EP0233509B1 - Vorrichtung zur Halterung von Monolithkatalysatoren - Google Patents

Vorrichtung zur Halterung von Monolithkatalysatoren Download PDF

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EP0233509B1
EP0233509B1 EP87100966A EP87100966A EP0233509B1 EP 0233509 B1 EP0233509 B1 EP 0233509B1 EP 87100966 A EP87100966 A EP 87100966A EP 87100966 A EP87100966 A EP 87100966A EP 0233509 B1 EP0233509 B1 EP 0233509B1
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metal frame
frame
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Edgar. Dr. Koberstein
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Degussa GmbH
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    • F01N2350/00—Arrangements for fitting catalyst support or particle filter element in the housing
    • F01N2350/02—Fitting ceramic monoliths in a metallic housing
    • F01N2350/06—Fitting ceramic monoliths in a metallic housing with means preventing gas flow by-pass or leakage

Definitions

  • Ceramic monoliths require secure and shock-absorbing fastening because of their risk of breakage under extreme operating conditions (vibrations, pressure surges, temperature changes). Since they cannot be produced in any size, there is still the need to combine several elements in one battery in order to e.g. to be able to enforce large gas volumes flowing from power plant exhaust gases per unit of time.
  • this disadvantage is eliminated by a device for holding quadrangular monolithic ceramic catalyst elements used for exhaust gas aftertreatment of combustion systems and for combining them into a package.
  • This device is provided with an elastic buffer sleeve corresponding to the outer shape of the catalyst element and positively slidable onto this and a metal frame corresponding to the outer shape of the catalyst element and buffer sleeve, encompassing the buffer sleeve, the internal free cross section of which is larger than the end face of the catalyst element and smaller than the sum the end faces of the catalyst element and the buffer sleeve or equal to the sum of these end faces.
  • the buffer sleeve can e.g. consist of mineral fiber, ceramic fiber, wire mesh or other temperature-resistant elastic materials. After it has been pushed onto the monolith from its end face (s), the metal frame is pushed over the sleeve, whereby the elastic sleeve can be compressed. This compression can also be achieved or reinforced by a sleeve material that expands once when heated. Such a material is e.g. a so-called expanded mica mat, e.g. a so-called expanded mica mat, e.g. is marketed by 3M under the name INTERAM @.
  • the required heat treatment can be carried out after installation or only during operation by exposure to hot exhaust gases, e.g. a hot flue gas.
  • the frame is provided on one end face with safety stops which encompass the end face of the catalytic converter and thus cause an axial displacement due to positive locking prevent the catalyst element.
  • the metal frame on its end face projects inwards with the formation of a continuous stop or a stop divided into a plurality of “tongues” for an edge zone of the end face of the catalyst element.
  • the combination of buffer sleeve and metal frame can therefore be provided for attachment to at least one end section of the catalyst element.
  • the left designed as an exploded drawing, shows a 1 m long monolithic ceramic catalyst element 1 of square cross-section (edge length 150 mm), which is traversed over its entire length by numerous square flow channels, in which the exhaust gas to be treated flows and comes into contact with the catalyst .
  • This can be a material component of the element or can be present as a coating on the ceramic material of the element.
  • a 3 cm deep frame 3 made of temperature-resistant steel corresponds to the outer shape of the monolith and sleeve and has a slightly smaller inner free cross-section than the sum of the end faces of the catalyst element and buffer sleeve (158 mm x 158 mm). It is provided on two adjacent side surfaces with rectangular recesses 4 in a matching shape and arrangement (dimensions 10 mm x 100 mm). The two other side surfaces are provided with rectangular projections 5, which can positively engage in the above-described recesses in adjacent frames of a package of held catalyst elements.
  • material V2A temperature-resistant steel
  • a stop plate 6 Attached to the outer edge of the metal frame is a stop plate 6 protruding 6 mm inwards perpendicularly to the side surface and supporting the edge zone of the monolith end face.
  • the frame is forced over the buffer sleeve during assembly and pushed onto it until the stop plates come into contact with the monolith face.
  • the monolith provided with the holding device at both ends can then be put together with other equally equipped monoliths via the tongue and groove connection 4/5 to form a catalyst package.
  • FIG. 2 shows the projection views onto the catalytic converter element 1, a buffer sleeve 2 and onto a frame 3.

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Description

  • Die Neuerung betrifft eine Vorrichtung zur Halterung von viereckigen, z.B. quadratischen oder rechteckigen monolithischen keramischen Katalysatorelementen zur Herabsetzung des Schadstoffausstoßes von Verbrennungsanlagen, z.B. Feuerungsanlagen für Wärmekraftwerke, sowie zur Zusammenfassung solcher Katalysatorelemente zu einem Paket.
  • Keramische Monolithen erfordern wegen ihrer Bruchgefährdung unter extremen Betriebsbedingungen (Erschütterungen, Druckstöße, Temperaturwechsel) eine sichere und stoßabsorbierende Befestigung. Die sie nicht in beliebiger Größe herstellbar sind, besteht weiterhin die Notwendigkeit, mehrere Elemente in einer Batterie zusammenzufassen, um die z.B. bei Kraftwerksabgasen pro Zeiteinheit strömenden großen Gasvolumina durchsetzen zu können.
  • Es ist bekannt, bei einem Filter zur Abbrennung von im Abgas eines Dieselmotors enthaltenen Rußpartikeln ein Abscheidesystem zu verwenden, bei dem eine der äußeren Form des Katalysatorelements entsprechende und formschlüssig auf dieses aufschiebbare elastische Puffermanschette und ein der äußeren Form von Katalysatorelement und Puffermanschette entsprechender, die Puffermanschette umgreifender Metallrahmen vorliegt, dessen innerer freier Querschnitt größer als die Stirnfläche des Katalysatorelements und kleiner als die Summe der Stirnflächen von Katalysatorelement und Puffermanschette oder gleich der Summe dieser Stirnflächen ist. Dabei muß für eine vorgesehene Anzahl von Filterelementen stets ein darauf abgestimmtes Gehäuse verwendet werden, so daß die Zusammenfassung beliebig vieler Filterelemente der oben genannten Bauweise zu einem beliebig großen Filterpaket nicht möglich ist (EP-A 0112634).
  • Gemäß der Neuerung wird dieser Nachteil durch eine Vorrichtung zur Halterung von zur Abgasnachbehandlung von Verbrennungsanlagen verwendeten viereckigen monolithischen keramischen Katalysatorelementen sowie zur Zusammenfassung derselben zu einem Paket beseitigt. Diese Vorrichtung ist versehen mit einer der äußeren Form des Katalysatorelements entsprechenden und formschlüssig auf dieses aufschiebbaren elastischen Puffermanschette und einem der äußeren Form von Katalysatorelement und Puffermanschette entsprechenden, die Puffermanschette umgreifenden Metallrahmen, dessen innerer freier Querschnitt größer als die Stirnfläche des Katalysatorelements und kleiner als die Summe der Stirnflächen von Katalysatorelement und Puffermanschette oder gleich der Summe dieser Stirnflächen ist.
  • Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß
    • a) die Rahmentiefe und die Länge der Puffermanschette mindestens 1/50 der Länge des Katalysatorelements entsprechen und
    • b) jeweils zwei benachbarte Seitenflächen des Rahmens in symmetrischer Anordnung Ausnehmungen bzw. nach innen springende Sicken aufweisen und die beiden übrigen Seitenflächen Vorsprünge aufweisen, die formschlüssig in die Ausnehmungen bzw. Sicken benachbarter Rahmen eingreifen können.
  • Die Puffermanschette kann z.B. aus Mineralfaser, Keramikfaser, Drahtgestrick oder anderen temperaturfesten elastischen Werkstoffen bestehen. Nachdem sie auf den Monolithen von dessen Stirnseite(n) her aufgeschoben ist, wird der Metallrahmen über die Manschette geschoben, wobei die elastische Manschette verdichtet werden kann. Diese Verdichtung kann auch durch ein Manschettenmaterial, welches sich bei Erwärmung einmalig ausdehnt, erreicht oder verstärkt werden. Ein solches Material ist z.B. eine sog. Blähglimmermatte, wie sie z.B. eine sog. Blähglimmermatte, wie sie z.B. von der Firma 3M unter der Bezeichnung INTERAM@ vertrieben wird. Die erforderliche Wärmebehandlung kann nach der Montage oder aber auch erst im Betrieb durch Beaufschlagung mit heißen Abgasen, z.B. einem heißen Rauchgas, vorgenommen werden.
  • Soll der Katalysator Betriebsbedingungen ausgesetzt werden, denen die reibschlüssige Verbindung zwischen Monolith und Puffermanschette einerseits und Puffermanschette und Metallrahmen andererseits nicht gewachsen sein könnte, so wird der Rahmen an einer Stirnseite mit Sicherungsanschlägen versehen, welche die Katalysatorstirnfläche am Rand umgreifen und damit durch Formschluß eine axiale Verschiebung des Katalysatorelements verhindern.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Neuerung springt also der Metallrahmen an seiner Stirnseite nach innen unter Ausbildung eines durchgehenden oder in mehrere "Zungen" aufgeteilten Anschlags für eine Randzone der Stirnfläche des Katalysatorelements vor.
  • Bei vertikal stehenden kürzeren Katalysatorelementen genügt es oft schon, das Katalysatorelement nur in seinem unteren Abschnitt zu haltern. Bei längeren Elementen, stärkerer Beanspruchung oder horizontaler Anbringung der Elemente ist jedoch eine beidseitige Halterung ratsam.
  • Gemäß der Neuerung kann also die Kombination aus Puffermanschette und Metallrahmen für eine Anbringung an mindestens einem Endabschnitt des Katalysatorelements vorgesehen sein.
  • Die Neuerung wird nachfolgend anhand einer vorteilhaften Ausführungsvariante in Verbindung mit der einzigen Figur der Zeichnung weiter erläutert.
  • Die linke als Explosionszeichnung gestaltete Figur 1 zeigt ein 1 m langes monolithisches keramisches Katalysatorelement 1 von quadratischem Querschnitt (Kantenlänge 150 mm), welches über seine Gesamtlänge von zahlreichen quadratischen Strömungskanälen durchzogen wird, in welchen das zu behandelnde Abgas strömt und mit dem Katalysator in Berührung kommt. Dieser kann stofflicher Bestandteil des Elements sein oder auf dem keramischen Werkstoff des Elements als Beschichtung vorliegen.
  • Eine 3 cm lange Puffermanschette 2 aus elastischem Drahtgestrick mit geringfügig kleinerem freien inneren Querschnitt als die Stirnfläche des Monolithen (149 mm x 149 mm) wird auf letzteren so aufgezwängt, daß ihre äußere Stirnfläche bündig mit der Stirnfläche des Monolithen endigt.
  • Ein 3 cm tiefer Rahmen 3 aus temperaturfestem Stahl (z.B. Werkstoff V2A) entspricht der äußeren Form von Monolith und Manschette und hat einen etwas geringeren inneren freien Querschnitt als die Summe der Stirnflächen von Katalysatorelement und Puffermanschette (158 mm x 158 mm). Er ist an zwei benachbarten Seitenflächen mit rechteckigen Ausnehmungen 4 in übereinstimmender Form und Anordnung versehen (Abmessung 10 mm x 100 mm). Die beiden übrigen Seitenflächen sind mit rechteckigen Vorsprüngen 5 versehen, die formschlüssig in die oben beschriebenen Ausnehmungen benachbarter Rahmen eines Pakets gehalterter Katalysatorelemente eingreifen können.
  • Am äußeren Rand des Metallrahmens ist pro Rahmenseite jeweils ein senkrecht zur Seitenfläche 6 mm nach innen ragendes und die Randzone der Monolithstirnfläche stützendes Anschlagblech 6 angebracht.
  • Der Rahmen wird bei der Montage über die Puffermanschette gezwängt und soweit auf sie aufgeschoben, bis die Anschlagbleche in Kontakt mit der Monolith-Stirnfläche kommen.
  • Der an beiden Enden mit der Halterungsvorrichtung versehene Monolith kann dann mit anderen ebenso ausgerüsteten Monolithen über die Nut/Feder-Verbindung 4/5 zu einem Katalysatorpaket zusammengesteckt werden.
  • Die rechte Figur 2 zeigt die Projektionsansichten auf das Katalysatorelement 1, eine Puffermanschette 2 und auf einen Rahmen 3.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Halterung von viereckigen monolithischen keramischen Katalysatorelementen sowie zur Zusammenfassung derselben zu einem Paket, mit einer der Außenform des Katalysatorelements (1) entsprechenden und formschlüssig auf dieses aufschiebbaren elastischen Puffermanschette (2) und einem der Außenform von Katalysatorelement und Puffermanschette entsprechenden Metallrahmen (3), dessen innerer freier Querschnitt größer als die Stirnfläche des Katalysatorelements und kleiner als die Summe der Stirnflächen von Katalysatorelement und Puffermanschette oder gleich der Summe dieser Stirnflächen ist, dadurch gekennzeichnet, daß
a) Rahmentiefe und Höhe der Puffermanschette mindestens 1/50 der Länge des Katalysatorelements entsprechen und
b) jeweils zwei benachbarte Seitenflächen des Rahmens in symmetrischer Anordnung Ausnehmungen bzw. nach innen springende Sicken (4) aufweisen und die beiden übrigen Seitenflächen Vorsprünge (5) aufweisen, die formschlüssig in die Ausnehmungen bzw. Sicken benachbarter Rahmen eingreifen können.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallrahmen (3) an seiner Stirnseite nach innen unter Ausbildung eines durchgehenden oder in mehrere Zungen aufgeteilten Anschlages (6) für eine Randzone der Stirnfläche des Katalysatorelements vorspringt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombination aus Puffermanschette und Metallrahmen für eine Anbringung an mindestens einem Endabschnitt des Katalysatorelements vorgesehen ist.
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