DE69534984T2

DE69534984T2 - Katalytische Einheit und Abgasreinigungsvorrichtung

Info

Publication number: DE69534984T2
Application number: DE69534984T
Authority: DE
Inventors: c/o Kure Research Laboratory Kato Kure-shi Yasuyoshi; c/o Kure Works Ishikawa Kure-shi Tomihisa; c/o Kure Works Nagai Kure-shi Yoshinori; c/o Kure Works Morita Kure-shi Isato; c/o Kure Works Mukai Kure-shi Masato; c/o Kure Works Yamada Kure-shi Akihiro; c/o Kure Works Michimoto Kure-shi Takashi; c/o Bab-Hitachi Engineering Co. Morii Kure-shi Masaharu; c/o Babcock-Hitachi Kabushiki K. Kuroda Hiroshi
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Priority date: 1994-11-15
Filing date: 1995-11-14
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2015-11-15
Also published as: CZ151796A3; KR960706369A; EP1027917B2; DE69527943D1; PL183015B1; CA2178842A1; EP0744207B1; TW301614B; EP1284155A2; EP1284155A3; RU2158634C2; DE69534984T3; JP2006015344A; CN1122560C; AU3856895A; CA2178842C; AU692616B2; US5792432A; FI119682B; DE69527943T2

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Katalysatoreinheit zum Reinigen eines Gases und genauer eine Katalysatoreinheit, die plattenförmige Katalysatorelemente benutzt, um in effizienter Weise Stickoxyde (hiernach bezeichnet als „NOx") mit Ammoniak (NH₃) zu reduzieren, sowie eine Gasbehandlung, bei der die Katalysatoreinheit verwendet wird.
HINTERGRUNDTECHNIK
Das NOx, das in dem Auspuffgas enthalten ist, welches von energieerzeugenden Anlagen, Fabriken, Kraftfahrzeugen und dergleichen abgegeben wird, ist eine Substanz, die ursächlich für fotochemischen Smog und sauren Regen ist. Ein Verfahren zum Denitrieren von Auspuffgas, das NH₃ als ein reduzierendes Mittel für die selektive katalytische Reduktion benutzt, ist zuvor als ein effektives Denitrierverfahren weit verbreitet in thermischen Energieanlagen eingesetzt worden. Ein Titanoxyd (TiO₂)-Katalysator, der Vanadium (V), Molybdän (Mo) oder Wolfram (W) als einen aktiven Bestandteil enthält, wird eingesetzt. Insbesondere ist ein Katalysator, der Vanadium (V) enthält, hochgradig aktiv, schwer durch Verunreinigungen zu verschlechtern, die in den Auspuffgasen enthalten sind, und selbst bei niedrigen Temperaturen effektiv. Daher ist ein solcher Katalysator der gegenwärtig weit verbreitetste denitrierende Katalysator (JP-A-50-128681).
Allgemein werden Katalysatorelemente in der Form einer Honigwabe oder einer Platte gebildet. Verschiedenartige Verfahren zum Herstellen von Katalysatorelementen sind entwickelt worden. Eine wohlbekannte flache katalytische Platte ist gebildet worden, indem ein gitterartiges Basiselement, hergestellt durch Ausarbeiten einer dünnen metallischen Folie zu einer metallischen Unterlagen und Sprühen von Aluminium über die metallische Unterlage, ein textiles Gewebe oder ein Gespinst mit einem Katalysator überzogen und beschichtet wurde. Diese flache katalytische Platte wird bearbeitet, um ein plattenförmiges Katalysatorelement 1 zu erhalten, das Rippen 2 mit einem wellenartigen Querschnitt und flache Abschnitte 3 in abwechselnder Anordnung aufweist, wie es in 2 gezeigt ist. Eine Vielzahl solcher Katalysatorelemente 1 wird in Schichten in einem Gehäuse 4 gestapelt, wobei sich die Rippen 2 in dieselbe Richtung erstrecken, um eine Katalysatoreinheit 8 aufzubauen (JP-A 54-79188 und japanische Anmeldung 63-324676), wie es in 26 gezeigt ist. Da diese bekannte Katalysatoreinheit 8 einen vergleichsweise kleinen Druckverlust hervorruft und nicht leicht mit Ruß und Kohleaschen verstopft werden kann, wird die Katalysatoreinheit 8 weit verbreitet in den Denitriervorrichtungen zum Denitrieren von Auspuffgasen aus Kesseln bei der thermischen Energieerzeugung benutzt.
Die Anzahl der energieerzeugenden Einrichtungen, die mit Gasturbinen oder Kombinationen aus Gasturbinen und Abwärme wiedergewinnenden Kesseln ausgestattet ist, hat in den jüngsten Jahren progressiv zugenommen, um der Spitzennachfrage nach Energie im Sommer zu begegnen. Die meisten solcher energieerzeugenden Einrichtungen finden sich den Vororten von Städten, und Vorrichtungen zum Bearbeiten von Auspuffgasen müssen hochwirksam und kompakt angesichts der Bedingungen vor Ort und des Umweltschutzes sein. Unter diesen Umständen benutzt ein Verfahren zum effizienten Reduzieren des NOx-Gehaltes von Auspuffgasen, das in der JP-A-55-152552 vorgeschlagen ist, eine Katalysatoreinheit 8, die aufgebaut ist, indem Katalysatorelemente 1 wie in 2 gezeigt, gestapelt werden, so daß die jeweiligen Rippen 2 der benachbarten Katalysatorelemente 1 sich senkrecht zueinander erstrecken, und ordnet die Katalysatoreinheit 8 mit den Rippen 2 der abwechselnden Katalysatorelemente 1, die sich senkrecht zu der Richtung des Gasstromes 6 erstrecken, und mit den Rippen 2 des Restes der Katalysatorelemente 1, die sich parallel zu der Richtung des Gasstromes 6 erstrecken, wie in 27 gezeigt, an.
Eine Katalysatoreinheit 11, die in der JP-U-52-6673 vorgeschlagen ist, wird gebildet, indem metallische Unterlagen oder metallische Bleche ausgearbeitet sind, um gewellte Bleche 9 mit aufeinander folgenden Giebeln 10 mit einem wellenartigen Querschnitt und ohne irgendwelche ebenen Bereiche, wie in 29, gezeigt, zu erhalten, durch Aufbauen einer Tragestruktur durch Stapeln der gewellten Bleche 9, so daß die jeweiligen Giebel 10 der benachbarten gewellten Bleche 9 sich übereinander erstrecken, wie in 30 gezeigt, und ein Katalysator wird auf der Trägerstruktur unterstützt, um die Katalysatoreinheit 11 fertig zu stellen. Die Katalysatoreinheit 8 der 26 benötigt die folgenden Verbesserungen, um eine hocheffiziente, kompakte Vorrichtung zum Verarbeiten von Auspuffgasen aufzubauen. 31 zeigt einige der Gasdurchlässe, die durch die Katalysatorelemente 1 definiert sind, welche mit den Rippen 2 parallel zu der Richtung des Gasstromes 6 liegend, gestapelt sind. Katalysatoreinheiten 8 dieses Typs rufen sehr geringen Druckabfall hervor, so daß die Vorrichtung zum Verarbeiten von Auspuffgas, das die Katalysatoreinheit 8 dieses Typs benutzt, wenig Energie für den Betrieb erfordert. Da jedoch die Ströme von Gas in den Gasdurchlässen der Katalysatoreinheit 8 nicht sehr turbulent sind und die Bewegungsdistanz der Komponenten des Gases in den Gasdurchlässen klein ist, ist die katalytische Reaktionsrate (Gesamtreaktionsrate) gering, und der Katalysator ist nicht in der Lage, voll seine Aktivität zu zeigen.
Wenn die Katalysatoreinheit 8 aufgebaut ist, indem die Katalysatorelemente 1 so gestapelt werden, daß sich die Rippen 2 parallel zu der Richtung des Gasstromes 6 erstrecken, wie es in 26 gezeigt ist, ist die Steifigkeit der Katalysatoreinheit in Bezug auf die Richtung, in die sich die Rippen 2 erstrecken (Längsrichtung) sehr groß, während die Steifigkeit derselben in Bezug auf die Richtung senkrecht zu der Längsrichtung gering ist. Daher gibt es leichte Unterschiede in der Breite zwischen den Gasdurchlässen in der Längsrichtung der Rippen 2 und in der senkrecht dazu.
Bei der Katalysatoreinheit 8, die in 27 gezeigt ist, bei der die jeweiligen Rippen 2 der benachbarten Katalysatorelemente 1 senkrecht zueinander sind, üben die Rippen 2, die sich senkrecht zu der Richtung des Gasstromes 6 erstrecken, starke, das Gas störende Effekte aus, um zu fördern, daß die Substanzkomponenten des Gases einer katalytischen Reaktion ausgesetzt werden. Jedoch arbeiten diese Rippen 2 als Barrieren gegen den Strom des Gases, was einen großen Druckverlust hervorruft.
Ein geringer Freiheitsgrad beim Verändern des Saugverlustes und der Leistungsfähigkeit ist ein Problem bei der Katalysatoreinheit 8, die in 27 gezeigt ist. Da die Katalysatoreinheit 8 aufgebaut ist, indem abwechselnd Katalysatorelemente 1 derselben Form gestapelt werden, ändert sich das Öffnungsverhältnis der Katalysatoreinheit 8 nicht, und somit sinkt der Saugverlust nicht signifikant, selbst wenn die Teilung der Rippen 2 (der Abstand zwischen den benachbarten Rippen) geändert wird. Weiterhin, da die Länge der Katalysatorelemente 1 gleich der Größe der Vorderseite der Katalysatoreinheit 8 sein muß, ist es schwierig, gegebenenfalls die Länge der Katalysatorelemente 1 zu ändern. Natürlicherweise können zwei Typen Katalysatorelemente 1 unterschiedlicher Formen, z.B. solche, die sich in der Teilung der Rippen 2 unterscheiden, abwechselnd gestapelt werden, jedoch erfordern solche zwei Typen Katalysatorelemente 1 komplexe Herstellungsprozesse, die einen Zuwachs bei den Herstellungskosten mit sich bringen.
Bei der Katalysatoreinheit 8, die in 27 gezeigt ist, ist die Teilung der Rippen 2, die in beträchtlicher Weise die Wirkung des Katalysators auf die Reaktionsrate und Druckabfall beeinflußt, ein wichtiger Faktor. Obwohl die Rippen 2 mit gleichen Teilungen angeordnet sind, ist der Abstand zwischen dem Einlaßende der Katalysatoreinheit 8 und der ersten Rippe 2 und der zwischen der letzten Rippe 2 und dem Auslaßende der Katalysatoreinheit 8 in Bezug auf die Richtung des Gasstromes 6 nicht besonders festgelegt. Da die Katalysatoreinheit 8, die in 27 gezeigt ist, aufgebaut ist, indem die Katalysatorelemente 1 einer gegebenen Länge gestapelt werden, die durch Schneiden eines kontinuierlichen katalytischen Bleches, das mit den Rippen 2 unter gegebenen Teilungen in gegebenen Intervallen bereitgestellt wird, erhalten wird, nimmt in einigen Fällen der Abstand zwischen dem Ende der Katalysatoreinheit 8 und der erste Rippe 2 zu, wenn die Menge an Katalysator, die für die katalytische Reaktion notwendig ist, ansteigt, d.h. wenn die Länge der Katalysatorelemente 1 vergrößert wird. Folglich biegt sich der flache Abschnitt, und es ist schwierig, gleichförmige Stromdurchlässe zu bilden, und es ist möglich, daß der Endabschnitt des Katalysatorelementes sich biegt, wie es in 28 gezeigt ist, so daß er den Gasdurchlaß blockiert, wodurch der Wirkungsgrad der Katalysatoreinheit 8 auf Grund der Zunahme im Strömungswiderstand und nicht ausgeglichenen Gasströmen gesenkt wird.
Die gewellten Katalysatorelemente 9 der Katalysatoreinheit 11, die in 30 gezeigt ist, haben keine Abschnitte, die den flachen Abschnitten 3 der Katalysatorelemente 1 entsprechen, wie sie in 2 gezeigt sind. Wenn daher die Höhe der Giebel 10 im wesentlichen gleich der Rippen 2 der Katalysatorelemente 1 ist, in den 26 und 27 gezeigt, sind die Giebel 10 der benachbarten gewellten Katalysatorelemente 9 an einer sehr großen Anzahl von Kontaktpunkten in Kontakt. Daher, wenn der Gasstrom 6 über den Querschnitt der kubischen Katalysatoreinheit 11 strömt, bewirken zahlreiche Kontaktpunkte der Giebel 10 Strömungswiderstand gegen die Gasströmung 6, was den Druckverlust vergrößert.
Die DE 43 16 132 A1 offenbart gelochte Katalysatorplatten.
Demgemäß ist es eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Probleme im Stand der Technik zu lösen und eine Katalysatoreinheit zur Verfügung zu stellen, die in der Lage ist, die Turbulenz eines Gases zu vergrößern, das in ihren Gasdurchlässen verarbeitet werden soll, um die Bildung laminarer Filme zu unterdrücken und weiter katalytische Wirkungen zu verbessern.
Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Probleme in dem Stand der Technik zu lösen und eine Katalysatoreinheit zur Verfügung zu stellen, die in der Lage ist zu bewirken, daß ein Gas, das verarbeitet werden soll, in befriedigender Weise über katalytische Flächen diffundiert, ohne den Druckverlust zu vergrößern, und die Leistungsfähigkeit des Katalysators zu verbessern.
Eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Probleme im Stand der Technik zu lösen und eine Reinigung von Auspuffgasen zu erreichen, indem eine Katalysatoreinheit verwendet wird, die in der Lage ist, den Wirkungsgrad des Katalysators zu verbessern, indem weiter die Geschwindigkeitsverteilung eines Gases, das verarbeitet werden soll, auf einen höheren Wert angehoben wird, ohne einen Druckverlust in der Gasströmung hervorzurufen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Im allgemeinen wird die Reaktion zwischen einer Gasströmung, die durch ein Rohr strömt, und einem Katalysator, der auf der Wand des Rohres getragen wird, ausgedrückt durch: 1/K = 1/Kr + 1/Kf,wobei K die Geschwindigkeitskonstante der gesamten katalytischen Reaktion ist, Kr die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante der Einheitsfläche ist und Kf der Filmkoeffizient der Massenübertragung eines Gases ist, was angibt, wie leicht ein Gas über katalytische Flächen diffundiert.
Wie es aus dem Ausdruck offensichtlich ist, kann der katalytische Wirkungsgrad eines Katalysators verbessert werden, indem der Filmkoeffizient der Massenübertragung des Gases vergrößert wird.
Die vorliegende Erfindung ist dazu gedacht, ein Problem zu lösen, den Wirkungsgrad des Katalysators zu vergrößern, indem die Diffusion des Gases über die Oberflächen der katalytischen Flächen im größtmöglichen Ausmaß verbessert werden, ohne den Druckverlust des Gases, das durch die Katalysatoreinheit strömt, zu vergrößern.
Die Katalysatoreinheit gemäß der Erfindung ist in Anspruch 1 definiert.
Die vorliegende Erfindung wird leichter durch Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen verstanden werden, jedoch sind diese Zeichnungen dazu gedacht, die Erfindung zu veranschaulichen, und sollten nicht so ausgelegt werden, daß sie den Umfang der Erfindung beschränken.
Die Rippen der plattenförmigen Katalysatorelemente gemäß der vorliegenden Erfindung können irgendeine Form haben, vorausgesetzt daß die Rippen und die flachen Abschnitte abwechselnd parallel zueinander angeordnet sind. Die Rippen können mit irgendeinem der Querschnitte einer S-gekrümmten Form, einer Zick-Zack-Form und einer konvexen Reliefform gebildet sein, wie es in den 3(a) bis 3(e) beispielhaft gezeigt ist.
Obwohl es keine besondere Einschränkung für die Höhe der Rippen von der Fläche der flachen Abschnitte gibt, ist eine gewünschte Höhe der Rippen der Katalysatorelemente, die für die Denitrierung verwendet werden, in dem Bereich von 1.5 bis 14 mm. Außerordentlich geringe Höhe vergrößert den Druckverlust, und außerordentlich große Höhe vergrößert das Volumen an Katalysator, das notwendig ist, um den selben Wirkungsgrad sicher zu stellen. Die Breite der flachen Abschnitte ist abhängig von der Biegefestigkeit des Katalysatorelementes; eine größere Breite ist vorteilhafter, vorausgesetzt, daß sich das Katalysatorelement nicht biegt, da eine größere Breite effektiver den Druckverlust verringert. Eine wünschenswerte Breite liegt in dem Bereich von 5 bis 25 mal der Höhe der Rippen von der Oberfläche des flachen Abschnittes her. Üblicherweise liegt die Breite der flachen Abschnitte des Katalysatorelementes, das für die Denitrierung verwendet wird, im Bereich von etwa 10 bis etwa 150 mm.
Eine Katalysatoreinheit gemäß der vorliegenden Erfindung, welche Katalysatorelemente benutzt, die durch Bearbeiten gelochter Basisplatten gebildet worden sind, wir hiernach beschrieben werden.
Ein Beispiel, das einen metallischen Maschendraht als eine gelochte Basisplatte benutzt, wird erläutert werden. Ein Katalysatorelement mit einem metallischen Maschendraht, welcher einen Katalysator trägt, so daß dessen Maschen, die den Löchern einer gelochten Platte entsprechen, Durchgangsöffnungen sind, wird hergestellt, indem beispielsweise ein dünnes Metall blech bearbeitet wird, um einen metallischen Draht zu erhalten, welcher Maschen hat, die mit Teilungen in dem Bereich von 1 bis 5 mm angeordnet sind, und der metallische Maschendraht direkt beschichtet wird, oder derselbe nach dem Aufrauhen der Oberfläche durch Metallisieren beschichtet wird, indem Aluminium oder dergleichen verwendet wird, mit einem Schlamm, der einen Katalysator aufweist, so daß die Maschen von dem Schlamm nicht verschlossen werden, indem der metallische Maschendraht vollständig mit einem Schlamm, der einen Katalysator enthält, beschichtet wird, und komprimierte Luft gegen den metallischen Maschendraht geblasen wird, der vollständig mit dem Schlamm beschichtet ist, um die Maschen zu öffnen, die von dem Schlamm verstopft sind.
Einige der Maschen des Katalysatorelementes sind offen, und andere sind geschlossen. Die folgenden Katalysatorelemente haben besonders ausgezeichnete katalytische Eigenschaften.

(1) Ein Katalysatorelement mit flachen Abschnitten, die mit dem Katalysator beschichtet sind, so daß die Maschen von dem Katalysator verschlossen werden, und Rippen mit beispielsweise einem Querschnitt, aus denjenigen, die in 3 gezeigt sind, welche sich in eine feste Richtung erstrecken und Maschen haben, die nicht von dem Katalysator verschlossen sind.
(2) Ein Katalysatorelement mit flachen Abschnitten, die mit einem Katalysator beschichtet sind, deren Maschen nicht von dem Katalysator verschlossen sind, und Rippen der vorgenannten Form mit Maschen, die von dem Katalysator verschlossen sind.
(3) Ein Katalysatorelement mit flachen Abschnitten und Rippen mit Maschen, die mit einem Katalysator verschlossen sind.

Das Katalysatorelement (3) wird in Kombination mit den Katalysatorelementen (1) und (2) verwendet.
7 bis 11 zeigen typischerweise einen Gasstrom 6 in Räumen zwischen Katalysatorelementen 1, welche eine Katalysatoreinheit bilden und durch Bearbeiten beispielsweise metallischer Maschendrähte gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet sind. Die 7 bis 10 zeigen typischerweise die Katalysatoreinheiten, die durch Stapeln der Katalysatorelemente 1 aufgebaut sind, so daß die Rippen 2 jedes Katalysatorelementes 1 und diejenigen des Katalysatorelementes 1, das unter dem vorherigen Katalysatorelement liegt, sich senkrecht zuein ander erstrecken. In 7 sind alle Maschen des den Katalysator tragenden metallischen Maschendrahtes der Katalysatorelemente 1 offen; in 8 sind nur die Maschen in Teilen des den Katalysator tragenden metallischen Maschendrahtes offen, welche die Rippen 2 des Katalysatorelementes 1 bilden; in 9 sind nur die Maschen in Teilen des den Katalysator tragenden metallischen Maschendrahtes, welche die flachen Abschnitt 3 bilden, offen; in 10 sind die Katalysatorelemente 1, bei denen alle die Maschen der metallischen Maschendrähte verschlossen sind, und die Katalysatorelemente 1', bei denen alle die Maschen der metallischen Maschendrähte offen sind, abwechselnd gestapelt.
11 zeigt einen Teil einer Katalysatoreinheit gemäß der vorliegenden Erfindung, wie er schräg von oberhalb der Katalysatoreinheit gesehen wird. Diese Katalysatoreinheit ist aufgebaut, indem eine Vielzahl von Katalysatorelementen 1 gestapelt wird, die offene Maschen 4 nur in den Rippen 2 haben, so daß die Giebel der Rippen 2 der beiden benachbarten Katalysatorelemente 1 einander schneiden, um einen Gasdurchlaß zwischen den benachbarten Katalysatorelementen 1 zu bilden, so daß ein Teil des Gases kontinuierlich oder stufenweise in bezug auf die Richtung des Gasstromes 6 blockiert ist. 11 zeigt einen Gasstrom 6 in einer Katalysatoreinheit, die durch abwechselndes Stapeln der Katalysatorelemente aufgebaut ist, so daß die Rippen 2 unter einem Winkel größer als 0° und kleiner als 90° zur Richtung des Gasstromes 6 geneigt sind.
Wie in den 7 bis 11 gezeigt, wenn der Widerstand der Rippen 2, die sich senkrecht zu der Richtung des Gasstroms 6 erstrecken, oder der Rippen 2, die sich unter einem Winkel zu der Richtung des Gasstromes 6 erstrecken, gegen den Gasstrom 6 zunimmt, strömt das Gas durch die offenen Maschen 4 (11) aus einem in einen anderen Durchlaß benachbart dem ersteren, der durch das Katalysatorelement 1 von dem letzteren getrennt ist. Folglich wird der Gasstrom 6 verwirbelt (gestört), um die katalytische Aktivität zu vergrößern. Der Druckverlust, der durch die Rippen 2 hervorgerufen wird, wird durch die Gasströme durch die Maschen der Katalysatorelemente 1 verringert werden, so daß der Zugverlust der Katalysatoreinheit gering ist. Da die Rippen 2 der Katalysatorelemente 1, wie sie in 11 gezeigt sind, unter einem Winkel größer als 0° und kleiner als 90° zu der Richtung des Gasstroms 6 geneigt sind und somit das Gas, das in die Katalysatoreinheit strömt, schräg auf die Rippen 2 auftrifft, wird die Strömungsdurchlaßfläche der Gasdurchlässe nicht plötzlich verringert und nach und nach und kontinuierlich oder stufenweise verringert im Vergleich zu der Verringerung der Strömungsdurchlaßfläche in den Katalysatoreinheiten, die in den 7 bis 10 gezeigt sind, so daß der Gasstrom von den Rippen 2 nicht übermäßig blockiert wird. Folglich kann der Druckverlust weiter reduziert werden, wobei der Verwirbelungseffekt ausreichend ist, um die erhaltene Aktivität zu verbessern.
Die Katalysatoreinheit gemäß der vorliegenden Erfindung, welche eine solche gelochte Platte verwendet, hat eine ausgezeichnete Wirkung beim Mischen und Verwirbeln des Gases zum Verbessern und Fördern der katalytischen Leistungsfähigkeit und eine ausgezeichnete Wirkung beim Verringern des Zugverlustes.
Eine Katalysatoreinheit gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der die Katalysatorelemente durch Bearbeiten der gelochten Platten und Stapeln derart gebildet sind, daß ihre Rippen unter einem Winkel größer als 0° und kleiner als 90° geneigt sind, kann nach irgendeinem der Aufbauten gebildet werden, die in der früheren Anmeldung EP 95 936 791 /0 744 207 gezeigt ist, die gemäß Artikel 76 EPÜ eingereicht worden ist.
Das Katalysatorelement gemäß der vorliegenden Erfindung, das durch Bearbeiten der gelochten Platte gebildet ist, kann eingesetzt werden, um eine Katalysatoreinheit 8 aufzubauen, die Katalysatorelemente 1' mit Rippen 2 einer geringeren Höhe und Katalysatorelemente 1 mit Rippen 2 einer größeren Höhe aufweist, welche in einer abwechselnden Anordnung gestapelt sind, wie sie in 12 gezeigt ist, und um eine Katalysatoreinheit 8 aufzubauen, die Katalysatorelemente 1 mit zwei Arten von Rippen 2 und 2' unterschiedlicher Höhen haben und so gestapelt sind, daß die Giebel der jeweiligen Rippen 2 und 2' der benachbarten Katalysatorelemente 1 senkrecht zueinander sind, wie es in 18 gezeigt ist. Eine Katalysatoreinheit, nicht gezeigt, kann aufgebaut werden, indem abwechselnd Katalysatorelemente 1 mit zwei Arten von Rippen 2 und 2' unterschiedlicher Höhe und Katalysatorelemente 1 mit Rippen 2 derselben Höhe gestapelt werden.
Die vorliegende Erfindung umfaßt eine Katalysatoreinheit 8, wie sie in 12 gezeigt ist, aufgebaut durch abwechselndes Stapeln von Katalysatorelementen 1 und 1', die jeweils Rippen 2 mit größerer Höhe und Rippen 2' mit geringerer Höhe haben, so daß die Kanten der Rippen 2 und 2' sich senkrecht zueinander (12) oder unter einem Winkel größer als 0° und kleiner als 90° schneiden.
Bei der Katalysatoreinheit 8, die in 27 gezeigt ist, bei der die Giebel der jeweiligen Rippen 2 der benachbarten Katalysatorelemente 1 senkrecht zueinander sind, haben die Rippen 2 dieselbe Höhe, und die Rippen 2 müssen mit vergleichsweise großen Abständen angeordnet werden, um den Zugwiderstand der Katalysatoreinheit 8 auf einen kleinen Wert zu begrenzen; das heißt, die Anzahl der Rippen 2 der Katalysatoreinheit 8 muß klein sein, um den Zugwiderstand auf einen kleinen Wert zu begrenzen und folglich kann das Gas nicht zufriedenstellend gestört werden.
Der Zugwiderstand der Katalysatoreinheit 8 beruht auf einem Verlust in der kinetischen Energie des Gasstromes, hervorgerufen durch einen turbulenten Strom, der durch Verengen und Aufweiten von Durchlässen, die durch die Rippen 12 gebildet sind, verursacht wird. Da der Verlust der kinetischen Energie stark von der Sperreigenschaft des Gasdurchlaßabschnittes (dem Öffnungsverhältnis des Durchlasses) abhängig ist, ist der Zugwiderstand um so kleiner, je größer das Öffnungsverhältnis ist, d.h. je niedriger die Rippen 2 sind. Daher ist es für das Verringern des Zugwiderstandes ein effektives Mittel, die Rippen 2 des Katalysatorelementes 1, die so angeordnet sind, daß sich deren Giebel der Rippen 2 sich senkrecht zu der Richtung des Gasstromes 6 erstrecken, mit einer geringeren Höhe auszubilden, um das Öffnungsverhältnis des Durchlasses des Aufpuffgases zu vergrößern.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung führten die folgende Studie der Wirkung der Störung des Gasstromes beim Fördern des Massentransports durch. In einer Katalysatoreinheit, die durch Stapeln von Katalysatorelementen mit Rippen, die unter festen Intervallen angeordnet sind, aufgebaut ist, so daß die Giebel der jeweiligen Rippen der benachbarten Katalysatorelemente senkrecht zueinander sind, wurde die Strömungsdurchlaßfläche eines Durchlasses zwischen den beiden benachbarten Katalysatorelementen, die jeweils Rippen unterschiedlicher Höhe hatten, variiert, um die Beziehung zwischen der katalytischen Leistungsfähigkeit und dem Zugwiderstand zu überprüfen. Die Ergebnisse der Studie sind in 14 gezeigt.
Experimente wurden durchgeführt, indem eine Katalysatoreinheit verwendet wurde, die durch Stapeln zweier Typen Katalysatorelemente 1 und 1' aufgebaut war, die jeweils Rippen 2 und 2' unterschiedlicher Höhen haben, wie in 13 gezeigt, so daß die Giebel der Rippen 2 und 2' sich senkrecht zueinander erstrecken. Die Rippen 2 des Katalysatorelementes 1 haben eine Höhe h₁ von der Oberfläche des flachen Abschnitts 3 und sind in einem Abstand P₁ an geordnet. Die Katalysatorelemente 1' haben eine Höhe h₂ von der Oberfläche des flachen Abschnitts 3' und sind mit einem Abstand P₂ angeordnet.
Es wurde ein Vergleich vorgenommen zwischen einer Katalysatoreinheit, die durch abwechselndes Stapeln von Katalysatorelementen mit Rippen 2 der Höhe h₁ = 6 mm und Katalysatorelementen 1' mit Rippen 2' der Höhe h₂ = 4 mm, so daß die Rippen 2 der Katalysatorelemente 1 senkrecht zu der Richtung des Gasstroms sind und die Rippen 2' der Katalysatorelemente 1' parallel zu der Richtung des Gasstromes 2 sind, aufgebaut, und einer Katalysatoreinheit, die durch abwechselndes Stapeln von Katalysatorelementen 1 mit Rippen 2 und Katalysatorelementen 1' mit Rippen 2' der Höhe h₂ = 4 mm, so daß die Rippen 2 der Giebel der Katalysatorelemente 1 parallel zu der Richtung des Gasstromes sind und die Rippen 2' der Katalysatorelemente 1' senkrecht zu der Richtung des Gasstromes sind, aufgebaut wurde. Die Ergebnisse des Vergleichs sind in 14 gezeigt.
Wie es aus 14 offensichtlich ist, sind die Katalysatoreinheit, die durch abwechselndes Stapeln von Katalysatorelementen 1 mit Rippen 2 der Höhe h₁ = 6 mm und Katalysatorelementen 1' mit Rippen 2' der Höhe h₂ = 4 mm, so daß die Rippen 2 der Katalysatorelemente 1 senkrecht zu der Richtung des Gasstroms sind und die Rippen 2' der Katalysatorelemente 1' parallel zu der Richtung des Gasstroms sind, aufgebaut ist, verglichen mit der Katalysatoreinheit, die durch abwechselndes Stapeln von Katalysatorelementen 1 mit Rippen 2 der Höhe h₁ = 6 mm und Katalysatorelementen 1' mit Rippen 2' der Höhe h₂ = 4 mm, so daß die Rippen 2 der Giebel der Katalysatorelemente 1 parallel zu der Richtung des Gasstroms sind und die Rippen 2' der Katalysatorelemente 1' senkrecht zu der Richtung des Gasstroms sind, aufgebaut war, im wesentlichen identisch, was die Denitrierfähigkeit betrifft, und der Zugwiderstand der Katalysatoreinheit mit den Rippen 2' der Höhe h₂ = 4 mm, die sich senkrecht zu der Richtung des Gasstroms erstrecken, beträgt nur ungefähr 60 % dessen der Katalysatoreinheit mit den Rippen 2 der Höhe h₁ = 6 mm.
In ähnlicher Weise hat eine Katalysatoreinheit in Kombination mit Katalysatorelementen 1' mit Rippen 2' der Höhe h₃ = 3 mm und sich senkrecht zu der Richtung des Gasstromes erstreckend, und Katalysatorelementen 1 mit Rippen 2 der Höhe h₁ = 7 mm, einen weiter verringerten Zugwiderstand. Es ist bekannt, daß die Verringerung des Zugwiderstandes einen kleinen Effekt auf die Verringern der Massentransportrate hat.
Daher ist eine Katalysatoreinheit mit Rippen, die Turbulenz fördern, einer großen Höhe nicht notwendigerweise bevorzugt; Rippen einer geringeren Höhe sind hinsichtlich des Verringerns des Zugwiderstandes wünschenswert, vorausgesetzt, daß die Rippen in der Lage sind, das Gas effektiv zu stören (in der Lage sind, die Dicke der laminaren Filme zu verringern, die auf den katalytischen Flächen gebildet werden).
Bei den Katalysatoreinheiten des Standes der Technik, in 27 gezeigt, muß das Intervall zwischen den Rippen 2 (die Breite der flachen Abschnitte 3) verringert werden, um ein zufriedenstellendes Vermögen sicherzustellen, wenn die Höhe der Rippen 2 verkleinert wird. Die Verringerung des Intervalls zwischen den Rippen vergrößert die Anzahl der Rippen 2 über eine notwendige Anzahl hinaus und erhöht den Zugwiderstand.
Demgemäß umfaßt die vorliegende Erfindung eine Katalysatoreinheit, die durch abwechselndes Stapeln von Katalysatorelementen mit, in einer abwechselnden Anordnung, einer Vielzahl linearer Rippen und einer Vielzahl flacher Abschnitte parallel zu den Rippen, aufgebaut ist, bei denen, wie in den 13(a) und 13(b) gezeigt, die zwei Typen der Katalysatorelemente 1 und 1' jeweils Rippen 2 und 2' unterschiedlicher Höhe abwechselnd mit Rippen 2 und 2', die sich senkrecht zueinander erstrecken, gestapelt sind.
Obwohl es keine besondere Einschränkung für die Höhen der Rippen bei den beiden Typen der Katalysatorelemente gibt, liegen die Höhen, wie in den 13(a) und 13(b) gezeigt, der Rippen der Katalysatoreinheiten, die zum Einsatz für die Denitrierung gedacht sind, in den folgenden Bereichen.
Höhe h₁ (höhere Rippen 2):
3 bis 14 mm, weiter bevorzugt 3 bis 10 mm
Die Giebel der Rippen 2 sind parallel zu der Richtung des Gasstroms.
Höhe h₂ (niedrigere Rippen 2'):
2 bis 6 mm
Die Giebel der Rippen 2' sind senkrecht zu der Richtung des Gasstroms.
Wenn die Höhe h₂ der Rippen 2' übermäßig groß im Vergleich zu der Höhe h₁ der Rippen 2 ist, ist der Zugwiderstand der Katalysatoreinheit so groß wie der bei der Katalysatoreinheit 8 des Standes der Technik, wie sie in 27 gezeigt ist. Wenn die Höhe h₂ der Rippen 2' extrem klein im Vergleich mit der Höhe h₁ der Rippen 2 ist, ist der Gasstöreffekt der Rippen 2' der Katalysatorelemente 1' unbefriedigend, obwohl der Zugwiderstand klein ist, und das katalytische Volumen muß vergrößert werden, um dasselbe Vermögen sicherzustellen.
Demgemäß, wenn die Katalysatorelemente 1 und 1' mit den Rippen 2 und 2' unterschiedlicher Höhe in Kombination verwendet werden, um eine Katalysatoreinheit aufzubauen, ist es wünschenswert, daß das Verhältnis der Höhe der höheren Rippen 2 zu dem der Höhe der niedrigeren Rippen 2' in dem Bereich von 3/2 bis 7/3 ist.
Obwohl es vorteilhaft für das Verringern des Zugwiderstandes ist, die Rippen 2' der Katalysatorelemente 1' so zu bilden, daß die Giebel der Rippen 2' senkrecht zu der Richtung des Gasstromes mit einem geringeren Abstand P₂ angeordnet sind, führt üblicherweise der Abstand P₂ in dem Bereich von ungefähr 30 bis ungefähr 200 mm eine zufriedenstellende Förderungswirkung beim Massentransport hervor.
Es gibt keine besondere Einschränkung für den Abstand P₁ der Rippen 2 des Katalysatorelementes 1, das mit den Giebeln der höheren Rippen 2 parallel zu der Richtung des Gasstromes angeordnet ist. Die Rippen 2 können mit irgendeinem geeigneten Abstand P₁ angeordnet werden, vorausgesetzt, die Katalysatorelemente 1 haben eine geeignete Festigkeit und die Katalysatoreinheit kann Gasdurchlässe sicherstellen.
Bei der Katalysatoreinheit, die in 12 gezeigt ist, können die Katalysatorelemente 1 mit höheren Rippen 2 mit den Giebeln der Rippen 2 parallel zu der Richtung des Gasstromes 6 angeordnet werden, und die Katalysatorelemente 1' mit niedrigen Rippen 2' können mit den Giebeln der Rippen 2' geneigt zu der Richtung des Gasstromes 6 unter einem Winkel größer als 0° und kleiner als 90° angeordnet werden, zum Beispiel in dem Bereich von 30° bis zu einem Winkel unterhalb von 90°, weiter bevorzugt in dem Bereich von 40° bis zu einem Winkel unterhalb von 80°. Eine solche Anordnung der Katalysatorelemente 1 und 1' ist in der Lage, den Gasstrom 6 zu stören, ohne einen beträchtlichen Zuwachs im Zugwiderstand nach sich zu ziehen. Der Gasstrom 6 kann nicht zufriedenstellend gestört werden, wenn der Nei gungswinkel der Giebel der Rippen 2' der Katalysatorelemente 1 zu der Richtung des Gasstroms 6 extrem gering ist.
Ein Katalysatorelement mit zwei Arten von Rippen unterschiedlicher Höhen oder zwei Arten von Katalysatorelementen, die jeweils Rippen unterschiedlicher Höhen haben, kann gebildet werden, indem gelochte Platten bearbeitet werden, aus denen die Katalysatorelemente, die in den 7 bis 11 gezeigt sind, hergestellt werden.
Die vorliegende Erfindung umfaßt eine Katalysatoreinheit, die durch Stapeln einer Vielzahl von Katalysatorelementen 1 gebildet ist, von denen jedes in einer abwechselnden Anordnung Rippensätze, jeweils mit einer höheren Rippe 2 und einer niedrigeren Rippe 2', und flache Abschnitte 3 hat, wie in 17 gezeigt, so daß die Giebel der jeweiligen Rippen 2 und 2' der benachbarten Katalysatorelemente 1 sind senkrecht zueinander erstrecken. Eine Katalysatoreinheit, wie in 18 gezeigt, kann aufgebaut werden, indem abwechselnd Katalysatorelemente 1 mit zwei Typen von Rippen 2 und 2' unterschiedlicher Höhe gestapelt werden und Katalysatorelemente 1 mit Rippen derselben Höhe, so daß die Giebel der Rippen der Katalysatorelemente 1 und diejenigen der Rippen der Katalysatorelemente 1' sich senkrecht zueinander erstrecken.
Die Rippen 2 und 2' des Katalysatorelementes 1 gemäß der vorliegenden Erfindung können irgendeine Form haben, vorausgesetzt, daß die Sätze der Rippen 2 und 2' und die flachen Abschnitte 3 abwechselnd und parallel zueinander gebildet werden. Zum Beispiel können die Rippen 2 und 2' eine Form haben, die irgendeine der Querschnitte aufweist, wie sie in den 19(a) bis 19(e) gezeigt sind.
Obwohl es keine besondere Beschränkung für die Höhen der beiden Arten Rippen 2 und 2' mit irgendwelchen der Formen gibt, die in 20 des Katalysatorelementes 1 gezeigt sind, liegen die Höhen der Rippen 2 und 2' der Katalysatoreinheiten, die für den Einsatz bei der Denitrierung gedacht sind, in den folgenden Bereichen.
Höhe h₁ (höhere Rippen 2):
3 bis 14 mm, weiter bevorzugt 3 bis 10 mm
Die Giebel der Rippen 2 sind parallel zu der Richtung des Gasstroms.
Höhe h₂ (niedrigere Rippen 2'):
2 bis 6 mm
Wenn die Höhe h₂ der niedrigeren Rippen 2' übermäßig groß im Vergleich zu der Höhe h₁ der höheren Rippen 2 ist, nimmt der Zugwiderstand der Katalysatoreinheit zu. Wenn die Höhe h₂ der niedrigeren Rippen 2' extrem gering im Vergleich zu der Höhe h₁ der höheren Rippen 2 ist, ist der Gasstöreffekt der niedrigeren Rippen 2' unbefriedigend, obwohl der Zugwiderstand klein ist, und das katalytische Volumen muß vergrößert werden, um dasselbe Vermögen sicherzustellen.
Obwohl es vorteilhaft beim Verringern des Zugwiderstandes ist, die höheren Rippen 2 mit einem größeren Abstand P₁ auszubilden, führt üblicherweise der Abstand P₁ in dem Bereich von ungefähr 70 bis ungefähr 250 mm eine befriedigende Förderungswirkung beim Massentransport herbei.
Bei der Katalysatoreinheit 8, die in 27 gezeigt ist, bei der die Giebel der jeweiligen Rippen 2 der benachbarten Katalysatorelemente 1 senkrecht zueinander sind, haben die Rippen 2 dieselbe Höhe, und die Rippen 2 müßten mit vergleichsweise großen Abständen angeordnet werden, um den Zugwiderstand der Katalysatoreinheit 8 auf einen kleinen Wert zu begrenzen; das heißt, die Anzahl der Rippen 2 der Katalysatoreinheit 8, die in 27 gezeigt ist, muß klein sein, um den Zugwiderstand auf einen kleine Wert zu begrenzen und folglich kann das Gas nicht in befriedigender Weise gestört werden.
Da der Verlust in der Energie des Gasstroms aufgrund eines turbulenten Stroms, hervorgerufen durch Verengen und Aufweiten des Durchlasses durch die Rippen 2 der Katalysatoreinheit 8, stark von der Sperreigenschaft des Gasdurchlaßabschnittes (Öffnungsverhältnis des Durchlasses) abhängig ist, ist der Zugwiderstand wie oben angesprochen um so kleiner, je größer das Öffnungsverhältnis ist, d.h. je niedriger die Rippen 2 sind. Daher ist es wirksam, die Katalysatoreinheit 8, die in 18 gezeigt ist, zu verwenden, die durch abwechselndes Stapeln der Katalysatorelemente 1, die jedes die beiden Arten Rippen 2 und 2' unterschiedlicher Höhe haben, in 17 gezeigt, für das Verringern des Zugwiderstandes aufzubauen. 21 zeigt typischerweise den Strömungsmodus des Gasstroms 6 in einem Durchlaß, der durch die Katalysatorelemente 1 definiert ist, die jedes der zwei Arten Rippen 2 und 2' unterschiedlicher Höhe haben.
Es ist aus den in 14 gezeigten Ergebnissen der Studie der Förderungswirkung für den Massentransport der Turbulenz des Gases, die von den Erfindern der vorliegenden Erfindung durchgeführt worden ist, bekannt, daß eine Katalysatoreinheit mit Rippen, d.h. turbulenzfördernden Mitteln, einer vergleichsweise großen Höhe nicht notwendig bevorzugt ist und daß Rippen mit einer vergleichsweise geringen Höhe wünschenswert sind, um den Zugwiderstand zu verringern, vorausgesetzt, daß die Dicke der laminaren Filme, die auf den katalytischen Flächen gebildet werden, verkleinert werden kann. Diese Tatsachen gelten auch in dem Fall, bei der eine Katalysatoreinheit die Katalysatorelemente benutzt, die in 17 gezeigt sind.
Zum Beispiel können, obwohl die Katalysatorelemente 1 so angeordnet sind, daß sich die Giebel der Rippen 2 und 2' senkrecht zu der Richtung des Gasstromes 6 in der Katalysatoreinheit, die in 18 gezeigt ist, erstrecken, die Katalysatorelemente 1 so angeordnet werden, daß deren Giebel der Rippen 2 und 2' unter einem Winkel größer als 0° und kleiner als 90° geneigt sind, zum Beispiel unter einem Winkel in dem Bereich von 30° bis zu einem Winkel unterhalb von 90°, weiter bevorzugt in dem Bereich von 40° bis zu einem Winkel unterhalb von 80° zu der Richtung des Gasstroms 6. Eine solche Anordnung der Katalysatorelemente 1 ist in der Lage, den Gasstrom 6 zu stören, ohne daß dies einen signifikanten Zuwachs beim Zugwiderstand nach sich zieht.
Die vorstehenden Katalysatorelemente werden in geeigneten Kombinationen benutzt, um Katalysatoreinheiten gemäß der vorliegenden Erfindung aufzubauen.
Die Katalysatoreinheit der vorliegenden Erfindung kann bei verschiedenen Geräten für die katalytische Reaktion zum Verarbeiten von Gasen eingesetzt werden, sowie katalytisch deodorierende Vorrichtungen, katalytische Verbrennungsmaschinen und Brennstoffreformer. Der Einsatz der Katalysatoreinheiten der vorliegenden Erfindung in den Nitriervorrichtungen für Auspuffgase zum Denitrieren eines Auspuffgases durch Reduzieren des NOx, das in dem Auspuffgas enthalten ist, bei Vorliegen von Ammoniak, ist die typischste Anwendung der vorliegenden Erfindung. Zum Beispiel ist eine Denitriervorrichtung (5), die mit wenigstens einer Katalysatoreinheit der vorliegenden Erfindung versehen ist, welche Katalysatorelemente aufweist, die mit einem Denitrierkatalysator in dem Durchlaß für ein NOx-haltiges Auspuffgas beschichtet sind, in der Lage, das Auspuffgas mit einem hohen Wirkungsgrad für das Entfernen von NOx zu denitrieren, womit ein vergleichsweise geringer Druckverlust in dem Auspuffgas verbunden ist.
Der Druckverlust kann auf einen Wert innerhalb eines erlaubten Bereiches begrenzt werden, durch ein System, so wie einer Anlage, bei der eine Denitriervorrichtung eingesetzt wird, in der eine Katalysatoreinheit der vorliegenden Erfindung benutzt wird, welche die zuvor genannten Katalysatorelemente aufweist, die mit einem denitrierenden Katalysator beschichtet sind, in Kombination, wie in 6 gezeigt, mit einer üblichen Denitriervorrichtung mit niedrigem Druckverlust, welche Katalysatorelemente hat, die so angeordnet sind, daß sich ihre Rippen parallel zu der Richtung der Gasströmung erstrecken (eine honigwabenförmige Denitriervorrichtung mit einer Struktur, die einen honigwabenförmigen Querschnitt hat, oder eine Denitriervorrichtung vom Plattentyp, wie sie in 26 gezeigt ist, mit einer Struktur, die durch Stapeln einer Vielzahl von flachen Platten in Intervallen aufgebaut ist).
Da einige Systeme, beispielsweise eine Anlage, Einschränkungen für den Druckverlust in der Katalysatoreinheit auferlegen und in manchen Fällen ein Druckverlust, der hervorgerufen werden kann, wenn nur die Katalysatoreinheit der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, übermäßig hoch ist, kann der Druckverlust auf einen Wert in dem erlaubten Bereich begrenzt werden, in dem die Katalysatoreinheit der vorliegenden Erfindung in Kombination mit einer gewöhnlichen Katalysatoreinheit eingesetzt wird, die einen geringen Druckverlust hervorruft.
Das Katalysatorelement der vorliegenden Erfindung hat eine hohe Wirksamkeit beim Mischen des Gases in der Katalysatoreinheit. Daher ist die Unregelmäßigkeit von z.B. der Ammoniakkonzentration am Ausgang einer katalytischen Denitriervorrichtung weniger unregelmäßig als die an dem Ausgang einer katalytischen Denitriervorrichtung, die einen geringen Druckverlust hervorruft, selbst wenn die Ammoniakkonzentration dem Eingang der katalytischen Denitriervorrichtung lokal unregelmäßig ist, so daß eine katalytische Vorrichtung, die auf der stromabwärtigen Seite einer katalytischen Denitriervorrichtung angeordnet ist, in der Lage ist, in effektiver Weise zu arbeiten.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine fragmentarische perspektivische Ansicht einer Katalysatoreinheit bei einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Katalysatorelementes bei einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
3(a), 3(b), 3(c), 3(d) und 3(e) sind Ansichten von Katalysatorelementen mit Rippen, die bei der vorliegenden Erfindung genutzt werden;
4 ist eine Schnittansicht eines Katalysatorelementes, das bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung genutzt wird;
5 ist ein Blockschaubild einer Reinigungsvorrichtung für Auspuffgase, welche zwei Katalysatoreinheiten in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist, die hintereinander in einem Durchlaß für Auspuffgas angeordnet sind;
6 ist ein Blockschaubild einer Reinigungsvorrichtung für Auspuffgas, die eine Katalysatoreinheit in einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung und eine Denitriervorrichtung, die geringen Druckverlust hervorruft aufweist, welche auf der stromabwärtigen Seite der Katalysatoreinheit angeordnet ist, angeordnet auf einem Durchlaß für Auspuffgas;
7 ist eine schematische Seitenansicht, welche einen Gasstrom in einer Katalysatoreinheit in Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 ist eine schematische Seitenansicht, die einen Gasstrom in einer Katalysatoreinheit nach Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 ist eine schematische Seitenansicht, die einen Gasstrom in einer Katalysatoreinheit nach Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung zeigt;
10 ist eine schematische Seitenansicht, die einen Gasstrom in einer Katalysatoreinheit nach Beispiel 4 der vorliegenden Erfindung zeigt;
11 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Gasstrom in einer Katalysatoreinheit nach Beispiel 5 der vorliegenden Erfindung zeigt;
12 ist eine perspektivische Ansicht einer Katalysatoreinheit nach den Beispielen 7 und 8 der vorliegenden Erfindung;
13(a) und 13(b) sind perspektivische Ansichten von Katalysatorelementen, die jeweils in den Beispielen 7 und 8 der vorliegenden Erfindung benutzt werden;
14 ist ein Schaubild, das die Eigenschaften von katalytischen Einheiten zeigt, welche Katalysatorelemente aufweisen, die mit Rippen unterschiedlicher Höhe versehen sind;
15 ist eine graphische Darstellung, die die Strömungsgeschwindigkeitseigenschaften des katalytischen Vermögens von Katalysatoreinheiten nach Beispiel 7 der vorliegenden Erfindung und nach den Vergleichsbeispielen 4 und 5 zeigt;
16 ist eine graphische Darstellung, die die Strömungsgeschwindigkeitseigenschaften des Druckverlustes zeigt, der bei den Katalysatoreinheiten nach Beispiel 7 der vorliegenden Erfindung und den Vergleichsbeispielen 4 und 5 hervorgerufen wird;
17 ist eine perspektivische Ansicht eines Katalysatorelementes, das in Beispiel 9 der vorliegenden Erfindung benutzt wird;
18 ist eine perspektivische Ansicht einer Katalysatoreinheit, die bei Beispiel 9 verwendet wird;
19(a), 19(b), 19(c), 19(d) und 19(e) sind Seitenansichten von Beispielen von Rippen von Katalysatorelementen, die bei Beispiel 9 der vorliegenden Erfindung einsetzbar sind;
20 ist eine fragmentarische Schnittansicht eines Katalysatorelementes, das bei Beispiel 9 der vorliegenden Erfindung einsetzbar ist;
21 ist eine Schnittansicht, die einen Gasstrom in einer Katalysatoreinheit, die in Beispiel 9 benutzt wird, zeigt;
22 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Gesamtreaktionsrate und der Gasströmungsgeschwindigkeit der Katalysatoreinheiten nach den Beispielen 1 der EP 95 936 791.3 /0 744 207 und 8 der vorliegenden Erfindung und nach Vergleichsbeispiel 2 der EP 95 936 791.3 /0 744 207 mit einer Katalysatoreinheit 11, wie sie in 30 gezeigt ist, aufzeigt;
23 ist ein graphisches Schaubild, das im Vergleich die Beziehung zwischen Druckverlust und Gasströmungsgeschwindigkeit für die Katalysatoreinheiten in den Beispielen 1 der EP 95 936 791.3 /0 744 207 und 8 der vorliegenden Erfindung und nach Vergleichsbeispiel 2 der EP 95 936 791.3 /0 744 207 und für die Katalysatoreinheit 11, die in 30 gezeigt ist, aufzeigt;
24 ist ein Schaubild, das vergleichsweise Daten, die den Druckverlust darstellen, welcher von den Katalysatoreinheiten nach den Beispielen 1 und 8 der vorliegenden Erfindung und dem Vergleichsbeispiel und der Katalysatoreinheit 11, wie sie in 30 gezeigt ist, auf der Basis desselben Denitriervermögens zeigt;
25 ist ein Blockschaubild einer Reinigungsvorrichtung für Auspuffgas, mit zwei katalytischen Denitriervorrichtungen mit geringem Druckverlust gemäß der vorliegenden Erfindung;
26 ist eine Seitenperspektivenansicht einer Katalysatoreinheit des Standes der Technik;
27 ist eine perspektivische Ansicht einer Katalysatoreinheit des Standes der Technik;
28 ist eine Ansicht zum Unterstützen beim Erläutern von Problemen bei der Katalysatoreinheit der 27;
29 ist eine Draufsicht auf ein Katalysatorelement des Standes der Technik;
30 ist eine perspektivische Ansicht einer Katalysatoreinheit, die durch Stapeln von Katalysatorelementen wie dem, das in 29 gezeigt ist, aufgebaut ist;
31 ist eine fragmentarische perspektivische Ansicht einer Katalysatoreinheit zum Unterstützen beim Erläutern von Problemen beim Stand der Technik;
32 ist eine fragmentarische perspektivische Ansicht einer Katalysatoreinheit zum Unterstützen beim Erläutern von Problemen beim Stand der Technik;
33 ist eine Ansicht zur Unterstützung beim Erläutern eines Modus des Stapelns von Katalysatorelementen des Standes der Technik; und
34 ist eine typische Ansicht, die eine Gasströmung in einer Katalysatoreinheit zeigt, welche durch Stapeln von Katalysatorelementen in dem Modus, der in 33 veranschaulicht ist, aufgebaut ist.
BESTE ART, DIE ERFINDUNG DURCHZUFÜHREN
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in Einzelheiten hiernach beschrieben.
Katalytisches Pulver
Eine Paste mit ungefähr 36 % Feuchtigkeitsgehalt wurde vorbereitet, indem eine Mischung aus 67 kg eines Metatitansäure-Schlammes (30 Gew% TiO₂, 8 Gew% SO₄), 2.4 kg Ammoniumparamolybdat ((NH₄)₆ × Mo₇O₂₄ × 4H₂O) und 1.28 kg Ammoniummetavanadat (NH₄VO₃) verknetet und darin enthaltenes Wasser verdampft wurde, und zwar mittels einer beheizten Knetmaschine. Die Paste wurde in runde Stränge von 3 mm Durchmesser extrudiert, Pellets, die durch Pelletisieren der Stränge erhalten wurden, wurden mittels eines Fluidbetttrockners getrocknet, und dann wurden die getrockneten Pellets bei 250° über 24 Stunden in der Atmosphäre getrocknet, um Granulat zu erhalten. Das Granulat wurde von einer Hammermühle zerstoßen, um die Größe zu reduzieren, so daß als eine erste Komponente ein Pulver mit einer mittleren Korngröße von 5 μm erhalten wurde. Die Zusammensetzung der ersten Komponente war im Atomverhältnis V/Mo/T = 4/5/91.
Beispiele für die Katalysatorelemente, die aus gelochten Platten hergestellt sind, werden hiernach erläutert.
Beispiel 1
Ein SUS 304 Band mit 0.2 mm Dicke und 500 mm Breite wurde bearbeitet, um einen metallischen Maschendraht zu erhalten mit Maschen mit 2.1 mm Breite, angeordnet mit einem Abstand von 2.1 mm, Aluminium wurde auf der Oberfläche des Maschendrahtes mit 100 g/m² durch einen Aluminiumsprühprozeß abgelagert, um die Oberfläche des metallischen Maschendrahtes aufzurauhen, der metallische Maschendraht wurde durch Pressen bearbeitet, um ein Katalysatorträgerband von 0.9 mm Dicke mit Rippen mit einer Höhe h = 4.0 mm und flachen Abschnitten mit einer Breite P = 80 mm zu erhalten, wie in 4 gezeigt, und dann wurde das Katalysatorträgerband geschnitten, um Katalysatorträgerplatten 480 mm × 480 mm zu erhalten.
Ein katalytischer Schlamm wurde hergestellt, indem 10 kg des oben definierten katalytischen Pulvers in 20 kg Wasser dispergiert wurden, die Katalysatorträgerplatten wurden in den katalytischen Schlamm getaucht, um die Katalysatorträgerplatten mit einer ungefähr 500 μm dicken Beschichtung aus katalytischem Schlamm zu beschichten, Druckluft wurde gegen die Katalysatorträgerplatten geblasen, die mit dem katalytischen Schlamm beschichtet waren, um den katalytischen Schlamm, der die Maschen verstopft, zu entfernen, und dann wurden die Katalysatorträgerplatten, die mit dem katalytischen Schlamm beschichtet waren, bei 550°C über 2 Stunden in der Atmosphäre gebacken, um Katalysatorelemente 1 zu erhalten.
Die Katalysatorelemente 1, die in vorbestimmten Abmessungen geformt waren, wurden wie in 27 gestapelt, in einem Gehäuse mit 2 mm dicken Wänden, nicht gezeigt, so daß die Rippen der benachbarten Katalysatorelemente 1 sich senkrecht zueinander erstrecken, um eine Katalysatoreinheit 8 von 150 mm × 150 mm × 480 mm (Tiefe) aufzubauen. Die Katalysatoreinheit 8 in Beispiel 1 hat einen Querschnitt, wie er typischerweise in 7 gezeigt ist.
Beispiele 2 und 3
Druckluft wurde gegen nur die Rippen 2 der Katalysatorträgerplatten, wie diejenigen, die in Beispiel 1 benutzt wurden, und mit dem katalytischen Schlamm, der in Beispiel 1 benutzt wurde, beschichtet waren, geblasen, um nur den katalytischen Schlamm zu entfernen, der die Maschen in den Rippen 2 verstopft, um Katalysatorelemente 1 zu erhalten, die nur in ihren Rippen 2 offene Maschen haben. Die Katalysatorelemente 1 wurden gestapelt, um eine Katalysatoreinheit in Beispiel 2 aufzubauen, mit einem Querschnitt, der typischerweise in 8 gezeigt ist. Druckluft wurde gegen nur die flachen Abschnitte 3 der Katalysatorträgerplatten, wie denjenigen, die bei Beispiel 1 benutzt und mit dem katalytischen Schlamm, der in Beispiel 1 benutzt wurde, beschichtet wurden, um nur den katalytischen Schlamm zu entfernen, der die Maschen in den flachen Abschnitten 3 verstopft, um Katalysatorelemente 1 mit offenen Maschen nur in ihren flachen Abschnitten 3 zu erhalten. Die Katalysatorelemente 1 wurden gestapelt, um eine Katalysatoreinheit nach Beispiel 3 aufzubauen, mit einem Querschnitt, der typischerweise in 9 gezeigt ist.
Vergleichsbeispiel 1
Eine katalytische Paste wurde hergestellt, indem eine Mischung aus 20 kg des in Beispiel 1 benutzten katalytischen Pulvers, 3 kg anorganische Al₂O₃·SiO₂-Fasern und 10 kg Wasser mittels einer Knetmaschine über eine Stunde verknetet. Die katalytische Paste wurde mittels einer Walze auf 0.2 mm Dicke SUS 304 metallischen Maschendraht mit Oberflächen, die durch Aluminiumsprühen aufgerauht waren, aufgetragen, um Katalysatorträgermaschendraht mit ungefähr 0.9 mm Dicke und 480 mm Länge zu erhalten. Die metallischen Maschendrähte wurden durch Pressen bearbeitet, um Katalysator tragenden Maschendraht von 0.9 mm Dicke mit Rippen mit einer Höhe h = 4.0 mm und flachen Abschnitten mit einer Breite P = 80 mm, wie in 4 gezeigt, zu erhalten, und dann wurden die Katalysator tragenden Maschendrähte bei 550°C über 2 Stunden in der Atmosphäre gebacken, und die so gebackenen Katalysator tragenden Maschendrähte wurden geschnitten, um Katalysatorelemente 1 vorbestimmter Abmessungen zu erhalten. Die Katalysatorelemente 1 wurden in einem Gehäuse mit 2 mm dicken Wänden gestapelt, so daß die Rippen 2 der Katalysatorelemente parallel zu der Richtung des Gasstroms waren, um eine Katalysatoreinheit von 150 mm × 150 mm × 480 mm (Tiefe), wie in 26 gezeigt, aufzubauen.
Beispiel 4
Die Katalysatorelemente 1, die in Beispiel 1 benutzt wurden und offene Maschen in ihren gesamten Flächen haben und Katalysatorelemente 1, die im Vergleichsbeispiel 1 benutzt wurden, mit Maschen, die auf ihrer gesamten Fläche mit der katalytischen Paste verschlossen sind, wurden abwechselnd gestapelt, wobei sich die Rippen 2 der ersteren Katalysatorelemente 1 senkrecht zu der Richtung des Gasstroms erstrecken und die Rippen 2 der letzteren Katalysatorelemente 1 sich parallel zu der Richtung des Gasstroms erstrecken, um eine Katalysatoreinheit von 150 mm × 150 mm × 480 mm (Tiefe) aufzubauen, die einen Querschnitt hat, der typischerweise in 10 gezeigt ist.
Beispiel 5
Die Katalysatorträgerplatten, aus denen die Katalysatorelemente 1, die in Beispiel 1 benutzt wurden und offene Maschen in ihren gesamten Flächen haben, gebildet wurden, wurden in eine rechtwinklige Form geschnitten, so daß die Rippen 2 unter 45° zu einer festgelegten Seitenkante geneigt sind, um Katalysatorelemente 1 zu erhalten. Die Katalysatorelemente 1 und diejenigen, die umgedreht waren, wurden abwechselnd in einem Gehäuse mit 2 mm dicken Wänden gestapelt, um eine Katalysatoreinheit von 150 mm × 150 mm × 480 mm (Tiefe) aufzubauen.
Beispiel 6
Die Katalysatorträgerplatten, aus denen die Katalysatorelemente 1, die in Beispiel 1 benutzt wurden und offene Maschen nur in ihren Rippen haben, gebildet wurden, wurden in eine rechtwinklige Form geschnitten, so daß die Rippen 2 unter 45° zu einer festgelegten Seitenkante geneigt waren, um Katalysatorelemente 1 zu erhalten. Die Katalysatorelemente 1 und diejenigen, die umgedreht waren, wurden abwechselnd in einem Gehäuse mit 2 mm dicken Wänden gestapelt, um eine Katalysatoreinheit von 150 mm × 150 mm × 480 mm (Tiefe) aufzubauen, die in einer bruchstückhaften typischen perspektivischen Ansicht in 11 gezeigt ist.
Vergleichsbeispiel 2
Die Katalysatorelemente, die bei Vergleichsbeispiel 1 benutzt wurden, wurden in einem Gehäuse gestapelt, so daß die Rippen 2 der abwechselnden Katalysatorelemente 1 senkrecht zu der Richtung des Gasstroms sind, um eine Katalysatoreinheit von 150 mm × 150 mm × 480 mm (Tiefe), wie in 27 gezeigt, aufgebaut.
Vergleichsbeispiel 3
Katalysatorelemente 1, dieselben wie diejenigen, die bei Beispiel 1 benutzt wurden, mit der Ausnahme, daß die Höhe der Rippen 2 8 mm betrug, wurden in einem Gehäuse mit zwei mm dicken Wänden gestapelt, so daß all die Rippen 2 parallel zu der Richtung des Gasstroms liegen, um eine Katalysatoreinheit von 150 mm × 150 mm × 480 mm (Tiefe) wie in 26 gezeigt aufzubauen.
Jede der katalytischen Strukturen aus den Beispielen 1 bis 6 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 wurde in einen Reaktor eingebaut, ein LPG-Verbrennungsgas wurde durch die katalytischen Einheiten geleitet, um ihr Denitriervermögen und die Zugverluste (Druckverluste) zu messen, die von den Katalysatoreinheiten unter den Bedingungen hervorgerufen wurden, die in Tabelle 1 aufgeführt sind. Gemessene Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
Tabelle 1
Tabelle 2
Wie es aus Tabelle 2 offensichtlich wird sind, obwohl die Vergleichsbeispiele 1 und 3 vergleichsweise geringe Zugverluste hervorrufen, die Denitrierwirkungsgrade der Vergleichsbeispiele 1 und 3 gering und die Wirkung derselben auf die Reaktionsgeschwindigkeit sind so gering wie das 0.5 bis 0.7 fache der Wirkungen von Beispiel 1 bis 6 auf die Reaktionsgeschwindigkeit. Obwohl der Denitrierwirkungsgrad bei Vergleichsbeispiel 2 mit demselben Aufbau wie demjenigen der Beispiele 1 bis 6 und mit den Katalysatorelementen, in denen alle Maschen verschlossen sind, hoch ist, ruft das Vergleichsbeispiel einen großen Zugverlust hervor. Die jeweiligen Denitrierwirkungsgrade und Effekte von Beispiel 1 bis 3 auf die Reaktionsgeschwindigkeiten sind auf im wesentlichen demselben Wert und die Zugverluste, die durch Beispiele 1 bis 3 hervorgerufen wurden, sind ungefähr die Hälfte desjenigen, der durch Vergleichsbeispiel 2 hervorgerufen wurde.
Somit haben die Katalysatoreinheiten der vorliegenden Erfindung, welche die Katalysatorelemente mit offenen Maschen aufweisen, ausgezeichnetes Denitriervermögen und rufen jeweils geringe Zugverluste hervor.
Beispiele, die zwei Typen von Katalysatorelementen 1 und 1' benutzen, welche jeweils Rippen 2 und 2' unterschiedlicher Höhe haben und abwechselnd gestapelt werden, wobei die Giebel der Rippen 2 und 2' sich senkrecht zueinander erstrecken, werden hiernach beschrieben.
Beispiel 7
Eine katalytische Paste wurde hergestellt, indem eine Mischung aus 20 kg des oben definierten katalytischen Pulvers, 3 kg anorganische Al₂O₃·SiO₂-Fasern und 10 kg Wasser mittels einer Knetmaschine über 1 Stunde geknetet wurde. Die katalytische Paste wurde mittels einer Walze auf 0.2 mm dicken SUS 304 metallischen Maschendraht mit Oberflächen, die durch Aluminiumsprühen aufgerauht sind, aufgetragen, um Katalysator tragende Maschendrähte von ungefähr 0.9 mm Dicke und 500 mm Länge zu erhalten. Die metallischen Maschendrähte wurden durch Pressen bearbeitet, um Katalysator tragende Maschendrähte von 0.9 mm Dicke mit wellenartigen Rippen 2 mit einer Höhe h₁ = 6 mm und flachen Abschnitten 3 mit einer Breite P₁ = 120 mm, wie in 13(a) gezeigt, und Katalysator tragende Maschendrähte mit 0.9 mm Dicke mit wellenartigen Rippen 2' mit einer Höhe h₂ = 4 mm und flachen Abschnitten 3' mit einer Breite P₂ = 60 mm, wie in 13(b) gezeigt zu erhalten, und dann wurden die Katalysator tragenden Maschendrähte bei 550°C über 2 Stunden in der Atmosphäre nach Lufttrocknung gebacken, um Katalysatorelemente 1 und 1' (h₂/h₁ = 4/6) zu erhalten.
Die Katalysatorelemente 1 und 1' wurden abwechselnd gestapelt, so daß die jeweiligen Rippen 2 und 2' der Katalysatorelemente 1 und 1' senkrecht zueinander waren, um eine Katalysatoreinheit 8 von 150 mm × 150 mm × 500 mm (Tiefe), wie in 12 gezeigt, aufzubauen. Die Katalysatoreinheit wurde so angeordnet, daß sich die niedrigeren Rippen 2' des Katalysatorelements 1' senkrecht zu der Richtung des Gasstroms erstreckten.
Beispiel 8
Metallische Maschendrähte, hergestellt mit demselben Prozeß wie dem, durch den die metallischen Maschendrähte, aus denen die in Beispiel 7 benutzten Katalysatorelemente gebildet wurden, wurden durch Pressen bearbeitet, um Katalysator tragende Maschendrähte mit wellenartigen Rippen 2 mit einer Höhe h₁ = 7 mm und flachen Abschnitten 3 mit einer Breite P₁ = 120 mm, wie in 13(a) gezeigt, und Katalysator tragende Maschendrähte mit wellenartigen Rippen 2' mit einer Höhe h₂ = 3 mm und flache Abschnitte 3' mit einer Breite P₂ = 60 mm, wie in 13(b) gezeigt, zu erhalten, und dann wurden die Katalysator tragenden Maschendrähte bei 550°C über 2 Stunden in der Atmosphäre gebacken, nach dem Lufttrocknen, um Katalysatorelemente 1 und 1' (h₂/h₁ = 3/7) zu erhalten.
Die Katalysatorelemente 1 und 1' wurden abwechselnd gestapelt, so daß die jeweiligen Rippen 2 und 2' der Katalysatorelemente 1 und 1' senkrecht zueinander waren, um eine Katalysatoreinheit 8 von 150 mm × 150 mm × 500 mm (Tiefe) wie in 12 gezeigt, aufzubauen. Die Katalysatoreinheit wurde so angeordnet, daß sich die niedrigeren Rippen 2' der Katalysatorelemente 1' senkrecht zu der Richtung des Gasstroms 6 erstreckten.
Vergleichsbeispiel 4
Katalysatorelemente ähnlich den Katalysatorelementen 1, die in Beispiel 7 benutzt worden sind, mit der Ausnahme, daß die Rippen 2 eine Höhe h = 5 mm hatten, wurden mit allen den Rippen 2 parallel zueinander in einem Gehäuse gestapelt, um eine Katalysatoreinheit von 150 mm × 150 mm × 500 mm (Tiefe), wie in 26 gezeigt, aufzubauen. Die Katalysatoreinheit wurde mit den Rippen 2 der Katalysatorelemente 1 sich parallel zu der Richtung des Gasstroms 6 erstreckend angeordnet.
Vergleichsbeispiel 5
Die Katalysatorelemente 1, die in Vergleichsbeispiel 4 benutzt wurden, wurden gestapelt, wobei die Giebel der jeweiligen Rippen 2 der benachbarten Katalysatorelemente 1 sich senkrecht zueinander erstreckten, um eine Katalysatoreinheit 8 von 150 mm × 150 mm × 500 mm (Tiefe), wie in 27 gezeigt, aufzubauen.
Vergleichsbeispiel 6
Katalysatorelemente 1 ähnlich den Katalysatorelementen 1, die in Beispiel 7 benutzt wurden, mit der Ausnahme, daß die Höhe h₁ der Rippen 2 10 mm war, wurden gestapelt, um eine Katalysatoreinheit 8 von 150 mm × 150 mm × 500 mm (Tiefe), wie in 26 gezeigt, aufzubauen.
Jede der Katalysatoreinheiten 8 in den Beispielen 7 und 8 und in den Vergleichsbeispielen 4 bis 6 wurde in einen Reaktor eingebaut, und ein LPG-Verbrennungsauspuffgas wurde durch die katalytischen Strukturen 8 unter den Bedingungen, die in Tabelle 1 aufgeführt sind, gelei tet, um die jeweiligen Denitriervermögen und Zugwiderstände der Katalysatoreinheiten 8 zu messen. Die gemessenen Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.
Wie es aus der Tabelle 3 offensichtlich ist, sind die Zugwiderstände der Katalysatoreinheiten 8 in den Beispielen 7 und 8 der vorliegenden Erfindung geringer als der der Katalysatoreinheit 8 im Vergleichsbeispiel 5, und das Denitriervermögen der Katalysatoreinheiten 8 in den Beispiel 7 und 8 ist ungefähr gleich dem der Katalysatoreinheit 8 in Vergleichsbeispiel 5.
Tabelle 3
Die hohen Wirkungen der Katalysatoreinheiten 8 in den Beispielen 7 und 8 der vorliegenden Erfindung auf die Gesamtreaktionsgeschwindigkeit, im Vergleich mit der der Katalysatoreinheit 8 in Vergleichsbeispiel 6, geben den Katalysatoreinheiten 8 in den Beispielen 7 und 8 verbesserte Denitriervermögen.
In Beispiel 7, da die Katalysatorelemente 1 mit Rippen 2 einer Höhe h₂ = 6 mm (13(a)) und Katalysatorelemente 1' mit den Rippen 2' einer Höhe h₂ = 4 mm (13(b)) abwechselnd gestapelt sind und die Giebel der Rippen 2 und 2' aufeinander ruhen, ist der Freiraum zwischen den benachbarten Katalysatorelementen 1 und 1' 10 mm, was gleich dem Freiraum zwischen den benachbarten Katalysatorelementen 1 in den Katalysatoreinheiten 8 in den Vergleichsbeispielen 5 und 6 ist.
Es ist aus den gemessenen Ergebnissen, die in Tabelle 3 gezeigt sind, bekannt, daß Beispiel 7 eine geringere Menge an Katalysator als Vergleichsbeispiel 6 für einen Denitrierwirkungsgrad von 80 % benötigt, wie in Tabelle 4 gezeigt, da der Denitrierwirkungsgrad des Beispiels 7 höher ist als der des Vergleichsbeispiels 6 bei derselben Flächengeschwindigkeit und daß die Denitriereinheit in Beispiel 7 in einem kompakteren Aufbau gebildet werden kann als die aus Vergleichsbeispiel 6.
Tabelle 4
15 zeigt die Änderung der katalytischen Aktivität mit der Gasströmungsgeschwindigkeit für Beispiel 7 und die Vergleichsbeispiele 4 und 5, und 16 zeigt die Änderung des Druckverlustes mit der Gasströmungsgeschwindigkeit für Beispiel 7 und die Vergleichsbeispiele 4 und 5.
Es ist aus 15 bekannt, daß die katalytischen Aktivitäten der Katalysatoreinheiten in Beispiel 7 und Vergleichsbeispiel 5 im Vergleich zu der der Katalysatoreinheit in Vergleichsbeispiel 4 mit einem Gasdurchlaß parallel zu der Richtung der Gasströmung scharf mit der Zunahme der Gasströmungsgeschwindigkeit anwachsen.
Die katalytische Aktivität der Katalysatoreinheit in Beispiel 6 nimmt bis nahezu der der Katalysatoreinheit in Vergleichsbeispiel 4 ab, wenn die Gasströmungsgeschwindigkeit sich nahe 2 m/sec absenkt, was folglich durch die hohe Gasstörwirkung der Rippen 2' der Katalysatorelemente 1' hervorgerufen wird, die sich senkrecht zu der Richtung des Gasstromes 6 erstrecken, wenn die Gasströmungsgeschwindigkeit hoch ist, und die Gasstagnationswirkung derselben, wenn die Gasströmungsgeschwindigkeit gering ist.
Daher ist es bevorzugt, daß die Gasströmungsgeschwindigkeit in dem Bereich von 2 m/sec oder darüber und unterhalb von 10 m/sec liegt, weiter bevorzugt in dem Bereich von 4 m/sec oder darüber und unterhalb 8 m/sec, in dem der Druckverlust praktisch nicht signifikant ist, wenn die Katalysatoreinheit 8 der vorliegenden Erfindung benutzt wird. Die Rippen 2' sind nicht in der Lage, die Gasströmung 6 zu stören, wenn die Gasströmungsgeschwindigkeit außerordentlich niedrig ist, und der Druckverlust ist außerordentlich groß, wenn die Gasströmungsgeschwindigkeit außerordentlich hoch ist.
Beispiele von Katalysatoreinheiten, die jeweils aufgebaut sind durch Stapeln von Katalysatorelementen 1, jede mit zwei Arten paralleler Rippen 2 und 2' mit unterschiedlicher Höhe, wobei die Giebel der jeweiligen Rippen 2 und 2' der benachbarten Katalysatorelemente 1 sich senkrecht zueinander erstrecken, werden hiernach beschrieben.
Beispiel 9
Eine katalytische Paste wurde hergestellt, indem eine Mischung aus 20 kg des oben definierten katalytischen Pulvers, 3 kg anorganischen Al₂O₃·SiO₂-Fasern und 10 kg Wasser mittels einer Knetmaschine über 1 Stunde gemischt wurde. Die katalytische Paste wurde mittels einer Walze auf 0.2 mm Dicke SUS 304 metallischen Maschendraht mit Oberflächen, die durch Aluminiumsprühen aufgerauht waren, aufgetragen, um Katalysator tragende Maschendrähte mit ungefähr 0.9 mm Dicke und 500 mm Länge zu erhalten. Die metallischen Maschendrähte wurden durch Pressen bearbeitet, um Katalysator tragende Maschendrähte mit 0.9 mm Dicke zu erhalten, welche wellenartige höhere Rippen 2 mit einer Höhe h₁ = 3 mm, niedrigere Rippen 2' mit einer Höhe h₂ = 2.5 mm und flachen Abschnitten 3 mit einer Breite P₁ = 100 mm, wie in 20 gezeigt haben, und dann wurden die Katalysator tragenden Maschendrähte bei 550°C über 2 Stunden in der Atmosphäre nach dem Lufttrocknen gebacken, um Katalysatorelemente 1 zu erhalten.
Die Katalysatorelemente 1 und die Katalysatorelemente 1' mit Rippen 2 und 2' derselben Höhe wurden abwechselnd gestapelt, so daß die jeweiligen Rippen der Katalysatorelemente 1 und 1' sich senkrecht zueinander in einem Gehäuse 4, das in 18 gezeigt ist, erstrecken, um eine Katalysatoreinheit 8 von 150 mm × 150 mm × 500 mm (Tiefe) aufzubauen. Die Katalysatoreinheit 8 wurde mit den Giebeln der Rippen 2 entweder der Katalysatorelemente 1 oder 1' parallel zu der Richtung der Gasströmung angeordnet.
Vergleichsbeispiel 7
Katalysatorelemente ähnlich denjenigen, die bei Beispiel 9 benutzt wurden, mit der Ausnahme, daß die Rippen 2 und 2' eine gleiche Höhe von 6 mm von der Oberfläche der flachen Abschnitte 3 haben, wurden hergestellt. Die Katalysatorelemente wurden gestapelt, so daß die Rippen 2 und 2' sich parallel zu der Richtung der Gasströmung in einem Gehäuse erstrecken, um eine Katalysatoreinheit 150 mm × 150 mm × 500 mm, wie in 26 gezeigt, aufzubauen.
Vergleichsbeispiel 8
Die Katalysatorelemente mit den Rippen gleicher Höhe, die im Vergleichsbeispiel 7 benutzt worden sind, wurden gestapelt, so daß die jeweiligen Rippen 2 der benachbarten Katalysatorelemente in einem Gehäuse senkrecht zueinander sind, nicht gezeigt, wie in der 27 gezeigt, um eine Katalysatoreinheit von 150 mm × 150 mm × 500 mm (Tiefe) aufzubauen.
Jede der Katalysatoreinheiten aus Beispiel 9 und aus den Vergleichsbeispielen 7 und 8 wurden in einem Reaktor eingebaut, und ein LPG-Verbrennungsgas wurde durch die Katalysatoreinheiten geleitet, um das Denitriervermögen und den Zugwiderstand der Katalysatoreinheiten unter den Bedingungen zu messen, die in Tabelle 1 aufgeführt waren. Gemessene Ergebnisse sind in Tabelle 4 gezeigt.
Tabelle 4
Wie es aus der Tabelle 4 offensichtlich ist, ist die Katalysatoreinheit aus Beispiel 9 im Zugwiderstand geringer und im wesentlichen gleich beim Denitriervermögen in bezug auf die Katalysatoreinheit aus Vergleichsbeispiel 8. Die Katalysatoreinheit aus Beispiel 9, im Ver gleich zu der Katalysatoreinheit aus Vergleichsbeispiel 7, hat ein hohes Denitriervermögen aufgrund ihrer Wirkung des Erhöhens der Gesamtreaktionsgeschwindigkeit.
Die folgenden Experimente wurden durchgeführt, um den katalytischen Wirkungsgrad der Katalysatoreinheit der vorliegenden Erfindung und den der Katalysatoreinheit des Standes der Technik zu vergleichen.

(1) Eine Katalysatoreinheit (I) ähnlich der der Katalysatoreinheit in Beispiel 1 eines gestapelten Systems, wie es in 6(a) der EP 95 936 791.3 /0 744 207 gezeigt ist, wurde aufgebaut, indem Katalysatorelemente 1 mit flachen Abschnitten 3 von 80 mm Breite und Rippen 2 mit 2.5 mm Höhe von der Oberfläche der flachen Abschnitte 3 gestapelt wurden, so daß die Rippen 2 der Katalysatorelemente 1 und 45° zu der Richtung der Gasströmung 6 geneigt sind.
(2) Eine Katalysatoreinheit (II) ähnlich der Katalysatoreinheit in Beispiel 1, wie sie in 27 gezeigt ist, wurde aufgebaut, indem Katalysatorelemente 1 mit flachen Abschnitten 3 mit 80 mm Breite, Rippen 2 mit 4 mm Höhe von der Oberfläche der flachen Abschnitte 3 und offene Gitter gestapelt wurden, so daß die Neigung θ der Rippen 2 der Katalysatorelemente 1 zur Richtung der Gasströmung 6 90° beträgt.
(3) Eine Katalysatoreinheit (III) ähnlich der der Katalysatoreinheit im Vergleichsbeispiel 2 eines gestapelten Systems der EP 95 936 791.3 /0 744 207, wie es in 27 gezeigt ist, wurde aufgebaut, indem Katalysatorelemente 1 mit flachen Abschnitten 3 mit 80 mm Breite, Rippen 2 mit 2.5 mm Höhe von der Oberfläche der flachen Abschnitte 3 und verstopfte Gitter gestapelt wurden, so daß die Neigung θ der Rippen 2 der Katalysatorelemente 1 zu der Richtung der Gasströmung 6 90° betrug.
(4) Eine Katalysatoreinheit (IV) wurde aufgebaut, indem die gewellten Katalysatorelemente 10 gestapelt wurden, wie sie in 30 gezeigt sind, mit Rippen 9 mit 5 mm Höhe und beschichtet mit derselben katalytischen Beschichtung, wie sie bei (1) bis (3) benutzt wurde, so daß die jeweiligen Giebel 9 der benachbarten Katalysatorelemente 10 sich jeweils senkrecht schneiden und unter 45° zu der Richtung zur Gasströmung geneigt sind.

Ein LPG-Verbrennungsgas wurde durch die Katalysatoreinheiten (I), (II), (III) und (IV) geleitet, um die Beziehung zwischen der Gesamtreaktionsgeschwindigkeitskonstante und der Gasströmungsgeschwindigkeit und die Relation zwischen Druckverlust und Gasströmungsgeschwindigkeit zu untersuchen. Ergebnisse der Untersuchung sind in den 22 und 23 gezeigt. 24 zeigt normierte Druckverluste, hervorgerufen durch die Katalysatoreinheiten (I), (II), (III) bzw. (IV), für dasselbe Denitriervermögen.
Wie es aus den 22, 23 und 24 deutlich ist, sind die Druckverluste, die durch die Katalysatoreinheit gemäß der vorliegenden Erfindung hervorgerufen werden, sehr klein im Vergleich zu denen, die durch die Katalysatoreinheit (IV) für dasselbe Denitriervermögen hervorgerufen wurde, in 30 gezeigt. Der Unterschied im Druckverlust (etwa 130 mm H₂O) zwischen der Katalysatoreinheit und der Katalysatoreinheit, wie sie in 30 gezeigt ist (Katalysatoreinheit IV) für dasselbe Denitriervermögen ist äquivalent zu einem Unterschied in den Energiekosten von $ 240.000 für eine jährliche Energieerzeugung von 73.000 kW.
MÖGLICHKEIT DER VERWERTUNG IN DER INDUSTRIE
Die Katalysatoreinheit gemäß der vorliegenden Erfindung übt einen geringen Strömungswiderstand aus, stört die Gasströmung, um das katalytische Vermögen zu verbessern und hat einen kompakten Aufbau. Die Katalysatoreinheit gemäß der vorliegenden Erfindung ist bei verschiedenen Verarbeitungsvorrichtungen für katalytisches Gas einsetzbar, so wie deodorierenden Vorrichtungen, katalytischen Brennmaschinen und Brennstoffreformer. Die Verwendung der Katalysatoreinheit der vorliegenden Erfindung bei Denitriervorrichtungen für Auspuffgase zum Denitrieren eines Auspuffgases durch Reduzieren des NOx, das in dem Auspuffgas enthalten ist, bei Vorliegen eines Ammoniak-Reduktionsmittels ist die typischste Anwendung der vorliegenden Erfindung.

Claims

Katalysatoreinheit, die ein Gehäuse mit einem Einlaß, einem Auslaß und Seitenwänden, die sich dazwischen erstrecken, aufweist, wobei der Einlaß und der Auslaß eine Richtung für die Gasströmung dazwischen als eine axiale Richtung definieren; mit einer Vielzahl von Katalysatorplattenelementen, die innerhalb des Gehäuses zwischen dem Einlaß und dem Auslaß angebracht sind, um einen Stapel zu bilden, wobei jedes Katalysatorplattenelement ein katalytisches Material trägt und parallele Rippen aufweist, die entlang einer Abmessung beabstandet sind, mit flachen Abschnitten, die die Rippen trennen; dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl der Katalysatorplattenelemente mit gelochten Katalysatorplattenelementen aufgebaut sind, die eine Vielzahl offener Löcher aufweisen und zusätzlich eine Vielzahl von Löchern, die von dem katalytischen Material verschlossen sind.
Katalysatoreinheit nach Anspruch 1, bei der die flachen Abschnitte gegenüberliegende Flächen für jede der gelochten Katalysatorplattenelemente definieren und bei der jede der gelochten Katalysatorplattenelemente Giebel hat, die von den Rippen gebildet werden und sich von beiden gegenüberliegenden Flächen erstrecken, wodurch der Kontakt zwischen benachbarten perforierten Katalysatorplattenelementen in dem Stapel der Kontakt zwischen ihren jeweiligen Rippen ist.
Katalysatoreinheit nach Anspruch 1, bei der die perforierten Platten in ihren flachen Abschnitten Löcher haben, die mit dem katalytischen Material verschlossen sind, und Löcher in ihren Rippen, die offen sind.
Katalysatoreinheit nach Anspruch 1, bei der die gelochten Platten Löcher in ihren flachen Abschnitten haben, die offen sind, und Löcher in ihren Rippen, die mit dem katalytischen Material verschlossen sind.
Katalysatoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der benachbarte Katalysatorplattenelemente in dem Stapel mit ihren jeweiligen Rippen in Kontakt sind, wobei die Kontaktwinkel zwischen benachbarten Plattenelementen zwischen ihren jeweiligen Rippen 90° beträgt.
Katalysatoreinheit nach Anspruch 5, bei der die Vielzahl der gelochten Katalysatorplattenelemente einen ersten Satz Katalysatorplattenelemente umfaßt und ein zweiter Satz Katalysatorplattenelemente, der mit den Katalysatorplattenelementen des ersten Satzes abwechselt, ist um 90° zu der Axialrichtung angeordnet.
Katalysatoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Rippen der Katalysatorplattenelemente zwischen benachbarten Katalysatorplattenelementen so angeordnet sind, daß sie einen Teil der Gasströmung kontinuierlich oder stufenweise in bezug auf die axiale Richtung blockieren.
Katalysatoreinheit nach Anspruch 7, bei der die Vielzahl gelochter Katalysatorplattenelemente erste Katalysatorplattenelemente mit den Rippen als erste Rippen unter einem ersten Winkel zu der axialen Richtung angeordnet und zweite Katalysatorplattenelemente mit den Rippen angeordnet als zweite Rippen unter einem zweiten Winkel, unterschiedlich von den ersten Winkeln, zur axialen Richtung angeordnet, umfaßt, und bei der wenigstens einer, der erste oder der zweite Winkel, größer als 0° und kleiner als 90° ist.
Katalysatoreinheit nach Anspruch 1, bei der die Vielzahl der Katalysatorelemente aus einer Vielzahl erster gelochter Katalysatorplattenelemente und einer Vielzahl zweiter gelochter Katalysatorplattenelemente zusammengesetzt ist, und jedes erste Katalysatorplattenelement parallele erste Rippen hat, die entlang einer Abmessung beabstandet sind, mit flachen Abschnitten, welche die ersten Rippen trennen, wobei die ersten gelochten Katalysatorplattenelemente Löcher haben, von denen wenigstens ein Teil offen ist, die zweiten gelochten Katalysatorplattenelemente innerhalb des Gehäuses abwechselnd mit den ersten gelochten Katalysatorplattenelementen angebracht sind, um einen Stapel zu bilden, wobei jedes zweite Katalysatorplattenelement ein katalytisches Material trägt und parallele zweite Rippen hat, die entlang einer Abmessung beabstandet sind, mit flachen Abschnitten, die die zweiten Rippen trennen, wobei die zweiten gelochten Katalysatorplattenelemente Löcher haben, die alle von dem katalytischen Material verschlossen sind.
Katalysatoreinheit nach Anspruch 9, bei der der flache Abschnitt gegenüberliegende Flächen für jedes der gelochten Katalysatorplattenelemente definiert und bei der jedes der gelochten Katalysatorplattenelemente Giebel hat, die von den Rippen gebildet werden und sich von beiden gegenüberliegenden Flächen erstrecken, wodurch der Kontakt zwischen benachbarten gelochten Katalysatorplattenelementen in dem Stapel der Kontakt zwischen ihren jeweiligen Rippen ist.
Katalysatoreinheit nach Anspruch 9, bei der die ersten gelochten Katalysatorplattenelemente Löcher haben, die in ihren flachen Abschnitten offen sind, und Löcher, die mit dem katalytischen Material verschlossen sind, in ihren Rippen.
Katalysatoreinheit nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei der benachbarte Katalysatorplattenelemente in dem Stapel zwischen ihren jeweiligen Rippen in Kontakt sind, wobei der Kontaktwinkel zwischen benachbarten Katalysatorplattenelementen 90° zwischen ihren jeweiligen Rippen beträgt.
Katalysatoreinheit nach Anspruch 12, bei der jeweils eine der Rippen der ersten gelochten Katalysatorplattenelemente oder der Rippen der zweiten gelochten Katalysatorplattenelemente zu der axialen Richtung um 90° angeordnet sind.
Katalysatoreinheit nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei der die Rippen der Katalysatorplattenelemente zwischen benachbarten Katalysatorplattenelementen angeordnet sind, um ein Teil der Gasströmung kontinuierlich oder stufenweise in bezug auf die axiale Richtung abzublocken.
Katalysatoreinheit nach Anspruch 14, bei der die Vielzahl gelochter Katalysatorplattenelemente aus ersten Katalysatorplattenelementen hergestellt ist, deren erste Rippen unter einem ersten Winkel zur axialen Richtung angeordnet sind, und die zweiten Katalysatorplattenelemente zweite Rippen hat, die unter einem zweiten Winkel, unterschiedlich vom ersten Winkel, angeordnet sind, in bezug auf die axiale Richtung, wobei wenigstens einer, der erste oder zweite Winkel, größer als 0° und kleiner als 90° ist.
Katalysatoreinheit nach Anspruch 15, bei der die ersten und zweiten Katalysatorplattenelemente identisch sind, jedoch so angeordnet sind, daß die gegenüberliegenden Seiten der zweiten Katalysatorplattenelemente umgekehrt relativ zu den gegenüberliegenden Seiten der ersten Katalysatorplattenelemente sind.
Katalysatoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei der jede der gelochten Katalysatorplattenelemente zwei Arten von Rippen unterschiedlicher Höhe hat.
Katalysatoreinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 17, bei der die gelochten Katalysatorplattenelemente erste gelochte Katalysatorplattenelemente mit zwei Arten Rippen unterschiedlicher Höhe und zweite gelochte Katalysatorplattenelemente mit Rippen derselben Höhe hat, wobei die ersten und zweiten gelochten Katalysatorplattenelemente abwechselnd gestapelt sind.
Katalysatoreinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 18, bei der die Vielzahl der gelochten Katalysatorplattenelemente erste gelochte Katalysatorplattenelemente mit Rippen einer ersten Höhe und zweite gelochte Katalysatorplattenelemente mit Rippen einer zweiten Höhe umfaßt, die geringer als die erste Höhe ist, und bei der die ersten und zweiten gelochten Katalysatorplattenelemente abwechselnd gestapelt sind.
Katalysatoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei der die Rippen im Querschnitt S-förmig, zickzackartig oder konvex sind.
Katalysatoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 20, bei der die gelochten Katalysatorplattenelemente metallische Maschendrähte sind.
Katalysatoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 21, bei der das katalytische Material, das auf den gelochten Katalysatorplattenelementen getragen wird, ein denitrierender Katalysator ist.