DE2614692C3 - Katalysereaktionsvorrichtung und deren Verwendung - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Katalysereaktionsvorrichtung
zum Entfernen eines Bestandteils aus einem Gas durch Anordnen eines mit Katalysatoren
gefüllten KatalysatorpackungsbeUs im Gas und Durchlciten
des Gases durch die Katalysatorpackungsschicht 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. Jedoch muß
bei der parallel zur Strömungsrichtung der Gasmischung erfolgenden Anordnung die Querschniusfläche
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, direkt auf dem nächsten Wege in Richtung zum
Kataiysatorpackungsbett 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 Slrömungsablenkung der gasförmigen Mischung statt. Mit anderen Worten 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 maß 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 Kataiysatorpackungsbett zu treiben. Daher
entwickelt sich ein merklicher Druckunterschied zwischen der Stromaufseite (d. h. nahe der Einlaßabgasleitungsseite)
und der Stromabseite (d. h. nahe der Auslauabgasleitungsseiie des Kaialysaiorpackungsbetts),
und dementsprechend neigt die Strömungsgeschwindigkeit der durch den Slromaufseitenteil des
Katalysatorpackungsbetts strömenden Gasmischung dazu, niedriger als die im Slromabseitenteil zu sein. Es
entsteht somit eine Strömungsablenkung der Gasmischung zwischen der Stromaufseite 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 Kataiysatorpackungsbett 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 Strömungsablenkung
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 Katalysatorbeits, und zwar zur
Erleichterung des Waschens des Katalysators mit Säure od. dgl. sowie zur Erleichterung des Einfüllens des
Katalysators.
Aus der OE-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 is
des Katalysatorbetts wächst.
Auch nach der US-PS 21 68 472 ist eine Änderung der Querschnittsfläche des Katalysatorbetts zur Strornabseiie
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 Katalysatorpackungsbetten 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 EinlaßKamner, bestehend aus den V-querschnittsförmigen Katalysatorbetten
und den horizontalen Behälterwänden, gleichmäßig, so daß das Gas von der Einlaßkammer 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-querschnittsförmigen Katalysators.
So läßt sich eine Strömungsablenkung weitgehend vermeiden und ein Darallcler 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 Strömungsausgleichsführungsplatten 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 Ausführungsart 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 14/4 in angenäherter V-Querschnittsform
vertikal in einer Katalysereaktionsvorrichtung 10 mit einer Einlaßabgasleitung It zum Einführen einer zu
behandelnden Gasmischung, der die Schicht 14/4 aufnehmenden Zwischenabgasleitung 12 mit einer
weiteren Querschnittsfläche als der der Einlaßabgasleitung 11, und einer Auslaßabgasleit ig 13 mit einer der
der Einlaßabgasleitung 11 nahezu gleichen Querschnittsfläche zur Abgabe Jer behandelten Gasmischung
angeordnet, wobei das offene V-Ende des Betts zur Einlaßabgasleitung 11 hin gerichtet ist. Jeder
Schenkel bzw. jede Seite des V-förmigen Betts ist unter einem bestimmten Drehwinkel gegenüber der Strömungsrichtung
26 der Gasmischung angeordnet. In Fig. 1 ist ein nahezu V-querschnittsförmiges Katalysatorpackungsbett
vorgesehen, doch kann man auch zwei Kalalysatorpackungsbetten dieser Art parallel zur
Bildung einer W-querschnittsförmigen Anordnung anbringen. Am Einlaßende und am Auslaßende des
Katalysatorpackungsbetts 14/4 sind fast horizontal die Einlaßabgasleitung 11 bzw. die Auslaßabgasleitung 13
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 Katalysatorpachingsbett
weist Trichter 15 mit Ausiaßöffnungen 16 am Boden zur Entnahme von Katalysaiormaierial aus
dem Bett auf.
Eine zu behandelnde Gasmischung, z. B. ein Stickstoffoxide enthaltendes Verbrennungsabgas, wird in die
Katalysereaktionsvorrichtung 10 durch die Einlaßabgasleitung II in der Strömungsrichtung 26 der
Gasmischung eingeführt und in Kontakt mit den Katalysatoren des Katalysatorpackungsbetts HA gebracht,
wodurch die Stickstoff oxide reduziert oder zersetzt und anschließend die Reaktionsprodukte durch
die Ausbßabgasleitung 13 entfernt und abgeführt
werden. Da das Katalysatorpackungsbett 14Λ einen angenähert V-querschnittsörmigen Aufbau hat, kann die
Gasmischung fast gleichmäßig durch sowohl die Einlaßabgasleitungsseite als auch die Auslaßabgasleitungsseite
strömen, und es entsteht kerne 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 Bett
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 geeignetem Umfang entnommen werden, und nach der Beseitigung
der abgeschiedenen Stäube von den Katalysatoren werden diese wieder in das Bett eingefüllt, um jeden
Anstieg des Druckabfalls im Katalysatorpackungsbett 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 Fig.2a ist
ein Katalysatorpackungsbett HA parallel zur Strömungsrichtung
26 einer Gasmischung entsprechend dem einen bekannten Typ vorgesehen (die Anordnung
senkrecht zur Strömungsrichtung der Gasmischung ist nicht gezeigt). In Fig. 2b ist das Katalysatorpackungsbett
tlA erfindungsgemäß unter einem bestimmten Drehwinkel θ zur Strömungsrichtung der gasförmigen
Mischung angeordnet. Wie ein Vergleich der F i g. 2a und 2b zeigt, ist es ein wirkungsvolles Mittel zur
Verhinderung des Auftretens einer Strömungsablenkung, das Katalysatorpackungsbett in einem bestimmten
Drehwinkel zur Strömungsrichtung der Gasmischung anzuordnen, weil so die Gasströmungs-Geschwindigkeitsverteilung
vergleichmäßigt wird.
In Fig.3 sind die Beziehungen zwischen dem Drehwinkel des Katalysatorpackungsbetts HA zur
Strömungsrichtung einer gasförmigen Mischung und dem Strömungsablenkungsgrad dargestellt. Wie F i g. 3
zeigt, ist ein Einfluß des Gasimpulses bei einem Drehwinkel des Katalysatorpackungsbetts von weniger
als 5° deutlich festzustellen, so daß die Strömungsablenkung beträchtlich ist. Andererseits wird bei einem
Drehwinkel von mehr als 30° der Einfluß der Erweiterung von der Einlaßab^aslci'.ung beim Einlaß
zum katalysatorpackungsbiMi alimählich größer, und
dah.i entwickelt sich wieder die ungünstige Slromuiij;:.-ablenkung.
Es folgt aus dei; vorstehenden Ergebnissen, daß der für ein möglichst geringes Auftreten von
Strömungsablenkung bevor.-ugte Drehwinkel des Kataiysatorpack'j.-.gsbeUs
im Bereich von 5 bis 30° liegt. Auch wenn der Drehwinkel 30° ubcjr;:?igt, jedoch noch
nahe 30" liegt, läbi sich das Antreten von Strömungsablenkung
besstr als nach dem Stand der Technik virT"idpn.
!n den F i g. 4 bis 6 ist ein anderes Ausführungsbeispiel
der Erfindung gezeigt, bei dem ein Katalysatorpakkungsoeli
wegen der Schwierigkeit der Herstellung oder eines verringerten zur Verfügung stehenden
Raumes für die Anbringung des Katalysatorpackungsb'jUs
nrt 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 Katalysatorppokungsbetts HA vorgesehen.
Das Katalysatorpackungsbett HA ist an einem Rahmen 21 des Katalysereaktionsvorrichtungskörpers
mittels Oberendenhalterungen 19 des Betts und ünterendenhalterungen 20 des Betts befestigt, und
Drahtnetze 22 zum Zusammenhalten der Katalysatoren sind zwischen den Oberendenhalterungen 19 und den
Ünterendenhalterungen 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 Katalysatorpackungsbett in zwei
Vertikalebenen unter bestimmten Drehwinkeln gegenüber der Strömungsrichtung einer zu behandelnden
Gasmischung vorgesehen, und daher kann die Gasmischung nahezu gleichmäßig durch das Katalysatorpakkungsbett
strömen, ohne daß sich ein Druckunterschied zwischen der Einlaßabgasleitungsseite und der Auslaßabgasleitungsseite
des Katalysatorpackungsbetts entwickelt. Die katalytische Reaktion kann daher wirkungsvoll
ablaufen, wobei jedes Auftreten einer störenden Strömungsablenkung der Gasmischung verhindert
wird.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
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 Katalysatorpak kungsbett {i4A) in angenähert V-querschnittförmigem
Aufbau in einer senkrechten Richtung zur Gasströmung (26) erstreckt und das offene Ende des
Katalysatorpackungsbetts {i4A) der Stromaufseite der Gasströmung zugewandt ist
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede den angenähert V-querschnittförmiger.
Aufbau bildende Katalysatorpackungsschicht (i4A) in einem Drehwinkel (Θ) von 5 bis 30° zur
Strömungsnchtung (26) des Gases angeordnet .st.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der angenähert V-querschnittförmigen
Katalysatorpackungsschicht (14/4, 22) eine Mehrzahl von Strömungsausgleichsführungsplatten
(!7,18) angebracht ist.
4. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Entfernung von Stickstoffoxiden
aus dem Gas.
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