DE19830342C1

DE19830342C1 - Katalysatorkörper

Info

Publication number: DE19830342C1
Application number: DE19830342A
Authority: DE
Inventors: Erich Hums
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-07-07
Filing date: 1998-07-07
Publication date: 1999-11-25
Anticipated expiration: 2018-07-08
Also published as: WO2000002657A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen monolithischen Katalysatorkörper (11, 21, 31, 41) mit einer Vielzahl von durchströmbaren parallelen Kanälen (12, 22, 23, 32, 42), von denen eine Anzahl durch einen in den Kanal (12, 22, 32, 42) einwärts gekehrten Abschnitt (14, 24, 38, 48, 49) des Querschnittsprofils gekennzeichnet ist. Hierdurch werden Bereiche schneller und langsamer Strömung innerhalb eines Kanals (12, 22, 32, 42) in unmittelbarer Nachbarschaft gebracht, was zur Bildung von Turbulenzen führt. Es wird eine gleichmäßige und intensive Nutzung der katalytisch aktiven Oberfläche der Kanäle (12, 22, 32, 42) ermöglicht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen monolithischen Katalysa torkörper mit einer Vielzahl von in einer Strömungsrichtung durchströmbaren parallelen Kanälen jeweils vorgegebenen Quer schnittsprofils.

Ein derartiger Katalysatorkörper ist beispielsweise aus der DE 26 58 539 C3 bekannt und wird üblicherweise zur Reinigung von Abgas einer Verbrennungsanlage eingesetzt. Beispielhaft hierfür ist die Entfernung von Stickoxiden nach dem Verfahren der Selektiven Katalytischen Reduktion (SCR), von Kohlenwas serstoffen, Kohlenmonoxid und/oder Dioxinen aus dem Abgas. Eine Verbrennungsanlage ist beispielsweise eine Kesselanlage, ein kohle-, öl- oder gasbefeuertes Kraftwerk, eine Gasturbine oder ein Verbrennungsmotor, insbesondere ein Dieselmotor. Auch eine Müllverbrennungsanlage emittiert die genannten Schadstoffe. Der Katalysatorkörper wird von einem Strömungs medium, wie beispielsweise einem Abgas, durchströmt. Die katalysierte chemische Reaktion der im Strömungsmedium ent haltenen Reaktanden läuft im Kontakt der Reaktanden mit der Wandoberfläche der Kanäle ab.

Das Strömungsmedium strömt in der Regel laminar durch die Kanäle des Katalysatorkörpers. Hierdurch entsteht das Pro blem, daß die Reaktanden nur ungenügend in den Kontakt mit der katalytisch aktiven Oberfläche der Kanäle kommen. Deren katalytische Nutzung ist daher nicht optimal.

Zur Lösung dieses lange bekannten Problems wurde versucht, in die Kanäle des Katalysatorkörpers Strömungshindernisse oder Ungleichmäßigkeiten in die Kanalwände einzubringen, die die Laminarität der Strömung unterbrechen. So ist in der DE 39 04 550 A1 ein Katalysatorkörper beschrieben, der zur Erhöhung der katalytischen Nutzung der Oberfläche der Kanäle eine Anzahl von in Strömungsrichtung hintereinander versetzt aneinandergesetzten Katalysatorelementen umfaßt. Hierdurch wird die laminare Strömung innerhalb der Kanäle am Ende eines jeden Katalysatorelements unterbrochen. Aus dem deutschen Gebrauchsmuster G 90 12 384.0 ist ein Katalysatorkörper bekannt, der eine Anzahl von in Strömungsrichtung hinterein ander angeordnete Katalystorelemente umfaßt, wobei zwischen den Katalysatorelementen ein freier Zwischenraum verbleibt. Diese Katalysatorkörper lösen das Problem jedoch nur unbe friedigend. Zudem ist deren Herstellung mit erheblichem Aufwand verbunden.

Aus der DE 42 10 784 A1 ist ein Metallwabenkörper bekannt, dessen Kanäle immer wieder durchbrochene Strukturen aufwei sen. Weiter ist aus der EP 0 315 047 A2 ein Katalysatorkörper bekannt, in dessen Kanalwände Löcher durch Bohren oder Stoßen eingebracht sind. Auch diese Maßnahme erzielt nur eine unge nügende Wirkung, ist mit erheblichem Fertigungsaufwand ver bunden und beeinträchtigt die Stabilität des Katalysatorkör pers. Ein ähnlicher Lösungsversuch ist aus der DE 41 22 807 A1 bekannt, in der ein Katalysatorkörper beschrieben ist, in den großvolumige Schlitze eingesägt sind. Durch diese Schlit ze wird jedoch die Stabilität des Katalysatorkörpers in erheblichem Maße beeinträchtigt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kataly satorkörper anzugeben, bei dem die katalytisch aktive Ober fläche besonders gleichmäßig und intensiv zur Umsetzung von im Strömungsmedium enthaltenen Reaktanden genutzt wird, der mechanisch stabil ist und welcher sich einfach und kostengün stig herstellen läßt.

Diese Aufgabe wird durch einen monolithischen Katalysatorkör per mit einer Vielzahl von in einer Strömungsrichtung durch strömbaren parallelen Kanälen jeweils vorgegebenen Quer schnittsprofils gelöst, wobei erfindungsgemäß das über die Länge des Kanals unveränderte Querschnittsprofil einer Anzahl von Kanälen über die Länge des Kanals einen Abschnitt auf weist, der in das Kanalinnere gerichtet ist.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß durch den Eintritt des Strömungsmediums in die Kanäle des Katalysa torkörpers Turbulenzen im Strom des Strömungsmediums entste hen. Hinter einer kurzen, durch turbulente Strömung gekenn zeichneten Einlaufzone strömt das Strömungsmedium im wesent lichen laminar. Bei laminarem Strom kann das in der Mitte eines Kanals strömende Medium nur noch durch den Mechanismus der Diffusion und nicht mehr durch Turbulenzen an die kata lytisch aktive Oberfläche des Kanals gelangen, um dort die gewünschte Reaktion einzugehen. Das bedeutet, daß nur die katalytisch aktive Oberfläche innerhalb der turbulenten Einlaufzone der Kanäle in befriedigendem Maße zur Katalyse der gewünschten Reaktion genutzt wird. Der Rest der kataly tisch aktiven Oberfläche wird nur zum Teil ausgenutzt. Eine auf ganzer Länge der Kanäle gleichmäßige und intensive Nut zung der Oberfläche wird daher durch eine Störung der Lamina rität erreicht, wenn sich die Störung gleichmäßig durch den ganzen Kanal erstreckt.

In einem weiteren Schritt geht die Erfindung von der Überle gung aus, daß, bedingt durch die laminare Strömung in den Kanälen, die Fließgeschwindigkeit des Strömungsmediums in der Nähe der Kanalwände gering ist, während sie in der Mitte der Kanäle wesentlich höher ist. Mit einem in das Kanalinnere gerichteten Abschnitt des Querschnittsprofils wird erreicht, daß ein Bereich langsamer Strömung, nämlich der direkt an der in das Kanalinnere weisenden Kanalwand, in die Region schnel len Flusses hineinragt. In die in der Kanalmitte verlaufende schnelle Strömung wird also eine Störung eingebracht. In diesem Bereich der Störung werden schnelle und langsame Strömung in direkte Nachbarschaft gebracht. Hierdurch wird die Reynoldszahl, welche die charakteristische Größe für laminare oder turbulente Strömung ist, in diesem Bereich erheblich erhöht. Durch das starke Geschwindigkeitsgefälle um die Störung herum reißt die laminare Strömung in der Nähe der Störung ab und es bilden sich Turbulenzen, die für eine erhöhte Durchmischung des Strömungsmediums sorgen. Dadurch wird ein besserer Transport der im Strömungsmedium enthalte nen Reaktanden zur katalytisch aktiven Wandoberfläche der Kanäle gewährleistet. Dies führt zu einer besonders gleichmä ßigen und intensiven Umsetzung von im Strömungsmedium enthal tenen Reaktanden an der katalytisch aktiven Oberfläche.

Dieser Vorteil ist ohne Änderung der bisherigen Fertigungsme thoden von monolithischen Katalysatorkörpern durch übliche Extrudiermaschinen erzielbar. Der Katalysatorkörper wird in bekannter Art und Weise in einem Strang gepreßt ohne zusätz liche Arbeitsschritte gegenüber üblichen Verfahren.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der in das Kanalinnere gerichtete Abschnitt des Querschnittsprofils der Kanäle durch die Wandung des jeweiligen Kanals gebildet. Hierbei ist die diesen Abschnitt bildende Wandung nicht oder nur unwesentlich dicker als die übrige Kanalwandung. Diese Ausgestaltung der Erfindung hat gegenüber auf die Kanalwände zusätzlich aufgebrachten, in das Kanalinnere gerichteten dickwandigen Strukturen den Vorteil, daß ein geringerer Druckverlust im Strom des Strömungsmediums verursacht wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Kanalquer schnitt durch eine in das Kanalinnere gerichtete Kante ge kennzeichnet. Die Kante unterteilt den Kanalquerschnitt in miteinander verbundene Teilquerschnitte. Auf diese Weise entsteht ein Kanal, der in zwei Kanalzüge unterteilt gedacht werden kann. Bei Ausgestaltung der Kante in der Form, daß die Kanalzüge durch unterschiedlich große Querschnitte gekenn zeichnet sind, ist die mittlere Geschwindigkeit, mit der das Strömungsmedium durch die Kanalzüge strömt, für jeden Kanal zug unterschiedlich. Entlang der Kante treffen die unter schiedlich schnellen Strömungen der beiden Züge aufeinander und erzeugen auf diese Weise entlang der Kante im Inneren des Kanals Turbulenzen, die für eine gleichmäßige Durchmischung des Strömungsmediums sorgen.

Auch ist es vorteilhaft, den in das Kanalinnere gerichteten Abschnitt des Querschnittsprofils als einen zur Kanalmitte ausgerichteten Steg auszubilden. Durch einen solchen Steg wird die hohe Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmediums in der Mitte des Kanals nur in geringem Maße herabgesetzt. Hierdurch wird ein Bereich langsamer Strömung, nämlich der Bereich direkt um den Steg herum, in die Nähe des Bereiches der schnellen Strömung in der Mitte des Kanals gebracht. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung bilden sich daher beson ders starke Turbulenzen aus, die eine gleichmäßige Durch mischung des Strömungsmediums bewirken und damit eine gleich mäßige und intensive katalytische Nutzung der Kanaloberfläche fördern.

Ein weiterer Vorteil läßt sich dadurch erreichen, daß die Kanäle derart ausgebildet sind, daß sie mehrere in das Ka nalinnere gerichtete Abschnitte aufweisen. Hierdurch werden mehrere Bereiche geschaffen, in denen unterschiedlich schnel le Strömungen einander nahe gebracht werden. In jedem dieser Bereiche bilden sich Turbulenzen aus.

Die Gestaltung der Kanäle des Katalysatorkörpers wird zweck mäßigerweise an dessen Betriebsbedingungen angepaßt. Aus die sen Betriebsbedingungen ergibt sich das geeignete Quer schnittsprofil der Kanäle des Katalysatorkörpers. Es ist vorteilhaft, alle Kanäle einheitlich mit diesem Quer schnittsprofil auszustatten, um eine gleichmäßige katalyti sche Umsetzung der im Strömungsmedium enthaltenen Reaktanden im Katalysatorkörper zu erzielen. Dies ist auch aus Sicht der Herstellung von Vorteil, da sich die Formgebung des Kataly satorkörpers vereinfacht. Außerdem wirken sich gleiche Kanä le, also eine homogene Beschaffenheit des Katalysatorkörpers, vorteilhaft auf Fertigungsschritte wie beispielsweise Trocknung oder Calcinierung aus.

Bei einem Katalysatormodul, welches aus mehreren nebeneinan der angeordneten Katalysatorkörpern zusammengesetzt ist, haben die Katalysatorkörper in der Regel ein im wesentlichen rechteckiges Querschnittsprofil. Bei einem solchen Katalysa torkörper ist es zweckmäßig, dessen einzelne Kanäle in der Art zu gestalten, daß die Querschnittsprofile mehrerer neben einander liegender Kanäle zusammen ein rechteckiges Quer schnittsprofil bilden. Auf diese Weise ist es möglich, das rechteckige Querschnittsprofil des Katalysatorkörpers einzig mit den angestrebten Querschnittsprofilen der Kanäle zu füllen, ohne daß Kanäle mit nicht angestrebten Querschnitts profilen entstehen oder sogar mit Katalysatormaterial gänz lich ausgefüllte Bereiche. Auf diese Weise wird der durch den Katalysatorkörper erzeugte Druckverlust im Strömungsmedium gering gehalten.

Vorteilhafterweise ist der Katalysatorkörper als ein in einem Strang gepreßtes Vollextrudat aus einer katalytisch aktiven Masse gefertigt. Die Herstellung eines Vollextrudats kann mit Hilfe einer Extrudiermaschine erfolgen. So werden Formkörper aus einer weichen, plastischen Masse erzeugt, die anschlie ßend verfestigt (z. B. calciniert) wird. Der in Längsrichtung der Kanäle unverändert verlaufende und in das Kanalinnere gerichtete Abschnitt des Querschnittsprofils behindert eine Extrusion des Katalysatorkörpers nicht.

Ist das Strömungsmedium ein Abgas und sollen durch den Kata lysatorkörper Stickoxide abgebaut werden, so weist die dem Abgas frei zugängliche Oberfläche jedes Kanals vorteilhafter weise die Materialien Titandioxid (TiO₂) zu 70 bis 95 Gew.-%, Wolframtrioxid (WO₃) und/oder Molybdäntrioxid (MoO₃) zu 0 bis 15 Gew.-% und Vanadinpentoxid (V₂O₅) zu weniger als 5 Gew.-% auf. Ein derartiger Katalysatorkörper wird auch als DeNOx-Ka talysatorkörper bezeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von vier Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht auf die Einströmseite ei nes Katalysatorkörpers mit Kanälen gleichen Querschnittspro fils, welche eine in den Kanal ragende Kante aufweisen;

Fig. 2 eine Ansicht auf die Einströmseite eines Katalysator körpers, bei dem der größte Teil der Kanäle vier in den Kanal ragende Kanten aufweist;

Fig. 3 eine Ansicht auf die Einströmseite eines Katalysator körpers, bei dem in jeden Kanal vier Stege in das Kanalinnere reichen;

Fig. 4 eine Ansicht auf die Einströmseite eines hexagonalen Katalysatorkörpers, in dessen Kanäle jeweils drei Stege mit Querstegen in das Kanalinnere reichen.

Fig. 1 zeigt in perspektivischer Ansicht einen monolithi schen Katalysatorkörper 11, dessen Einströmseite ein quadra tisches Querschnittsprofil aufweist. Seine 72 Kanäle 12 sind von einem Strömungsmedium in Strömungsrichtung 10 durchström bar. Die Kanäle 12 sind derart ausgestaltet, daß jeweils zwei beieinander liegende Kanäle zusammengefaßt betrachtet ein rechteckiges Querschnittsprofil bilden. Alle Kanäle 12 sind gleich und füllen den Katalysatorkörper vollständig aus. Die Kanäle 12 sind durch eine einzige, in das Kanalinnere weisen de Kante 14 ausgezeichnet, in der Weise, daß jeder Kanal 12 jeweils von sechs ebenen Kanalwänden 15 begrenzt wird. Die Kanten 14 gestalten einen jeden Kanal 12 so, daß er in zwei miteinander verbundene Kanalzüge 16, 17 rechteckigen Quer schnittsprofils unterteilbar ist: Einen kleinen Kanalzug 16 und einen großen Kanalzug 17. Wird der Katalysatorkörper 11 von einem Strömungsmedium durchströmt, so bildet sich im großen Zug 17 eines jeden Kanals 12 eine schnellere Strömung aus als in dessen kleinem Zug 16. An der offenen Verbindung zwischen beiden Zügen 16, 17 grenzen die unterschiedlich schnellen Strömungen aneinander und erzeugen somit entlang der Kante 14 eine Turbulenzzone, die sich über die ganze Länge des Kanals 12 erstreckt. Die Kanten 14 werden von der jeweiligen Wandung 15 der Kanäle gebildet.

Die Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Einströmseite eines Katalysatorkörpers 21, der durch Kanäle 22 kreuzförmigen Querschnittsprofils gekennzeichnet ist. Sie sind in Strö mungsrichtung 20 durchströmbar. Mehrere dieser Kanäle 22 können nicht zu einem rechteckigen Querschnittsprofil zu sammengefaßt werden, so daß am Rand des Katalysatorkörpers 21 auch Kanäle 23 anderen Querschnittsprofils entstehen. Je der Kanal 22 weist vier gleiche Kanten 24 auf. Durch sie kann jeder Kanal 22 in vier Seitenzüge 26 und einen mittleren Zug 25 unterteilt gedacht werden. Im mittleren Zug 25 ist die Strömung des Strömungsmediums am schnellsten, da er keine Begrenzung durch ebene Kanalwände 27 hat. Lediglich die vier Kanten 24 reichen an den mittleren Zug 25 heran. Durch das Zusammentreffen der langsameren Strömung in den Seitenzügen 26 mit der schnelleren Strömung im Mittelzug 25 werden im Bereich der Kanten 24 Turbulenzen erzeugt. Hierdurch ist jeder Kanal 22 in seiner ganzen Länge durch Bereiche turbu lenter Strömungen gekennzeichnet. Die Kanten 24 selber sind aus der Wandung zwischen den Kanälen 22, 23 gebildet und nicht als separate Struktur auf die Kanalwände aufgesetzt. Hierdurch wird der durch die Kanalwände erzeugte Druckverlust des Katalysatorkörpers minimiert.

Anstelle der vier Kanten 24 in Fig. 2 reichen in Fig. 3 vier Stege 38 in das Kanalinnere eines jeden in Strömungs richtung 30 durchströmbaren Kanals 32 des Katalysatorkörpers 31. Alle 36 Kanäle 32 des Katalysatorkörpers 31 haben das selbe Querschnittsprofil. Durch die Reibung des durch die Kanäle 32 strömenden Strömungsmediums mit den Stegen 38 werden die Stege 38 von einem kleinen Bereich langsamer Strömung umgeben. Dieser Bereich ragt bis in den mittleren Bereich des jeweiligen Kanals 32, der durch schnelle Strömung gekennzeichnet ist. An den Spitzen der Stege 38 treffen die Bereiche langsamer und schneller Strömung unmittelbar auf einander. Durch die hohe Geschwindigkeitsdifferenz auf eng stem Raum reißt die laminare Strömung im Bereich um die Spitze der Stege 38 ab. Als Folge davon bilden sich um die Stege 38 Turbulenzen, die sich durch die ganze Länge der Kanäle 32 ziehen. Die Stege 38 sind nicht aus der Wandung 37 zwischen den Kanälen 32 quadratischen Querschnittsprofils gebildet, sondern auf die Wände 37 aufgesetzt. Die Stege 38 sind dünner oder nicht wesentlich dicker als die Kanalwände 37 ausgebildet. Dadurch verursacht der Katalysatorkörper 31 keinen wesentlich größeren Druckverlust im Strom des Strö mungsmediums, als ein Katalysatorkörper mit vergleichbarer Wandfläche pro Katalysatorkörpervolumen. Auch dieser Kataly satorkörper kann in einfacher Weise durch Extrusion aus einem Vollmaterial hergestellt werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt. Der Katalysatorkörper 41 wird durch 19 Kanäle 42 hexagonalen Querschnittsprofils gebildet. Das Querschnitts profil aller Kanäle 42 ist gleich. In jeden Kanal 42 reichen drei gleiche Stege 48, die durch an der Stegspitze ausgebil dete kleine Querstege 49 gekennzeichnet sind. Durch sie wird der Bereich langsamer Strömung des in Strömungsrichtung 40 durch die Kanäle strömenden Strömungsmediums um die Spitze eines jeden Steges 48 vergrößert. Dadurch wird auch die turbulente Zone um jeden Steg 48 und dessen Quersteg 49 vergrößert. Die Größe der Stege 48 und deren Querstege 49 wird zweckmäßigerweise an die Betriebsbedingungen des Kataly satorkörpers angepaßt. Steg 48 und Quersteg 49 sollten nicht so groß ausgebildet sein, daß durch sie die schnelle Strömung in der Kanalmitte so weit abgebremst wird, daß die zur Turbu lenzenbildung nötige Strömungsgeschwindigkeitsdifferenz zwischen Kanalmitte und Bereich um den Quersteg 49 zu klein wird. Der Katalysatorkörper 41 ist aus einer katalytisch aktiven Masse gebildet, welche die Materialien Titandioxid (TiO₂) zu 70 bis 95 Gew.-%, Wolframtrioxid (WO₃) und/oder Molybdäntrioxid (MoO₃) zu 0 bis 15 Gew.-% und Vanadinpentoxid (V₂O₅) zu weniger als 5 Gew.-% umfaßt.

Claims

1. Monolithischer Katalysatorkörper (11, 21, 31, 41) mit einer Vielzahl von in einer Strömungsrichtung (10, 20, 30, 40) durch strömbaren parallelen Kanälen (12, 22, 23, 32, 42) jeweils vorge gebenen Querschnittsprofils, dadurch gekenn zeichnet, daß das über die Länge des Kanals unver änderte Querschnittsprofil einer Anzahl von Kanälen (12, 22, 32, 42) über die Länge des Kanals einen Abschnitt (14, 24, 38, 48) aufweist, der in das Kanalinnere gerichtet ist.

2. Katalysatorkörper (11, 21) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in das Kanalinnere gerichtete Abschnitt (14, 24) durch die Wandung zwischen den Kanälen (12, 22) gebildet ist.

3. Katalysatorkörper (11, 21) nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (14, 24) als eine in das Kanalinnere gerichtete Kante ausge bildet ist.

4. Katalysatorkörper (31, 41) nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (38, 48) als ein zur Kanalmitte ausgerichteter Steg ausgebil det ist.

5. Katalysatorkörper (21, 31, 41) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (22, 32, 42) mehrere in das Kanalinnere gerichtete Abschnitte (24, 38, 48, 49) aufweisen.

6. Katalysatorkörper (11, 31, 41) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß alle Kanäle (12, 32, 42) dasselbe Querschnittsprofil aufweisen.

7. Katalysatorkörper (11, 31) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß meh rere Kanäle (12, 32) zusammengefaßt jeweils ein rechteckiges Querschnittsprofil bilden.

8. Katalysatorkörper (11, 21, 31, 41) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er als ein Vollextrudat aus einer katalytisch aktiven Masse ausgebildet ist.

9. Katalysatorkörper (11, 21, 31, 41) nach Anspruch 8, da durch gekennzeichnet, daß die kataly tisch aktive Masse die Materialien Titandioxid (TiO₂) zu 70 bis 95 Gew.-%, Wolframtrioxid (WO₃) und/oder Molybdäntrioxid (MoO₃) zu 0 bis 15 Gew.-% und Vanadinpentoxid (V₂O₅) zu weniger als 5 Gew.-% umfaßt.