NL1001962C2 - Werkwijze voor het oxideren van koolstof en/of koolwaterstof en/of organische stoffen bevattende vloeibare of vaste deeltjesvormige verontreinigingen in gasstromen. - Google Patents

Description

Titel: Werkwijze voor het oxideren van koolstof en/of koolwaterstof en/of organische stoffen bevattende vloeibare of vaste deeltjesvormige verontreinigingen in gasstromen

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor oxideren van koolstof en/of koolwaterstof en/of organische stoffen bevattende vaste of vloeibare deeltjesvormige verontreinigingen in gasstromen, meer in het bijzonder op het 5 verminderen, danwel voorkomen van roetemissie van dieselmotoren, omvattende het behandelen van roetbevattende uitlaatgassen voorafgaand aan het emitteren in de buitenlucht.

Emissie van gasstromen die verontreinigd zijn met roetdeeltjes, met vaste of vloeibare koolwaterstof deeltjes, 10 of met organische stoffen (bijvoorbeeld oliedruppels) in de atmosfeer is ongewenst. Dit probleem doet zich op veel plaatsen voor, zoals in olieverwerkende industrie en dergelijke. Het is ook bekend, dat dieselmotoren het nadeel hebben van een verhoudingsgewijs hoge emissie van roetdeeltjes 15 (soot). Deze roetdeeltjes hebben een negatieve invloed op het milieu en er is reeds veel onderzoek gedaan naar het verminderen van de roetemissie van dieselmotoren. Een eerste mogelijkheid is het bedrijven van de motor onder zodanige condities, dat de roetvorming vermindert. Dit gaat in het 20 algemeen ten koste van de capaciteit en het brandstofverbruik van de motor. En andere mogelijkheid is het verwijderen van gevormde roetdeeltjes uit de uitlaatgassen.

Bij deze laatste mogelijkheid heeft men echter het probleem, dat het niet eenvoudig is de vaak zeer fijne 25 deeltjes af te vangen en om te zetten.

Het is een doel van de uitvinding een methode te verschaffen voor het verminderen of zelfs voorkomen van emissie van dergelijke verontreinigingen, door de vaste of vloeibare deeltjes uit de uitlaatgassen af te scheiden en na 1 0 0 1 9 6 2 2 afscheiding door toepassing van een aselectieve oxidatiekatalysator (verbrandingskatalysator) te verbranden.

De uitvinding betreft derhalve een werkwijze voor het oxideren van koolstof en/of koolwaterstof en/of organische 5 stoffen bevattende vloeibare of vaste deeltjesvormige verontreinigingen in gasstromen, omvattende het behandelen van genoemde gasstromen in een turbulente stromings afscheider, waarvan ten minste een deel van het oppervlak katalytische activiteit voor aselectieve oxidatie heeft.

10 Meer in het bijzonder betreft de uitvinding een werkwijze voor het verminderen, danwel voorkomen van roetemissie van dieselmotoren, omvattende het behandelen van roetbevattende uitlaatgassen voorafgaand aan het emitteren in de buitenlucht in een turbulente stromingsafscheider, waarvan ten minste een 15 deel van het oppervlak katalytische activiteit voor aselectieve oxidatie heeft.

De uitvinding berust op de toepassing van het principe van een specifiek afscheidingssysteem voor de verwijdering van heel fijne deeltjes uit gasstromen, een 'Turbulent Flow 20 Precipitator', zoals bijvoorbeeld beschreven in de internationale octrooiaanvrage WO-A 93/15822, in combinatie met een katalytische verbranding van de opgevangen deeltjes.

De afscheiding berust op het fenomeen, dat een turbulente gasstroom in een ruimte, in de nabijheid van de wand van de 25 ruimte, een zone heeft van afnemende turbulentie. In deze zone, de zogenaamde visceuze grenslaag, kan men de deeltjes vangen en af voeren. Volgens de uitvoeringsvorm die beschreven is in genoemde internationale octrooiaanvrage verkrijgt men afscheiding van deeltjes met een grootte van 0.01 tot 100 μιη 30 in een afscheider door de turbulente gasstroom te creëren boven een serie vertikale verzamelplaten, die een aantal vertikale spieetvormige ruimtes vormen, die in directe verbinding staan met de ruimte waar de turbulente gasstroom zich bevindt.

35 De onderhavige uitvinding is gebaseerd op het inzicht, dat het mogelijk is de veelal organische of roet deeltjes te oxideren, door deze in genoemde spieetvormige 1001962 3 afscheidingsruimtes in contact te brengen met een verbrandingskatalysator (aselectieve oxidatie katalysator). Bekend is, dat voor de goede oxidatie een goed contact nodig is tussen het deeltje en het katalytisch actief materiaal. In 5 een dergelijke afscheider verkrijgt men een dergelijk goed contact, zeker als gebruik wordt gemaakt van een hierna te beschrijven voorkeursuitvoeringsvorm van de afscheider.

Volgens de uitvinding zorgt men er voor, dat in de afscheidingsspleten, dat wil zeggen de zone waar de 10 hoofdgasstroom niet doorheen gaat, een verbrandingskatalysator aanwezig is. Van belang daarbij is, dat er in de spleten katalytisch actieve oppervlakken aanwezig zijn. Dit oppervlak kan verschaft worden door het oppervlak van de platen, of in de vorm van een pakking in de spleten.

15 Het oppervlak kan reeds van origine katalytisch actief zijn of worden, door de aard van het materiaal van de platen of de pakking (bijvoorbeeld koper). Het is echter ook mogelijk de katalytische activiteit te verschaffen door het aanbrengen een katalytisch actief materiaal op het oppervlak, 20 bijvoorbeeld in de vorm van een washcoat.

Bij voorkeur is de afscheider voorzien van een pakking, welke bestaat uit een metallisch of keramisch dragermateriaal, waarvan het oppervlak katalytische activiteit voor aselectieve oxidatie heeft of verkrijgt.

25 Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding past men echter niet de hierboven beschreven constructie toe, maar een verbeterde uitvoeringsvorm die beschreven is in de octrooiaanvrage van gelijke datum (Ref: Nw 8338). In deze aanvrage wordt een inrichting beschreven, die ten minste 30 bestaat uit een behuizing voorzien van een toevoer voor de te zuiveren gasstroom aan één zijde en een afvoer voor de gezuiverde gasstroom aan de andere zijde, alsmede ten minste één in hoofdzaak vertikaal geplaatste doorvoer voor de gasstroom, waarbij de inrichting voorzien is van middelen voor 35 het afscheiden van deeltjes uit de gasstroom, welke middelen grenzen aan de doorvoer, daarmee in directe verbinding staan en gevormd worden door een aantal platen, die onder een hoek 1 0 0 1 9 6 2 4 kleiner dan 90° met de as van de doorvoer staan en waarbij telkens twee platen een spleet met elkaar vormen, welke geschikt is voor het opvangen en afvoeren van de deeltjes.

De gasdoorvoer geschiedt in opwaartse of in neerwaartse 5 richting, waarbij het tevens mogelijk is twee of meer vertikaal opgestelde buisdelen met elkaar te verbinden door bochten van ongeveer 180°, hetgeen als voordeel heeft, dat het systeem minder hoogte benodigt.

Met een systeem als hierboven omschreven, verkrijgt men 10 een optimale afscheiding van de deeltjes, terwijl tevens eenvoudige verbranding van deze deeltjes mogelijk is, bijvoorbeeld door het oppervlak van de platen, waarop de deeltjes vallen te voorzien van een verbrandingskatalysator. Een andere mogelijkheid is het aanbrengen van een 15 pakkingsmateriaal van een in hoofdzaak inert materiaal, bijvoorbeeld een metaal of een keramisch materiaal, op het oppervlak waarvan een katalytisch actief materiaal aangebracht is, danwel een pakkingsmateriaal dat zelf katalytisch actief is. Door de zwaartekracht, of door mechanisch opgewekte 20 trillingen, bij voorbeeld door de motor van een dieselvoertuig, zullen de deeltjes altijd naar beneden bewegen, zodat het contact tussen de deeltjes en het katalytisch actieve oppervlak vrijwel altijd gewaarborgd is. Het is bekend dat bij bestaande systemen voor het verwijderen 25 en verbranden van het roet in uitlaatgassen het waarborgen van dit contact soms problematisch is.

Als pakkingmateriaal kan men nagenoeg elk materiaal gebruiken, dat bestand is tegen de bij de oxidatie heersende condities. Voorbeelden zijn allerlei soorten vezels, 30 keramisch, metallisch, glas, dragerkatalysator deeltjes, metallische en keramische pakkingen, of metallische en keramische monolieten.

Door de temperatuur van de uitlaatgassen verkrijgt de afscheider vanzelf de voor de verbranding benodigde 35 temperatuur, terwijl de samenstelling van de uitlaatgassen zonder probleem zo gekozen of aangepast kan worden, dat voldoende zuurstof aanwezig is voor de verbranding. Bij 1001962 5 gasstromen van andere origine dient men uiteraard zorg te dragen voor de juiste temperatuur en voldoende zuurstof.

Als katalytisch actief materiaal gebruikt men bij voorkeur de als verbrandingskatalysator (aselectieve 5 oxidatiekatalysator) bekende materialen, zoals koper, vanadium, chroom, mangaan, molybdeen, platina, palladium, wolfraam, ijzer, cobalt, zilver, alkalimetalen, aardalkalimetalen, cerium, lanthaan, lood, nikkel, alsmede combinaties en/of verbindingen daarvan. Het aanbrengen van het 10 katalytische oppervlak kan op bekende wijze geschieden, waarbij meer in het bijzonder gedacht kan worden aan een washcoat, precipitatie, impregnatie, maar ook aan vacuüm of elecirolytische depositie van een metaal, indien nodig gevolgd door omzetting in de katalytisch actieve vorm.

15 De afscheiding van roet geschiedt in het uitlaatgassysteem van de dieselmotor, waarbij het de voorkeur heeft de vertikaal opgestelde variant toe te passen. In het geval de constructie van de motor en/of het voertuig dit niet toelaat kan men echter ook gebruik maken van een horizontaal 20 aangebracht systeem. De platen voor de afscheiding en de katalytische verbranding bevinden zich dan bij voorkeur onder de doorvoer voor de uitlaatgassen. Een mogelijke uitvoering is daarbij een ronde of elliptische buis, die aan de bovenzijde een gasdoorvoer heeft en verder voorzien is van in hoofdzaak 25 vertikaal opgestelde afscheidingsplaten met daartussen aangebracht de verbrandingskatalysator.

Een belangrijk aspect van de uitvinding is het feit, dat volgens de uitvinding het merendeel de afgescheiden vaste stof omgezet wordt in gasvormige componenten die met de 30 uitlaatgassen uit het systeem verdwijnen. In het algemeen heeft het wel de voorkeur, dat er een voorziening is voor het afvoeren van asresten, afkomstig van de verbranding van het roet.

Turbulentie verkrijgt en handhaaft men in het systeem 35 door een combinatie van snelheid (in het algemeen > 20 m/s) en diameter (hydraulische diameter) van het doorvoerkanaal. Het heeft de voorkeur dat de gasstroom reeds turbulent is bij het 1 0 0 1 9 6 2 6 intreden van de inrichting, zodat geen verdere maatregelen nodig zijn. Alleen als de parameters die de turbulentie bepalen (snelheid, diameter, dichtheid, viscositeit) tijdens doorvoer wijzigen, kan het nodig zijn aanvullende maatregelen 5 te nemen voor het handhaven of versterken van de mate van turbulentie. Genoemde maatregelen zijn bijvoorbeeld het aanbrengen van schotels die de doorvoer beperken.

In het algemeen kan men stellen, dat voldoende afscheiding verkregen kan worden als men er voor zorgt, dat 10 het Reynolds getal in het centrum van de doorvoer groter is dan 2000.

De deeltjes verzamelen zich door de afnemende turbulentie aan de wand van de doorvoer en zullen zich daarbij tussen de neerwaarts gerichte platen verzamelen, waar zij onder invloed 15 van het katalytisch actieve materiaal en zuurstof omgezet worden in CO2 en eventueel H2O.

Het is van belang, dat de schuine platen zodanig opgesteld zijn, dat de vaste stof door een juiste keus van de hoek van de platen met de horizontaal, door werking van de 20 zwaartekracht in contact komt met het katalytisch actieve oppervlak.

De uitvinding heeft ook betrekking op een inrichting die geschikt is voor het uitvoeren van de werkwijze, welke inrichting ten minste bestaat uit een behuizing voorzien van 25 een toevoer voor de te zuiveren (uitlaat)gassen aan één zijde en een afvoer voor de gezuiverde (uitlaat)gassen aan de andere zijde, alsmede ten minste één doorvoer voor de (uitlaat)gassen, waarbij de inrichting voorzien is van middelen voor het afscheiden van deeltjes uit de 30 (uitlaat)gassen, welke middelen grenzen aan de doorvoer(en), daarmee in directe verbinding staan en gevormd worden door een aantal platen, waarbij telkens twee platen een spleet met elkaar vormen onder vorming van een zone waarin geen netto gasstroming optreedt, welke zone geschikt is voor het opvangen 35 en afvoeren van deeltjes uit de (uitlaat)gassen, waarbij in genoemde zone een katalytisch actief oppervlak voor aselectieve oxidatie van de deeltjes aanwezig is.

1 0 U i y 6 2 7

De uitvinding wordt nu toegelicht aan de hand van de figuren, waarin figuur 1 een drietal schematische weergaven toont van doorsneden van de inrichting, waarbij figuur la en lb van toepassing zijn op een (overwegend) verticaal 5 opgestelde inrichting en figuur lc op een overwegend horizontaal opgestelde inrichting, waarbij het voor de keuze van de richting van de helling van de schotels (platen) van belang is dat de afgevangen deeltjes door de zwaartekracht in contact gebracht worden en blijven met op of tussen de 10 schotels aanwezig katalytische materiaal.

Figuur 2 een vijftal mogelijke vormen voor de platen/schotels voor de inrichting in figuur la geeft.

Figuur 3 een tweetal mogelijke vormen voor de platen/schotels voor de inrichting in figuur lb geeft.

15 Figuur 4 een concentrische multikanaal uitvoering geeft

In figuur la en lb is (1) de, overwegend verticale, as van symmetrie van het omwentelingslichaam, de schotel, met een circulair grondvlak of een regelmatige veelvlak met een 3 of meervoudige symmetrie rond deze as, zoals aangegeven in figuur 20 2.

Het annulair kanaal (2) dat ontstaat tussen de behuizing (4) en de stapeling van schotels (3) in figuur la dient als kanaal voor het doorleiden van het uitlaatgas dat zowel een opwaartse als neerwaartse stromingsrichting kan hebben. De 25 stromingsrichting van het uitlaatgas door het centrale kanaal (5) dat gevormd wordt door de perifere schotels (6) in figuur lb is eveneens vrij te kiezen. In figuur lb sluiten behuizing (4) en schotels (6) naadloos aan elkaar met behulp van afdichting (13) zodat geen valse stroming kan ontstaan in de 30 roetverzamelruimte (9).

In figuur lc ligt de as 7 van de behuizing (4) overwegend in horizontale richting. De platen of schotels (10) zijn aan de bovenzijde voorzien van een uitsparing (8) waardoor een kanaal (11) ontstaat waardoor het te zuiveren uitlaatgas wordt 35 geleid. De schotels (10) sluiten naadloos aan de behuizing (4) met behulp van afdichting (13) zodat geen valse stroming kan ontstaan. De afgevangen deeltjes worden verzameld in de 1 0 u * y 6 2 8 roetverzamelruimten (9) welke wordt gevormd tussen twee opeenvolgende schotels en waarin op enigerlei wijze materiaal aanwezig is voor de katalytische oxidatie van het roet.

De inrichtingen zijn voorzien van een inlaat en een 5 uitlaat (12), welke afhankelijk van de gekozen stromings-richting van het gas van functie kunnen wisselen.

In de figuren 2a tot en met 2d zijn omwentelingslichamen aangegeven welke kunnen dienen als schotel in de richting van figuur la. In de figuren 2a tot en met 2c worden de schotels 10 verkregen door rotatie van respectievelijk de rechte (2), het gebogen lijnstuk (3), en het gebroken lijnstuk (4) om de symmetrieas (1) waarop ook de oorsprong van deze lijnstukken is gelegen, terwijl in de figuren 2d en 2e omwentelingslichamen zijn getekend met een N-voudige as van symmetrie, 15 waarbij in de genoemde tekeningen N = 6 is gekozen.

In figuur 2d is (6) één van de vlakken van het kegellichaam, terwijl in figuur 2e de vlakken 7A, 7B en 7C één van de samengestelde zijvlakken van het N-voudig symmetrische lichaam vormt, waarbij in de tekening N = 6.

20 Om een regelmatige stroming van het te reinigen uitlaatgas in de inrichting te verkrijgen verdient het de voorkeur dat de doorsneden van de behuizingen hetzelfde zijn als die van de schotels. Zo is de behuizing (9), voor de figuren 2a, 2b en 2c een buis met een ronde doorsnede waarvan 25 de hartlijn samenvalt met de symmetrieas (1), terwijl in de figuren 2d en 2e de doorsnede van de buisvormige behuizing (10), een regelmatige veelhoek is met N-voudige symmetrie, waarbij in de figuur voor N = 6 is gekozen, en de hartlijn van de buis samenvalt met de N-voudige symmetrieas.

30 Figuur 3a toont de afgeknotte kegelvormige lichamen (6) welke dienen als schotels in de buisvormige behuizing (4) waarvan de as (1) samenvalt met de as van symmetrie van het kegellichaam en waarbij (5) een stof- en gasdichte afdichting is tussen de behuizing (4) en de schotel (6). Tussen de 35 bovenzijde van de schotels (6) en de behuizing (4) wordt aldus een ruimte (9) gevormd waarin de afgevangen deeltjes zich kunnen verzamelen en onder invloed van de zwaartekracht in 1 U O 'i ^ J 2 9 voortdurend contact kunnen komen met het aldaar aanwezige katalytische materiaal (11). De gasstroom waaruit de deeltjes afgescheiden worden kan zowel opwaarts als neerwaarts door de inrichting worden geleid door het kanaal (13) dat wordt 5 gevormd door de stapeling van de afgeknotte kegellichamen (6).

In figuur 3b is een identieke situatie getekend voor een kegellichaam met N-voudige symmetrie, waarbij N = 6, en waarin zowel de behuizing (10) als de schotel (12) een gemeenschappelijke as van symmetrie (8) hebben, afdichting (5) en 10 (katalytische) pakking (11) tussen de schotels evenals gasvoerendkanaal (13) hebben dezelfde betekenis als in bovenstaande alinea.

In figuur 4 zijn gegroepeerd rondom de centrale as (1) de centrale schotels (2), de ringvormige schotels (3) en de 15 perifere schotels (4), waartussen de gasvoerende ringvormige kanalen (5) worden gevormd waardoor het te reinigen uitlaatgas in opwaartse of neerwaartse richting kan stromen. Tussen de behuizing (7) en de perifere schotel (4) is een stof- en gasdichte afdichting (6) aangebracht. De schotels kunnen 20 voorzien zijn van een (katalytische) pakking (11) ter bevordering van de vangstefficiency en de oxidatie van de afgevangen deeltjes. De te reinigen gasstroom (uitlaatgas) wordt de inrichting ingevoerd door de in- en uitlaten (12) welke afhankelijk van de stromingsrichting van het gas door de 25 inrichting van functie kunnen wisselen.

1 u υ , y o L

Claims (8)

1. Werkwijze voor het oxideren van koolstof en/of koolwaterstof en/of organische stoffen bevattende vloeibare of vaste deeltjesvormige verontreinigingen in gasstromen, omvattende het behandelen van genoemde gasstromen in een 5 turbulente stromings afscheider, waarvan ten minste een deel van het oppervlak katalytische activiteit voor aselectieve oxidatie heeft.

2. Werkwijze voor het verminderen, danwel voorkomen van roetemissie van dieselmotoren, omvattende het behandelen van 10 roetbevattende uitlaatgassen voorafgaand aan het emitteren in de buitenlucht, in een turbulente stromings afscheider, waarvan ten minste een deel van het oppervlak katalytische activiteit voor aselectieve oxidatie heeft.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, waarbij de 15 afscheider voorzien is van een pakking, welke bestaat uit een dragermateriaal, waarvan het oppervlak katalytische activiteit voor aselectieve oxidatie heeft.

4. Werkwijze volgens conclusie 1-3, waarbij de katalytische activiteit verschaft wordt door één of meer 20 metalen en/of verbindingen gekozen uit de groep bestaande uit koper, vanadium, chroom, mangaan, molybdeen, platina, palladium, wolfraam, ijzer, cobalt, zilver, alkalimetalen, aardalkalimetalen, cerium, lanthaan, lood, nikkel, alsmede combinaties en/of verbindingen daarvan.

5. Werkwijze volgens conclusie 3 of 4, waarbij het dragermateriaal een pakkingsmateriaal is van een in hoofdzaak inert metaal of keramische materiaal, op het oppervlak waarvan een katalytisch actief materiaal aangebracht is.

6. Werkwijze volgens conclusie 1-5, waarbij het 30 oppervlak van de afscheider of van het pakkingsmateriaal zelf katalytisch actief is.

7. Werkwijze volgens conclusie 1-6, waarbij de gasstroom in de afscheider in turbulente stroming is, gebracht 1001962 en/of gehouden wordt, waardoor de deeltjes uit de gassen afgescheiden kunnen worden in een gebied waar geen netto stroming plaatsvindt en die in verbinding staat met de turbulente gasstroom.

8. Inrichting geschikt voor het voorkomen en/of verminderen van emissie van roet door dieselmotoren, welke inrichting ten minste bestaat uit een behuizing voorzien van een toevoer voor de te zuiveren uitlaatgassen aan één zijde en een afvoer voor de gezuiverde uitlaatgassen aan de andere 10 zijde, alsmede ten minste één doorvoer voor de uitlaatgassen, waarbij de inrichting voorzien is van middelen voor het afscheiden van deeltjes uit de uitlaatgassen, welke middelen grenzen aan de doorvoer, daarmee in directe verbinding staan en gevormd worden door een aantal platen, waarbij telkens twee 15 platen een spleet met elkaar vormen onder vorming van een zone waarin geen netto gasstroming optreedt, welke zone geschikt is voor het opvangen en afvoeren van roet uit de uitlaatgassen, waarbij in genoemde zone een katalytisch actief oppervlak voor aselectieve oxidatie van roet aanwezig is. 1 o ü Ί & 6 2