DE4341159B4 - Wabenförmiger Katalysator und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
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Abstract
Wabenförmiger Katalysator
(2, 34), insbesondere zur Stickoxidminderung im Abgas, bei dem mehrere
Katalysatorteile (6 bis 12, 36 bis 58) mit parallel zueinander ausgerichteten
Strömungskanälen zu einem Katalysatorkörper (4,
32) zusammengefügt
sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Katalysatorteil (6 bis
12, 36 bis 58) eine Zelldichte zwischen 50 und 1000 Zellen pro (2,54 × 2,54 cm2) und Wandstärken kleiner 1 mm aufweist
und dass auf dem Außenumfang
des Katalysatorkörpers
(4, 32') eine keramische Schicht (18) mit Rauhtiefen von etwa 1
mm aufgebracht ist.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf einen wabenförmigen Katalysator, insbesondere zur Stickoxidminderung im Abgas.
- Zur Verminderung der in einem Abgas eines Verbrennungsmotors enthaltenen Schadstoffe, im besonderen der Stickoxide, hat sich für Verbrennungsmotoren, die mit einem Luftüberschuß betrieben werden, wie z. B. Diesel- und Magermotoren, das System des geregelten Dieselkatalysators (GDK) als bisher vorteilhafteste Möglichkeit erwiesen. Diese im wesentlichen auf dem Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) beruhende Technik ist mittlerweile in Veröffentlichungen und Patentanmeldungen, z. B den deutschen Patentanmeldungen
DE 43 10 926 A1 undDE 43 15 278 A1 , beschrieben. Durch diese Druckschriften ist es bekannt, daß anstelle des üblicherweise im SCR-Verfahren verwendeten Ammoniaks zur Vermeidung der mit dem Ammoniak verbundenen Gefahren, wie z. B. seine Giftigkeit und Geruchsbelästigung, das zur katalytischen Umsetzung der Stickoxide erforderliche Reduktionsmittel in Form einer wässrigen Harnstofflösung im Fahrzeug mitzuführen. Aus der wässrigen Harnstofflösung kann dann Ammoniak in der augenblicklich gerade benötigten Menge erzeugt werden. - Ferner sind zahlreiche Rezepturen für die chemische Zusammensetzung solcher Katalysatoren und Herstellverfahren zur Erreichung einer vorteilhaften Porenstruktur des Katalysators bekannt. Desweiteren sind Bauformen mit wabenförmigen oder plattenförmigen Strukturen bekannt, deren hydraulischer Durchmesser, bei quadratischen Wabenkanälen als innere Seitenlänge einer Wabe definiert, von zwei bis 30 mm reicht (
DE 26 58 539 A1 ). - Wegen im allgemeinen sehr beengter Platzverhältnisse beim Einbau solcher Katalysatoren in Fahrzeugen muß eine möglichst platzsparende Bauform des Katalysators erzielt werden. Dazu sind beispielsweise kleinere hydraulische Durchmesser notwendig, als die in der
DE 26 58 539 A1 angegebenen. Inder deutschen PatentanmeldungDE 42 15 481 A1 sind deshalb Wabenkatalysatoren mit Zelldichten von 100 bis 600 Zellen pro Quadratinch offenbart, die dementsprechend hydraulische Durchmesser kleiner 2 mm aufweisen. Die Wandstärken solcher Katalysatoren liegen unterhalb einem Millimeter. - Bei derart feinen Zellteilungen mit Wandstärken unter 0,5 mm ergeben sich bei der Herstellung der wabenförmigen Katalysatoren Trocknungsprobleme nach der Extrusion. Diese Trocknungsprobleme machen sich in Durchbrüchen und Rissen im Katalysator bemerkbar, die um so gravierender werden, je größer der Durchmesser des extrudierten Katalysators ist. Demgegenüber benötigen jedoch Motoren mit großer Leistung, z. B. LKW-Dieselmotoren mit 300 kW Leistung und mehr, aufgrund des von solchen Motoren ausgestoßenen hohen Abgasmassenstroms bei vertretbarem Druckverlust aber große Anströmquerschnitte der Katalysatoren. Zugleich ist aus Schallemissionsgründen eine möglichst runde Form des Anströmquerschnitts anzustreben. Für Dieselmotoren mit etwa 300 kW Leistung sind Durchmesser von zirka 40 cm und größer erforderlich. Derartige Katalysatoren können derzeit, bei vertretbarem Aufwand, nicht in einem Stück extrudiert werden.
- Wabenförmige Katalysatoren, die durch das Zusammenfügen von Katalysatormodulen hergestellt werden, sind aus den Druckschriften
DE 3046921 A1 undDE 29 17 773 C2 bekannt. - Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen wabenförmigen Katalysator und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, bei denen nur ein geringer zusätzlicher Aufwand erforderlich ist, um wabenförmige Katalysatoren mit bisher nicht erreichbaren Durchmessern herzustellen.
- Bezüglich des Katalysators wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mehrere Katalysatorteile mit im wesentlichen parallel zueinander ausgerichteten Strömungskanälen zu einem Katalysatorkörper zusammengefügt sind, wobei jeder Katalysatorteil eine Zelldichte zwischen 50 und 1000 Zellen pro Quadratinch (2,54 cm × 2,54 cm) und Wandstärken kleiner 1 mm aufweist und wobei am Außenumfang des Katalysatorkörpers eine keramische Schicht mit Rauhtiefen von etwa 1 mm aufgebracht ist.
- Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zunächst einzelne Katalysatorteile extrudiert und anschließend mehrere dieser Teile nach erfolgter Trocknung und/oder Kalzinierung zu einem Katalysatorkörper der gewünschten Querschnittsform zusammengefügt werden.
- Auf diese Weise werden Katalysatoren bereitgestellt, die trotz der angegebenen Zellteilung und der angegebenen Wandstärken Durchmesser erreichen, die ansonsten bei gleichen geometrischen Abmessungen einen besonders hohen Aufwand bei der Extrusion solcher Katalysatoren erfordert hätten.
- Zum Einbau eines solchen Katalysators in die Abgasleitung beispielsweise eines LKW-Dieselmotors ist es vorteilhaft, wenn der Katalysator einen in sich stabilen und aus einem einzigen Teil bestehenden Katalysatorkörper umfaßt. Dies kann erreicht werden, wenn die Katalysatorteile mit einem Kleber zusammengefügt sind, der einen oder mehrere der Bestandteile Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Eisenoxid, Titanoxid, Kalziumoxid, Magnesiumoxid, Kaliumoxid und Natriumoxid aufweist.
- Ein solcher Kleber aus einem oder mehreren dieser Bestandteile hat darüber hinaus die Eigenschaft, daß bei geeigneter Wahl der Zusammensetzung ein thermischer Ausdehnungskoeffizient des Klebers erreicht wird, der mit dem Ausdehnungskoeffizient der einzelnen Katalysatorteile nahezu identisch ist. Dieser thermische Ausdehnungskoeffizient beträgt vorzugsweise 5–6·10–6K–1. Ein Kleber mit einem solchen thermischen Ausdehnungskoeffizienten beinhaltet beispielsweise jeweils etwa 45 bis 49 Gew.-% Siliziumdioxid SiO2 und Aluminiumoxid Al2O3.
- Beim Einbau des Katalysators in der Abgasleitung von Motoren mit großer Leistung ist es zur Erreichung eines geringen Schallemissionspegels vorteilhaft, wenn die Katalysatorteile Segmentform haben und der aus den zusammengefügten Segmenten bestehende Katalysatorkörper einen kreisrunden Querschnitt hat.
- Um bei besonders hohen Abgasmassenströmen eines Motors mit großer Leistung einen noch vertretbaren Druckverlust zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn der Durchmesser dieses kreisrunden Querschnitts größer als 25 cm ist. So sind beispielsweise für Motoren mit 300 kW Leistung Durchmesser von ca. 40 cm erforderlich.
- Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Unteransprüchen zu entnehmen.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung naher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 einen Querschnitt durch einen ersten wabenförmigen DeNOx-Katalysator; -
2 einen Längsschnitt durch den ersten DeNOx-Katalysator an der Linie II-II der1 ; -
3 einen aus mehreren Katalysatorteilen zusammengesetzten Katalysatorkörper; und -
4 einen Querschnitt durch einen zweiten DeNOx-Katalysator mit dem gegenüber der3 modifizierten Katalysatorkörper. - In dem in
1 gezeigten Querschnitt eines ersten DeNOx-Katalysators2 erkennt man einen aus vier segmentförmigen Katalysatorteilen6 bis12 zusammengesetzten Katalysatorkörper4 . Die einzelnen Katalysatorsegmente6 bis12 haben im Ausführungsbeispiel eine Zelldichte von 100 Zellen pro Quadratinch (2,54 cm × 2,54 cm) bei einer Wandstärke von etwa 0,4 mm. Zur Vereinfachung der graphischen Darstellung sind die Waben daher nur in einem kleinen Ausschnitt14 des Katalysatorsegments6 eingezeich net. Die Katalysatorsegmente6 bis12 sind mit relativ geringem Aufwand direkt in einem Stück extrudierbar. Ein Durchmesser d1 des Extruders beträgt dabei etwa 25 cm. Die wabenförmigen Katalysatorsegmente6 bis12 bestehen im wesentlichen aus Titandioxid mit einem oder mehreren der Zusätze Wolframoxid, Molybdänoxid, Vandiumoxid und VMoO-Mischoxidphasen. Solche Segmente sind damit zur katalytischen Umsetzung von Stickoxiden mit einem geeigneten Reduktionsmittel, wie z. B. Ammoniak, geeignet. - Durch Zusammenfügen der Katalysatorsegmente
6 bis12 ergibt sich der Katalysatorkörper4 , dessen Durchmesser D2 den Durchmesser d1 des Extrudierwerkzeugs deutlich übertrifft. Der Durchmesser d2 beträgt im Ausführungsbeispiel etwa 40 cm. Der Zusammenhalt der Katalysatorsegmente6 bis12 wird durch einen Kleber16 erzielt, der im wesentlichen aus Siliziumdioxid und Aluminiumoxid und Zusätzen von Eisenoxid, Titanoxid etc. besteht. Der Kleber16 kann ebenso auch noch Spuren wie Kalziumoxid, Magnesiumoxid, Kaliumoxid und Natriumoxid aufweisen. Auf diese Weise kann beispielsweise bei dem Kleber16 , der im Ausführungsbeispiel jeweils etwa 47 Gew.-% SiO2 und Al2O3 und jeweils etwa 3 Gew.-% Fe2O3 und TiO2 enthält, ein bevorzugter thermischer Ausdehnungskoeffizient von etwa 5–6·10–6K–1 eingestellt werden. Dieser Ausdehnungskoeffizient entspricht etwa dem der Katalysatorsegmente6 bis12 , was zur Verminderung von Druckspannungsgradienten beiträgt. - Auf dem Außenumfang des Katalysatorkörpers
4 ist eine keramische Schicht18 aufgebracht, mittels der der Außenumfang des aus Katalysatorsegmenten6 bis12 zusammengesetzten Katalysatorkörpers4 über die Stoßstellen der Segmente6 bis12 hinweg glattgespachtelt ist. Die Zusammensetzung dieser keramischen Schicht18 gleicht im wesentlichen der Zusammensetzung der Kleberschicht16 . Die Kleberschicht16 und die keramische Schicht18 haben im Ausführungsbeispiel eine Dicke von etwa 2 mm. Hierbei ist die keramische Schicht18 aufgerauht und weist Rauhtiefen von etwa 1 mm auf. - Diese Aufrauhung ergibt eine besonders gute Verbindung der keramischen Schicht
18 mit einer um den Außenumfang gelegten Quellschicht20 , die ihrerseits innenseitig in ein zylindrisches Metallgehäuse22 eingelegt ist. Die Quellschicht20 besteht im Ausführungsbeispiel aus Aluminiumsilikat- und Glimmerfasern, die sich beim Erhitzen, d. h. beim Einsatz des DeNOx-Katalysators2 auf seiner Betriebstemperatur, ausdehnen und auf diese Weise einen festen Verbund zwischen Metallgehäuse22 und dem Katalysatorkörper4 mit darauf aufgebrachter keramischer Schicht18 herstellen. Gleichzeitig ist die Quellschicht20 jedoch noch so verformbar, daß mit ihr die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des Metallgehäuses22 und des Katalysatorkörpers4 ausgeglichen werden, so daß der Katalysatorkörper4 weitgehend querspannungsfrei, aber mit gleichmäßig mäßigem Andruck in dem Metallgehäuse22 gehalten ist. -
2 zeigt einen Längsschnitt gemäß der Linie II-II durch den ersten DeNOx-Katalysator2 der1 . Das Metallgehäuse22 weist Ausbuchtungen24 auf, in die die Quellschicht20 eingreift und ein Verrutschen des Katalysatorkörpers4 entlang der Hauptsymmetrieachse26 vermeidet. An der Stirnseite des DeNOx-Katalysators2 ist das Metallgehäuse22 abgeknickt. Im Bereich der Knickstellen28 ist innenseitig ein geringfügig deformierbares Drahtgeflecht30 eingelegt, das einen Austritt der Quellschicht20 aus dem Zwischenraum zwischen Katalysatorkörper4 und Metallgehäuse22 sicher verhindert. Alternativ zu dem Metallgeflecht können ebenso gut hitzebeständige Dichtmassen oder Kunststoffe verwendet werden. - Der in
3 dargestellte Katalysatorkörper32 des in der4 komplettiert dargestellten zweiten DeNOx-Katalysators34 besteht, wie aus dem hier gezeigten Querschnitt ersichtlich ist, aus vier Katalysatorteilen36 bis42 mit quadratischem Querschnitt und acht Katalysatorteilen44 bis58 mit rechteckigem Querschnitt. Die Katalysatorteile36 bis58 ha ben dieselbe Wabenstruktur und dieselbe chemische Zusammensetzung wie die bereits anhand1 erläuterten Katalysatorsegmente6 bis12 . Die Katalysatorteile36 bis58 werden auch mit dem gleichen Kleber16 untereinander zusammengehalten. Auf eine Darstellung der Wabenstruktur ist hier verzichtet worden. - Der in
4 gezeigte Querschnitt des zweiten DeNOx-Katalysators34 umfaßt einen gegenüber der3 geringfügig modifizierten Katalysatorkörper32' . Der modifizierte Katalysatorkörper32' erhielt seinen kreisrunden Querschnitt durch Ausschneiden von Teilbereichen der Katalysatorteile44 bis58 des Katalysatorkörpers32 der3 . Als Schneidwerkzeug kann beispielsweise eine Draht- oder Lochsäge verwendet werden, da die im wesentlichen aus Titandioxid bestehenden Katalysatorteile36 bis58 nur eine geringe Härte aufweisen. Auf dem Außenumfang des Katalysatorkörpers32' , genauer auf den Außenumfängen der nun modifizierten Katalysatorteile44' bis58' , ist wieder die bereits aus der1 bekannte keramische Schicht18 aufgebracht. Aufgrund der Aufrauhung der keramischen Schicht18 wird – wie schon zu1 erläutert – eine gute Haftung an der Quellschicht20 erreicht, die ihrerseits von dem Metallgehäuse22 umgeben ist. Die Kantenlänge d3 der Katalysatorteile36 bis42 beträgt im Ausführungsbeispiel etwa 15 cm. Der aus Katalysatorteilen dieser maximalen Querschnittsabmessung hergestellte Katalysatorkörper32' hat im Ausführungsbeispiel einen Durchmesser d4 von etwa 42,5 cm. Wie schon zu den1 und2 erläutert, ist auch dieser Katalysator34 mit einer äußerst feinen Wabenstruktur in besonders einfacher Weise mit beliebigen Durchmessern fertigbar. - Ähnlich wie die DeNOx-Katalysatoren
2 und34 aufgebaut sind, können beispielsweise auch die in einem GDK-System vorgesehenen Hydrolyse- und Oxidationskatalysatoren aufgebaut sein. Die chemische Zusammensetzung solcher Katalysatoren kann von der hier eingeführten Zusammensetzung abweichen und entspre chend der von ihnen zu katalysierenden Reaktion abgewandelt werden. Grundsätzlich können solche Katalysatoren alle Materialien enthalten, die als Bestandteil einer pastösen Masse, einer Flüssigkeit oder eines Pulvers vorliegen und damit zu einem Extrudat oder einen Bestandteil eines Extrudats weiterverarbeitbar sind. Dies sind auch beispielsweise Edelmetalle und Metalle der Übergangsreihe des periodischen Systems sowie deren Salze und/oder Sauerstoffverbindungen, wobei hier auch binäre, tertiäre oder quaternäre usw. Systeme gemeint sein können.
Claims (11)
- Wabenförmiger Katalysator (
2 ,34 ), insbesondere zur Stickoxidminderung im Abgas, bei dem mehrere Katalysatorteile (6 bis12 ,36 bis58 ) mit parallel zueinander ausgerichteten Strömungskanälen zu einem Katalysatorkörper (4 ,32 ) zusammengefügt sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Katalysatorteil (6 bis12 ,36 bis58 ) eine Zelldichte zwischen 50 und 1000 Zellen pro (2,54 × 2,54 cm2) und Wandstärken kleiner 1 mm aufweist und dass auf dem Außenumfang des Katalysatorkörpers (4 ,32' ) eine keramische Schicht (18 ) mit Rauhtiefen von etwa 1 mm aufgebracht ist. - Wabenförmiger Katalysator (
2 ,34 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorteile (6 bis12 ,36 bis58 ) mit einem Kleber (16 ) zusammengefügt sind, der einen oder mehrere der Bestandteile Siliziumdioxid SiO2, Aluminiumoxid Al2O3, Eisenoxid Fe2O3, Titanoxid TiO2, Kalziumoxid CaO, Magnesiumoxid MgO, Kaliumoxid K2O und Natriumoxid Na2O umfaßt. - Wabenförmiger Katalysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kleber (
16 ) jeweils 45 bis 49 Gew.-% Siliziumdioxid SiO2 und Aluminiumoxid Al2O3 enthält. - Wabenförmiger Katalysator (
2 ,34 ) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kleber (16 ) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 5–6·10–6K–1 aufweist. - Wabenförmiger Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der aus den zusammengefügten Segmenten (
6 bis12 ) bestehende Katalysatorkörper (4 ) einen kreisrunden Querschnitt hat. - Wabenförmiger Katalysator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des kreisrunden Querschnitts größer als 25 cm ist.
- Wabenförmiger Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysatorkörper (
4 ,32' ) in ein Metallgehäuse (22 ) mit in das Metallgehäuse (22 ) innenseitig eingelegter Quellschicht (20 ) eingebaut ist, und an den Stirnseiten Mittel (30 ) zur Vermeidung von Quellschichtaustrag vorgesehen sind. - Wabenförmiger Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorteile (
6 bis12 ,36 bis58 ) Edelmetalle und/oder Metalle der Übergangsreihen des periodischen Systems sowie deren Sauerstoffverbindungen enthalten. - Verfahren zur Herstellung eines wabenförmigen Katalysators nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem zunächst einzelne Katalysatorteile (
6 bis12 ,36 bis58 ) extrudiert und mehrere dieser Teile (6 bis12 ,36 bis58 ) nach erfolgter Trocknung und/oder Calcinierung zu einem Katalysatorkörper (4 ,32 ,32' ) der gewünschten Querschnittsform zusammengefügt werden, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Außenumfang des Katalsysatorkörpers (4 ,32 ,32' ) eine keramische Schicht (18 ) mit Rauhtiefen von etwa 1 mm aufgebracht wird. - Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Katalysatorteile (
6 bis12 ,36 bis58 ) mittels eines geeigneten Klebers (16 ) zu einem monolitischen Katalysatorkörper (4 ,32 ) zusammengefügt werden. - Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem Katalysatorkörper (
32 ) mittels eines Schneidewerkzeuges eine bestimmte Querschnittsform gegeben wird.
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