DE2614692B2 - Katalysereaktionsvorrichning und deren Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Katalysereaktionsvorrichtung zum Entfernen eines Bestandteils aus einem Gas durch Anordnen eines mit Katalysatoren gefüllten Katalysatorpackungsbetts im Gas und Durchleiten des Gases durch die Kataiysatorpackungsschicht und auf die Verwendung dieser Vorrichtung.

Katalysereaktionsvorrichtungen zur Durchführung einer solchen Gasphasenreaktion wurden bereits angegeben. Ein Beispiel hierfür ist die zur Entfernung von Stickstoffoxiden aus einem Abgas durch einen trockenen katalytischen Reaktionsprozeß verwendete Vorrichtung. Bei der Entfernung der Stickstoffoxide aus dem Abgas durch diesen Reduktionsprozeß wird Ammoniakgas als der zur Reaktion mit dem zu behandelnden Gas bestimmte Stoff in ein Verbrennungsabgas von einem Kessel od. dgl. als das zu behandelnde Gas eingeblasen, und die erhaltene gasförmige Mischung wird durch ein Katalysatorpakkungsbett der Katalysereaktionsvorrichtung geleitet, wodurch beispielsweise NO durch Reaktion mit dem Ammoniak zu N2 und H2O zersetzt wird. Auf diese Weise erreicht man die Entfernung der Stickstoffoxide aus dem Abgas.

Die Katalysereaktionsvorrichtungen weisen üblicherweise einen derartigen Aufbau auf, daß man die gasförmige Mischung in horizontaler Richtung durch die Vorrichtungen zum Durchstrom durch ein wandartiges Katalysatorpackungsbett strömen läßt, das darin in einer Vertikalebene angeordnet ist.

Gemäß den bisher angegebenen Ausführungsarten wird das Katalysatorpackungsbett in einer vertikalen Ebene entweder senkrecht oder parallel zur Strömungsrichtung einer Gasmischung angeordnet. ]edoch muß bei der parallel zur Strömungsrichtung der Gasmischung erfolgenden Anordnung die Querschnittsfläche der Abgasleitung, in der das Katalysatorpackungsbett anzubringen ist, entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit der zu behandelnden Gasmischung vergrößert werden, und somit muß man die Abgasleitung am Einlaß zum Katalysatorpackungsbett im Vergleich mit dem Einlaßbereich der Abgasleitung entsprechend erweitern. Dabei neigt der größte Teil der Gasmischung dazu, ■i direkt auf dem nächsten Wege in Richtung zum Katplysatorpackungsbett zu strömen, während sich nur ein geringer Teil der Gasmischung über den erweiternden Seitenbereich verteilt und zu den Randbereichen des Katalysatorpackungsbettes gelangt. Es findet also eine Strömungsablenkung der gasförmigen Mischung statt. Mit anderen WöTTen strömt der größte Anteil der Gasmischung durch einen Teil des Katalysatorpakkungsbettes, während ein geringerer Anteil durch andere Teile des selben strömt. Deshalb müßte ein Strömungsrichtungsausgleicher großen Formats vorgesehen werden, um eine solche Strömungsablenkung der Gasmischung zu verhindern.

Andererseits ist die parallel zur Gasströmung erfolgende Anordnung des Katalysatorpackungsbetts zwar zur Verringerung des Raumbedarfs des Katalysatorpackungsbetts wirksam, doch muß bei dieser Anordnung das Ende der' Abgasleitung geschlossen werden, und man läßt die Gasmischung auf das geschlossene Ende der Abgasleitung auftreffen und eine Richtungsänderung in die Seitenrichtung der Abgasleitung durchmachen, um die Gasmischung wirkungsvoll durch das Katalysatorpackungsbett zu treiben. Daher entwickelt sich ein merklicher Druckunterschied zwischen der Stromaufseite (d. h. nahe der Einlaßabgasleitungsseite) und der Stromabseite (d. h. nahe der Auslaßabgasleitungsseite des Katalysatorpackungsbetts), und dementsprechend neigt die Strömungsgeschwindigkeit der durch den Stromaufseitenteil des Katalysatorpackungsbetts strömenden Gasmischung dazu, niedriger als die im Stromabseitenteil zu sein. Es entsteht somit eine Strömungsablenkung der Gasmischung zwischen der Stroinaufseite und der Stromabseite des parallel zur Strömungsrichtung der Gasmischung angeordneten Katalysatorpackungsbetts, was zu einer Beeinträchtigung der Durchführung der wirkungsvollen Reaktion führt.

Wenn einmal die Strömungsablenkung der gasförmigen Mischung auftritt, ist die durch das Katalysatorpakkungsbett strömende Gasmischung beim Durchströmen des Bettes unausgeglichen. Das bedeutet, daß die Reaktion nur in einem Teil des Katalysatorpackungsbettes wirksam, in den anderen Teilen dagegen nicht voll wirksam abläuft. Solche Reaktionsverhältnisse sind jedoch ungünstig. Es ist in der Katalysereaktionsvorrichtung besonders erwünscht, die Reaktion im gesamten Katalysatorpackungsbett wirksam und gleichmäßig ablaufen zu lassen, weshalb es sehr nötig ist, jedes Auftreten einer solchen Strömungsablenkung der Gasmischung zu vermeiden.

Die US-PS .38 11 845 beschreibt einerseits ein geneigt angeordnetes Katalysatorbett, das eine erhebliche Strömungsablenkung ergibt und eine besondere Gasströmungsrichtung erfordert. Die Festigkeit des geneigt angeordneten Katalysatorpackungsbettes ist dadurch beeinträchtigt. Andererseits ist aus der US-PS 38 11 845 ein Katalysatorbett bekannt, das einen sich fortlaufend verengenden Gaskanal aufweist, so daß ein im wesentlichen V-förmiger Kanal mit einem öffnungswinkel von etwa 3° gebildet wird, doch ist die Katalysatorschicht durch mehrere Trennwände in eine Mehrzahl von Betten unterteilt, so daß sich dadurch keine Wirkung zur Verhinderung der Strömungsabbnkung ergibt.

Die US-PS 36 49 215 offenbart ebenfalls eine einseitig geneigte Anordnung des Katalysatorbetts, die zur Verhinderung der Gasströmungsablenkung nicht wirksam ist, wobei eine über dem Katalysatorbett vorgesehene Prallplatte zum Strömungsausgleich dient.

Auch die US-PS 33 07 920 beschreibt die einseitig geneigte Anordnung des Katalysatorbelts, und zwar zur Erleichterung des Waschens des Katalysators mit Säure od. dgl. sowie zur Erleichterung des Einfüllens des Katalysators.

Aus der DE-OS 22 04 539 ist ein anderes Prinzip bekannt, wonach Erweiterungen der Querschnittsfläche des Katalysatorbetts in Strömunhsrichtung dazu dienen, die Kontaktzeit konstant zu halten, wenn das Gasvolumen durch Temperaturerhöhung beim Durchströmen des Katalysatorbetts wächst.

Auch nach der US-PS 21 68 472 ist eine Änderung der Querschnittsfläche des Katalysatorbetts zur Stromabseite hin vorgesehen, um die Kontaktzeit konstant zu halten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Katalysereaktionsvorrichtung der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß sie praktisch frei von jedem Auftreten einer Strömungsablenkung der gasförmigen Mischung ist und daß die gasförmige Mischung auch mit erhöhtem Druck durch die Katalysatorpakkungsschicht strömen kann, ohne deren Stabilität zu beeinträchtigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich das Katalysatorpackungsbett in angenähert V-querschnittsförmigem Aufbau in einer senkrechten Richtung zur Gasströmung erstreckt und das offene Ende des Katalysatorpackungsbetts der Stromaufseite der Gasströmung zugewandt ist.

Vorzugsweise ist jede den angenähert V-querschnittsförmigen Aufbau bildende Katalysatorpakkungsschicht in einem Drehwinkel von 5 bis 30° zur Strömungsrichtung des Gases angeordnet.

Dank dieser V-Anordnung des Katalysatorpackungsbetts mit dem der Stromaufseite der Gasströmung zugewandten offenen Ende werden die angestrebte Verhinderung der Strömungsablenkung, eine Strömungsgleichrichtung und ein stabiler Aufbau der Kalalysatorpackungsbetten erreicht.

Die V-querschnittsförmige Gaseinströmseite ist der Gasdurchströmfläche durch den Katalysator proportional. Wenn man sich die Einlaßöffnungsfläche in einige kleinere Bereiche aufgeteilt denkt, strömt durch die kleineren Bereiche geströmtes Gas geradeaus weiter, trifft auf den kleineren Bereichen entsprechende Katalysatorbettbereiche und dringt gleichmäßig in die Katalysatorbetten ein. Mit anderen Worten macht der V-Querschnitt die Gasströmungsgeschwindigkeit an jedem kleineren Bereich der Einlaßöffnung konstant und damit die Druckverteilung in der Einlaßkammer, bestehend aus den V-querschnittsförmigen Katalysatorbetten und den horizontalen Behälterwänden, gleichmäßig, so daß das Gas von der EinlaBkammer durch die Katalysatorbetten mit konstanter Geschwindigkeit strömt.

Die V-Querschnittsanordnung erfaßt zunächst das mit verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten aus verschiedenen Richtungen in den Einlaßöffnungsteil, dessen Fläche kleiner als der Gasströmungsquerschnitt der Katalysatorbetten ist, kommende Gas und verteilt es auf alle Teile des V-querschiiittsförmigen Katalysators. So läßt sich eine Strömungsablenkung weitgehend vermeiden und ein paralleler Abstrom von der Auslaßseite erreichen.

Die V-Querschnittsanordnung der Katalysatorbetten ergibt eine gleichmäßige Druckbeaufschlagung auf der gesamten Katalysatorbettoberfläche, so daß die Katalysatorbetten eine größere Formstabilität aufweisen und auch bei größeren Anlagen mit größeren Strömungsgeschwindigkeitsunterschieden der anströmenden Gasmischung mechanisch gut haltbar sind.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist an der angenähert V-querschnittsförmigen Katalysatorpakkungsschicht eine Mehrzahl von Strömungsausgleiehsführungsplatten angeordnet, wodurch auch statische Druckeinwirkungen besser ausgehalten werden können.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich vorteilhaft zur Entfernung von Stickstoffoxiden aus Gasen verwenden.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigt

Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht einer Ausführungsari der Katalysereaktionsvorrichtung;

F i g. 2a ein Diagramm zur Darstellung einer bekannten Gasströmungsgeschwindigkeitsverteilung;

F i g. 2b ein Diagramm zur Darstellung einer Gasströmungsgeschwindigkeitsverteilung gemäß der Erfindung;

Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehungen zwischen dem Drehwinkel des Katalysatorpakkungsbetts gegenüber der Strömungsrichtung einer Gasmischung und dem Strömungsablenkungsgrad;

Fig.4 einen Querschnitt eines Katalysatorpackungsbetts nach einer anderen Ausführungsart;

Fig. 5 eine Seitenansicht des Katalysatorpackungsbetts nach Fig. 4; und

F i g. 6 eine vergrößerte Teildarstellung des Katalysatorpackungsbetts nach F i g. 4.

Nach Fig. 1 ist eine wandartige Katalysatorpakkungsschicht HA in angenäherter V-Querschnittsform vertikal in einer Katalysereaktionsvorrichtting 10 mit einer Einlaßabgasleitung 11 zum Einführen einer zu behandelnden Gasmischung, der die Schicht 14/1 aufnehmenden Zwischenabgasleitung 12 mit einer weiteren Querschnittsfläche als der der Einlaßabgasleitung 11, und einer Auslaßabgasleitung 13 mit einer der der Einlaßabgasleitung 11 nahezu gleichen Querschnittsfläche zur Abgabe der behandelten Gasmischung angeordnet, wobei das offene V-Ende des Betts zur Einlaßabgasleitung 11 hin gerichtet ist. Jeder Schenkel bzw. jede Seite des V-förmigen Bens ist unter einem bestimmten Drehwinkel gegenüber der Strömungsrichtung 26 der Gasmischung angeordnet. In Fig. 1 ist ein nahezu V-querschnittsfönniges Katalysatorpackungsbett vorgesehen, doch kann man auch zwei Katalysatorpackungsbetten dieser Art parallel zur Bildung einer W-querschnittsförmigen Anordnung anbringen. Am Einlaßende und am Auslaßende des Katalysatorpackungsbetts !4/4 sind fast horizontal die Einlaßabgasleitung 11 bzw. die Auslaßabgasleitung Π vorgesehen, so saß die zu behandelnde Gasmischung fast horizontal durch das Katalysatorpackungsbett strömt. Das offene Ende des angenähert V-förmigen Katalysatorpackungsbetts ist gegen die Strömungsrichtung der Gasmischung gerichtet, und das KatalysatorpaiJiiingsbett weist Trichter 15 mit Auslaßöffnungen Ib am Boden zur Entnahme von ICatalysatormaterial aus dem Bett auf.

Eine zu behandelnde Gasmischung, z. B. ein Stickstoffoxide enthaltendes Verbrennungsabgas, wird in die

Katalysereaktionsvorrichtung 10 durch die Einlaßabgasleitung 11 in der Strömungsrichtung 26 der Gasmischung eingeführt und in Kontakt mit den Katalysatoren des Katalysatorpackungsbetts 14/4 gebracht, wodurch die Stickstoffoxide reduziert oder zersetzt und anschließend die Reaktionsprodukte durch die Auslaßabgasleitung 13 entfernt und abgeführt werden. Da das Katalysatorpackungsbett 14/4 einen angenähert V-querschnittsörmigen Aufbau hat, kann die Gasmischung fast gleichmäßig durch sowohl die ' Einlaßabgasleitungsseite als auch die Auslaßabgasleitungsseite strömen, und es entsteht keine Strömungsablenkung der gasförmigen Mischung. Insbesondere ist das offene Ende des Betts gegen die Gasströmung gerichtet, und folglich kann die Gasmischung ohne weiteres in den Raum zwischen den V-Schenkeln einströmen und gleichmäßig durch das gesamte Belt weiterströmen.

Gewöhnlich enthält das Verbrennungsabgas Stäube, die sich an den Oberflächen der Katalysatorteile abscheiden und sammeln, so daß sich der Strömungswiderstand des Betts erhöht. Daher müssen die Katalysatoren aus den Trichtern 15 in geeigneten Umfang entnommen werden, und nach der Beseitigung der abgeschiedenen Stäube von den Katalysatoren werden diese wieder in das Bett eingefüllt, um jede ι Anstieg des Druckabfalls im Katalysatorpackungsbe t zu vermeiden.

Die Fig.2a und 2b zeigen schematisch, daß die Erfindung im Vergleich mit dem Stand der Technik sehr wirkungsvoll ist, wobei als Grundlage Versuchsergebnisse zur Klärung der Ablenkungszustände der Strömung der gasförmigen Mischung dienen. In F i g. 2a ist ein Katalysatorpackungsbett 14/4 parallel zur Strömungsrichtung 26 einer Gasmischung entsprechend dem einen bekannten Typ vorgesehen (die Anordnung senkrecht zur Strömungsrichtung der Gasmischung isi nicht gezeigt). In Fig.2b ist das Katalysatorpackungs· bett 14Λ erfindungsgemäß unter einem bestimmten Drehwinkcl Θ zur Strömungsrichtung der gasförmigen Mischung angeordnet. Wie ein Vergleich der Fig. 2.i und 2b zeigt, ist es ein wirkungsvolles Mittel zu· Verhinderung des Auftretens einer Strömungsablcn· kung, das Katalysatorpackungsbett in einem bestimm ten Drehwinkel zur Strömungsrichtung der Gasmi schling anzuordnen, weil so die Gasströmungs-Gc schwindigkcitsvcrteilung vergleichmäßigt wird.

In Fig. 3 sind die Beziehungen zwischen den: Drehwinkcl des Katalysatorpackungsbetts 14/4 zur Strömlingsrichtung einer gasförmigen Mischung und dem Strömungsablenkungsgrad dargestellt. Wie Fig.:' zeigt, ist ein Einfluß des Gasimpulses bei einem Drchwinkcl des Katalysalorpackungsbetts von wenige" als 5° deutlich festzustellen, so daß die Strömungsablcn kung beträchtlich ist. Andererseits wird bei einem Drehwinkcl von mehr als 30° der Einfluß de' Erweiterung von der Einlaßabgasleilung beim Einlaß zum Katalysatorpackungsbett allmählich größer, und daher entwickelt sich wieder die ungünstige Strömungsablenkung. Es folgt aus den vorstehenden Ergebnissen, daß der für ein möglichst geringes Auftreten von Strömungsablenkung bevorzugte Drehwinkel des Katalysatorpackungsbetts im Bereich von 5 bis 30° liegt. Auch wenn der Drehwinkel 30° übersteigt, jedoch noch nahe 30° liegt, läßt sich das Auftreten von Strömungsablenkung besser als nach dem Stand der Technik vermeiden.

In den F i g. 4 bis 6 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, bei dem ein Katalysatorpakkungsbett wegen der Schwierigkeit der Herstellung oder eines verringerten zur Verfugung stehenden Raumes für die Anbringung des Katalysatorpackungsbetts mit einem Drehwinkel außerhalb des genannten Bereichs angeordnet werden muß.
Wenn der Drehwinkel des Katalysatorpackungsbetts außerhalb des Bereichs von 5 bis 30° liegt, tritt eine merkliche Strömungsablenkung auf, wie oben erläutert wurde, und deshalb sind hier Einlaßströmungs-Ausgleichsführungsplatten 17 und Auslaßströmungs-Ausgleichsführungsplatten 18 am Einlaßende bzw. am Auslaßende des Katalysatorpackungsbetts 14/4 vorgesehen. Das Katalysatorpackungsbett 14/4 ist an einem Rahmen 21 des Katalysereaktionsvorrichtungskörpers mittels Oberendenhalterungen 19 des Betts und Unterendenhalterungen 20 des Betts befestigt, und Drahtnetze 22 zum Zusammenhalten der Katalysatoren sind zwischen den Oberendenhalterungen 19 und den Unterendenhalterungen 20 angebracht. Das Katalysatorpackungsbett ist also derart aufgebaut, daß sich die Füllung von Katalysatoren zwischen den Drahtnetzen 22 befindet. So können, indem man die Einlaßströmungs-Ausgleichsführungsplatten 17 und die Auslaßströmungs-Ausgleichsführungsplatten 18 an den Drahtnetzen 22 befestigt, diese Führungsplatten dazu dienen, gleichzeitig als Verstärkungselemente zum Verhindern einer Ausdehnung der Drahtnetze 22 aufgrund des Gewichts der Katalysatoren zu wirken.

Wie vorstehend beschrieben, wird in der erfindungsgemäßen Katalysereaktionsvorrichtung ein mit Katalysatormaterial gefülltes Katalysatorpackungsbelt in zwei Vertikalebcncn unter bestimmten Drehwinkeln gegenüber der Strömungsrichtung einer zu behandelnden Gasinischung vorgesehen, und daher kann die Gasmischung nahezu gleichmäßig durch das Kalalysatorpakkungsbett strömen, ohne daß sich ein Druckunterschied zwischen der Einlaßabgasleitungsseite und der Auslaßabgasleitungsseite des Katalysatorpackungsbetts entwickelt. Die katalytischc Reaktion kann daher wirkungsvoll ablaufen, wobei jedes Auftreten einer störenden Strömungsablcnkung der Gasmischung verhindert wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Katalysereaktionsvorrichtung zum Entfernen eines Bestandteils aus einem Gas durch Anordnen eines mit Katlysatoren gefüllten Katalysatorpakkungsbetts im Gas und Durchleiten des Gases durch die Katalysatorpackungsschicht, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Katalysatorpakkungsbett (i4A) in angenähert V-querschnittförmigem Aufbau in einer senkrechten Richtung zur Gasströmung (26) erstreckt und das offene Ende des Katalysatorpackungsbetts (14 A) der Stromaufseite der Gasströmung zugewandt ist

2. Vorrichtung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß jede den angenähert V-querschnittförmigen Aufbau bildende Katalysatorpackungsschicht (X^A) in einem Drehwinkel (Θ) von 5 bis 30° zur Strömungsrichtung (26) des Gases angeordnetist.

3. Vorrichtung nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß an der angenähert V-querschnittförmigen Katalysatorpackungsschicht (14/4, 22) eine Mehrzahl von Strömungsausgleichsführungsplatten (17,18) angebracht ist.

4. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Entfernung von Stickstoffoxiden aus dem Gas.