DE3904550A1

DE3904550A1 - Katalysator-formkoerper fuer ein stroemendes fluessiges oder gasfoermiges medium

Info

Publication number: DE3904550A1
Application number: DE3904550A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr Rer Nat Schmelz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1989-02-15
Filing date: 1989-02-15
Publication date: 1990-08-16

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Katalysator-Formkörper für ein strömendes flüssiges oder gasförmiges Medium, insbe sondere für die katalytische Beseitigung von Stickoxid (NO_x) aus einem Abgas mittels Ammoniakgas (NH₃).

Die Erfindung betrifft dabei die Formgebung eines solchen Ka talysator-Formkörpers. Bei diesem kann es sich insbesondere um einen metallischen oder oxidischen Katalysator handeln, der zur Reaktion eines strömenden Gases oder einer strömenden Flüssig keit im Kontakt mit dem Katalysator eingesetzt wird, insbeson dere - wie erwähnt - für die katalytische Entfernung von Stick oxid (NO_x) aus einem Abgas.

Aus der DE-PS 26 58 539 ist zum Beispiel ein Verfahren zur Ent fernung von Stickoxiden aus Abgasen durch selektive Kontaktre duktion mittels eines mit Strömungskanälen versehenen Katalysa tors unter Zugabe von Ammoniakgas bekannt. Dieser Katalysator hat eine bienenwabenförmige Struktur, das heißt er ist als zell artig kanalförmiger Körper ausgestaltet. Die einzelnen, einander parallel liegenden Strömungskanäle besitzen einen hexagonalen Querschnitt.

Demgegenüber ist aus der DE-PS 28 53 023 ein Katalysator-Form körper mit plattenförmiger Struktur bekannt. Dieser Formkörper besitzt eine Vielzahl von plattenförmig angeordneten Katalysa toren, die parallel zum Stickoxid enthaltenden Gasstrom ange ordnet sind. Jeder plattenförmige Katalysator besteht aus einer Metallplatte, auf deren beiden Seiten eine katalytisch aktive Substanz aufgebracht ist. Die Metallplatte kann perforiert sein, das heißt mit Durchbrechungen oder Fenstern versehen sein. Bei der Herstellung dieser Durchbrechungen entstehen Erhebungen oder Laschen, die alle auf ein und derselben Seite der jewei ligen Metallplatte liegen.

Darüber hinaus sind im Stand der Technik Katalysator-Formkör per bekannt, die ein Schüttgut mit Kugeln, Ringen oder Röhren enthalten. In der GB-PS 12 10 867 wird beispielsweise ein Ka talysator-Formkörper beschrieben, bei dem ein aus Partikeln bestehendes Schüttgut zwischen benachbarten Strömungskanälen angeordnet ist. Dieses Schüttgut ist katalytisch aktiv.

In der DE-AS 24 58 888 wird im einzelnen die Reduktion von Stickoxiden mittels Ammoniakgas (NH₃) an dotierten TiO₂-Kata lysatoren beschrieben. Mischungen für die katalytisch aktiven Komponenten werden dabei im einzelnen angegeben.

In der DE-PS 28 46 476 wird darüber hinaus ein Herstellungsver fahren für gesinterte katalytische Formkörper beschrieben, die Titandioxid als aktive Komponente und Molybdänoxid als Binde mittel enthalten. Die Anwendung des beschriebenen Herstellungs verfahrens ist sowohl auf Waben- als auch auf Plattenstrukturen verschiedener Ausbildung möglich.

Und in der Broschüre "NO_x Reduction With Plate-Type And Honey comb-Type Catalytic Converters", Siemens AG, Berlin, München, Bestellnummer: A19100-U311-A106-X-7600, April 1988, findet sich eine Beschreibung von industriell hergestellten Platten- und Bienenwaben-Katalysatoren zur Stickoxid-Reduktion. Die kera mischen oder metallischen Katalysator-Formkörper werden dabei zu Modulen zusammengefaßt und - je nach Anforderung - gegebenen falls aufeinandergestapelt. Aufgrund der vorgegebenen symmetri schen Konstruktion ist dabei jedoch immer sichergestellt, daß die Strömungskanäle von einem Modul in den anderen stufenlos übergehen.

Sowohl der plattenförmige als auch der zellartig kanalförmige Katalysator-Formkörper weist den Nachteil auf, daß das strömen de Medium in vorwiegend laminarer Strömung an den Katalysator wänden vorbeigleitet und mit den im Katalysator-Formkörper an gebotenen inneren Oberflächen nur ungenügend in Kontakt kommt. Die katalytische Nutzung ist daher nicht optimal. Eine gewisse Verwirbelung des strömenden Mediums und damit eine bessere Aus nutzung der Oberfläche erfolgt demgegenüber in einem Katalysa tor-Formkörper mit Schüttgut. Dieser hat jedoch den Nachteil, daß sein Strömungswiderstand je nach Schüttung undefiniert vari iert und im Betrieb auch nicht konstant bleibt. Darüber hinaus kann das Schüttgut bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten in Be wegung geraten, was nicht nur mit Widerstandsänderungen, sondern auch mit erhöhtem Abrieb verbunden ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Katalysator- Formkörper der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß das strömende Medium in ihm eine Verwirbelung erfährt, ohne daß von einem Schüttgut Gebrauch gemacht werden muß.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Katalysator-Formkör per der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß er mindestens zwei aneinandergesetzte Teil-Formkörper umfaßt, deren Strömungs kanäle stufig ineinander übergehen.

Der Katalysator-Formkörper ist also zur Zerteilung und Verwir belung des strömenden Mediums mit Stufen, die als Verwirbelungs stellen dienen, ausgestattet. Er kann beispielsweise aus mehre ren Teil-Formkörpern oder "Schichten" mit - in Strömungsrichtung gesehen - alternierenden Waben- oder Plattenpositionen aufge baut sein. Dies hat den Vorteil, daß jeweils nur Teilkörper ein und derselben Struktur hergestellt werden müssen; diese werden alternierend aneinandergesetzt, z. B. dabei aneinander befestigt. Die Verwirbelung des strömenden Mediums läßt sich also hierbei durch wiederholte definierte Umlenkung im Katalysator-Formkör per mit den wechselnden oder alternierenden Platten- oder Waben positionen erreichen. Dadurch läßt sich eine bessere Anströmung und eine bessere Nutzung der inneren Katalysatoroberflächen er zielen. Dabei ist der Strömungswiderstand zeitlich gleichblei bend und definiert.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran sprüchen näher erläutert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von acht Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine zweidimensionale Prinzipskizze der Erfindung;

Fig. 2 den Grundriß zweier Teil-Formkörper A und B bei quadrati scher Zellstruktur;

Fig. 3 eine räumliche Darstellung mehrerer aneinandergesetzter Teil-Formkörper A, B und A bei quadratischer Zellstruktur;

Fig. 4 den Grundriß aus zwei aneinandergesetzten Teil-Formkör pern A und B, die aus Röhren zusammengesetzt sind;

Fig. 5 verschiedene Schichtungsmöglichkeiten von honigwabenför migen Zellstrukturen;

Fig. 6 ein Beispiel für ein quadratisches Strangprofil mit qua dratischen Zellen zur Montage eines Katalysator-Formkör pers der Schichtfolge A, B, A, B ... mit fortlaufend um 180° gedrehten Strangabschnitten;

Fig. 7 ein Beispiel für ein quadratisches Strangprofil mit bie nenwabenförmigen Zellen zur Montage eines Katalysator- Formkörpers der Schichtfolge A, B, A, B ... mit fortlau fend um 180° gedrehten Strangabschnitten; und

Fig. 8 den Aufbau eines Katalysator-Formkörpers aus um 90° ge drehten parallelen Platten.

In Fig. 1 ist das Grundprinzip der Erfindung vereinfacht zwei dimensional dargestellt. Der Katalysator-Formkörper F ist hier aus einer Anzahl z=6 von aneinandergesetzten Teil-Formkörpern der beiden gleichartigen Strukturen A und B aufgebaut. Die Struk tur- oder Schichtenfolge ist dabei A, B, A, B, etc., also alter nierend. Die Schicht B geht aus der Schicht A durch eine seitli che Translation um den Vektor hervor. Mit anderen Worten: Zwei benachbarte Teil-Formkörper A, B sind so aneinandergesetzt, daß ihre Strömungskanäle p bzw. q stufig ineinander übergehen. Die beiden jeweils benachbarten Teil-Formkörper A, B besitzen dabei bevorzugt denselben Strukturaufbau, zum Beispiel eine hexagonale oder quadratische Zellstruktur, und die Strukturen sind dabei bevorzugt um eine halbe Zellbreite gegeneinander quer zur Längs achse der Strömungskanäle p, q verschoben. Die den Katalysator- Formkörper durchsetzende Strömung des flüssigen oder gasförmi gen Mediums ist mit v bezeichnet. Bevorzugt wird der dargestell te Katalysator-Formkörper für die katalytische Beseitigung von Stickoxid NO_x aus einem Abgas G mittels Ammoniakgas NH₃ einge setzt, z. B. bei einem Kraftwerk. Das gereinigte Gas ist mit G′ bezeichnet.

In Fig. 2 ist dargestellt, daß man bei quadratischer Zellstruk tur die Struktur A durch Verschiebung um den Vektor in die Struktur B übergehen lassen kann und daß man den Vektor zweck mäßigerweise als halbe Flächendiagonale wählt. Auf diese Weise wird erreicht, daß jeder Materialsteg des Teil-Formkörpers A über der Mitte eines Strömungskanals der darunter und auch der darüber liegenden Zelle des benachbarten Teil-Formkörpers B plaziert ist. Das in einer Zelle oder einem Strömungskanal des Teil-Formkörpers A enthaltene Medium (Flüssigkeit oder Gas) wird somit in der nächstfolgenden Schicht (Teil-Formkörper B) auf vier Zellen oder Strömungskanäle aufgeteilt.

Dies wird auch noch einmal aus Fig. 3 deutlich. Hier ist in perspektivischer Sicht die Stapelung oder Aneinandersetzung von drei (nur teilweise dargestellten) Teil-Formkörpern A, B, A ge zeigt. Allgemein läßt sich sagen, daß zwei Teil-Formkörper A, B oder mehr als zwei Teil-Formkörper A, B, C . . . in sich wieder holender Priorität aneinandergesetzt sein können. Vorliegend ist auch gezeigt, daß zur Steigerung der Turbulenz die Wände (bevor zugt alle Wände) mit Fenstern oder Durchbrechungen u, w verse hen sein können. An diesen können (nicht gezeigte) Laschen vor gesehen sein.

Im übrigen können die Teil-Formkörper A, B beliebige Zellstruk turformen aufweisen. In Fig. 4 ist angedeutet, daß die einzel nen Teil-Formkörper A, B jeweils eine röhrenförmige Struktur mit rundem Querschnitt der Strömungskanäle besitzen können. Die an einandergesetzten Teil-Formkörper A, B können auch voneinander verschiedenen Strukturaufbau besitzen (nicht dargestellt). Be vorzugt sind jedoch gleichartige plattenförmige oder bienenwa benförmige Strukturaufbauten, letztere vorzugsweise mit qua dratischem oder hexagonalem Strömungsquerschnitt.

Bei einer bienenwabenförmigen Zellstruktur gibt es - ähnlich wie bei einer hexagonalen oder kubischen Kugelpackung - zwei Möglichkeiten zur Schichtung der Lagen oder Teil-Formkörper A und B, nämlich A, B, A, B, A, B mit B=A+ oder A, B, C, A, B, C mit C=A+′. Dies ist in Fig. 5c gezeigt. Die hexago nale Struktur A ist durchgezogen, die hexagonale Struktur B ist gestrichelt und die hexagonale Struktur C ist gepunktet einge zeichnet. Fig. 5a repräsentiert die hexagonale Anordnung, und Fig. 5b repräsentiert die kubische Anordnung. Beide Anordnun gen sind in Fig. 5c enthalten, ebenso die Vektoren und ′.

Es ist nicht erforderlich, daß der hexagonale oder kubische Schichtaufbau beim Aneinandersetzen der einzelnen Teil-Formkör per A, B, . . . oder A, B, C, . . . streng eingehalten wird. Es können kleine Baufehler zugelassen werden, zum Beispiel A, B, C, A, C, A, B, B, A, C etc., was die Montage vereinfacht und verbilligt. Auch bei quadratischer Zellform können Baufehler zugelassen werden, was lediglich unterschiedlich langen Zellen entspricht. Die Länge einer Zelle wird zweckmäßigerweise in der Größenordnung des Durchmessers gewählt, kann aber von ein Zehn tel bis zum Dreißigfachem des Durchmessers variieren. Die Aus wahl von Durchmesser und Länge erfolgt in Anpassung an die Strömungsverhältnisse und an den zulässigen Druckverlust, an eventuell im strömenden Medium vorhandene Partikel, die den Katalysator-Formkörper F passieren müssen, sowie an fertigungs technische Gegebenheiten.

Dies soll an Ausführungsbeispielen für DeNOx-Katalysator-Form körper F zur Rauchgasreinigung näher erläutert werden. Stand der Technik bei der DeNOx-Katalyse ist, wie eingangs bereits näher dargelegt, die Reduktion von Stickoxiden mittels Ammoniak gas NH₃ an dotierten TiO₂-Katalysatoren, zum Beispiel nach der DE-PS 24 58 888. Katalytisch wirksame Formkörper können dabei zum Beispiel vollkeramisch oder als beschichtete metallische Katalysatorträger hergestellt sein. Dies gilt auch für die vor liegenden Formkörper F.

Vollkeramische Formkörper können nach bekannten Verfahren strang gepreßt werden, wobei die Länge der Wabenkörper durch beliebi ges Ablängen des Stranges festgelegt werden kann. Besonders ge ringe Fertigungskosten erreicht man, wenn die Länge der Abschnit te etwa dem Zehnfachen des Strömungskanal-Durchmessers entspricht. Zu kurze Abschnitte erhöhen die Kosten für Schnitt und Sinterauf bau sowie Montage; zu lange Abschnitte dagegen erhöhen die Trock nungskosten und verringern die katalytische Wirksamkeit. Zweck mäßigerweise wird die Anordnung der Waben (z. B. quadratisch, hexagonal) im Strang so gewählt, daß die gewünschte Schichtfolge A, B, A, B, durch Drehung erreicht werden kann, zum Beispiel um 180°, wie in den Fig. 6 und 7 skizziert. Dann muß nur jeweils ein Typ, d. h. eine Struktur A stranggepreßt werden; die ande re Struktur B ergibt sich durch Drehung, wodurch die Fertigungs kosten gering gehalten werden. Gleichwohl ist auch hier an den Ansetzstellen der Teil-Formkörper A, B eine Verwirbelung sicher gestellt.

In Fig. 6a ist im Prinzip ein quadratisches Strangprofil A mit (bis auf den linken und den oberen Rand) quadratischen Zel len p dargestellt. Das in Fig. 6b dargestellte Strangprofil B mit den quadratischen Zellen q ergibt sich nun aus dem erwähn ten Strangprofil A, wenn man letzteres um 180° um eine Kanal längsachse dreht. Setzt man nun die Strangprofile A und B auf einander, was in Fig. 6c gezeigt ist, so ergibt sich die ge wünschte Schichtfolge A, B, bei der die Strömungskanäle p, q stufig ineinander übergehen, so daß an den Stoßstellen der Teil körper A, B Umlenkstellen für das strömende Medium entstehen, wo eine Verwirbelung einsetzt.

In Fig. 7 ist dies Prinzip noch einmal an einem quadratischen Strangprofil mit bienenwabenförmigen Zellen (d. h. hier mit hexagonalem Querschnitt der Strömungskanäle) gezeigt. Das in Fig. 7b dargestellte Strangprofil B geht aus dem in Fig. 7a durchgezogen eingezeichneten Strangprofil A durch Drehung um 180° um eine Kanallängsachse hervor. Die Zusammensetzung beider Profile A (durchgezogen) und B (gestrichelt) ist aus Fig. 7a zu erkennen. Auch hier liegen gewisse Materialstege des Profils A über (oder unter) der Mitte eines hexagonalen Strömungskanals q des benachbarten Profils B. Somit ist auch hier eine Strö mungsaufteilung, dadurch eine Verwirbelung und folglich eine besonders hohe katalytische Effizienz gewährleistet.

Anstelle der anhand von Fig. 6 und 7 dargestellten Drehungen um 180° können die Schichten A und B aber auch aus verschiede nen Strangprofilen entnommen werden.

In Fig. 8 ist der Aufbau eines Katalysator-Formkörpers F für ein strömendes Medium aus Teil-Formkörpern A, B mit um 90° ge drehten parallelen Plattenpaketen aus beschichtetem Metall ver deutlicht. In Fig. 8a ist ein quadratisches Profil A mit einer Anzahl zueinander paralleler Katalysator-Platten dargestellt. Als Profil B verwendet man nach Fig. 8b ein gleiches Profil A, das jedoch um 90° um eine Kanallängsachse gedreht ist. Setzt man nun die beiden Profile A, B aneinander, so ergibt sich die in Fig. 8a verdeutlichte Gesamtstruktur. Auch hier wird das (senkrecht zur Papierebene) durch das Profil A in einem Strö mungskanal p strömende Medium an der Ansetzstelle des Profils B auf mehrere Kanäle q dieses Profils B aufgeteilt. Auch hier führt wieder das Umlenken an den Ansetzstellen zu einer Verwir belung und damit zu einer intensiveren Nutzung der katalyti schen Oberfläche.

Die gesinterten Abschnitte A, B, A, B, ... können in der gezeig ten Weise gestapelt oder in anderer Weise aneinandergesetzt werden. Stattdessen können auch die ungesinterten Abschnitte A, B, A, B, . . . zusammengestellt und angarniert werden, so daß ein monolithischer Katalysator-Formkörper F entsteht.

Für DeNOx-Katalysatoren in Kraftwerken wird im übrigen als Richtwert ein Wabendurchmesser von ca. 10 mm und eine Länge von 100 mm empfohlen. Dies muß jedoch je nach Anlage und je nach zulässigem Druckverlust speziell bemessen sein.

Bisher war davon ausgegangen, daß die einzelnen Teil-Formkör per A, B, . . . des Katalysator-Formkörpers F aus oxidischen oder vollkeramischen Teil-Formkörpern bestehen. An dieser Stel le soll betont werden, daß der Katalysator-Formkörper F des DeNOx-Katalysators stattdessen auch aus katalytisch beschichte ten metallischen Platten- oder Wabenkörpern A, B bzw. A, B, C in der in der Fig. 1 bis 8 gezeigten Weise aufgebaut sein kann. Man verwendet dazu beispielsweise Streckmetall aus Edelstahl oder Edelstahl-Lochbleche und trägt darauf mit bekannten Auf rauhtechniken einen Haftgrund auf. Auf einem solchen Haftgrund lassen sich dann katalytisch wirksame Schichten gut verankern. Dies kann entweder in einem Tauchvorgang erfolgen, wobei die aufgerauhten Metallwaben vorgefertigt wurden, oder durch Auf walzen auf aufgerauhte Bleche oder auf Streckmetall, wobei die Waben anschließend geformt werden. Die gesinterten Teil-Form körper A, B bzw. A, B, C können entweder in der in den Fig. 6 bis 8 gezeigten Weise gestapelt oder durch Punktschweißen zu einem zusammenhängenden Katalysatorformkörper F verbunden werden.

Claims

1. Katalysator-Formkörper für ein strömendes flüssiges oder gasförmiges Medium, insbesondere für die katalytische Beseiti gung von Stickoxid (NO_x) aus einem Abgas (G) mittels Ammoniak gas (NH₃), dadurch gekennzeichnet, daß er mindestens zwei aneinandergesetzte Teil-Formkörper (A, B) umfaßt, deren Strömungskanäle (p, q) stufig ineinander über gehen.

2. Katalysator-Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teil-Formkörper (A, B) gleichartige Struktur besitzen.

3. Katalysator-Formkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teil-Formkörper (A, B) eine röhrenförmige, bevorzugt jedoch eine plattenförmige oder bienenwabenförmige Struktur besitzen.

4. Katalysator-Formkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teil-Formkörper (A, B) Strömungskanäle (p, q) von quadratischem oder hexagona lem Querschnitt besitzen.

5. Katalysator-Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Struk tur des einen Teil-Formkörpers (A) gegenüber derjenigen des an deren Teil-Formkörpers (B) um eine Achse, die parallel zu den Strömungskanälen (p, q) liegt, gedreht ist.

6. Katalysator-Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Struk tur des einen Teil-Formkörpers (A) gegenüber der Struktur des anderen Teil-Formkörpers (B) um eine Wegstrecke (a), die quer zur Längsachse der Strömungskanäle (p, q) liegt, versetzt ist.

7. Katalysator-Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Materialsteg des einen Teil-Formkörpers (A) über der Mitte eines Strömungskanals (p, q) des anderen Teil-Formkörpers (B) angeordnet ist.

8. Katalysator-Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als zwei Teil-Formkörper (A, B, C) in sich wiederholender Periodi zität aneinandergesetzt sind.

9. Katalysator-Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Teil- Formkörper (A, B) vollkeramische Formkörper sind.

10. Katalysator-Formkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Teil-Formkörper (A, B) aneinander gesintert sind.

11. Katalysator-Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Teil- Formkörper (A, B) beschichtete metallische Formkörper sind.

12. Katalysator-Formkörper nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Teil-Formkörper (A, B) durch Punktschweißen aneinander befestigt sind.

13. Katalysator-Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in den Wän den der Strömungskanäle (p, q) Durchbrechungen (u, w) vorgesehen sind.

14. Katalysator-Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Durch brechungen (u, w) mit Laschen versehen sind.