DE19835246A1 - Verfahren zur Herstellung eines Katalysatorkörpers - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysatorkörpers (2, 10) mit einer Vielzahl von Kanälen und Öffnungen (6) in den Wänden (4, 5) der Kanäle, wobei die Öffnungen (4, 5) in den Wänden durch Verwendung eines Laserstrahls (3) eingebracht werden. Mit dieser Erfindung ist es möglich, mit hoher Geschwindigkeit und auf einfache Weise Öffnungen (6) frei wählbarer Geometrie in die Wände (4, 5) der Kanäle einzubringen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines durchströmbaren Katalysatorkörpers mit einer Vielzahl von Kanälen und Öffnungen in den Wänden der Kanäle, wobei aus Ausgangsmaterialien ein Formkörper hergestellt wird, welcher zum Katalysatorkörper weiterverarbeitet wird.

Unter einem Katalysatorkörper wird hier ein Plattenkörper oder ein Wabenkörper verstanden. Ein Katalysatorkörper wird unter anderem zur Reinigung von Abgas einer Verbrennungsan­ lage eingesetzt, beispielsweise zur Entfernung von Stickoxi­ den nach dem Verfahren der Selektiven Katalytischen Reduktion (SCR), von Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und/oder Dioxi­ nen aus dem Abgas. Eine Verbrennungsanlage ist beispielsweise eine Kesselanlage, ein kohle-, öl- oder gasbefeuertes Kraft­ werk, eine Gasturbine, oder ein Verbrennungsmotor, insbeson­ dere ein Dieselmotor. Auch eine Müllverbrennungsanlage emit­ tiert die genannten Schadstoffe.

Die Herstellung eines Katalysatorkörpers erfolgt zunächst durch das Formen von Ausgangsmaterialien zu einem Formkörper. Die Ausgangsmaterialien werden beispielsweise zu einer pla­ stischen Masse verarbeitet, aus der durch Extrusion der Formkörper hergestellt wird. Oder es wird durch Formgebung aus einem Trägermaterial, beispielsweise einem Metallgitter, ein Formkörper hergestellt. In weiteren Herstellungsschritten wird der Formkörper zum Katalysatorkörper weiterverarbeitet. Diese weiteren Herstellungsschritte können ein Beschichten des Formkörpers umfassen, sowie ein Calcinieren, Trocknen oder eine Wärmebehandlung, sowie sonstige Schritte. In der DE 42 15 481 A1 ist die Herstellung eines Katalysatorkörpers beschrieben.

Bei Einsatz des Katalysatorkörpers strömt das Abgas im we­ sentlichen laminar durch die Kanäle. Durch die laminare Strömung wird der für die katalysierte Reaktion nötige Kon­ takt der im Abgas enthaltenen Reaktanden mit der katalytisch aktiven Oberfläche der Kanalwände erschwert, da das in der Mitte eines Kanals strömende Abgas nur noch durch den Mecha­ nismus der Diffusion und nicht mehr durch Turbulenzen an die Kanalwände gelangen kann. Zur Erhöhung der katalytischen Aktivität des Katalysatorkörpers ist es aus der WO 94/26411 und der EP 0 315 047 A2 bekannt, Öffnungen in die Kanalwände einzubringen. Öffnungen in den Kanalwänden erzeugen Turbulen­ zen im Abgasstrom und unterbrechen damit die für die kataly­ tische Umsetzung ungünstige Laminarität des Abgasstroms. Zusätzlich bewirken derartige Öffnungen einen Stoffaustausch zwischen benachbarten Kanälen.

In der WO 94/26411 ist ein Plattenkörper mit Öffnungen in den Kanalwänden beschrieben. Diese Öffnungen werden durch Stanzen eingebracht. Nachteiligerweise müssen zum Einbringen von Öffnungen unterschiedlicher Geometrie durch Stanzen jeweils neue Stanzwerkzeuge eingesetzt werden. Dies ist mit einem relativ hohen Kostenaufwand verbunden.

In der EP 0 315 047 A2 ist ein Wabenkörper beschrieben, in dessen Kanalwände Öffnungen durch Bohren oder Stoßen einge­ bracht werden. Der Durchmesser von Bohrungen kann jedoch nur maximal den Kanaldurchmesser erreichen, wenn die Stabilität des Wabenkörpers nicht gravierend beeinträchtigt werden soll. Aufgrund der geringen Größe und des kreisförmigen Quer­ schnitts der Bohrungen ist der Aktivitätszuwachs des Kataly­ satorkörpers gegenüber einem nicht mit Löchern versehenen Katalysatorkörper nur unbefriedigend. Das Stoßen von Öffnun­ gen ist ein Verfahren, mit dem das Einbringen von Öffnungen vorgegebenen Querschnitts in ein keramisches Material nicht durchgeführt werden kann, da das keramische Material leicht bricht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysatorkörpers mit Öffnungen in den Wänden der Kanäle anzugeben, mit dem auf einfache Art und Weise Öffnungen wählbaren Querschnitts in die Wände einge­ bracht werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem die Öffnungen in den Formkörper oder den Katalysatorkörper erfin­ dungsgemäß durch Verwendung eines Laserstrahls eingebracht werden.

Mit dieser Erfindung ist es möglich, Öffnungen mit wählbarer Geometrie in die Wände der Kanäle einzubringen. Insbesondere ist es möglich, eine Vielzahl von länglichen Schlitzen in die Kanalwände zu schneiden, die quer zur Strömungsrichtung ausgerichtet sind und somit im besonderen Maße Turbulenzen im Abgasstrom erzeugen.

Ferner ist es möglich, wesentlich schneller Öffnungen in den Form- oder Katalysatorkörper einzubringen, als dies z. B. mittels Bohrverfahren möglich ist. Dieser Vorteil hilft, die Herstellungskosten zu senken, und ist wegen der großen Anzahl von benötigten Löchern in einem aus vielen Katalysatorkörpern zusammengesetzten Katalysatormodul nicht unerheblich.

Des weiteren weist das Einbringen von Öffnungen in die Kanal­ wände eines Form- oder Katalysatorkörpers mittels Laserstrahl den Vorteil auf, daß die Kanalwände, im Gegensatz zu Bohr- oder Stoßverfahren, nicht ungewollt verformt werden oder Teile der Wände ausbrechen.

Verschiedene Verfahren des Laserschneidens für keramische Werkstoffe, sowie dafür üblicherweise verwendete Laser sind vorgestellt in dem Buch: Jochen Kriegesmann (Hrsg.) "Technische keramische Werkstoffe", Deutscher Wirtschafts­ dienst, April 1992.

Beim Schneiden von Öffnungen in einen Formkörper oder einen daraus hergestellten Katalysatorkörper wird in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ein CO₂-Laser verwendet. CO₂- Las er verfügen gegenüber anderen, in der Schneidtechnik eingesetzten Lasern (beispielsweise Nd:YAG- oder Excimer- Laser) über eine hohe Leistung. Die hohe Leistung ermöglicht schnelles Schneiden, da die Schnittgeschwindigkeit u. a. von der durch den Laser pro Zeit im Werkstoff deponierten Energie abhängt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung werden die Öffnungen durch das Herausschneiden eines Stücks Materi- als aus den Wänden der Kanäle erzeugt. Dies kann beispiels­ weise dadurch geschehen, daß der Laserstrahl entlang einer vorgegebenen, geschlossenen Kontur geführt wird. Hierdurch ist es möglich, große Öffnungen in die Kanalwände zu schnei­ den, insbesondere längliche Öffnungen, deren längere Achse parallel zur Strömungsrichtung liegt. Durch diese Art Löcher kann ein erhöhter Stoffaustausch zwischen den Kanälen statt­ finden.

Die Erfindung findet besonders vorteilhaft Anwendung beim Einbringen von Öffnungen in einen Form- oder Katalysatorkör­ per, wenn der Formkörper als Vollextrudat aus einer plasti­ schen Masse hergestellt ist. Die Bearbeitung derartiger Form- oder Katalysatorkörper ist mit anderen bekannten Bohr- oder Schneidwerkzeugen aufwendig. Mit einem Laserstrahl verein­ facht sich das Einbringen von Öffnungen in die Kanalwände des Form- oder Katalysatorkörpers erheblich.

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

Fig. 1 ein Flußdiagramm des Verfahrens, das die Schritte Herstellung des Formkörpers, Einbringen der Öffnungen und Fertigstellung des Katalysatorkörpers umfaßt;

Fig. 2 ein Flußdiagramm des Verfahrens, bei dem der Schritt des Einbringens der Öffnungen am Ende des Verfahrens steht;

Fig. 3 in einem Schnitt einen Laser und einen Katalysatorkör­ per, in den durch einen Laserstrahl Öffnungen eingeschnitten werden;

Fig. 4 einen Formkörper, in dessen Kanalwände längliche Öff­ nungen eingebracht wurden.

In dem in Fig. 1 dargestellten Verfahren wird in einem ersten Verfahrensschritt S1 ein Formkörper aus einer plasti­ schen Nasse, die katalytisch aktive Materialien enthält, extrudiert. Anschließend werden in einem zweiten Verfahrens­ schritt S2 in die noch weichen oder schon getrockneten Kanal­ wände mittels eines Laserstrahls kreisrunde Löcher gebohrt. Das Einbringen der Öffnungen in das noch uncalcinierte Mate­ rial hat den Vorteil, daß auch beim Einbringen hoher Energien in das Material keine Spannungsrisse entstehen. Im letzten Verfahrensschritt S3 wird der Formkörper durch Calcinieren zum fertigen Katalysatorkörper.

Ein alternatives Verfahren wird in Fig. 2 dargestellt. Der erste Verfahrensschritt S4 beinhaltet das Herstellen des Formkörpers und ist identisch mit Verfahrensschritt S1 gemäß Fig. 1. Im Verfahrensschritt S5 wird der Formkörper calci­ niert und im abschließenden Verfahrensschritt S6 durch einen Laserstrahl mit Öffnungen versehen. Das Verfahren gemäß Fig. 2 bietet den Vorteil, daß das calcinierte Material schneller als das Material des Formkörpers zu schneiden ist.

Fig. 3 zeigt in einem Schnitt einen CO₂-Laser 1 und einen Katalysatorkörper 2. Von beiden ist nur ein Ausschnitt ge­ zeigt. In die Außenwand 4 des Katalysatorkörpers 2 und die Kanalzwischenwände 5 sind durch den Laserstrahl 3 des CO₂-Lasers 1 längliche Öffnungen 6 eingeschnitten worden. Weitere Öffnungen 7 werden vom Laserstrahl 3 gerade geschnitten. Die Öffnungen 7 werden nach ihrer Fertigstellung den gleichen Querschnitt haben wie die Öffnungen 6. Zur Erzeugung des vorgesehenen Querschnitts der Öffnungen 7 fährt der Laser entlang einer vorgegebenen Kontur und schneidet ein Stück Katalysatormaterial aus den Wänden 4,5. Die Fokussierung des Laserstrahls wird mittels einer Linse 8 bewirkt. Der Fokus wird automatisch auf die zu schneidende Stelle positioniert.

Fig. 4 zeigt einen als Vollextrudat ausgebildeten Katalysa­ torkörper 10 mit 64 parallelen Kanälen 11 quadratischen Querschnitts. Der Katalysatorkörper 10 wurde aus einem Form­ körper hergestellt. Der Formkörper wurde aus Ausgangsmateria­ lien, die zu einer plastischen Masse verarbeitet worden sind, durch Extrudieren geformt. In die Wände der Kanäle 11 des Formkörpers wurden vor Weiterverarbeitung des Formkörpers zum Katalysatorkörper 10 mittels eines Laserstrahls Öffnungen 12 vorgegebenen, rechteckigen Querschnitts eingebracht. Dies geschah, indem der Laserstrahl entlang einer vorgegebenen, rechteckigen Kontur in den Formkörper eingeschnitten hat. Auf diese Weise wurde das durch den Laserstrahl umfahrene Kataly­ satormaterial aus dem Formkörper herausgeschnitten. Die Schnittiefe des Laserstrahls reichte durch den gesamten Formkörper hindurch, so daß die Öffnungen 12 in den Wänden der Kanäle 11 ihrerseits neue Kanäle bilden, die mit den Kanälen 11 des Formkörpers einen Winkel von 90° bilden. In jede der vier ebenen Wände der Kanäle 11 des Formkörpers wurden 15 derartige Öffnungen 12 geschnitten, so daß insge­ samt 2160 Öffnungen 12 in den Formkörper eingeschnitten wurden. Es sind nicht alle Öffnungen dargestellt, von denen nur einige gezeigt sind.

Der Formkörper besteht größtenteils aus Titandioxid. Weitere Bestandteile sind Wolframtrioxid, Molybdäntrioxid und Vana­ dinpentoxid. Ein aus diesen Materialien fertiggestellter Katalysatorkörper wird auch als DeNOx-Katalysatorkörper bezeichnet.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung eines durchströmbaren Katalysa­ torkörpers (2, 10) mit einer Vielzahl von Kanälen (11) und Öffnungen (6, 12) in den Wänden (4, 5) der Kanäle (11), wobei aus Ausgangsmaterialien ein Formkörper hergestellt wird, welcher zum Katalysatorkörper (2, 10) weiterverarbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (6, 12) in den Formkörper oder den Katalysatorkörper (2, 10) durch Verwendung eines Laserstrahls (3) eingebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruche 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Laserstrahl (3) durch einen CO₂ Laser (1) erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruche 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Öffnungen (6, 12) durch Herausschneiden eines Stücks Materials aus den Wänden (4, 5) der Kanäle (11) eingebracht werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Formkör­ per (10) als Vollextrudat aus einer katalytisch aktiven Masse hergestellt wird.