DE19816482A1

DE19816482A1 - Plattenkatalysator

Info

Publication number: DE19816482A1
Application number: DE19816482A
Authority: DE
Inventors: Erich Hums; Andreas Klatt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-04-14
Filing date: 1998-04-14
Publication date: 1999-10-21
Anticipated expiration: 2018-04-15
Also published as: DE19816482C2; JPH11319582A; US6287524B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Plattenkatalysator mit einer Einströmseite und einer Ausströmseite und mit einem Stapel von ersten Platten (1) und von zweiten Platten (2), wobei die Anströmkanten (3) der zweiten Platten gegenüber denen der ersten Platten (1) in Richtung zur Ausströmseite zurückversetzt sind. Auf diese Weise läßt sich die katalytische Aktivität bei gleichem Bauvolumen gegenüber einem Plattenkatalysator herkömmlicher Bauweise deutlich verbessern, weil der durch turbulente Strömung geleistete Beitrag zur katalytischen Aktivität des Katalysators - ohne Erhöhung des Druckverlustes oder zusätzliche Gefahr der Verstopfung durch Asche - angehoben wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Plattenkatalysator mit einer Einströmseite und einer Ausströmseite und mit einem Stapel von ersten Platten und von zweiten Platten mit jeweils einer katalytisch aktiven Oberfläche, welcher von der Einströmseite zur Ausströmseite von einem Strömungsmedium durchströmbar ist.

Ein derartiger Plattenkatalysator wird unter anderem zur Ver ringerung von Stickoxiden im Abgas einer Verbrennungsanlage eingesetzt. Nach dem Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) werden hierbei die Stickoxide zusammen mit einem zuvor in das Gasgemisch eingebrachten Reduktionsmittel, in der Regel Ammoniak NH₃, an der katalytisch aktiven Ober fläche zu Wasser und molekularem Stickstoff umgesetzt. An stelle von Ammoniak ist auch die Verwendung von Harnstoff bekannt, welcher im Abgas zu Ammoniak zersetzt wird. Die katalytisch aktive Masse, mit der die Platten beidseitig beschichtet sind, umfaßt hierzu in der Regel Titandioxid TiO₂ und einen oder mehrere der Zusätze Wolframtrioxid WO₃, Mo lybdäntrioxid MoO₃ und Vanadinpentoxid V₂O₅.

Ein Plattenkatalysator ist zusammengesetzt aus einem Stapel Platten, die mit einer katalytisch aktiven Oberfläche verse hen sind, und einer Halterungsvorrichtung für die Platten. Als Halterungsvorrichtung 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 von der Ein strömseite zur Ausströmseite parallel zu den Längsseiten von einem Strömungsmedium bzw. einem Abgas durchströmbar ist. Die Plattenebenen sind dabei parallel zur Strömungsrichtung ausgerichtet. Ein derartiger Plattenkatalysator ist aus der WO 94/26411 A1 bekannt.

Mehrere dieser mit katalytisch aktiven Platten bestückten Elementkästen werden nebeneinander zu einem Katalysatormodul angeordnet. Eine komplette Abgasreinigungsanlage umfaßt wie derum mehrere in einem Abgaskanal hintereinandergeschaltete Ebenen derartiger Katalysatormodule. So hat beispielsweise eine sogenannte DeNOx-Anlage zur Verminderung von Stickoxiden im Abgas eines Fossilkraftwerks meist drei bis fünf Ebenen derartiger Katalysatormodule.

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, von der Ein strömseite zur Ausströmseite vom Strömungsmedium durchström bare Unterräume geschaffen. Diese Unterräume werden im we sentlichen laminar von dem Strömungsmedium durchströmt, wo durch sich ein unvorteilhaftes Strömungsprofil für die kata lytische Umsetzung der Reaktanden, beispielsweise der Stickoxide unter Verwendung von Ammoniak, ergibt. Das in der Mitte eines Unterraums strömende Strömungsmedium gelangt nur noch durch den Mechanismus der Diffusion und nicht mehr durch Turbulenzen an die katalytisch aktive Oberfläche der Unter räume. Hierdurch wird der für die katalytische Reaktion nötige Kontakt der Reaktanden mit der katalytisch aktiven Oberfläche der Unterräume erschwert.

In der WO 94/26411 A1 wird ein Plattenkatalysator beschrie ben, welcher mit ersten Platten, die nahezu linienförmige Erhebungen, Sicken oder ähnliche Strukturen besitzen, und zusätzlich mit zweiten Platten ausgestattet ist. Die Struktu ren der ersten Platten sind praktisch parallel zur Strömungs richtung ausgerichtet, die Strukturen der zweiten Platten stehen jedoch quer oder in einem Winkel zur Strömungsrich tung. Auf diese Weise können Turbulenzen innerhalb der Unter räume zwischen den einzelnen Platten erzeugt werden. Diese Art Katalysator hat jedoch den Nachteil, daß die Strukturen der zweiten Platten einen hohen Druckverlust im Strom des Strömungsmediums verursachen und sich daher im Strömungsme dium enthaltene Ruß- und Aschepartikel durch dessen geringe Strömungsgeschwindigkeit an einigen Stellen der Unterräume leicht absetzen können. Daher neigt ein derartiger Katalysa tor zum Verstopfen des Reaktionsraums.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Plattenkatalysator anzugeben, welcher eine gegenüber herkömmlichen Plattenkata lysatoren gleicher Baugröße erhöhte katalytische Aktivität aufweist, ohne die Nachteile des Druckverlustes oder der Ver stopfungsgefahr durch Ascheablagerungen mit sich zu bringen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Plattenkatalysator mit einem Stapel von ersten Platten und von zweiten Platten mit jeweils einer katalytisch aktiven Oberfläche, wobei erfin dungsgemäß die Anströmkanten der zweiten Platten gegenüber denen der ersten Platten in Richtung zur Ausströmseite zu rückversetzt sind.

Unter Anströmkanten werden die der Einströmseite des Platten katalysators zugewandten Kanten der Platten verstanden. Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß beim Ein tritt des Strömungsmediums in die Unterräume Turbulenzen im Strom des Strömungsmediums auftreten. Untersuchungen haben gezeigt, daß diese jedoch durch den gleichmäßigen Querschnitt der Unterräume im weiteren Verlauf der Strömung schnell nachlassen und nach einer kurzen Strömungsstrecke verschwin den. Die durch teilweise turbulenten Strom gekennzeichnete Einlaufzone innerhalb der Unterräume beträgt weniger als 20 cm. Im weiteren Verlauf strömt das Strömungsmedium laminar durch die Unterräume. Die laminare Strömung wirkt sich insbe sondere deshalb ungünstig auf den Reaktionsumsatz des Plat tenkatalysators aus, weil, bedingt durch das Strömungsprofil, der am weitesten von der Unterraumoberfläche entfernte Teil des Strömungsmediums am schnellsten durch die Unterräume strömt, er also am kürzesten innerhalb der Unterräume ver weilt. Daher kann der Mechanismus der Diffusion, der unter anderem durch die Zeit gesteuert ist, für diesen Teil des Strömungsmediums am wenigsten greifen. Zweite Platten inner halb des Plattenkatalysators, deren jeweilige Anströmkante gegenüber denen der ersten Platten in Richtung zur Ausström seite zurückversetzt sind, verursachen hingegen innerhalb der Einlaufzone eine zweite Turbulenzzone, da sie die laminare Strömung, die sich zwischen den ersten Platten zu bilden begonnen hat, stören. Diese zweite Turbulenzzone entsteht gerade dort, wo das Strömungsmedium am schnellsten strömt. Sie ist also stärker ausgeprägt als die erste Turbulenzzone und tritt außerdem dort auf, wo die katalytische Reaktion des Strömungsmediums noch am wenigsten stattgefunden hat. Die zweite Turbulenzzone ist außerdem gegenüber der ersten, die direkt hinter der Einströmseite beginnt, in Richtung zur Ausströmseite zurückversetzt. Mit dieser Erfindung wird daher gegenüber einem herkömmlichen Plattenkatalysator erreicht, daß mehr Turbulenzen vorhanden sind und sich die gesamte, durch turbulente Strömung gekennzeichnete Einlaufzone verlän gert, weshalb der katalytische Umsatz erhöht wird.

Mit Vorteil werden die ersten und zweiten Platten innerhalb eines Plattenstapels des Plattenkatalysators so gestapelt, daß erste und zweite Platten einander abwechseln. Hierdurch wird die größtmögliche Anzahl weiterer Turbulenzzonen inner halb der Einlaufzone des Plattenkatalysators erzielt. Dabei genügt in der Regel bereits ein einziger weiterer Typ von Platten, der entsprechend kürzer ist als die Platten ersten Typs.

Vorteilhafterweise sind die Profile aller Platten praktisch parallel zueinander ausgerichtet, insbesondere weisen die Platten ungefähr parallel zur Strömungsrichtung verlaufende Erhebungen und/oder Sicken auf. Dann tritt nur ein geringer Strömungswiderstand auf.

Zweckmäßigerweise werden die zweiten Platten um die Strecke, die deren Anströmkante jeweils zurückversetzt ist, gekürzt. Somit bilden die Plattenkanten an der Ausströmseite eine Ebene. Hierdurch wird zum einen der Katalysator nicht unnötig verlängert und damit sein Bauvolumen nicht vergrößert und zum anderen kann das Katalysatormaterial eingespart werden, um das die zweiten Platten gekürzt sind. Der Verlust an kataly tisch aktiver Oberfläche wird dabei durch die Umsatzzunahme aufgrund der Turbulenzerhöhung ausgeglichen bzw. überkompen siert.

Um eine optimale Erhöhung der katalytischen Aktivität des Katalysators zu erzielen, wird die Länge der Strecke, um die die Anströmkanten der zweiten Platten jeweils zurückversetzt sind, an die Betriebsbedingungen des Katalysators angepaßt. Bei üblichen Strömungsgeschwindigkeiten von 5 m/s bis 10 m/s und üblichem Plattenabstand von 2 mm bis 8 mm wird die Länge dieser Strecke vorteilhafterweise zwischen 3 cm und 10 cm gewählt.

Für die Herstellung der Katalysatorplatten ist es kostengün stig, die Platten aus einer Tragstruktur und einer darauf an gebrachten katalytisch aktiven Beschichtung aufzubauen. Die Tragstruktur kann beispielsweise ein verformbares metalli sches Drahtnetz oder ein anderes metallisches Geflecht sein, welches vor dem Auftragen der katalytisch aktiven Beschich tung mit einer Struktur, z. B. Sicken, versehen wird. Auch ein anderes Material als Metall ist zur Verwendung für eine solche Tragstruktur vorstellbar.

Zum Abbau von Stickoxiden nach dem SCR-Verfahren weist die dem Strömungsmedium frei zugängliche katalytisch aktive Oberfläche der Platten vorteilhafterweise die Materialien Titandioxid (TiO₂) zu 70 bis 95 Gew.-%, Wolframtrioxid (WO₃) und/oder Molybdäntrioxid (MoO₃) bis 15 Gew.-% und Vanadinpen toxid (V₂O₅) zu weniger als 5 Gew.-% auf. Ein derartiger Katalysator wird auch als DeNOx-Katalysator bezeichnet.

Die Fig. 1 veranschaulicht ein besonders geeignetes Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung. Die Platten sind durch Sicken voneinander beabstandet und die ersten Platten 1 und die zweiten Platten 2 sind abwechselnd im Plattenstapel des Plattenkatalysators gestapelt. Durch diese abwechselnde Anordnung der ersten und zweiten Platten wird die maximale Anzahl zweiter Turbulenzzonen innerhalb eines Plattenstapels erreicht. Die Anströmkanten 3 der zweiten Platten 2 sind jeweils um 6 cm gegenüber denen der ersten Platten 1 in Richtung der Ausströmseite zurückversetzt und die zweiten Platten 2 sind jeweils 6 cm kürzer als die ersten Platten 1. Die Platten sind aus einem metallischen Drahtgeflecht gefer tigt, auf das eine katalytisch aktive Beschichtung aufge bracht wurde. Diese katalytisch aktive Beschichtung enthält die Materialien Titandioxid (TiO₂) zu 70 bis 95 Gew.-%, Wolframtrioxid (WO₃) und/oder Molybdäntrioxid (MoO₃) bis 20 Gew.-% und Vanadinpentoxid (V₂O₅) zu weniger als 5 Gew.-%. Ein solcher Plattenkatalysator eignet sich für den Abbau von Stickoxiden im Abgas eines Fossilkraftwerks.

In Fig. 1 ist die oberste Platte 10 der ersten Platten 1 teilweise aufgebrochen dargestellt, um die darunter liegende Platte 20 sichtbar zu machen, die die oberste Platte der zweiten Platten 2 ist. In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch den Plattenstapel gezeigt, wobei zumindest die zweiten Plat ten mittels Befestigungen 4 in einem Rahmen 5 gehalten sind, um eine Verschiebung in Strömungsrichtung zu verhindern.

Claims

1. Plattenkatalysator mit einer Einströmseite und einer Ausströmseite und mit einem Stapel von ersten Platten (1) und von zweiten Platten (2) mit jeweils einer katalytisch aktiven Oberfläche, welcher von der Einströmseite zur Ausströmseite von einem Strömungsmedium durchströmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Einströmseite gelegenen Anströmkanten (3) der zweiten Platten (2) gegenüber denen der ersten Platten (1) in Richtung zur Ausströmseite zurückversetzt sind.

2. Plattenkatalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Platten (1, 2) im Stapel abwechselnd gestapelt sind.

3. Plattenkatalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Platten (2) jeweils um die Strecke, die deren Anströmkante (3) zurückver setzt ist, gekürzt sind.

4. Plattenkatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strecke, um die die Anströmkante (3) der zweiten Platten (2) jeweils zurückversetzt ist, 3 cm bis 10 cm beträgt.

5. Plattenkatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (1, 2) jeweils aus einer Tragstruktur und einer darauf aufgebrachten katalytisch aktiven Beschichtung gebildet sind.

6. Plattenkatalysator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragstruktur eine metallische Tragstruktur ist.

7. Plattenkatalysator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytisch aktive Beschichtung die Materialien Titandioxid (TiO₂) zu 70 bis 95 Gew.-%, Wolframtrioxid (WO₃) und/oder Molybdäntrioxid (MoO₃) bis 20 Gew.-% und Vanadinpentoxid (V₂O₅) zu weniger als 5 Gew.-% umfaßt.

8. Plattenkatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Platten (1, 2) Strukturen aus Erhebungen und/oder Sicken tragen.

9. Plattenkatalysator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturen der ersten und zweiten Platten (1, 2) zueinander parallel von der Ein strömseite zur Ausströmseite verlaufen.