DE19723668C2 - Vorrichtung zur Installation von Katalysatoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Installation von Katalysatoren umfassend einen Metallrahmen in dem die Kataly­ satorkörper eingespannt sind, sowie Verfahren zur katalytischen Reinigung von Abgasen unter Verwendung dieser Vorrichtung.

Katalysatoren, wie sie zur katalytischen Reinigung von Prozeß­ abgasen eingesetzt werden, sind in der Regel keramische Waben­ körper mit monolithischer Struktur, meist würfelförmige Körper, welche mit der aktiven Katalysatormasse beschichtet sind. Die Anzahl der Kanäle pro Flächeneinheit, die Zelldichte, ist abhängig von den gestellten Anforderungen und beträgt im allge­ meinen 100 bis 200 cpsi (cells per square inch). Die Würfel haben im allgemeinen eine Kantenlänge von 10 cm bis 20 cm. Weit verbreitet sind würfelförmige Wabenkörper mit einer Kantenlänge von 15 cm.

Diese Wabenkörper können nun direkt in die Reaktionskammer oder in die Verbrennungskammer einer Verbrennungsanlage eingebaut werden. In der Praxis werden allerdings zunehmend sogenannte Moduleinheiten verwendet, da diese den Einbau beträchtlich er­ leichtern. Als Module üblich sind Rahmenkonstruktionen aus Stahl in welche die würfelförmigen Wabenkörper eingesetzt wer­ den. In Fig. 3 ist eine Moduleinheit gemäß Stand der Technik wiedergegeben. Die Einheit besteht aus einem quadratischen Stahlrahmen 20, welcher Metallstege 21 zum Aufsetzen der würfelförmigen Wabenkörper 22 umfasst. Je nach Bedarf können eine oder mehrere Schichten mit Wabenkörpern in den Metall­ rahmen eingesetzt werden, oder mehrere Moduleinheiten neben­ einander und/oder übereinander angeordnet werden.

Aus JP-A 05-220347 sind Vorrichtungen zur Installation von Katalysatoren bekannt, die einen rechteckigen oder quadrati­ schen Metallrahmen umfassen und am Metallrahmen Federn zur Halterung der Katalysatorkörper aufweisen. Der Vorteil dieser Anordung ist, daß die eingespannten Katalysatoren durch die Metallfedern nicht beschädigt werden.

Wesentlich ist beim Einsatz von Moduleinheiten bei der Abgas­ reinigung, daß der Gasschlupf zwischen der Rahmenkonstruktion und den Wabenkörpern sowie zwischen den Wabenkörpern möglichst gering ist, da ansonsten die Reinigungsleistung deutlich ab­ nimmt und die strengen gesetzlichen Vorgaben zur Reinheit der Abgase nicht eingehalten werden können. Zur Vermeidung des Gasschlupfes wird daher der Bereich zwischen den Wabenkörpern und zwischen der Rahmenkonstruktion und den Wabenkörpern mit Hilfe von keramischen Materialien, beispielsweise Aluminium­ silikat, Aluminiumoxid oder Siliciumoxid, in Form von Vliesen, Matten oder Dichtungsschnüren abgedichtet.

Dies birgt allerdings Nachteile aufgrund der schlechten ela­ stischen Eigenschaften dieser Abdichtungsmaterialien. Da die Arbeitstemperaturen der Verbrennungsanlagen zwischen 300°C und 500°C liegen, kommt es zu einer Ausdehnung des Modulrahmens, während aufgrund des extrem niedrigen Ausdehnungskoeffizienten des keramischen Materials die Dimensionen der Wabenkörper nahe­ zu unverändert bleiben. Die Folge davon ist die Spaltbildung insbesondere im Bereich zwischen Modulrahmen und Wabenkörpern, wodurch die Spannkraft auf die Waben vollständig verloren geht, und die Waben nicht mehr zusammengehalten werden. Aufgrund der unterschiedlichen Längenausdehnungkoeffizienten von Keramik und Stahl können bei einer Seitenlänge der Modulrahmen von 1 m bis 2 m Spalten in der Größenordnung von mehreren Zentimetern auftreten.

Es bestand daher die Aufgabe, einen Modulrahmen zu konstruie­ ren, mit dem bei den üblichen Arbeitstemperaturen die Spalten­ bildung zwischen Rahmen und Wabenkörpern unterdrückt wird und auch die Wabenkörper untereinander aneinandergedrückt bleiben.

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Installation von Katalysatoren umfassend einen rechteckigen oder quadrati­ schen Metallrahmen 1 in dem die Katalysatorkörper 14 einge­ spannt sind, dadurch gekennzeichnet, daß an zwei aneinander­ liegenden Seiten des Metallrahmens 1 jeweils eine Metallschiene 3 über eine oder mehrere Metallfedern 4 zu den Metallprofilen 2 des Metallrahmens 1 im Abstand gehalten wird, und der Zwischen­ raum zwischen den Metallprofilen 2 und den Metallschienen 3 mit einer Blende 6 abgedeckt ist.

Die Vorrichtung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen Fig. 1, Fig. 1a und Fig. 2 näher erläutert. Die Zeichnungen Fig. 1 und Fig. 2 zeigen schematische Darstellungen von bevorzugten Ausführungsbeispielen. Die Zeichnung Fig. 3 zeigt eine dem Stand der Technik entsprechende Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung. Fig. 1a ist eine Abbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne Blende 6 und mit Montagebolzen 5. Die Abmessungen und die Form des Me­ tallrahmens 1 sind den Abmessungen der Reaktionskammer bzw. Verbrennungskammer angepaßt, in denen der Katalysator einge­ setzt werden soll. Der Metallrahmen 1 hat üblicherweise die Form eines Quadrats oder Rechtecks mit einer Seitenlänge von vorzugsweise 1 m bis 2 m, und besteht aus 4 miteinander ver­ schweißten oder verschraubten Metallprofilen 2, vorzugsweise U-förmigen Stahlprofilen. Jeweils parallel zu den Innenseiten des Metallrahmens sind bewegliche Metallschienen 3 an zwei an­ einanderliegenden Seiten des Metallrahmens 1 angeordnet. Die Metallschienen 3 sind vorzugsweise aus L-förmigen Stahlprofi­ len gefertigt. Die Anordnung der Metallschienen 3 zueinander erfolgt dabei vorzugsweise so, daß die zwei aufeinandergerich­ teten Enden aneinanderstoßen oder beispielsweise durch Ver­ schrauben oder Verschweißen miteinander verbunden sind. Die freien Enden der Metallschienen 3 sind im Abstand zu den Me­ tallprofilen 2 angeordnet, wobei die Abstände so dimensioniert sind, daß die Beweglichkeit der Metallschienen 3 auch bei ma­ ximaler Arbeitstemperaturen gewährleistet ist.

Die Metallschienen 3 werden zu den parallel verlaufenden Sei­ ten des Metallrahmens 1 mittels der Metallfedern 4 im Abstand gehalten. Abhängig von der Seitenlänge des Metallrahmens 1 werden die Metallschienen 3 vorzugsweise mit mindestens zwei Metallfedern 4 gehalten. Um den nötigen Anpreßdruck auf die Katalysatorpackung auch bei hoher Temperatur sicherzustellen sind die Metallfedern 4, vorzugsweise Spiralfedern 4, aus ei­ nem Material (Spezialstähle) gefertigt, welches die Federkraft auch bei maximaler Arbeitstemperatur (ca. 500°C) sicherstellt.

Um beim praktischen Einsatz der Vorrichtung den Gasfluß durch die Wabenkörper sicherzustellen und ein Entweichen des Reaktionsgases bzw. Verbrennungsgases über den Zwischenraum zwischen dem Metallrahmen 1 und den Metallschienen 3 zu ver­ hindern, sind die Zwischenräume mit einer Blende 6, welche aus demselben Material wie der Metallrahmen 1 und die Metallschie­ nen 3, vorzugsweise aus Stahlblech, gefertigt ist, abgedeckt. Die Blende 6 ist vorzugsweise aus einem L-förmigen Stück ge­ fertigt oder ist so ausgeführt, daß jede der Metallschienen 3 mit einer Blende 6 ausgerüstet ist. Um die Beweglichkeit der Metallschienen 3 zu gewährleisten, ist die Blende 6 entweder nur auf den Metallprofilen 2 oder nur auf den Metallschienen 3 fest fixiert, vorzugsweise durch Verschrauben.

In Fig. 2 wird die Befestigung der Metallschienen 3 an den Metallprofilen 2 näher erläutert, und auch die Befestigung der Blenden 6 auf den Metallschienen 3 näher erläutert.

In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Metallschiene 3 auf der Auflageführung 7 des Metallprofils 2 auf. Auf dem Stempel 9 liegt die Spiralfeder 4 auf, welche mittels der Aus­ sparung 10 am Metallprofil 2 geführt wird. Der Stempel 9 liegt an der Metallschiene 3 an.

Beim Aufbau des Moduls wird zunächst ein Montagebolzen 5 auf den Stempel 9 aufgeschraubt und anschließend die Spiralfeder 4 aufgesteckt. Das Ende des Bolzens 5 wird durch eine Bohrung am Metallprofil 2 geführt und die Spiralfeder 4 durch Anziehen der Schraubenmutter 8 gespannt. Anschließend werden die Me­ tallschienen 3 angelegt und der Modul mit den Katalysatorwaben 14 befüllt. Nach der Befüllung werden die Spiralfedern 4 durch Entfernen der Schraubmuttern 8 auf die Metallschienen 3 ent­ spannt. Der verbleibende Federhub muß dabei so groß sein, daß auch bei maximaler Arbeitstemperatur keine Spaltbildung auf­ tritt, sondern ein Restdruck auf die Katalysatorkörper 14 ein­ wirkt. Der Montagebolzen 5 kann an der Vorrichtung verbleiben. Vorzugsweise wird der Montagebolzen 5 nach der Montage der Vorrichtung entfernt.

Nach der Befüllung wird die Blende 6 montiert. In Fig. 2 ist die Ausführungsform beschrieben in der die Blende 6 nur auf der Metallschiene 3 durch Verschrauben fest fixiert ist. Bei der Verschraubung der Blende 6 mit der Metallschiene 3 wird die Blende 6 durch einen Stempel 18 oder eine durchgehende Me­ tallleiste 18 auf die Metallschiene 3 aufgedrückt. Am Metall­ profil 2 wird die Blende 6 über eine Bolzen/Feder-Konstruktion angedrückt. Die Bolzen/Feder-Konstruktion umfaßt einen am Me­ tallprofil 2 verschraubten Bolzen 11 und den Stempel 12, wel­ cher durch eine zwischen dem Bolzen 11 und dem Stempel 12 axial angeordnete Spiralfeder 13 auf die Blende 6 aufgedrückt wird. Anstelle des Stempels 12 kann auch eine durchgehende Me­ tallleiste 12 auf das Metallprofil 2 aufgedrückt werden. Um die Beweglichkeit der Blende 6 in der Horizontalen sicherzu­ stellen ist die Blende 6 am Durchtritt des Bolzens mit einem ausreichend dimensionierten Bolzenloch 15 versehen. Die Befe­ stigung der Blende 6 kann auch so ausgeführt werden, daß die Blende 6 an der Metallschiene 3 mit der beschriebenen Bol­ zen/Feder-Konstruktion angedrückt wird und mit dem Metallpro­ fil 2 fest verschraubt ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Auflageflächen der Blende 6 am Metallprofil 2 und an der Metallschiene 3 mit einem temperaturstabilen Gewebe 16 aus Glasfaser oder Keramik­ faser ausgerüstet, damit die Gleitfähigkeit der Blende 6 ver­ bessert wird. Die Katalysatorwaben 14 sind gegen die Metall­ profile 2 und die Metallschienen 3, sowie untereinander mit keramischem Dichtmaterial 17 abgedichtet. Beispielsweise mit Vliesen aus Aluminiumsilikat, Aluminiumoxid oder Siliciumoxid.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden zur Erleichterung des Einbaus der Katalysatorwaben 14 diese auf einen Gitterrost 19 aufgestellt. Der Gitterrost 19 ist dabei vorzugsweise am Metallrahmen 1 durch Verschweißen oder Verschrauben fest fi­ xiert. Falls gewünscht können auch mehrere Lagen von Katalysa­ torkörpern 14 in der erfindungsgemäßen Vorrichtung übereinan­ der gestapelt werden, wobei zwischen den einzelnen Lagen wei­ tere Gitterroste eingelegt werden können.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird vorzugsweise zur kataly­ tischen Reinigung von Abgasen eingesetzt, beispielsweise zur katalytischen Verbrennung von Abgasen oder zur katalytischen Entstickung von Abgasen. Sie kann aber auch überall dort ein­ gesetzt werden, wo Wabenkatalysatoren bei hohen Temperaturen zum Einsatz kommen und Gasschlupf vermieden werden soll.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur katalytischen Reinigung von Abgasen, wobei zur Installati­ on der Katalysatoren die erfindungsgemäße Vorrichtung einge­ setzt wird.

Am meisten bevorzugt ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verfahren zur katalytischen Abgasverbrennung in Gegenwart von molekularem Sauerstoff, wobei die Abgase im Ge­ misch mit Sauerstoff bei einer Temperatur von 150°C bis 500°C über ein Katalysatorbett geleitet werden, und wobei zur In­ stallation der Katalysatoren die erfindungsgemäße Vorrichtung eingesetzt wird.

Geeignete Katalysatoren für die katalytische Abgasverbrennung sind beispielsweise aus der EP-B 630289 (US-A 5527755) be­ kannt. Es handelt sich dabei im allgemeinen um Mischoxidkata­ lysatoren auf der Basis von Titandioxid, Aluminiumoxid und/o­ der Vanadiumoxid, welche gegebenenfalls noch mit Edelmetall­ verbindungen, beispielsweise Verbindungen von Platin, Palladi­ um und/oder Rhodium, dotiert sind. Bezüglich der Zusammenset­ zung der aktiven Katalysatormasse wird auf Spalte 1, Zeile 30 bis Spalte 6, Zeile 17 der EP-B 630289 und bezüglich der Her­ stellung von entsprechenden Wabenkatalysatoren auf Spalte 6, Zeile 18 bis Spalte 8 Zeile 40 verwiesen. Die Reaktionsbedin­ gungen der katalytischen Abgasverbrennung sind in Spalte 8 Zeile 46 bis Spalte 9 Zeile 45 der EP-B 630289 erläutert.

Bei der Verwendung in den genannten Verfahren werden die Wa­ benkörper in dem erfindungsgemäßen Metallrahmen eingesetzt, wobei auch mehrere Lagen Wabenkörper in einem Modul übereinan­ dergestapelt werden können. Es können auch mehrere Module mit Wabenkörpern nebeneinander und/oder übereinander im Reaktions­ raum angeordnet werden.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden im Vergleich zum Stand der Technik folgende Vorteile erhalten: Bei der Verwen­ dung von Modulen kann der Reaktionsraum schneller mit Kataly­ sator beladen werden. Mit den erfindungsgemäßen Modulen kann der Katalysator schneller gepackt werden als mit herkömmlichen Modulen. Aufgrund der hohen Dichtigkeit der erfindungsgemäßen Module wird die Effizienz der Abgasreinigung deutlich verbessert.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Installation von Katalysatoren umfassend einen rechteckigen oder quadratischen Metallrahmen 1 in dem die Katalysatorkörper 14 eingespannt sind, dadurch gekennzeichnet, daß an zwei aneinanderliegenden Seiten des Metallrahmens 1 jeweils eine Metallschiene 3 über eine oder mehrere Metallfedern 4 zu den Metallprofilen 2 des Metallrahmens 1 im Abstand gehalten wird, und der Zwischenraum zwischen den Metallprofilen 2 und den Metallschienen 3 mit einer Blende 6 abgedeckt ist.

2. Verwendung der Vorrichtung gemäß Anspruch 1 zur katalytischen Reinigung von Abgasen.

3. Verwendung der Vorrichtung gemäß Anspruch 1 zur katalytischen Abgasverbrennung in Gegenwart von molekularem Sauerstoff.