DE2418108C3 - Thermisch-katalytische Abgas-Reinigungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine thermisch-katalytische Abgas-Reinigungsvorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruches bezeichneten Art. Eine solche Abgas-Reinigungsvorrichtung ist aus der Zeitschrift »Technische Mitteilungen«, August 1965, Seiten 451 und 452, bekannt. Mit dieser bekannten Reinigungsvorrichtung soll ein absolut sauberer Ausbrand der Brennerflamme erreicht werden, damit der Katalysator nicht von feinst verteiltem Ruß zugesetzt wird. Mit Nachteil wird dort eine regelbare Zusatzheizung eingesetzt, bei welcher mit einem Gebläse Primärluft der Umgebung entnommen und für die Verbrennung in die Brennkammer eingeführt wird. Außerdem ist die Flamme ersichtlich senkrecht zur Längsachse des zylindermantelförmigen Außengehäuses gerichtet. Ferner müssen mit Nachteil die zu behandelnden Gase mit einem energieverzehrenden Generator in Bewegung gesetzt werden. Auch ist es nicht möglich, im bekannten Falle die Katalysatoren auszubauen, so daß eine voll thermische Reinigung der Abgase mit dieser bekannten Vorrichtung nicht möglich ist.

Es liegt die Aufgabe vor, eine Abgas-Reinigungsvorrichtung zu schaffen, in welcher durch Auswahl einer günstigen Einrichtung zum Aufheizen der Abgase Energie zum Betrieb dieser Einrichtung gespart und eine optimale thermische Oxidation der Abgase bereits am Brenner eingeleitet ist, wobei die thermische Oxidation in einer Brennkammer fortgesetzt und die Restoxidation katalytisch erfolgen soll.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit der Merkmalskombination a) bis e) des kennzeichnenden Teils des Patentanspruches.

Ausgehend von der Erkenntnis, daß bei voll katalytischer Reinigung die Verwendung eines Brenners keine Berechtigung hat, wird erfindungsgemäß durch die mittige Anordnung der Einrichtung zum Aufheizen der Abgase bewußt zunächst die thermische Oxidation eingeleitet, wobei 100% Sekundärluft verwendet wird. Diese thermische Oxidation wird dann in der Brennstoffkammer, welche durch die Innenwand nach außen begrenzt ist und keine Katalysatorprobleme aufweist, d. h. also von nicht perforierten Blechen oder dergleichen umgeben ist, fortgesetzt. In dem thermischen, dem Verbrennungsteil erfolgt also

ίο eine weitestgehend gleichmäßige thermische Abgasreinigung, weil die Brennstoffdüse, der Kegelstumpf und die Strömungsöffnungen vorzugsweise alle axialsymmetrisch angeordnet sind.

Aus der britischen Patentschrift 1273 200 ist zwar eine derart angeordnete Brennstoffdüse mit umgebendem Kegelstumpf vorgesehen, dort erschöpft sich die Vorrichtung aber aliein in einer thermischen Verbrennung und es ist weder an den Einsatz von Katalysatoren noch etwa an deren leichte Herausnehmbarkeit gedacht.

Erfindungsgemäß besteht ein Teil der Innenwand hingegen aus Flächen, die von Katalysatorelementen durchdrungen sind, und teilweise aus Flächen, die nicht von Katalysatorelementen durchdrungen sind, wobei die Katalysatorelemente leicht herausnehmbar sind, so daß man die erfindungsgemäße Reinigungsvorrichtung leicht auf eine rein thermische Reinigung umrüsten kann.

Nach der DE-OS 1922949 ist es zwar im Prinzip vorgesehen, eine thermische Oxidation der Abgase an einer Brennereinrichtung oder sogar noch vorher einzuleiten und die Restoxidation katalytisch durchzuführen. Auch ist dort beschrieben, daß man die Katalysatorschicht herausnehmen kann, um nur thermisch zu reinigen. Die Katalysatoreinheit wird aber als Ganzes abmontiert, so daß die Umrüstung umständlich und zeitaufwendig ist. Mit Hilfe zweier diametral gegenüberliegend angeordneter Brennstoffdüsen werden im bekannten Fall ferner die Rammen tangential zum zylindrischen Außengehäuse in die Brennkammer eingeführt, so daß sich eine spiralförmige Bewegung ergibt. Deren optimale Ausnutzung ist mit Nachteil im bekannten Fall deshalb nicht gewährleistet, weil die katalytisch behandelten Abgase danach zum Zentrum der Spirale zusammengeführt werden, wodurch unnötig Energie vernichtet wird. Außerdem ist die Brennkammer sehr kurz, so daß die thermische Verbrennung der eingeleiteten Abgase nicht voll durchgreifen kann. Man müßte daher als Hilfsmittel

so den Oxidationsbeginn bereits in dem Raum mit den Wärmeaustauscherrohren verlegen, weil die Verweilzeit der Gase in der zu kurzen Brennkammer zu kurz wäre, damit die gesamte Verweilzeit in den Wärmeaustauscherrohren und in der Brennkammer für die thermische Oxidation ausreicht. Im übrigen hat die bekannte Vorrichtung einen komplizierten Aufbau, denn zum regelbaren Vermischen von kalten und warmen, zugeführten Abgasen ist zentral ein Regelventil vorgesehen, statt einer Brennstoffdüse sind zwei Düsen angeordnet, und statt einzelner Katalysatorelemente wird offensichtlich der gesamte Katalysator beim Umrüsten abmontiert.

Erfindungsgemäß hingegegen hat man einen erheblich einfacheren Aufbau, es wird nur ein Brenner

ds vorgesehen, der zentral angeordnet wird, und die Verveilzeit der Gase während der Behandlung kann durch die geschickte Anordnung der Wärmeaustauschrohre konzentrisch im Außengehäuse so ver-

größert werden, daß die Gase in dem ersten, dem Verbrennerteil, genug Zeit für ihre thermische Oxidation und dann nachgeschaltet dem katalytischen Teil genug Zeit für die katalytische Oxidation habe.i. Dennoch ist das Vorwärmen der zu behandelnden Abgase und damit die Energieeinsparung bestens ausgenutzt.

Durch die leichte Herausnehmbarkeit der Katalysatorelemente und Austauschen derselben gegen Abdeckbleche der Innenwand kann man wahlweise tlie thermische, die thermisch-katalytische oder die katalytische Oxidation auswählen und die Reinigungsvorrichtung gemäß der Erfindung ohne aufwendige Montage einfach umrüsten.

Der Katalysator kann ein dünnes Bett imprägnierter, hitzebeständiger Teilchen sein. Zum Beispiel kann man ein katalytisches Mittel auf einer bienenwabenartigen keramischen Halterung durch Tränken vorsehen; alternativ kann man auch eine Gesamtmetallkonstruktion vorsehen, z. B. katalytisch beschichtetes Band oder Draht in Mattenform zwischen Haltesieben.

Zweckmäßig kann es bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung auch sein, daß die Reinigungsvorrichtung ein Filter in dem aufstromseitigen Teil im Brennkammerraum aufweist, um vom Brenner zum katalytischen Oxidationsteil strömendes Gas zu filtern. Das Filter verhindert die Ansammlung kleiner Teilchen auf dem Katalysator. Dabei kann sich das Filter und der Katalysator in einer Anordnung befinden, die mit den Enden aneinanderliegt, so daß das Abgas radial durch das Filter in einen aufstromigen Teil der Innenwand und dann längs durch einen Ringraum strömt, um danach radial durch den Katalysator herauszuströmen. Wenn die Abgas-Reinigungsvorrichtung einen ringförmigen Wärmeaustauscherteil aufweist, strömt das innen befindliche Abgas radial durch den Katalysator hinaus und dann in die ringförmige Wärmeaustauscherzone hinein. Das Filter kann ein zylinderformiges Element oder eine Reihe von um die Wand einer zylinderförmigen Zwischenwand beabstandet angeordneten Elementen sein. Die Filtermedien müssen für den Betrieb bei hoher Temperatur geeignet sein und können ein Geflecht oder Gitter aus hochtemperaturbeständigem Metall oder eine Matte aus hitzebeständigen Fasern sein, wie z. B. gezogene oder gesponnene Aluminiumfäden, Kieselfäden (Silica) und dergleichen. Vorzugsweise sind die Filterelemente entfernbar angeordnet und ermöglichen ein periodisches Versetzen oder Reinigen.

Die Katalysatorelemente können aus einer Ganzmetallkonstruktion bestehen, z. B. hochtemperaturbeständiger Draht oder Band, welches plattiert oder auf andere Weise mit Pt oder Pd oder einem anderen aktiven Metall beschichtet sind, um einen aktiven oxidierenden Katalysator herzustellen. Andererseits kann der Katalysator aus beschichteten, hitzebeständigen Pillen oder anderen geteilten Teilchen mit einem katalytischen Überzug bestehen. Beispielsweise können Aluminiumoxidkugeln mit einem oxidierenden Katalysatormittel getränkt sein und zwischen perforierten Sieben gehalten s U;, vclche einen radialen Gasstrom vom Einlaß und Brenner der Reinigungsvorrichtung oder aus dieser heraus vorsehen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine abgebrochene und teilweise geschnittene Seitenansicht einer bevorzugten Reinigungsvorrichtuna. und

Fig. 2 einenTeilquerschnitl durch die Vorrichtung nach Fig. 1.

Das zylindermantelförmige Außengehäuse 1' weist an seinem rechten, nicht dargestellten Ende einen Gaseinlaß für verunreinigtes Gas auf, der mit einem Gasverteiler in Verbindung steht. Das Gas streicht durch eine Mehrzahl von offenendigen, im Abstand voneinander angeordneten Wärmeaustauschrohren 4' kn Wärmeaustauscherabschnitt S'. Dessen in Fig. 1

ίο linkes Ende wird durch die Querwand 7' gebildet, die an der linken Stirnseite der Reinigungsvorrichtung auch den Abschnitt 8 für das vorgewärmte, verunreinigte Abgas bildet, welcher das zugeführte Gas nach dem Wärmeaustausch mit den Wärmeaustauscherrohren 4' aufnimmt.

Id der Mitte des Abschnittes 8 für vorgewärmtes Abgas bzw. an der in Fig. 1 linken Stirnseite ist ein Brenner vorgesehen, der durch einen perforierten Kegelstumpf 9 und die Brennstoffdüse 10 gebildet ist.

Bei der gezeigten bevorzugten Brennerform wird 100% Sekundärluft verwendet, so daß der ganze für die Verbrennung erforderliche Sauerstoff aus dem in die Abgasreinigungsvorrichtung über den Gaseinlaß eintretenden, verunreinigten Abgas kommt. Hierbei sind in dem Kegelstumpf 9 zahlreiche öffnungen für den Durchtritt des Abgases in den Kegelstumpf hinein vorgesehen, damit sich diese mit dem über die Brennstoffdüse 10 eingespritzten Brennstoff vermischt. Ein Durchgang um den Kegelstumpf 9 ermöglicht die Strömung der übrigen Abgase in die Brennkammer 11' hinein.

Konzentrisch und im Abstand zum Außengehäuse 1' ist eine zylinderförmige Innenwand angeordnet, welche den Wärmeaustauscherabschnitt 5' und die Brennkammer 11' bildet. Die Innenwand weist mindestens ein herausnehmbares Katalysatoreiemerit 12' und ein kurzes zylindrisches Endteil oder Abdeckblech 13' auf.

Die den Kegelstumpf 9 verlassenden Abgase und heißen Verbrennungsgase strömen radial nach außen durch die Katalysatorelemente 12' in den Wärmeaustauscherabschnitt 5' hinein. Die Katalysatorelemente 12' werden durch Flansche 14 gehalten. Die Katalysatorelemente bestehen vorzugsweise aus bogenförmigen länglichen Stücken, die durch Unterstützungen gehalten sind, wodurch der Ausbau des Katalysators möglich ist. Die Abgase werden vorwiegend thermisch und nachfolgend katalytisch umgewandelt. Wenn die Reinigungsvorrichtung in erster Linie katalytisch betrieben wird, erwärmt der Brenner lediglich das Gas stark genug, um sicherzustellen, daß die katalytische Verbrennung bzw. Reinigung stattfindet. Wird die Reinigungsvorrichtung in erster Linie thermisch betrieben, dann erwärmt der Brenner die Abgase hinreichend, um eine im wesentlichen vollständige thermische Verbrennung sicherzustellen. Der Katalysator 12' ist dann nicht notwendig und kann aus der Reinigungsvorrichtung entfernt werden.

Im Wärmeaustauscherabschnitt 5' verwendete Leitbleche fördern die turbulente Strömung der heißen Verbrennungsgase um die Wärmeaustauschrohre 4' herum.

In dem längeren, nicht perforierten Teil 13' der Innenwand ist am Brennerende die erste Brennkammer 11' vorgesehen. Danach folgen in Strömungsrichtung die die Innenwand durchdringenden Katalysatorelemente 12'. Eine Querwandung 18 in der Brennkammer 11' zwingt die heißen Flammen und Verbren-

nungsgase zum Durchstreichen des Ringraumes 19, damit diese abstromig die zweite Brennkammer 11' erreichen. Der Auslaß 16' für das behandelte gereinigte Gas ist neben dem abstromigen Ende des Wärmeaustauscherabschnittes S' und der Querwand T angeordnet, wodurch der Strom des heißen, gereinigten Gases zum Gasstrom in der Brennkammer 11' umgekehrt wird.

Bei einer nicht gezeigten weiteren anderen Ausführungsform kann das Gehäuse nur teilweise mit einer kurzen, von Bügeln gehalterten Innenwand versehen werden. Eine mittig angeordnete Querwandung zwischen der Innenwand und dem Katalysator läßt die Gase den Brenner so verlassen, daß sie anfänglich zum Wärmeaustauscherabschnitt 5' umgelenkt werden. Das Gas strömt dann radial von außen durch den Katalysator nach innen zur zentralen Gassammeizone zum Auslaß.

Die Katalysatorelemente 12' können auch als im Abstand angeordnete Segmente ausgebildet sein, die sich mit nicht perforierten Segmenten abwechseln. Es ist nicht notwendig, daß der Katalysator einen durchgehenden zylinderförmigen Körper aufweist, solange der Katalysator in einer gasdurchlässigen Form zwischen den Halteplatten vorgesehen ist sowie für eine

lü im allgemeinen gleichmäßige radiale Strömung durch das Innenteil der Reinigungsvorrichtung sorgt.

Um die kritischen Teile des Außengehäuses 1' oder um die Wärmeaustauscherabschnitte 5' herum kann auch eine Isolation für eine wirksame Aufrechterhaltung der Wärme in der Reinigungsvorrichtung vorgesehen sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Pateritanspruch:

   Thermisch-katalytische Abgas-Reinigungsvorrichtung mit einem zylindermantelförmigen Außengehäuse, mit einer zum Außengehäuse konzentrischen Innenwand und zwischen Außengehäuse und Innenwand angeordneten, abgasdurchströmten Wärmeaustauschrohren, die an ihrer Außenseite von den heißen gereinigten Abgasen umströmt sind, wobei an der Stirnseite der Reinigungsvorrichtung eine Einrichtung zum Aufheizen der Abgase vorgesehen ist und die Innenwand durchströmbare Katalysatorelemente enthält, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

   a) die Einrichtung zur Aufheizung der Abgase ist als Brennstoffdüse (10) ausgebildet, die von einem perforierten Kegelstumpf (9) umgeben ist, wobei durch die Löcher des Kegelstumpfes (9) die vorgewärmten Abgase als alleinige Sauerstoffträger der Brennstoffdüse zuführbar sind;

   b) die Innenwand (13') ist an ihrem der Brennstoffdüse (10) zugewandten Teil nicht von Katalysatorelementen durchdrungen;

   c) die Katalysatorelemente (12') sind gegen Abdeckbleche der Innenwand austauschbar.