DE4316132A1 - Plattenkatalysator - Google Patents
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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 DeNOx-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 (9)
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.
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