Form einer Sicke;

Fig. 3 in perspektivischer Darstellung zwei um 90° gegenein ander gedrehte, aufeinander gestapelte Katalysator platten mit einer Struktur in Form einer Welle, und

Fig. 4 in perspektivischer Darstellung zwei um 60° gegenein ander gedrehte, aufeinander gestapelte Katalysator platten mit einer Struktur in Form einer Welle bzw. einer Sicke.

Fig. 1 stellt in teilweise aufgebrochener Darstellung einen Katalysator bestehend aus einem Elementkasten 1 und einer An zahl darin gestapelter Katalysatorplatten 2 dar. Die rechtec kig ausgeführten Katalysatorplatten 2 sind beidseitig mit ei ner katalytisch aktiven Oberfläche versehen, die jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit hier und in den folgenden Figu ren nicht dargestellt ist. Die Katalysatorplatten 2 sind mit einer zwischen den Plattenrändern in einer Hauptrichtung ohne Unterbrechung verlaufenden Struktur in Form einer Sicke 3 versehen, die in festen Abständen senkrecht zu der Hauptrich tung wiederholt ist. Der Elementkasten 1 ist ein an den Stirnflächen offener Quader. Die zu den Plattenebenen senk rechten Seitenflächen 4, 5 des Elementkastens 1 sind - hier nicht weiter dargestellt - im Innenraum mit Führungsschienen zur Befestigung und zum einfachen Einbau der Katalysatorplat ten 2 versehen. Die Stapelung der Katalysatorplatten 2 ist unterteilt in zwei zueinander in der Plattenebene um 90° ge drehte Substapel 6, 7 jeweils benachbarter Platten. Die Hauptrichtung der Strukturen der Platten des ersten Substa pels 6 verläuft senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung 8 ei nes Strömungsmediums, welches im Betrieb den Elementkasten 1 von der anströmseitigen Stirnfläche zur abströmseitigen Stirnfläche durchströmt. Entsprechend ist die Hauptrichtung der Strukturen der Platten des zweiten Substapels 7 parallel zur Hauptströmungsrichtung 8.

Fig. 2 zeigt in perspektivischer Darstellung zwei benachbarte Katalysatorplatten 9, 10 mit einer eingeprägten Struktur in Form einer Sicke 3 als Ausschnitt des in Fig. 1 dargestellten Katalysators. Es wird ersichtlich, daß sich der Reaktionsraum 11 über die gesamte Querschnittsfläche der Katalysatorplatten 9, 10 erstreckt. Der Reaktionsraum 11 ist lediglich an den Berührungspunkten 12 der Katalysatorplatten 9, 10, die sich aufgrund der Sicke 3 ergeben, punktuell unterbrochen. Gleich zeitig sind die Katalysatorplatten durch die Sicke 3 vonein ander beabstandet.

Aufgrund der quer zur Hauptströmungsrichtung 8 verlaufenden Sicken 3 wird ein in den Reaktionsraum 11 einströmendes Strö mungsmedium von der Hauptströmungsrichtung 8 abgelenkt und verwirbelt. Hierdurch wird die Umsetzrate für eine gewünschte katalytische Reaktion von Komponenten des Strömungsmediums, beispielsweise für die Reaktion von Stickoxiden mit Ammoniak, zum einen durch die entstehende homogene Verteilung und zum anderen durch eine hohe Absorptionswahrscheinlichkeit an der Katalysatoroberfläche gegenüber Plattenkatalysatoren mit la minar durchströmten Katalysatorplatten wesentlich verbessert. Die Sickenhöhe 13 ist dabei mit 15 mm und der Sickenabstand 14 mit 100 mm derart gewählt, daß durch die Strömungsführung zum einen die katalytische Aktivität des Katalysators angeho ben wird und sich zum anderen dadurch keine Erhöhung des Druckabfalls ergibt.

In Fig. 3 sind in perspektivischer Darstellung zwei in der Plattenebene um 90° gegeneinander gedrehte und aufeinander gestapelte Katalysatorplatten 15, 16 gezeigt, welche mit ei ner Struktur in Form einer Welle 17 versehen sind. Die ge zeigten Katalysatorplatten 15, 16 sind dabei als Ausschnitt eines Katalysators mit der in Fig. 1 dargestellten Stapelung zu betrachten. Für die gezeigte Struktur in Form einer Welle 17 ist der aus der Strömungsführung resultierende Anteil der gesamten katalytischen Aktivität des Katalysators beträcht lich, wenn die Wellenlänge 20 in der quer zur Hauptströmungs richtung 8 ausgerichteten Katalysatorplatte 15 größer und die Amplitude 22 der Welle 17 kleiner ist als die Wellenlänge 21 bzw. die Amplitude 23 der Welle 17 in der längs zur Haupt strömungsrichtung 8 ausgerichteten Katalysatorplatte 16.

In Fig. 4 sind in perspektivischer Darstellung zwei in der Plattenebene um 60° gegeneinander gedrehte und aufeinander gestapelte Katalysatorplatten 18, 19 wiederum als Ausschnitt eines Katalysators gezeigt. Der Platte 18 ist eine Struktur in Form einer Welle 17 eingeprägt und der Platte 19 eine Sicke 3. Der gesamte Katalysator setzt sich zusammen aus ei ner Vielzahl der gezeigten Plattenpaare ähnlich Fig. 1. Ein sehr gutes Verhältnis aus katalytischer Aktivität und Druck abfall wird gemäß Fig. 4 dann erzielt, wenn die Katalysator platten in dem Elementkasten derart angeordnet sind, daß die Hauptrichtungen der Strukturen beider Substapel jeweils mit der Hauptströmungsrichtung 8 des Strömungsmediums einen Win kel von 30° bilden. Auf diese Weise erfolgt ein entgegenge setztes Auslenken des Strömungsmediums aus der Hauptströ mungsrichtung 8 an den Strukturen benachbarter Platten 18, 19. Dadurch wird erreicht, daß die Komponenten des Strömungs mediums, beispielsweise in dem Abgas einer Verbrennungsanlage enthaltene Stickoxide und zusätzlich in das Rauchgas einge brachtes Ammoniak, homogen über den gesamten Reaktionsraum 11 miteinander vermischt werden.

Claims

1. Plattenkatalysator, welcher eine Anzahl von in einer Hal terungsvorrichtung gestapelten Platten (2) mit jeweils einer katalytisch aktiven Oberfläche und mit jeweils einer zwischen zwei Plattenrändern in einer Hauptrichtung verlaufenden und senkrecht zur Hauptrichtung wiederholten Struktur umfaßt, wobei die Hauptrichtungen der Strukturen zweier benachbarter Platten (2) nicht parallel sind, wobei die Platten (2) in zwei Substapeln (6, 7) mit jeweils gleicher Hauptrichtung der Strukturen (3, 17) gestapelt sind und die Hauptrichtung der Strukturen des ersten Substapels (6) mit der Hauptrichtung der Strukturen des zweiten Substapels (7) einen Winkel ϕ bildet, welcher kleiner oder gleich 90° ist.

2. Plattenkatalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Plat ten (2) eine einheitliche Struktur aufweisen, der Winkel ϕ 90° ist und die Substapel (6, 7) derart in der Halterungsvor richtung angeordnet sind, daß die Hauptrichtung der Struktu ren der Platten des ersten Substapels (6) parallel zu einer Hauptströmungsrichtung (8) verläuft, in welcher die Halte rungsvorrichtung von einem Strömungsmedium durchströmbar ist.

3. Plattenkatalysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ein heitliche Struktur eine Welle (17) mit einer ersten Wellen länge (20) und einer ersten Amplitude (22) in dem ersten Sub stapel (6) und einer zweiten Wellenlänge (21) und einer zwei ten Amplitude (23) in dem zweiten Substapel (7) ist, wobei die erste Wellenlänge (20) kleiner ist als die zweite Wellen länge (21), die erste Amplitude (22) größer ist als die zweite Amplitude (23), und in beiden Substapeln (6, 7) der Wert des Verhältnisses aus Wellenlänge und Amplitude in einem Bereich zwischen 5 und 20 liegt.

4. Plattenkatalysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ein heitliche Struktur eine Sicke (3) mit einer Sickenhöhe (13) von 3 bis 20 mm ist, und die Sicke (3) quer zur Hauptrichtung in einem vorgegebenen Abstand (14) zwischen 20 und 200 mm wiederholt ist.

5. Plattenkatalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plat ten des ersten Substapels (6) mit einer anderen Struktur ver sehen sind als die Platten des zweiten Substapels (7)

6. Plattenkatalysator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Struk tur des ersten Substapels (6) eine Welle (17) und die Struk tur des zweiten Substapels (7) eine Sicke (3) ist, der Winkel ϕ 90° beträgt und die Substapel (6, 7) derart in der Halte rungsvorrichtung angeordnet sind, daß die Hauptrichtung der Strukturen der Platten des ersten Substapels (6) parallel zu einer Hauptströmungsrichtung (8) verläuft, in welcher die Halterungsvorrichtung von einem Strömungsmedium durchströmbar ist.

7. Plattenkatalysator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Struk tur des ersten Substapels (6) eine Welle (17) und die Struk tur des zweiten Substapels (7) eine Sicke ist, der Winkel ϕ 60° beträgt und die Substapel (6, 7) derart in der Halte rungsvorrichtung angeordnet sind, daß die Hauptrichtungen der Strukturen der Platten (2') der Substapel (6, 7) jeweils mit einer Hauptströmungsrichtung (8), in welcher die Halterungs vorrichtung von einem Strömungsmedium durchströmbar ist, ei nen Winkel von 30° bilden.