DE19702569A1

DE19702569A1 - Plattenkatalysator

Info

Publication number: DE19702569A1
Application number: DE19702569A
Authority: DE
Inventors: Erich Dipl Chem Dr Hums; Michael Dipl Ing Faber
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-01-24
Filing date: 1997-01-24
Publication date: 1998-07-30

Description

Die Erfindung betrifft einen Plattenkatalysator mit einer An zahl von in einer Haltevorrichtung gestapelten Platten mit katalytisch aktiver Oberfläche bevorzugt für die Katalyse ei ner Reaktion von wenigstens zwei Reaktanten, wobei mindestens ein Reaktant inhomogen verteilt in einem Fluid vorliegt.

Eine solche inhomogene Verteilung liegt beispielsweise dann vor, wenn ein für die zu katalysierende Reaktion erforderli cher Reaktant zusätzlich in das Fluid eingebracht werden muß. Dies ist beispielsweise bei dem bekannten SCR-Verfahren zur Stickoxidminderung in einem Abgas einer Verbrennungsanlage der Fall. Hierbei wird dem Abgas zusätzlich Ammoniak als ein Reduktionsmittel beigegeben, welches an einem sogenannten DeNOx-Katalysator zusammen mit im Abgas enthaltenen Stickoxi den zu Stickstoff und Wasser reagiert. Anstelle von Ammoniak ist auch die Verwendung von Harnstoff bekannt, welcher im Ab gas zu Ammoniak zersetzt werden kann.

Ein für die Katalyse einer Reaktion von Reaktanten mit inho mogener Verteilung geeigneter Plattenkatalysator findet sich in der WO 94/26411 A1. Hieraus ist bekannt, die einzelnen Platten zur Beabstandung voneinander mit einer wellenförmigen Struktur zu versehen und derart in einer Haltevorrichtung zu stapeln, daß sich die Richtungen der wellenförmigen Struktu ren unmittelbar benachbarter Platten schneiden. Durch die ge kreuzte Anordnung der gewellten Katalysatorplatten wird eine besonders gute Durchmischung der Komponenten und damit der Reaktanten eines den Plattenkatalysator durchströmenden Fluids erzielt. Auf ein im Falle eines herkömmlichen Kataly sators erforderliches, vorgeschaltetes statisches Mischele ment zur Durchmischung der Komponenten, welches erfahrungsge mäß einen hohen Druckabfall verursacht und eine lange Nach laufstrecke benötigt, kann verzichtet werden.

Nachteiligerweise neigt jedoch ein derartiger, für eine gute Durchmischung der Komponenten des Fluids konzipierter Plat tenkatalysator aufgrund seines verhältnismäßig hohen Druckab falls zur Verstopfung durch in dem Abgas enthaltene Ruß- und Aschepartikel, da sich diese bedingt durch eine verhältnismä ßig geringe Strömungsgeschwindigkeit leicht absetzen können. Auch ist eine gleichmäßige Ausnutzung der katalytisch aktiven Oberfläche der Platten infolge einer teilweisen turbulenten Strömung nicht gegeben. Aus diesen Gründen werden trotz des verringerten Platzbedarfs gegenüber herkömmlichen Katalysato ren mit vorgeschaltetem statischen Mischelement derartige Plattenkatalysatoren bis heute kommerziell nicht eingesetzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Plattenkatalysator zur Katalyse einer Reaktion von mindestens zwei Reaktanten, wobei insbesondere wenigstens ein Reaktant mit einer inhomogenen Verteilung in einem Fluid vorliegt, anzugeben, welcher eine höhere katalytische Aktivität und einen geringeren Druckab fall aufweist als ein herkömmlicher Katalysator mit einem vorgeschalteten statischen Mischelement.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Plat tenkatalysator umfassend eine in einer Hauptströmungsrichtung von einem Abgas durchströmbare Anzahl von gestapelten Platten mit jeweils katalytisch aktiver Oberfläche, wobei die Platten jeweils mit einer entlang einer Modulationsrichtung verlau fenden wellenförmigen Struktur mit einer vorgegebenen Wellen länge und einer vorgegebenen Amplitude versehen sind, wobei das Verhältnis aus Wellenlänge zu Amplitude in einem Bereich von 2,5 bis 6 liegt, und wobei die Platten derart gestapelt sind, daß sich die Modulationsrichtungen jeweils benachbarter Platten schneiden und wobei der Winkel zwischen der Haupt strömungsrichtung und der jeweiligen Modulationsrichtung zwi schen 10 und 40° liegt.

Die Erfindung geht dabei von der für Wärmetauscher bekannten Tatsache aus, daß Strömungs- und Transportvorgänge in einem Fluid, welches über eine gewellte Struktur strömt, durch Va riation der die gewellte Struktur bestimmenden Geometriepara meter Wellenlänge und Amplitude sowie durch Variation des An strömwinkels beeinflußt werden können. Der Anströmwinkel ist dabei definiert durch denjenigen Winkel, welcher durch die Hauptströmungsrichtung des Fluids und durch die Modulations richtung der wellenförmigen Struktur gebildet wird. Insbeson dere das Verhältnis aus Wellenlänge zu Amplitude stellt hier bei einen wesentlichen Parameter dar. Dieser technische Hin tergrund wird auf einen Plattenkatalysator angewendet, wel cher neben der Katalyse einer gewünschten Reaktion zusätzlich die Funktion einer Durchmischung der Komponenten des den Plattenkatalysator durchströmenden Fluids erfüllen soll.

Das unter einem vorgegebenen Anströmwinkel entlang einer Hauptströmungsrichtung über eine mit wellenförmiger Struktur versehene Platte des Plattenkatalysators strömende Fluid wird an der Struktur zerlegt in einen Längsströmungs- und in einen Talströmungsanteil. Der Längsströmungsanteil umfaßt dabei denjenigen Anteil des Fluids welcher unabgelenkt weiterhin in Hauptströmungsrichtung über die wellenförmige Struktur hinwegströmt; der Längsströmungsanteil hingegen umfaßt denje nigen Anteil des Fluids, welcher durch den erhabenen Teil oder Wellenberg der wellenförmigen Struktur ausgelenkt ent lang des vertieften Teils oder Wellentals der Struktur senk recht zur Modulationsrichtung der wellenförmigen Struktur strömt. Das Verhältnis aus Längsströmungsanteil und Talströ mungsanteil wird neben dem Anströmwinkel zusätzlich durch die Amplitude und die Wellenlänge der wellenförmigen Struktur be stimmt. So tritt der Extremfall eines reinen Talströmungsan teils bei einem kleinen Verhältnis aus Wellenlänge zu Ampli tude oder bei einem Anströmwinkel von ungefähr 90° auf. Bei einem kleinen Anströmwinkel hingegen wird der Längsströmungs anteil den Talströmungsanteil überwiegen.

Zwischen dem Längsströmungs- und dem Talströmungsanteil des Fluids findet ein ständiger Stoffaustausch statt. Dieser Stoffaustausch ist die Ursache für die Durchmischung der in dem Fluid enthaltenen Komponenten. Die Durchmischung ist da bei um so besser, je höher die Reynolds-Zahl in dem durch strömenden Fluid ist. Bei einem kleinen Verhältnis aus Wel lenlänge zu Amplitude ist daher die Durchmischung in einem Bereich kleiner Anströmwinkel hoch. Bei einem vorgegebenen Anströmwinkel wiederum ist die Durchmischung um so besser, je größer das Verhältnis aus Wellenlänge zu Amplitude gewählt ist.

Umfangreiche Untersuchungen haben ergeben, daß sich für einen Plattenkatalysator mit einer Anzahl gestapelter Platten bei einem verhältnismäßig geringen Druckverlust dann eine hohe katalytische Aktivität bei einer gleichzeitig guten Durch mischung der Komponenten des durchströmenden Fluids erzielen läßt, wenn das Verhältnis aus Wellenlänge und Amplitude der wellenförmigen Struktur in einem Bereich von 2,5 bis 6 liegt, die Platten in nicht paralleler Ausrichtung der wellenförmi gen Struktur gestapelt sind und der Anströmungswinkel zwi schen 10 und 40° liegt. Ein derartiger Plattenkatalysator weist einen Druckverlust von lediglich 1 bis 6 mbar pro Meter auf und stellt aufgrund seiner hohen katalytischen Aktivität und guten Durchmischung eine wesentliche Verbesserung gegen über einem herkömmlichen Katalysator mit einem vorgeschalte ten statischen Mischelement dar.

Die Durchmischung der Komponenten des durchströmenden Fluids läßt sich weiter verbessern, wenn jede Platte die gleiche wellenförmige Struktur, definiert durch das Verhältnis aus Wellenlänge zu Amplitude, aufweist und zusätzlich jeweils be nachbarte Platten derart ausgerichtet sind, daß die jeweilige Modulationsrichtung mit der Hauptströmungsrichtung denselben Anströmwinkel bildet. In diesem Fall beträgt der Winkel zwi schen den Modulationsrichtungen der wellenförmigen Strukturen benachbarter Platten das Doppelte des Anströmwinkels.

Wird die wellenförmige Struktur in Form eines gleichförmigen Sinusbogens ausgestaltet, so kann die katalytische Aktivität des Plattenkatalysators erhöht werden, da die Haftwahrschein lichkeit der Komponenten des Fluids an der Oberfläche der Platten infolge einer gleichmäßigen Strömung erhöht wird.

Für die Herstellung der Platten mit wellenförmiger Struktur ist es kostengünstig, die Platten aus einer Tragstruktur und einer darauf aufgebrachten katalytisch aktiven Beschichtung aufzubauen. Die Tragstruktur kann beispielsweise ein verform bares metallisches Drahtnetz oder ein anderes metallisches Geflecht sein, welches vor Auftragung der katalytisch aktiven Beschichtung mit der wellenförmigen Struktur versehen wird. Auch ein anderes Material als Metall ist zur Verwendung für eine solche Tragstruktur vorstellbar, sofern es bei einer entsprechenden Festigkeit mit der wellenförmigen Struktur versehen werden kann und es sich für die Auftragung der kata lytisch aktiven Beschichtung eignet. Insbesondere bietet sich als Tragstruktur auch eine Keramikfaser an, welche in weichem Zustand in eine wellenförmige Struktur gebracht werden kann und vor oder nach der Aushärtung mit der katalytisch aktiven Masse versehen werden kann. Vorteilhafterweise umfaßt die Ke ramikfaser hierbei ein Aluminium-Silizium-Oxid. Die kataly tisch wirksame Beschichtung kann auch durch Flammspritzen auf eine metallische Tragstruktur aufgebracht werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeich nung näher erläutert. Gleiche Teile haben dabei gleiche Be zugszeichen. Dabei zeigen:

Fig. 1 in teilweiser aufgebrochener Ansicht einen Plattenka talysator mit in einer Haltevorrichtung gestapelten, mit einer wellenförmigen Struktur versehenen Platten, welche unter einem Anströmwinkel von 30° durchström bar sind;

Fig. 2 zwei benachbarte Katalysatorplatten aus einer Stape lung gemäß Fig. 1 unter Definition der Hauptströ mungsrichtung, der Modulationsrichtung und des An strömwinkels;

Fig. 3 in einem ersten Diagramm den Verlauf des katalyti schen Umsatzes und des Druckverlusts des Plattenkata lysators in Abhängigkeit von dem Anströmwinkel bei einer hohen Strömungsgeschwindigkeit und

Fig. 4 in einem zweiten Diagramm den Verlauf des katalyti schen Umsatzes und des Druckverlusts des Plattenkata lysators als Funktion des Anströmwinkels bei einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit.

Fig. 1 stellt in teilweise aufgebrochener Darstellung einen Katalysator 1 umfassend eine Haltevorrichtung 2 und eine An zahl darin gestapelter Platten 3, 4 dar. Die rechteckig aus geführten Platten 3, 4 sind beidseitig mit einer katalytisch aktiven Oberfläche versehen, die jedoch aus Gründen der Über sichtlichkeit hier nicht näher dargestellt ist. Die Platten 3, 4 sind mit einer wellenförmigen Struktur 5 versehen, wel che neben der Durchmischung der Komponenten eines durchströ menden Fluids auch zur Beabstandung der einzelnen Platten 3, 4 voneinander dient. Zum einfachen Einbau der Platten 3, 4 ist die Haltevorrichtung 2 im Innenraum - hier nicht weiter dargestellt - mit Führungsschienen versehen. Jede der gezeig ten Platten 3, 4 weist die gleiche wellenförmige Struktur 5, gekennzeichnet durch Amplitude 22 und Wellenlänge 20 (siehe Fig. 2) auf. Zusätzlich sind die Modulationsrichtung 9 sowie der durch die Hauptströmungsrichtung 8 und durch die Modula tionsrichtung 9 gebildete Anströmwinkel 10 eingezeichnet. Die wellenförmige Struktur 5 ist dabei für jede Platte 3, 4 der art ausgerichtet, daß der Anströmwinkel 10, definiert durch die Modulationsrichtung 9 der wellenförmigen Struktur 5 und durch die Hauptströmungsrichtung 8, jeweils 30° beträgt. Die Modulationsrichtungen benachbarter Platten 3, 4 schließen hierzu einen Winkel von 60° ein. Das Verhältnis aus Wellen länge zu Amplitude beträgt 3,8.

In Fig. 2 sind der besseren Übersichtlichkeit halber zwei benachbarte Platten 3, 4 entsprechend der Stapelung in Fig. 1 gezeigt. Es wird ersichtlich, daß sich der Reaktionsraum 11 über die gesamte Fläche der Platten 3, 4 erstreckt. Die Plat ten 3, 4 sind aufgebaut aus einer metallischen Tragstruktur 24 in Form eines Drahtnetzes mit einer darauf aufgebrachten katalytisch aktiven Beschichtung 25. Die katalytisch aktive Beschichtung 25 umfaßt Titandioxid als Trägermaterial sowie Vanadinpentoxid und Wolframtrioxid als aktive Komponenten.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Plattenkatalysator eignet sich als ein sogenannter DeNOx-Katalysator zur Entfer nung von Stickoxiden aus einem Abgas einer Verbrennungsan lage. Eine solche Verbrennungsanlage ist beispielsweise ein Kohlekraftwerk oder eine Müllverbrennungsanlage. Übliche in einem Rauchgaskanal einer solchen Verbrennungsanlage herr schende Strömungsgeschwindigkeiten des Abgases liegen in ei nem Bereich von 2 bis 10 m/sec. Es ist aber auch vorstellbar, einen derartigen Plattenkatalysator zur Verminderung der Stickoxide in einem Abgas eines Verbrennungsmotors, bei spielsweise eines Diesel-Motors, zu verwenden.

Fig. 3 und Fig. 4 zeigen den Einfluß des Anströmwinkels 10 auf den katalytischen Umsatz 28 und den Druckverlust 30 eines gemäß Fig. 1 aufgebauten DeNOx-Katalysators als Funktion des Anströmwinkels 10. Zur Bestimmung des katalytischen Umsatzes 28 und des Druckverlustes 30 wird ein Testabgas mit einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit (dargestellt in Fig. 3) und mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit (dargestellt in Fig. 4) über den Katalysator geleitet. Das Testabgas ent spricht einem Abgas, wie es der Brennkammer eines Fossil kraftwerks entweicht, und setzt sich wie folgt zusammen:

9 Vol.-% O₂,
24 Vol.-% H₂O,
100 mg/Nm³ SO₂,
650 mg/Nm³ No_x sowie
100 mg/Nm³ CO.

Der in den Fig. 3 und 4 dargestellte katalytische Umsatz 28 ist definiert durch:

wobei Cl_NOx die Stickoxidkonzentration des Abgases vor dem Ka talysator, und C2_NOx die Stickoxidkonzentration des Abgases nach dem Katalysator beschreibt.

Beträgt der Anströmwinkel 10 0°, so entspricht dies einer An ordnung der Katalysatorplatten 3, 4 mit paralleler Ausrich tung der jeweiligen wellenförmigen Strukturen 5. Ein Anström winkel 10 von 30° und 45° entspricht einer Anordnung gekreuz ter Platten 3, 4, wobei die Modulationsrichtungen 9 der wel lenförmigen Strukturen 5 benachbarter Platten 3, 4 zueinander einen Winkel von 60° bzw. von 90° bilden. Dies wird anhand Fig. 2 ersichtlich.

Wird entsprechend Fig. 3 das Testabgas mit einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit über den Plattenkatalysator gelei tet, so erkennt man entsprechend dem eingezeichneten Verlauf 33 bei einer Erhöhung des Anströmwinkel 10 von 0° auf 30° ei nen Anstieg des Umsatzes 28. Der Druckverlust 30 steigt ent sprechend dem eingezeichneten Verlauf 32 hingegen nur unwe sentlich an. Wird der Anströmwinkel 10 weiter von 30° auf 45° erhöht, so ändert sich überraschenderweise der Umsatz 28 kaum mehr, während der Druckverlust 30 in starken Maße bis auf ei nen Wert von 6 mbar bei einem Anströmwinkel von 45° ansteigt. Da für einen DeNOx-Katalysator der technisch akzeptable Druckverlust in einem Bereich von 1 bis 6 mbar liegt, wird ersichtlich, daß sich für den vermessenen Plattenkatalysator ein günstiger Anströmwinkel 10 von weniger als 45° ergibt.

Bei einem derartigen Anströmwinkel 10 ist ein hoher Umsatz 28 gekoppelt mit einem akzeptablen Druckverlust 30.

Fig. 4 kann anhand des eingezeichneten Verlaufs 34 für den Druckverlust 30 und anhand des eingezeichneten Verlaufs 35 für den Umsatz 28 entnommen werden, daß sich auch bei hoher Strömungsgeschwindigkeit ein günstiger Anströmwinkel 10 von weniger als 45° ergibt. Der Druckverlust 30 ist dabei etwas höher als dies bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit ent sprechend Fig. 3 der Fall ist. Demgegenüber ist jedoch der Umsatz 28 höher als dies bei niedriger Strömungsgeschwindig keit entsprechend Fig. 3 der Fall ist.

Claims

1. Plattenkatalysator (1) umfassend eine in einer Hauptströ mungsrichtung (8) von einem Abgas durchströmbare Anzahl von gestapelten Platten (3, 4) mit jeweils katalytisch aktiver Oberfläche, wobei die Platten (3, 4) jeweils mit einer ent lang einer Modulationsrichtung (9) verlaufenden wellenförmi gen Struktur (5) mit einer vorgegebenen Wellenlänge (20) und einer vorgegebenen Amplitude (22) versehen sind, das Verhält nis aus Wellenlänge (20) zu Amplitude (22) in einem Bereich von 2,5 bis 6 liegt, und die Platten derart gestapelt sind, daß sich die Modulationsrichtungen jeweils benachbarter Plat ten schneiden und der Winkel (10) zwischen der Hauptströ mungsrichtung (8) und der jeweiligen Modulationsrichtung (9) zwischen 10 und 40° liegt.

2. Plattenkatalysator (1) nach Anspruch 1, wobei der Winkel (10) zwischen der Hauptströmungsrichtung (8) und der Modula tionsrichtung (9) und das Verhältnis aus Wellenlänge (20) und Amplitude (22) für jede Platte (3, 4) den jeweils gleichen Wert besitzen.

3. Plattenkatalysator (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die wellenförmige Struktur (5) in Form eines Sinusbogens ausge bildet ist.

4. Plattenkatalysator (1) nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 3, wobei die Platten (3, 4) jeweils aus einer Tragstruktur (24) und einer darauf aufgebrachten katalytisch aktiven Beschichtung (25) gebildet sind.

5. Plattenkatalysator nach Anspruch 4, wobei die Tragstruktur (24) eine metallische Tragstruktur ist.

6. Plattenkatalysator nach Anspruch 4, wobei die Tragstruktur (24) eine Keramikfaser umfaßt.

7. Plattenkatalysator nach Anspruch 6, wobei die Keramikfaser ein Aluminum-Silizium-Oxid umfaßt.