DE2306471A1 - Vorrichtung fuer die katalytische abgasbehandlung - Google Patents

Vorrichtung fuer die katalytische abgasbehandlung

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DE2306471A1
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John Francis Tourtellotte
John Frederick Villiers-Fisher
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Description

22 335/6 n/wa
Chemical Construction Corporation, New York, Ii.Y.
USA
Vorrichtung für die katalytische Abgasbehandlung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrich- ■ tung zur kafcalytischen Behandlung von Abgas,
Insbesondere ist die Vorrichtung zur Verhütung der Luftverschmutzung infolge der Emission unverbrannter oder thermisch zersetzter Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxide und
409835/0412 - 2 -
Stickstoffoxide in dem Abgas von Maschinen, wie z.B. Verbrennungsmas chinen, mit denen Fahrzeuge wie Automobile, Lastwagen, Busse,Traktoren und Motorräder versehen'sind, stimmt. In den letzten Jahren wurde festgestellt, dass das aus den Verbrennungsmaschinen ausgelassene Abgas eine ernste Quelle der Luftverschmutzung, insbesondere in städtischen Gebieten darstellt. In einigen Gebieten wird ein sogenannter "Smog" infolge atmosphärischer Inversionen und Accumulierung derartiger Abgase in die Atmosphäre erzeugt. Die jüngeren Entwicklungen zur Verhinderung derartiger Luftverschmutzung haben sich auf die Zerstörung odeY Eliminierung der schädlichen Komponenten durch Katalys'e, insbesondere durch Zumischung von Sekundärluft in das Abgas nach der anfänglichen katalytischen Reduktion der Stickstoffoxide, und darauf folgende katalytisch^ Oxidation der· rückständir gen Kohlenwasserstoffe und des Kohlenmonoxids in verschiedenen Typen von Vorrichtungen oder katalytischen Auspufftopfen, die speziell für diesen Zweck konstruiert wurden, konzentriert. " . -
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Vorrichtung zur katalytischen Abgasbehandlung, in der Luft dem Abgas zugäiührt u. das resultierende Gemisch durch ein Katalysatorbett zur katalytischen Oxidation schädlicher^unverbr-annter oder thermisch zersetzter Kohlenwasserstoff dampf e- oder anderer organischer Dämpfe zu unschädlichen Produkten wie Kohlendioxid oder Wasserdampf geführt wird. Der Ausdruck Kohlenwasserstoffe soll hier so verstanden sein, dass er rückständige unverbrannte Kohlenwasserstoffe, thermisch zersetzte Kohlenwasserstoffe und andere organische Dämpfe in dem Abgasstrom umfasst. Das katalytisch^ Oxidationsverfahren führt normalerweise während dem gleichmässigen Betriebszustand einer heissen Maschine und bei heissem Abgas zu der wesentlichen
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Eliminierung dieser schädlichen Komponenten, die ursprünglich in dem Abgas äusserer oder innerer Verbrennungsmaschinen, wie Düsentriebwerke, Gasturbinen, Dieselmotoren oder benzinverbrennender Automobil-, Bus- und Lastwagenmotoren vorliegen, um den Auslass dieser schädlichen Komponenten einschliesslich uhverbrannter Kohlenwasserstoffe, anderer organischer Dämpfe und Kohlenmonoxid in die Atmosphäre und hierdurch die Luftverschmutzung zu verhindern.
Zahlreiche Katalysatoren, katalytische Vorrichtungen, Auspufftöpfe und Behandlungssysteme sind zur Behandlung von durch Maschinen emittierten Abgases zur Regelung der Motorenabgasemissionen und der Verhinderung des Auslasses schädlicher Komponenten in die Atmosphäre vorgeschlagen worden. Unter diesen vielen Patentschriften, die sich auf die Katalyse und katalytische Ansätze beziehen, können die US-Patentschriften Nr. 3.053.773; 3.429.656; 3.316.057; 3.39S.101,- 3.^77.893 und 3.476.508 erwähnt werden. Vorrichtungen zur DuichfUhrung des Verfahrens sind in den US-Patentschriften 3.3B0.810; 3.325.256; 3.255,123; 3.222.140;. 3.186.806; 3.180.712; 3.169.836; 3.168.806; 3.146.073; 3.086.839 und 3.656.915 beschrieben, welche sich auf eine Zifeistufenvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit zwischenstufiger Luftinjektion bezieht. Weitere Patentschriften, die Abgasreinigungsvorrichtungen beschreiben sind die britischen Patentschriften 436,331 und 1,014,498 und die US-Patentschriften Nr. 2.396.I90; 3.086.839; 3.090.677; 3.228.746; 3.38O.8IO; und 3.544.264.
Gemäss der Erfindung wird eine Vorrichtung zur katalytischen Behandlung von Abgasen zur Verfugung gestellt, die zwei zylindrische koaxiale Katalysatorbetten enthält, die in einem Behälter angebracht und konzentrisch angeordnet sind, der einen Einlass für das Abgas zu der Mitte des inneren Bettes und einen Auslass für Luft zwischen den Betten und
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einen Gasauslass ausserhalb des äusseren Bettes aufweist, wobei das innere Bett einen Katalysator für die Reduktion der Stickstoffoxide und das äussere Bett einen Katalysator zur Oxidation der Kohlenwasserstoffe und von Kohlenmonoxid darstellt.
Somit wird eine Vorrichtung zur Katalyse von Abgasen zur Verfugung gestellt, dessen Merkmale zwei konzentrische, zylindrische Katalysatorbetten sind. Das Eingangsmaschi-. nenabgas wird radial auswärts 'durch das innere Bett ge-. führt, vorzugsweise durch Führung des Gases von der Maschine durch eine löcherige,- zentrale, lineare Leitung, die entlang der Zentralachse des inneren Bettes angeordnet ist. Das auswärts, fliessende Abgas wird katalytisch in dem inneren Bett zur Reduktion der Stickstoffoxide zu Stickstoff durch katalytische Reaktion mit Kohlenmonoxid und/ oder Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen, die in dem Abgas vorliegen können, umgesetzt. Dem Gasstrom ausserhalb des inneren Bettes wird Sekundärluft zugefügt, und das Abgas-Luftgemisch sodann radial auswärts durch das ä.ussere oder oxidierende Bett geführt, worin Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid katalytisch zu Wasserdampf und Kohlendioxid oxidiert werden. Das behandelte Gas wird sodann aus dem Behälter, in dem die Betten angeordnet sind, entfernt.
Die Vorrichtung gemäss der Erfindung weist im allgemeinen mehrere ausgeprägte Vorteile auf. Die Vorrichtung erhält die Hitze aus den Abgasen und der Hitzefluss durch die Betten erfolgt zu jeder Zeit. Äussere StrahlungsVerluste werden minimiert und die heissen, das System verlassenden Gase befinden sich auf der äusseren Seite der Vorrichtung, be-
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nachbart zum Behälter, so dass StrahlungsVerluste dort erhalten werden, wo sie £pxtfünscht sind. Der in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehene elektrische Erhitzer ist für die Beschleunigung.der katalytischen Aktivität selbst bei einem Kaltstart vorgesehen. Die bevorzugte Luftinjektionsanordnung ergibt die gleichförmigste Verteilung der Sekundärluft. Darüberhinaus wird eine gleichförmige Verteilung des Abgases an die Katalysatorbetten erreicht. Schliesslich ergibt die Vorrichtung einen niedrigen Gasdruckabfall und ist kompakt und leicht zusammenstellbar.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beiliegenden Bezeichnungen beschrieben.
Pig. I stellt eine Aufriss-Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dar.
Pig. 2 stellt eine Schnittansicht der Fig. 1 entlang der Sektion 2-2 dar und zeigt die konzentrische Anordnung der zylindrischen Elemente.
Fig. 3 stellt eine Schnittansicht der Fig. 1 entlang der Sektion 3-3 dar und zeigt das Zubehör am Einlassende der Vorrichtung.
Fig. 4, 5 und β stellen gestreckte Ansichten des elektrischen Widerstandsheizelementes dar, wobei eine typische Isolatororientierung gezeigt ist.
Fig. 7 stellt ein typisches Verdrahtungsschema des elektrischen Widerstandsheizelementes dar.
In Fig. 1 werden der Treibstoffstrom 1, der typischerweise einen flüssigen Kohlenwasserstofftreibstoff, wie Benzin darstellt, und ein primärer Verbrennungsluftstrom 2, in den
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Motoxv 3, der typischerweise eine in einem Automobil oder dergleichen angebrachte Verbrennungsmaschine darstellt, geführt. Der Treibstoffstrom 1 wird in dem Motor 3 unter Erzeugung verwertbarer Energie und eines Motorabgases verbrannt, welches .typischerweise in dem'Abgasverteiler4 gesammelt wird. Das in dem Verteiler 4 gesammelte Gas enthält typischerweise schädliche Komponenten,einschliesslich Stickstoffoxide, Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid, und ein Luftstr-om 5 kann in den Verteiler 4 in einigen Fällen derart injiziert werden, dass der Verteiler 4 als ein Nachbrenner zur teilweisen Verbrennung in situ des Kohlenwasserstoffes dient.
In jedem Fall wird der aus dem Verteiler 4 entfernte Abgasstrom 6.4i die zentrale, zylindrische Leitung 7 geführt, die löcherig und vorzugsweise mit einer Vi-elzahl paralleler, länglicher Schlitzöffnungen 8 versehen ist, die vorzugsweise transversal zu der Zentralachse der Leitung 7 orientiert sind. Die Leitung 7 endet an der kreisförmigen Scheibe 9, so dass das Abgas radial auswärts durch die öffnungen 8 in die löcherige Leitung 7 fliesst. Der Draht oder das Kabel 10 kommt von einer elektrischen Potentialquelle, beispielsweise einer Autobatterie, wobei der Draht 10 vorzugsweise sich in die Vorrichtung über die Isolatorkupplung 37 erstreckt. Eine Vielzahl Isolatoren 11 sind in einem kreisförmigen Muster aussen um Leitungen 7 in Nachbarschaft zum Gaseinlass und eine weitere Vielzahl Isolatoren 12 sind in einem kreisförmigen Muster aussen um Leitung 7 in Nachbarschaft zur Scheibe 9 angeordnet. Der Widerstandsdraht 13 erstreckt sich von der Kupplung 37 zu dem Isolator 11 und alternativ zwischen den Isolatoren 11 und 12, Zu Beginn des Maschinenbetriebscyclus oder während Aufwärmzeiten
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beim Betrieb kalter Motoren befindet sich der Gasstrom 6 unterhalb der optimalen Katalysetemperaturen und es wird auf die Widerstandsdrähte 13 ein elektrisches Potential zur Erzeugung hoher Temperaturen unter Aufheizung der Gase vor und während der Katalyse angelegt. .
Der Abgasstrom aus Leitung 7 fliesst radial auswärts und das Gas kann vor der Katalyse durch direkten Kontakt mit den Drähten 13 erhitzt werden, die ebenfalls das innere, zylindrische Katalysatorbett 14, welches in ringförmiger Weise aussen um Leitung 7 angeordnet ist, erhitzen können. Der Stickstoffoxidgehalt des Abgases wird selektiv zu Stickstoff im Bett 14 durch katalytische Reaktion mit Kohlenmonoxid und/oder Kohlenwasserstoffen und Wasserstoff, Vielehe im Abgas enthalten sind, reduziert. Die Reaktion erfolgt typischerweise von 300°C bis 600°C und Bett 14 besteht aus diskreten Teilchen eines geeigneten Katalysators, katalytischen Mittels oder Ansatzes für diese Reaktion, beispielsweise die in den vorstehend angeführten Patentschriften beschriebenen Katalysatoren. Bevorzugte Katalysatoren schliessen die Oxide, Salze oder reduzierten Oxide von Nickel, Kobalt, Kupfer und/oder'Mangan oder deren Gemische, abgeschieden auf einem geeigneten Träger, wie Aluminiumoxid, ein.
Das katalytisch behandelte Gas, nunmehr im wesentlichen von Stickstoffoxiden befreit, tritt radial aus dem Bett
14 und durch die Vielzahl der verlängerten Schlitzöffnungen
15 in die löcherige,zylindrische Wand 16, die konzentrisch aussen um Leitung 7 angeordnet ist und die äussere Peripherie des Bettes 14 festlegt, die ebenfalls durch die ringförmige Endwand 17, in der der Anschlussteil 37 angeordnet ist, festgelegt ist. Die Schlitzöffnungen 15 sind vorzugsweise
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in der Konfiguration den Öffnungen 8 in der Leitung 7 gleich. Das Abgas wird lateral aussen von Wand 16 durch die zylindrische Wand Ϊ8 abgelenkt, welche konzentrisch um Xiand 16 angeordnet ist und sich von der Scheibenwand 9 erstreckt. Die Wand Io endet in einem freien Ende, um welches das Abgas zirkuliert.
Ein sekundärer Luftstrom 19 wird über die Luftpumpe oder das Gebläse 20 als Strom'21 in den optionalen Luftvorerhitzer 22 geführt, welcher in einigen Fällen zur Erhitzung der Sekundärluft auf eine geeignete Temperatur für die nachfolgende oxidative Katalyse vorgesehen werden kann. Die Einheit 22 kann indirekten Wärmeaustausch der Luft mit einem geeigneten heissen Fluid, wie Strom 6, dem Endabgas vor dem Auslass an die Atmosphäre oder der Radiatorflüssigkeit ermöglichen. In jedem Fall tritt die aus der Einheit 22 über Strom 23 ausgelassene Sekundärluft in die Einlassleitung 24 ein, welche die Luft in die Vorrichtung führt. Die Luft teilt sich auf und fliesst auf einem kreisförmigen Weg zwischen der äusseren, im wesentlichen kreisförmigen Wand 25 und der inneren, ringförmigen Wand 2.6 nach Unten und durch die Vielzahl der Öffnungen in der zylindrischen Wand 27, die sich zwischen den Wänden 25 und 26 erstreckt, nach Innen. Die Sekundärluft vereinigt und vermischt sich somit gleichförmig mit dem nach Aussen um das Ende der Wand IC fliessenden Abgas und das resultierende Luft-Abgasgemisch fliesst nun lateral ausserhalb Wand IC in den ringförmigen Durchtritt, der zwischen Wand 18 und der konzentrischen, löcherigen, zylindrischen Wand 28 festgelegt ist, welche mit einer Vielzahl verlängerterSohlitzöffnungen 29 versehen ist, die vorzugsweise in der Konfiguration und Orientierung den
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Öffnungen 8 in Leitung 7 gleich sind.
Das Luft-Abgasgemisch fliesst auswärts durch die öffnungen 29 und radial auswärts durch das aus sere, zylindrische Kat alysntorbett 30, welches mit einer Vielzahl diskreter Teilchen eines aktiven Katalysatormittels zur selektiven Oxidation von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid zu Wasserdampf und Kohlendioxid versehen ist. In den meisten Fällen wird der gleiche Katalysator, der als ein Hedox-Katalysator infolge seiner Fähigkeit, sowohl reduzierende und oxidierende Reaktionen zu katalysieren bekannt ist, in beiden Bebten 14 und 30 vorgesehen. Das resultierende, vollkommen behandelte Abgas, das radial auswärts aus dem Bett J)O ausgelassen wird, fliesst durch die Vielzahl der verlängerten Schlitzöffnungön 31 in der äusseren konzentric chen, zylindrischen Wand 32, lateral zwischen Wand 32 und der zylindrischen Behältervrand 33 nach Innen zwischen die Scheibe 9 und die kreisförmige BehälterendxTand 34 und durch die zentrale Auslassleitung 35, zum Auslass aus der Vor-* richtung über Strom J>6.
Fig. 2 stellt eine Aufrisschnittzeichnung der Fig. 1 entlang Sektion 2-2 dar und zeigt die konzentrische, kreisförmige Orientierung um eine Zentralachse der Zentralleitung 7*Bett 14, Wände 16, 18 und 28, Bett 30 und Wände 32 und 33. Auch wird der Radialfluss des Abgases durch die Katalysatorbetten gezeigt.
Fig. 3 stellt eine Aufrisschnittansicht der Fig. 1 entlang Sektion 3-3 dar und zeigt die Orientierung verschiedener, konzentrischer Elemente, sowie die zwei isolierten Anschlussendstücke 37, die sekundäre Lufteinlassleitung 24, und den radialen einwärts gerichteten Fluss der Sekundärluft durch
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- ίο -
die Öffnungen in der löcherigen, zylindrischen Wand 27.
Fig. 4 zeigt eine typische Orientierung der Vielzahl von Isolatoren 11 und 12 um die entsprechenden Enden der Leitung 7 und die Schnittansichten der Fig. 4," die in den Fig. 5 und 6 gezeigt sind, geben die typische kreisförmige Orientierung der Isolatoren um Leitung 7 wieder.
Fig. 7 stellt ein typisches Verdrahtungsschema des Widerstandsdrahtes 13 dar, der sich zwisjhen abwechselnden Isolatoren 11 und 12 erstreckt. Der Draht 135 besteht vorzugsweise aus 5.08 χ 10" cm (20 gauge) Ni chrome- 5 Draht oder einer anderen geeigneten Widerstandslegierung.
Für den Fachmann ergebai sich innerhalb des Rahmens der Erfindung zahlreiche alternative Möglichkeiten. So können die Perforationen in der Leitung 7 und in den löcherigen Wänden 16, 28 und 32 andere Konfigurationen und Orientierungen aufweisen. In einigen Fällen kann der Strom 5 weggelassen werden, wenn das durch Einheit 3 erzeugte Abgas einen niedrigen Gehalt an unverbrannten Kohlenwasserstoffen aufweist. Die Zentralachse der Vorrichtung ist vorzugsweise horizontal oder gegenüber der Horizontalen geneigt, obwohl die Vorrichtung auch in vertikaler Stellung oder Orientierung betrieben werden kann. In der Praxis können geeignete Abstandshalter zwischen benachbarten Wänden vorgesehen werden.
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Claims (10)

  1. - li -
    Patentansprüche
    Vorrichtung zur katalytischen Behandlung von Abgas, in der das Gas durch ein zylindrisches Katalysatorbett nach Aussen geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwei zylindrische, koaxiale Katalysatorbetten (14 ,30) konzentrisch in einem Behälter und mit einem Einlass (27) für Luft zwischen die Betten angeordnet sind, wobei die Gase radial auswärts durch die Betten treten, und das innere Bett (14) einen Katalysator zur Reduktion von Stickstoffoxiden und das äussere Bett (30) einen Katalysator zur Oxidation von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid darstellen.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaseinlass zu dem inneren Bett eine zentrale, koaxiale, löcherige Leitung (7) darstellt.
  3. 3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Katalysatorbetten zwischen löcherigen Wänden (7, 16, 28, 32) befinden.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3* dadurch gekennzei chnet, dass unter der Leitung und den Wänden entweder eines oder beide
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    mit einer Vielzahl paralleler, länglicher Schlitze versehen ist.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze quer zu der Achse der Leitung oder Wand angeordnet sind.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5* dadurch gekennzei chnet, dass sich eine koaxiale zylindrische Wand zwischen den Betten und von diesen entfernt zur Ableitung des Gasflusses von dem inneren Bett zu einem Ende des Behälters , bei welchem sich der Lufteinlass befindet, vorgesehen ist.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für das innere Bett ein Heizelement (13) vorgesehen ist.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7* dadurch .gekennzeichnet, dass das Heizelement eine Serie elektrischer Widerstandselemente (13)* die parallel zur Achse des Bettes und um den Einlassteil des Bettes herum angeordnet sind, darstellt.
  9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Lufteinlass (5) vor dem Gaseinlass in die Vorrichtung befindet,
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Lufteinlass einen Einlass für erhitzte Luft darstellt.
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