DE4316132A1

DE4316132A1 - Plattenkatalysator

Info

Publication number: DE4316132A1
Application number: DE4316132A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Huettenhofer; Josef-Konrad Beer; Heimo Dipl Ing Friede; Hendrik Lammers
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1993-05-13
Filing date: 1993-05-13
Publication date: 1994-11-17

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Plattenkatalysator, der mehrere in einer Hal terungsvorrichtung angeordnete und einer katalytisch aktiven Masse beschichtete Platten umfaßt.

Solche Plattenkatalysatoren werden unter anderem zur Verringerung von in einem Gasgemisch enthaltenen Stickoxiden verwendet. Hierbei werden die Stickoxide zu sammen mit einem zuvor in das Gasgemisch eingebrachten Reduktionsmittel, meist Ammoniak NH₃, nach dem Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) durch die Kontaktierung an der katalytisch aktiven Masse zu Wasser und Stickstoff umgesetzt. Die katalytisch aktive Masse, mit der die Platten beidseitig beschichtet sind, umfaßt meist Titandioxid und einen oder mehrere der Zusätze Wolframtrioxid, Molybdäntrioxid und Vanadinpentoxid. Beispiele für Ka talysatoren dieser Art finden sich beispielsweise in der DE-PS 24 58 888.

Ein Plattenkatalysator umfaßt als Halterungsvorrichtung für die mit der katalytisch aktiven Masse beschichteten Platten meist einen sogenannten Elementkasten, in den die Katalysatorplatten gleichmäßig beabstandet und parallel zueinander orientiert eingesetzt sind. Der Elementkasten hat dabei meist die Form eines Quaders, der auf den Stirnseiten offen ist, die die An- und Abströmseite für ein Strömungsmedium, z. B. das oben genannte Gasgemisch, sind. Die Ebenen der Katalysatorplatten sind dabei senkrecht zu den Ebenen der Stirnseiten orientiert. Eine Hauptströmungsrich tung für das Gasgemisch ist parallel zu den Kanten des Elementkastens orientiert, die gegenüberliegende Stirnseiten miteinander verbinden.

Mehrere dieser mit katalytisch aktiven Platten bestückte Elementkästen werden in einem Modul zusammengefaßt, und mehrere Module bilden eine Ebene von Platten katalysatoren. So hat beispielsweise eine sogenannte DeNO_x-Anlage zur Verminde rung der Stickoxide im Rauchgas einer Verbrennungsanlage meist 3-5 Ebenen sol cher Plattenkatalysatoren.

Zur Beabstandung der Platten in einem Elementkasten weisen die Platten meist eingeprägte Sicken auf, die parallel zur Hauptströmungsrichtung verlaufen und den Raum zwischen zwei unmittelbar benachbarten Platten in mehrere Unterräume unterteilen. Diese Unterräume werden im wesentlichen laminar von dem Gas gemisch durchströmt, so daß sich bei fortschreitender Durchströmungsstrecke des Plattenkatalysators in den Unterräumen ein für die katalytische Umsetzung, bei spielsweise der Stickoxide mit Ammoniak, zunehmend unvorteilhafter werdendes Strömungsprofil und eine inhomogener werdende Gasverteilung aufgrund einer mangelhaften Durchwirbelung der Komponenten des Gasgemisches ergeben.

Zur Verbesserung dieser Verwirbelung sind bereits statische Mischer bekannt, die in Strömungsrichtung des Gasgemisches vor einem Plattenkatalysator angeordnet sind und dabei nachteiligerweise eine nicht unerhebliche Wegstrecke im Nach laufgebiet des Mischers zur Verwirbelung der Komponenten des Strömungs mediums beanspruchen (vgl. DE-OS 41 23 161). Auch sind Katalysatoren mit einer eine hohe Verwirbelung erzielender Kreuzkanalstruktur der Gaskanäle (Unter räume) bekannt. Diese Katalysatoren verursachen jedoch einen relativ hohen Druckabfall in einer Leitung für das Strömungsmedium und verstopfen bei stark staub- und partikelbeladenen Gasgemischen relativ schnell.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Plattenkatalysator anzugeben, bei dem die katalytisch aktive Oberfläche be sonders gleichmäßig und intensiv zur katalytischen Umsetzung von in dem Strö mungsmedium enthaltenen unerwünschten Komponenten, wie z. B. in einem Rauchgas enthaltene Stickoxide, genutzt wird. Dabei ist es wünschenswert, wenn der Druckabfall möglichst gering ist und eine Verstopfung des Katalysators sicher vermieden werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Plattenkatalysator derart ausgebildet ist, daß ein Strömungsmedium in mindestens einem Reaktions raum durch eine Struktur und Anordnung der Platten bzw. benachbarter Platten zu einander zumindest teilweise von einer Hauptströmungsrichtung abgelenkt ist, wo bei ein Reaktionsraum zwischen je zwei unmittelbar benachbarten Platten und der an einer An- und einer Abströmseite für das Strömungsmedium durchlässigen Hal terungsvorrichtung begrenzt ist.

Hierdurch wird erreicht, daß das Strömungsmedium in einem Reaktionsraum infol ge seiner Ablenkung sowohl lokal als auch makroskopisch über den gesamten Reaktionsraum hinweg durchmischt wird, wodurch ebenso erreicht ist, daß die Komponenten des Strömungsmediums besonders häufig an die Oberfläche der mit der katalytisch aktiven Masse beschichteten Platten geführt werden. Auf diese Weise ist die Adsorptionswahrscheinlichkeit für die unerwünschten Komponenten des Strömungsmediums, beispielsweise Stickoxide und Ammoniak in einem Rauch gas, besonders hoch. Im besonderen für die katalytische Umsetzung von Stickoxiden mit Ammoniak ist die Adsorption der Stickoxide und des Ammoniaks besonders vorteilhaft für deren katalytische Reaktion an den aktiven Zentren der ka talytischen Masse. Auf diese Weise bleibt auch die Sherwoodzahl, die ein Maß für einen von der Strömung induzierten Beitrag zur katalytischen Aktivität des Kataly sators ist, entlang der Durchströmungsstrecke auf nahezu konstant hohem Niveau, was bedeutet, daß auch die katalytische Aktivität des Katalysators entlang der Durchströmungsstrecke weitgehend gleichmäßig und intensiv ausgenutzt wird. Dies steht im krassen Gegensatz zu den bisher üblichen laminar durchströmten Katalysa toren, bei denen die Sherwoodzahl entlang der Durchströmungsstrecke absinkt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekenn zeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von sieben Figuren erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 in perspektivischer und teilweise aufgebrochener Darstellung zwei aufein andergestapelte Katalysatorplatten mit unterschiedlicher Struktur;

Fig. 2 eine teilweise aufgebrochene Aufsicht auf die Katalysatorplatten gemäß der Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt gemäß der Linie III-III in Fig. 2;

Fig. 4 eine Aufsicht auf die Anströmseite eines Elementkastens, in den die Kata lysatorplatten gemäß der Fig. 1 bis 3 aufeinandergestapelt eingebaut sind;

Fig. 5 eine teilweise aufgebrochene Aufsicht auf zwei Katalysatorplatten mit gleich ausgebildeter Struktur, wobei die Struktur der unmittelbar benach barten Katalysatorplatten in einem Winkel zueinander angeordnet ist;

Fig. 6 einen Schnitt durch die Katalysatorplatten gemäß der Linie VI-VI in Fig. 5; und

Fig. 7 eine teilweise aufgebrochene Darstellung von zwei Katalysatorplatten mit gleicher Struktur und einem sinusförmigen Profil, wobei die Strukturen senkrecht zueinander angeordnet und Durchbrüche auf den Steigungs flanken des sinusförmigen Profils vorgesehen sind.

Fig. 1 zeigt in teilweise aufgebrochener perspektivischer Darstellung zwei unmit telbar übereinander angeordnete Katalysatorplatten 2, 4. Die Katalysatorplatten 2, 4 sowie alle in den weiteren Figuren nachfolgenden Katalysatorplatten sind beidseitig mit einer katalytisch aktiven Masse beschichtet, die jedoch aus Gründen der Über sichtlichkeit nicht weiter dargestellt ist. Von den Katalysatorplatten 2, 4 wird ein Reaktionsraum 6 begrenzt, der durch eine Struktur 8, 10 der Katalysatorplatten 4 bzw. 2 geformt ist. Dabei sind in die Katalysatorplatte 4 als Struktur Sicken 8 ein geprägt worden, die parallel zu einer Hauptströmungsrichtung 12 zwischen zwei Rändern der Platte 4 verlaufen. Die Ablenkung eines Strömungsmediums, das parallel zur Hauptströmungsrichtung 12 in den Reaktionsraum 6 einströmt, wird im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 im wesentlichen durch eine kreuzkanalartige Struktur 10 der Katalysatorplatte 2 bewirkt.

Diese kreuzkanalartige Struktur 10 sind Senkungen 14 und Erhebungen 16, die etwa in einem Winkel von 45° zur Hauptströmungsrichtung 12 ausgerichtet sind. Die Senkungen 14 und Erhebungen 16 verlaufen dabei unter mehrfacher Richtungsän derung von jeweils etwa 90° zwischen zwei Rändern der Platte 2. Diese sogenannte offene Kreuzkanalstruktur zeichnet sich durch eine gute Verwirbelung der Kompo nenten des Strömungsmediums bei gleichzeitig sehr geringem Druckabfall und sehr geringer Verstopfungsgefahr durch im Strömungsmedium enthaltene Partikel und Stäube aus.

Ein Plattenkatalysator 18, wie er in Fig. 4 in Aufsicht auf seine Anströmseite dargestellt ist, ist einfach durch abwechselndes Aufeinanderstapeln der Katalysa torplatten 2, 4 herzustellen. Aufgrund der besonders guten Verwirbelung des Strömungsmediums, beispielsweise eines stickoxidhaltigen Rauchgases einer Ver brennungsanlage, werden in einem solchen Plattenkatalysator 18 die Stickoxide und zuvor in das Rauchgas eingebrachtes Ammoniak besonders oft an die Oberfläche der mit der katalytisch aktiven Masse beschichteten Katalysatorplatten 2, 4 geführt, wodurch die Adsorptionswahrscheinlichkeit für die Stickoxide und das Ammoniak an den Katalysatorplatten 2, 4 erheblich gegenüber Platten mit laminarer Strömung ansteigt. Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird in diesem Ausfüh rungsbeispiel also in vorteilhafter Weise durch eine abwechselnde Anordnung von Platten 4 mit Struktur 8 ausschließlich parallel zur Hauptströmungsrichtung 12 und Platten 2 mit im Winkel zur Hauptströmungsrichtung 12 verlaufender Struktur 10 gelöst

Fig. 2 zeigt die Katalysatorplatten 2, 4 gemäß der Fig. 1 in teilweise aufgebro chener Aufsicht und verdeutlicht nochmals die Anordnung der Strukturen 8, 10 zu einander.

Der in Fig. 3 dargestellte Schnitt gemäß der Linie III-III in Fig. 2 stellt heraus, daß die Katalysatorplatten 2, 4 in einfacher Weise mittels ihrer Strukturen, also der Sicken 8, und der Erhebungen und Senkungen 16 bzw. 14 beabstandet sind. Außer dem wird hier, wie schon in Fig. 1, nochmals herausgestellt, daß der Reaktions raum 6 zwischen den Katalysatorplatten 2, 4 nicht in einzelne Unterräume aufgeteilt ist, wie dies im Stand der Technik üblich ist, sondern ein einziger Raum ist, der an den Berührungspunkten der Strukturen 8, 14 punktuell unterbrochen ist.

Fig. 4 zeigt ausschnittweise eine Aufsicht auf die Anströmseite eines Plattenkata lysators 18. Dieser Plattenkatalysator 18 umfaßt die aus den Fig. 1 bis 3 be kannten Katalysatorplatten 2, 4, die abwechselnd aufeinander gestapelt und in einen Elementkasten 20 eingebaut sind. Der Elementkasten 20 besteht im Ausführungs beispiel aus dünnen Blechen aus einem nichtrostenden Stahl und weist an den Längsseiten 22, 24 nicht weiter dargestellte Führungsschienen für die Katalysator platten 2, 4 auf, die aufgrund dessen einfach in den Elementkasten einzuschieben sind.

In Fig. 5 ist dargestellt, in welcher Weise der Erfindungsgedanke mit Katalysator platten 26, 28 eines Plattenkatalysators 30 umgesetzt werden kann, wenn die Kata lysatorplatten als Struktur ein wellenförmiges Profil, zum Beispiel ein Sägezahn-, oder ein Dreieck- oder, wie im Ausführungsbeispiel dargestellt, ein Sinusprofil, auf weisen. Die Strukturen 32, 34 der Katalysatorplatten 26 bzw. 28 verlaufen dabei in einem Winkel zur Hauptströmungsrichtung 12, wobei sich die Richtungen der Strukturen kreuzen und die Strukturen 32, 34 ohne Richtungsänderung zwischen zwei Rändern der jeweiligen Katalysatorplatte 26, 28 verlaufen. Ein Reaktionsraum 36 ist von je zwei Katalysatorplatten 26, 28 sowie im in einen Elementkasten 20 ge mäß der Fig. 4 eingebauten Zustand auch von den Seitenwänden 22, 24 des Elementkastens 20 begrenzt. Der Reaktionsraum 36 ist, wie schon beim vorhergehenden Ausführungsbeispiel, über den gesamten Raum zwischen zwei Katalysatorplatten 26 und 28 ausgedehnt und nur an den Berührungspunkten der Katalysatorplatten 26, 28, die sich aufgrund der Struktur 32, 34 ergeben, punktuell unterbrochen. Mittels der Struktur 32, 34 sind die Katalysatorplatten 26, 28 auch gegeneinander beabstandet (vergleiche hierzu auch Fig. 6, die einen Schnitt gemäß der Linie VI-VI in Fig. 5 darstellt).

Aufgrund der gewellten Strukturen 32, 34, die in einem Winkel zur Hauptströ mungsrichtung 12 verlaufen, wird ein parallel zur Hauptströmungsrichtung 12 in den Reaktionsraum 36 einströmendes Strömungsmedium von der Hauptströmungs richtung 12 abgelenkt und verwirbelt. Hierdurch werden die Abscheideraten für bei spielsweise Stickoxide mit Ammoniak zum einen durch eine sehr homogene Vertei lung der Komponenten des Strömungsmediums und zum anderen durch eine erhöh te Adsorptionswahrscheinlichkeit für die im Strömungsmedium enthaltenen Stick oxide und Ammoniak gegenüber Plattenkatalysatoren mit laminar durchströmten Katalysatorplatten verbessert. Dies hat zur Konsequenz, daß die katalytische Aktivität des Plattenkatalysators 30 gegenüber laminar durchströmten Plattenkata lysatoren erhöht wird, weil der durch die Strömungsführung induzierte Beitrag zur katalytischen Aktivität des Katalysators angehoben wird.

Die durch die Strömungsführung induzierte Komponente der katalytischen Aktivität kann weiter gesteigert werden, wenn beispielsweise ausgehend von einer Struktur und Anordnung der Katalysatorplatten 26, 28 zueinander in Flächenelementen, die gegen eine Hauptplattenebene (hier die Darstellungsebene der Fig. 5) und die Hauptströmungsrichtung 12 geneigt sind, Durchbrüche 38 vorgesehen sind, wie dies in Fig. 7 perspektivisch und teilweise aufgebrochen dargestellt ist. Die Durchbrü che sind in den Katalysatorplatten 26, 28 als Löcher 38 ausgeführt, die jeweils auf den Steigungsflanken des sinusförmigen Profils 32, 34 angeordnet sind. Hierdurch wird erreicht, daß das Strömungsmedium nicht nur innerhalb eines Reaktionsraums 36 von der Hauptströmungsrichtung 12 abgelenkt und damit vermischt wird, son dern auch noch zumindest teilweise in benachbarte Reaktionsräume (die hier ober halb der Platte 28 und unterhalb der Platte 26 angeordneten und nicht dargestellten Reaktionsräume) eintreten kann.

Diese Ausgestaltung führt also dazu, daß nicht nur lokale Konzentrationsunter schiede durch Turbulenzen des Strömungsmediums ausgeglichen werden, sondern auch Konzentrationsunterschiede, die sich über das Katalysatorvolumen innerhalb eines Elementkastens 20 erstrecken, ausgeglichen werden können. Die Löcher 38 können beispielsweise auch als Laschen oder Fähnchen ausgeführt sein, die aus den Katalysatorplatten 26, 28 ausgestanzt sind und in die jeweiligen Reaktionsräume hineinragen. Bei der Anordnung der Durchbrüche 38 kann auf vielerlei Weise verfahren werden. Sie können sowohl in der ansteigenden als auch in der abfallenden Steigungsflanke der Struktur 32, 34 angeordnet sein, und können auch in Hauptströmungsrichtung 12 zueinander versetzt angeordnet sein.

Claims

1. Plattenkatalysator (18, 30), der mehrere in einer Halterungsvorrichtung (20) an geordnete und mit einer katalytisch aktiven Masse beschichtete Platten (2, 4, 26, 28) umfaßt, bei dem ein Strömungsmedium in mindestens einem Reaktionsraum (6, 36) durch eine Struktur (8, 10, 32, 34) und Anordnung der Platten (2, 4, 26, 28) bzw. benachbarter Platten (2, 4, 26, 28) zueinander zumindest teilweise von einer Haupt strömungsrichtung (12) abgelenkt ist, wobei ein Reaktionsraum zwischen je zwei unmittelbar benachbarten Platten (2, 4, 26, 28) und der an einer An- und einer Abströmseite für das Strömungsmedium durchlässigen Halterungsvorrichtung (20) begrenzt ist.

2. Plattenkatalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur ein wellenförmiges Profil (32, 34) der Platten (26, 28) ist.

3. Plattenkatalysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur (10, 32, 34) in einem Winkel zur Hauptströmungsrichtung (12) ausgerichtet ist.

4. Plattenkatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Struktur (8, 32, 34) ohne Richtungsänderung zwischen zwei Rändern der Platte (4, 26, 28) verläuft.

5. Plattenkatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Struktur (10) mit mindestens einer Richtungsänderung zwi schen zwei Rändern der Platte (2) verläuft.

6. Plattenkatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß Platten (4) mit Struktur (8) ausschließlich parallel zur Haupt strömungsrichtung (12) und Platten (2) mit im Winkel zur Hauptströmungsrichtung (12) verlaufender Struktur (10) abwechselnd angeordnet sind.

7. Plattenkatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß Platten (26, 28) mit im Winkel zur Hauptströmungsrichtung (12) verlaufender Struktur (32, 34) aufeinander gestapelt angeordnet sind, und daß sich die Richtungen der Strukturen (32, 34) unmittelbar benachbarter Platten (26, 28) schneiden.

8. Plattenkatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Platten (2, 4, 26, 28) mittels ihrer Struktur (8, 10, 32, 34) beabstandet sind.

9. Plattenkatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß gegen eine Hauptplattenebene und die Hauptströmungsrichtung (12) geneigte Flächenelemente der Platten (26, 28) Durchbrüche (38) umfassen.