DE19816482C2

DE19816482C2 - Plattenkatalysator

Info

Publication number: DE19816482C2
Application number: DE19816482A
Authority: DE
Inventors: Erich Hums; Andreas Klatt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-04-14
Filing date: 1998-04-14
Publication date: 2001-11-29
Anticipated expiration: 2018-04-15
Also published as: JPH11319582A; DE19816482A1; US6287524B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Plattenkatalysator mit einer Einströmseite und einer Ausströmseite und mit einem Stapel von ersten Platten und von zweiten Platten mit jeweils einer katalytisch aktiven Oberfläche, welcher von der Einström seite zur Ausströmseite von einem Strömungsmedium durchströmbar ist.

Ein derartiger Plattenkatalysator wird unter anderem zur Verringerung von Stickoxiden im Abgas einer Verbren nungsanlage eingesetzt. Nach dem Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) werden hierbei die Stick oxide zusammen mit einem zuvor in das Gasgemisch einge brachten Reduktionsmittel, in der Regel Ammoniak NH₃, an der katalytisch aktiven Oberfläche zu Wasser und molekula rem Stickstoff umgesetzt. Anstelle von Ammoniak ist auch die Verwendung von Harnstoff bekannt, welcher im Abgas zu Ammoniak zersetzt wird. Die katalytisch aktive Masse, mit der die Platten beidseitig beschichtet sind, umfaßt hierzu in der Regel Titandioxid TiO₂ und einen oder mehrere der Zusätze Wolframtrioxid WO₃, Molybdäntrioxid MoO₃ und Vanadinpentoxid V₂O₅.

Ein Plattenkatalysator ist zusammengesetzt aus einem Stapel Platten, die mit einer katalytisch aktiven Oberfläche versehen sind, und einer Halterungsvorrichtung für die Plat ten. Als Halterungsvorrichtung wird in der Regel ein soge nannter Elementkasten verwendet, in welchen die Platten gleichmäßig beabstandet und parallel zueinander orientiert eingesetzt sind. Der Elementkasten hat dabei meist die Form eines an den Stirnflächen offenen Quaders, wodurch dieser von der Einströmseite zur Ausströmseite parallel zu den Längsseiten von einem Strömungsmedium bzw. einem Ab gas durchströmbar ist. Die Plattenebenen sind dabei parallel zur Strömungsrichtung ausgerichtet. Ein derartiger Platten katalysator ist aus der WO 94/26411 A1 bekannt.

Mehrere dieser mit katalytisch aktiven Platten bestückten Elementkästen werden nebeneinander zu einem Katalysa tormodul angeordnet. Eine komplette Abgasreinigungsan lage umfaßt wiederum mehrere in einem Abgaskanal hinter einandergeschaltete Ebenen derartiger Katalysatormodule. So hat beispielsweise eine sogenannte DeNOx-Anlage zur Verminderung von Stickoxiden im Abgas eines Fossilkraft werks meist drei bis fünf Ebenen derartiger Katalysatormo dule.

Zur Beabstandung der einzelnen Platten in einem Ele mentkasten sind die Platten meist mit einer ohne Unterbre chung entlang der Platte verlaufenden Struktur in Form ei ner Sicke versehen. Auf diese Weise werden zwischen zwei unmittelbar benachbarten Platten mehrere voneinander ge trennte, von der Einströmseite zur Ausströmseite vom Strö mungsmedium durchströmbare Unterräume geschaffen. Diese Unterräume werden im wesentlichen laminar von dem Strömungsmedium durchströmt, wodurch sich ein un vorteilhaftes Strömungsprofil für die katalytische Umset zung der Reaktanden, beispielsweise der Stickoxide unter Verwendung von Ammoniak, ergibt. Das in der Mitte eines Unterraums strömende Strömungsmedium gelangt nur noch durch den Mechanismus der Diffusion und nicht mehr durch Turbulenzen an die katalytisch aktive Oberfläche der Unter räume. Hierdurch wird der für die katalytische Reaktion nö tige Kontakt der Reaktanden mit der katalytisch aktiven Oberfläche der Unterräume erschwert.

In der WO 94/26411 A1 wird ein Plattenkatalysator be schrieben, welcher mit ersten Platten, die nahezu linienför mige Erhebungen, Sicken oder ähnliche Strukturen besitzen, und zusätzlich mit zweiten Planen ausgestattet ist. Die Strukturen der ersten Platten sind praktisch parallel zur Strö mungsrichtung ausgerichtet, die Strukturen der zweiten Platten stehen jedoch quer oder in einem Winkel zur Strö mungsrichtung. Auf diese Weise können Turbulenzen inner halb der Unterräume zwischen den einzelnen Platten erzeugt werden. Diese Art Katalysator hat jedoch den Nachteil, daß die Strukturen der zweiten Platten einen hohen Druckverlust im Strom des Strömungsmediums verursachen und sich da her im Strömungsmedium enthaltene Ruß- und Ascheparti kel durch dessen geringe Strömungsgeschwindigkeit an ei nigen Stellen der Unterräume leicht absetzen können. Daher neigt ein derartiger Katalysator zum Verstopfen des Reakti onsraums.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Plattenkatalysa tor anzugeben, welcher eine gegenüber herkömmlichen Plattenkatalysatoren gleicher Baugröße erhöhte katalytische Aktivität aufweist, ohne die Nachteile des Druckverlustes oder der Verstopfungsgefahr durch Ascheablagerungen mit sich zu bringen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Plattenkatalysator mit einem Stapel von ersten Platten und von zweiten Platten mit jeweils einer katalytisch aktiven Oberfläche, wobei er findungsgemäß die Anströmkanten der zweiten Platten ge genüber denen der ersten Platten in Richtung zur Ausström seite zurückversetzt sind.

Unter Anströmkanten werden die der Einströmseite des Plattenkatalysators zugewandten Kanten der Platten ver standen. Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß beim Eintritt des Strömungsmediums in die Unterräume Turbulenzen im Strom des Strömungsmediums auftreten. Untersuchungen haben gezeigt, daß diese jedoch durch den gleichmäßigen Querschnitt der Unterräume im weiteren Verlauf der Strömung schnell nachlassen und nach einer kurzen Strömungsstrecke verschwinden. Die durch teil weise turbulenten Strom gekennzeichnete Einlaufzone in nerhalb der Unterräume beträgt weniger als 20 cm. Im wei teren Verlauf strömt das Strömungsmedium laminar durch die Unterräume. Die laminare Strömung wirkt sich insbe sondere deshalb ungünstig auf den Reaktionsumsatz des Plattenkatalysators aus, weil, bedingt durch das Strömungs profil, der am weitesten von der Unterraumoberfläche ent fernte Teil des Strömungsmediums am schnellsten durch die Unterräume strömt, er also am kürzesten innerhalb der Un terräume verweilt. Daher kann der Mechanismus der Diffu sion, der unter anderem durch die Zeit gesteuert ist, für die sen Teil des Strömungsmediums am wenigsten greifen. Zweite Platten innerhalb des Plattenkatalysators, deren je weilige Anströmkante gegenüber denen der ersten Platten in Richtung zur Ausströmseite zurückversetzt sind, verursa chen hingegen innerhalb der Einlaufzone eine zweite Turbu lenzzone, da sie die laminare Strömung, die sich zwischen den ersten Platten zu bilden begonnen hat, stören. Diese zweite Turbulenzzone entsteht gerade dort, wo das Strö mungsmedium am schnellsten strömt. Sie ist also stärker ausgeprägt als die erste Turbulenzzone und tritt außerdem dort auf, wo die katalytische Reaktion des Strömungsmedi ums noch am wenigsten stattgefunden hat. Die zweite Tur bulenzzone ist außerdem gegenüber der ersten, die direkt hinter der Einströmseite beginnt, in Richtung zur Ausström seite zurückversetzt. Mit dieser Erfindung wird daher gegen über einem herkömmlichen Plattenkatalysator erreicht, daß mehr Turbulenzen vorhanden sind und sich die gesamte, durch turbulente Strömung gekennzeichnete Einlaufzone verlängert, weshalb der katalytische Umsatz erhöht wird.

Mit Vorteil werden die ersten und zweiten Platten inner halb eines Plattenstapels des Plattenkatalysators so gesta pelt, daß erste und zweite Platten einander abwechseln. Hierdurch wird die größtmögliche Anzahl weiterer Turbu lenzzonen innerhalb der Einlaufzone des Plattenkatalysators erzielt. Dabei genügt in der Regel bereits ein einziger weiterer Typ von Platten, der entsprechend kürzer ist als die Plat ten ersten Typs.

Vorteilhafterweise sind die Profile aller Platten praktisch parallel zueinander ausgerichtet, insbesondere weisen die Platten ungefähr parallel zur Strömungsrichtung verlau fende Erhebungen und/oder Sicken auf. Dann tritt nur ein geringer Strömungswiderstand auf.

Zweckmäßigerweise werden die zweiten Platten um die Strecke, die deren Anströmkante jeweils zurückversetzt ist, gekürzt. Somit bilden die Plattenkanten an der Ausström seite eine Ebene. Hierdurch wird zum einen der Katalysator nicht unnötig verlängert und damit sein Bauvolumen nicht vergrößert und zum anderen kann das Katalysatormaterial eingespart werden, um das die zweiten Platten gekürzt sind. Der Verlust an katalytisch aktiver Oberfläche wird dabei durch die Umsatzzunahme aufgrund der Turbulenzerhöhung ausgeglichen bzw. überkompensiert.

Um eine optimale Erhöhung der katalytischen Aktivität des Katalysators zu erzielen, wird die Länge der Strecke, um die die Anströmkanten der zweiten Platten jeweils zurück versetzt sind, an die Betriebsbedingungen des Katalysators angepaßt. Bei üblichen Strömungsgeschwindigkeiten von 5 m/s bis 10 m/s und üblichem Plattenabstand von 2 mm bis 8 mm wird die Länge dieser Strecke vorteilhafterweise zwi schen 3 cm und 10 cm gewählt.

Für die Herstellung der Katalysatorplatten ist es kosten günstig, die Platten aus einer Tragstruktur und einer darauf angebrachten katalytisch aktiven Beschichtung aufzubauen. Die Tragstruktur kann beispielsweise ein verformbares me tallisches Drahtnetz oder ein anderes metallisches Geflecht sein, welches vor dem Auftragen der katalytisch aktiven Be schichtung mit einer Struktur, z. B. Sicken, versehen wird. Auch ein anderes Material als Metall ist zur Verwendung für eine solche Tragstruktur vorstellbar.

Zum Abbau von Stickoxiden nach dem SCR-Verfahren weist die dem Strömungsmedium frei zugängliche kataly tisch aktive Oberfläche der Platten vorteilhafterweise die Materialien Titandioxid (TiO₂) zu 70 bis 95 Gew.-%, Wol framtrioxid (WO₃) und/oder Molybdäntrioxid (MoO₃) bis 15 Gew.-% und Vanadinpentoxid (V₂O₅) zu weniger als 5 Gew.-% auf. Ein derartiger Katalysator wird auch als De- NOx-Katalysator bezeichnet.

Die Fig. 1 veranschaulicht ein besonders geeignetes Aus führungsbeispiel der Erfindung. Die Platten sind durch Sic ken voneinander beabstandet und die ersten Platten 1 und die zweiten Platten 2 sind abwechselnd im Plattenstapel des Plattenkatalysators gestapelt. Durch diese abwechselnde Anordnung der ersten und zweiten Platten wird die maxi male Anzahl zweiter Turbulenzzonen innerhalb eines Plat tenstapels erreicht. Die Anströmkanten 3 der zweiten Plat ten 2 sind jeweils um 6 cm gegenüber denen der ersten Plat ten 1 in Richtung der Ausströmseite zurückversetzt und die zweiten Platten 2 sind jeweils 6 cm kürzer als die ersten Platten 1. Die Platten sind aus einem metallischen Drahtge flecht gefertigt, auf das eine katalytisch aktive Beschichtung aufgebracht wurde. Diese katalytisch aktive Beschichtung enthält die Materialien Titandioxid (TiO₂) zu 70 bis 95 Gew.-%, Wolframtrioxid (WO₃) und/oder Molybdäntrio xid (MoO₃) bis 20 Gew.-% und Vanadinpentoxid (V₂O₅) zu weniger als 5 Gew.-%. Ein solcher Plattenkatalysator eignet sich für den Abbau von Stickoxiden im Abgas eines Fossil kraftwerks.

In Fig. 1 ist die oberste Platte 10 der ersten Platten 1 teil weise aufgebrochen dargestellt, um die darunter liegende Platte 20 sichtbar zu machen, die die oberste Platte der zwei ten Platten 2 ist. In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch den Plat tenstapel gezeigt, wobei zumindest die zweiten Platten mit tels Befestigungen 4 in einem Rahmen 5 gehalten sind, um eine Verschiebung in Strömungsrichtung zu verhindern.

Claims

1. Plattenkatalysator mit einer Einströmseite und einer Ausströmseite und mit einem Stapel von ersten Platten (1) und von zweiten Platten (2) mit jeweils einer kata lytisch aktiven Oberfläche, welcher von der Einström seite zur Ausströmseite von einem Strömungsmedium durchströmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Einströmseite gelegenen Anströmkanten (3) der zweiten Platten (2) gegenüber denen der ersten Platten (1) in Richtung zur Ausströmseite zurückversetzt sind.

2. Plattenkatalysator nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die ersten und zweiten Platten (1, 2) im Stapel abwechselnd gestapelt sind.

3. Plattenkatalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Platten (2) jeweils um die Strecke, die deren Anströmkante (3) zurückversetzt ist, gekürzt sind.

4. Plattenkatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strecke, um die die Anströmkante (3) der zweiten Platten (2) jeweils zu rückversetzt ist, 3 cm bis 10 cm beträgt.

5. Plattenkatalysator nach einem der Anspruche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (1, 2) je weils aus einer Tragstruktur und einer darauf aufge brachten katalytisch aktiven Beschichtung gebildet sind.

6. Plattenkatalysator nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Tragstruktur eine metallische Tragstruktur ist.

7. Plattenkatalysator nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die katalytisch aktive Beschichtung die Materialien Titandioxid (TiO₂) zu 70 bis 95 Gew.- %, Wolframtrioxid (WO₃) und/oder Molybdäntrioxid (MoO₃) bis 20 Gew.-% und Vanadinpentoxid (V₂O₅) zu weniger als 5 Gew.-% umfaßt.

8. Plattenkatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Platten (1, 2) Strukturen aus Erhebungen und/oder Sic ken tragen.

9. Plattenkatalysator nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die Strukturen der ersten und zwei ten Platten (1, 2) zueinander parallel von der Einström seite zur Ausströmseite verlaufen.