DE4209195A1

DE4209195A1 - CATALYST FOR HETEROGENEOUS CATALYSIS

Info

Publication number: DE4209195A1
Application number: DE4209195A
Authority: DE
Inventors: Oliver Becker; Sabine Kolz; Herbert Dipl Ing Hager
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1992-03-18
Filing date: 1992-03-18
Publication date: 1993-09-23

Abstract

A catalytic reactor consists of a long vessel contg. a heating element which is coated with catalyst and is connected to a source of electric power. Openings in the housing are provided for the entry of air and for the egress of gaseous reaction prods. The heating element is in the form of a strip of metallic wire fabric (1) which has a mesh size less than 1 mm and a wire dia. less than 0.1 mm. Cleaning exhaust air using this reactor, in which the contaminant concn. of the air is continuously measured and the heating element is activated when the concn. exceeds a preset limit. USE/ADVANTAGE - For heterogenous catalysis, especially in the cleaning of exhaust air. Air with contaminant concn. of less than 100 mg/cu.m, and in partic. less than 10 mg/cu.m, is cleaned effectively and efficiently even under conditions of varying contaminant concn. and air temp.

Description

Die Erfindung betrifft einen Katalysator für heterogene Katalyse gemäß dem Gattungsbegriff des Hauptanspruches.The invention relates to a catalyst for heterogeneous catalysis the generic concept of the main claim.

Die Reinigung schadstoffbeladener Abluft mittels einer heterogenen Katalyse, bei dem die Abluft durch Druck- oder Sogwirkung geführt an einem festen, mit Katalysatormaterial beschichteten Element vorbeiströmt, ist prinzipiell bekannt (DE 38 04 722). Bei den bisher üblich angewandten technischen Ausführungen wird dazu auf keramische und metallische Wabenkörper oder keramische Füllkörper mit großer Oberfläche ein geeignetes Katalysatormaterial aufgebracht. Die zu reinigende Abluft durchströmt das mit dem Katalysatormaterial beschichtete Element und die brennbaren Substanzen werden bei der Berührung mit der Oberfläche des Katalysatormaterials oxidiert und zu umweltverträglichen gasförmigen Reaktionsprodukten verbrannt. Dabei hat die Abluft entweder bereits die für die katalytische Nachverbrennung erforderliche Prozeßtemperatur oder muß durch Energiezufuhr von außen, z. B. Gasbrenner oder elektrische Beheizung auf die erforderliche Prozeßtemperatur gebracht werden. Je nach Art der Schadstoffkonzentration gibt es eine optimale Prozeßtemperatur, deren Einhaltung bei den bekannten Verfahren beiThe purification of polluted exhaust air using a heterogeneous Catalysis, in which the exhaust air is guided by pressure or suction a solid element coated with catalyst material flows past, is known in principle (DE 38 04 722). With the so far Commonly used technical designs are based on ceramic and metallic honeycomb or ceramic filler with large A suitable catalyst material is applied to the surface. The too cleaning exhaust air flows through with the catalyst material coated element and the flammable substances are at the Contact with the surface of the catalyst material oxidizes and closes burned environmentally friendly gaseous reaction products. Doing the exhaust air is either that for catalytic post-combustion required process temperature or must be supplied by external energy, e.g. B. gas burner or electrical heating to the required Process temperature are brought. Depending on the type of Pollutant concentration there is an optimal process temperature, the Compliance with the known methods

- intermittent operation
- the start-up phase
- fluctuating concentrations of pollutants
- fluctuating exhaust air temperatures
is difficult or impossible to implement.

Für den Fall, daß die Abluft erst durch Beheizung auf die erforderliche Prozeßtemperatur erwärmt werden muß, stellen die bisher verwendeten keramischen und metallischen Träger einen nicht vernachlässigbaren Wärmespeicher dar, der in der Anfahrphase das schnelle Erreichen der Arbeitstemperatur des beschichteten Elementes behindert und damit in dieser Phase die Wirksamkeit des Katalysators einschränkt. Zur Überwindung dieses Problems ist bereits vorgeschlagen worden (DE 39 29 521), nur die Katoberfläche auf die erforderliche Prozeßtemperatur zu bringen, um mit einer Trägerluft von etwa Raumtemperatur arbeiten zu können. Dazu wird ein mit Katalysatormaterial beschichteter Heizdraht eingesetzt, der durch Anlegen einer elektrischen Spannung direkt beheizt wird. Die trägerfixierte Schadluft wird nun so schnell, beispielsweise durch ein enges Gitter aus Katalysatordrähten, die auf einem aus elektrisch isolierendem Werkstoff hergestellten Rahmen aufgespannt sind, geleitet, daß sich die Luft nur geringfügig erwärmt und die Schadstoffe weitgehend durch die katalytische Oxidation abgebaut werden. Nachteilig bei diesem Verfahren ist der schlechte Wirkungsgrad der Anlage, da jedes Abluftmolekül mit den katalytisch beschichteten Heizdrähten in Kontakt gebracht werden muß. Dies ist aber bei einem für die Leistung der Anlage erforderlichen Durchsatz der verunreinigten Luft praktisch nicht möglich. Das geschilderte Verfahren versagt bei geringen Schadstoffkonzentrationen insbesondere dann, wenn die Schadstoffkonzentration auf einen Wert kleiner 100 mg/cbm Abluft absinkt.In the event that the exhaust air only by heating to the required Process temperature must be heated, represent the previously used ceramic and metallic carrier a not negligible Heat storage, which in the start-up phase the fast reaching Working temperature of the coated element hindered and thus in this phase limits the effectiveness of the catalyst. For Overcoming this problem has already been proposed (DE 39 29 521), only the catalyst surface to the required process temperature to bring to work with a carrier air of around room temperature can. For this, a heating wire coated with catalyst material is used used, which heats directly by applying an electrical voltage becomes. The carrier-fixed harmful air is now so fast, for example through a narrow grid of catalyst wires that lay out on one frame made of electrically insulating material are clamped, passed that the air warms only slightly and the pollutants largely degraded by catalytic oxidation. Disadvantageous this method is the poor efficiency of the system, because each Exhaust air molecule in contact with the catalytically coated heating wires must be brought. But this is one for the performance of the plant required throughput of the polluted air practically not possible. The described method fails with small Pollutant concentrations especially when the Pollutant concentration to a value less than 100 mg / cbm exhaust air sinks.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Katalysator zur Reinigung schadstoffbeladener Abluft durch heterogene Katalyse anzugeben, mit dem auch bei schwankenden Schadstoffkonzentrationen und Ablufttemperaturen eine schadstoffbeladene Abluft mit einer Schadstoffkonzentration von weniger als 100 mg/cbm Abluft insbesondere für eine Konzentration von weniger als 10 mg/cbm mit gutem Wirkungsgrad und geringem Energiebedarf gereinigt werden kann.The object of the invention is to provide an improved catalyst Purification of polluted exhaust air by heterogeneous catalysis to indicate with which also with fluctuating pollutant concentrations and Exhaust air temperatures a polluted exhaust air with a Pollutant concentration of less than 100 mg / cbm exhaust air in particular for a concentration of less than 10 mg / cbm with good Efficiency and low energy consumption can be cleaned.

Diese Aufgabe wird durch das im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebene Merkmal gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen sowie ein Verfahren für den intermittierenden Betrieb angegeben.This object is achieved in the characterizing part of claim 1 specified feature solved. In the subclaims are advantageous Training and a procedure for intermittent operation specified.

Im Unterschied zu den bereits bekannten und üblicherweise verwendeten Wabenkörper und metallischen Trägern sowie zu den beschichteten Drähten bzw. Blechen ist das erfindungsgemäße Heizelement ein metallisches Gewebeband mit einer Maschenweite kleiner 1 mm und Drahtdicken kleiner 0,1 mm. Der Vorteil eines solchen Metallgewebes liegt darin, daß es bei geringem spezifischen Gewicht eine große katalytisch wirkende Oberfläche aufweist. Die Erwärmung dieses Gewebebandes auf die erforderliche Prozeßtemperatur erfolgt in bekannter Weise durch direkte elektrische Beheizung, wobei für die Anfahrphase die geringe Speicherkapazität des Gewebebandes von Vorteil ist. Die wirksame Oberfläche des Metallgewebes wird weiterbildend dadurch wesentlich erhöht, daß das Gewebeband auf der Oberfläche eine dünne Schicht eines gewachsenen Mineralkristalls aufweist, die mit dem Katalysatormaterial überzogen ist. Vorzugsweise ist der Mineralkristall ein Nickelspinell. Andere Kristallarten sind für diesen Zweck aber ebenso geeignet. In contrast to the already known and commonly used Honeycomb body and metallic supports as well as to the coated wires or sheet metal, the heating element according to the invention is a metallic one Fabric tape with a mesh size smaller than 1 mm and wire thicknesses smaller 0.1 mm. The advantage of such a metal mesh is that it low specific weight a large catalytic surface having. The heating of this fabric tape to the required Process temperature takes place in a known manner by direct electrical Heating, the low storage capacity of the Fabric tape is beneficial. The effective surface of the metal mesh is significantly increased by the fact that the fabric tape on a thin layer of grown mineral crystal on the surface has, which is coated with the catalyst material. Preferably the mineral crystal is a nickel spinel. Other types of crystals are for this purpose is equally suitable.

Das metallische Gewebeband kann zu Modulen gewickelt oder gefaltet werden, wobei darauf zu achten ist, daß es zwischen den einzelnen Windungen bzw. Fältelungen nicht zu Kurzschluß führenden Kontakten kommt. Dies kann man durch geeignete elektrisch isolierende Abstandsmittel sicherstellen. Eine der Möglichkeiten besteht darin, die Windungen bzw. Fältelungen in den stirnseitigen Bereichen durch eine temperaturbeständige Klebemasse zu fixieren, so daß ein unmittelbar wirkender Abstandshalter zwischen den Windungen bzw. Fältelungen nicht erforderlich ist. Diese Fixiertechnik hat den Vorteil, daß der Widerstand für das Durchströmen der Abluft durch den Katalysator nicht erhöht wird. Im Sinne einer einfachen Winkeltechnik hat es sich aber als vorteilhaft herausgestellt, ein Band oder Gestrick beispielsweise aus hauchdünnen Keramikfasern als Distanzmatte zu verwenden. Gut geeignet für diesen Zweck ist auch eine Matte aus Glasfasern oder vergleichbaren Fasern. Diese Matte hat zwar den Nachteil, daß der Strömungswiderstand für den Durchsatz der Abluft erhöht wird, hat aber auf der anderen Seite den Vorteil, daß durch die vielen engen Kanäle des Bandes die Abluft so turbulent verwirbelt wird, daß jedes Luftmolekül mit der Katoberfläche in Kontakt kommt. Um die Distanzmatte ebenfalls als Katalysator zu verwenden, wird außerdem vorgeschlagen, diese Matte vergleichbar wie das metallische Gewebeband zu beschichten. Da die Wicklungen bzw. Fältelungen sandwichartig unmittelbar aufeinanderliegen ist gewährleistet, daß nur mit einer geringen Zeitverzögerung die Oberfläche der Distanzmatte ebenfalls auf Prozeßtemperatur erwärmt wird.The metallic fabric tape can be wound or folded into modules , taking care that there is a difference between the individual Convolutions or wrinkles that do not lead to short-circuiting contacts is coming. This can be done using suitable electrically insulating Ensure distance means. One of the ways is Turns or folds in the front areas by a to fix temperature-resistant adhesive so that an immediate not acting spacer between the turns or pleats is required. This fixing technique has the advantage that the Resistance to the exhaust air flowing through the catalyst is not is increased. In the sense of a simple angle technique, however, it has proven to be advantageously exposed, a ribbon or knitted fabric for example to use wafer-thin ceramic fibers as a spacer mat. Well suited For this purpose there is also a mat made of glass fibers or similar Fibers. This mat has the disadvantage that the flow resistance for the throughput of the exhaust air is increased, but on the other hand the advantage that the exhaust air through the many narrow channels of the belt is turbulently swirled that every air molecule with the cat surface comes into contact. Around the distance mat also as a catalyst use, it is also proposed to make this mat comparable to that to coat metallic fabric tape. Since the windings or Wrinkles are sandwiched directly on top of each other ensures that the surface only with a slight time delay the distance mat is also heated to process temperature.

Für eine wirkungsvolle katalytische Oxidation muß das beschichtete Heizelement eine auf den Schadstofftyp abgestimmte Oberflächentemperatur aufweisen. Um diese genau zu erfassen, wird außerdem vorgeschlagen, einen Temperaturfühler, z. B. ein Thermoelement am Metallgewebe anzuordnen und die Meßsignale einem Regelkreis für die Beheizung des Elementes zuzuführen. Die Befestigung des Thermoelementes kann beispielsweise durch Laserschweißen erfolgen. For an effective catalytic oxidation this has to be coated Heating element has a surface temperature that is matched to the type of pollutant exhibit. In order to capture this precisely, it is also proposed a temperature sensor, e.g. B. a thermocouple on the metal mesh to arrange and the measurement signals a control circuit for heating the Feed element. The attachment of the thermocouple can for example by laser welding.

Der einzelne als Modul ausgebildete Katalysator kann durch Reihen- oder Parallelschaltung zu größeren Einheiten zusammengefaßt werden. Bei dem breiten möglichen Anwendungsspektrum dieses Verfahrens bei der Lebens- und Genußmittelherstellung, Intensivtierhaltung, Großküchen usw. muß damit gerechnet werden, daß die zu reinigende Abluft zusätzlich mit festen Staubpartikeln belastet ist. Außerdem können Bestandteile in der Abluft enthalten sein, die bei der katalytischen Verbrennung Aschepartikel bilden. Solche Bestandteile müssen zuvor entfernt werden, damit der Katalysator nicht schon nach kurzer Betriebszeit verschmutzt bzw. sogar zuwächst. Für diese Fälle wird deshalb vorgeschlagen, daß dem Katalysator ein entsprechender Abscheider vorgeschaltet wird. Abscheider für diesen Zweck können als herkömmliche Staubfilter (z. B. Tuchfilter), als Elektrofilter, Zyklone oder Naßwäscher ausgebildet sein. Bei der katalytischen Oxidation darf zudem ein in der Abluft vorhandener Tropfen eine kritische Größe nicht überschreiten, da ansonsten die katalytische Oxidation nur unvollkommen abläuft. Um dies zu vermeiden wird außerdem vorgeschlagen, daß für Abluft, die Teilchen mit überkritischer Tröpfchengröße aufweist, ein Zerstäuber dem Katalysator vorgeschaltet wird.The individual catalyst designed as a module can be arranged in series or Parallel connection can be combined into larger units. In which wide possible range of applications of this method in life and luxury food production, intensive animal husbandry, canteen kitchens, etc. be expected that the exhaust air to be cleaned additionally with solid dust particles. In addition, components in the Exhaust air may be included in the catalytic combustion Form ash particles. Such components must be removed beforehand so that the catalytic converter does not become dirty after a short period of operation or even growing. In these cases it is therefore proposed that the A corresponding separator is connected upstream of the catalyst. Separator For this purpose, conventional dust filters (e.g. cloth filters), be designed as an electrostatic precipitator, cyclone or wet scrubber. In the A drop in the exhaust air may also cause catalytic oxidation do not exceed a critical size, otherwise the catalytic Oxidation is imperfect. To avoid this, too suggested that for exhaust air, the particles with supercritical Has droplet size, an atomizer upstream of the catalyst becomes.

Der vorgeschlagene Katalysator kann im Dauerbetrieb oder auch intermittierend betrieben werden. Das Zu- und Abschalten der Anlage kann in der Weise erfolgen, daß im Zuführungsbereich des Katalysators die Schadstoffkonzentration der Abluft laufend gemessen wird und bei Überschreiten einer vorgegebenen Minimalkonzentration die Beheizung eingeschaltet wird. Das Abschalten erfolgt dann, wenn die Schadstoffkonzentration unter den vorgegebenen Mindestwert fällt. Bei einer sehr einfachen Ausführungsform wird das Zu- und Abschalten des Katalysators mit dem Schalter des Entlüftungsventilators gekoppelt. In diesem Falle wird die subjektive Beeinträchtigung der z. B. in einer Großküche arbeitenden Personen als Auslösefaktor verwendet.The proposed catalyst can be in continuous operation or operated intermittently. The system can be switched on and off in such a way that in the feed area of the catalyst Pollutant concentration in the exhaust air is continuously measured and at If the heating exceeds a specified minimum concentration is switched on. Switching off takes place when the Pollutant concentration falls below the specified minimum value. At a very simple embodiment, the switching on and off of the Catalytic converter coupled to the switch of the ventilation fan. In in this case the subjective impairment of the z. B. in one Commercial kitchen people used as a trigger factor.

In der Zeichnung wird anhand dreier Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäße Katalysator näher erläutert.In the drawing three examples of the Catalyst according to the invention explained in more detail.

Es zeigtIt shows

Fig. 1 in einem Querschnitt schematisch einen erfindungsgemäßen Katalysator als Rohrmodul Fig. 1 in a cross section schematically a catalyst according to the invention as a tube module

Fig. 2 in einem Querschnitt schematisch einen erfindungsgemäßen Katalysator als Kanalmodul Fig. 2 in a cross section schematically a catalyst according to the invention as a channel module

Fig. 3 im Längsschnitt eine spezielle Ausführungsform eines Katalysators. Fig. 3 in longitudinal section a special embodiment of a catalyst.

In Fig. 1 ist in einem Querschnitt schematisch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Katalysators dargestellt. In diesem Beispiel ist ein Sandwich-Element, bestehend aus einem metallischen Gewebeband 1 und einer temperaturbeständig und elektrisch nicht leitenden Distanzmatte 2, spiralförmig aufgewickelt. Dabei ist das metallische Gewebeband 1 mit einem bekannten Katalysatormaterial beschichtet und kann vorzugsweise noch eine dünne Schicht eines gewachsenen Mineralkristalls, vorzugsweise eines Nickelspinells darunter liegen haben. Die Distanzmatte 2 setzt sich beispielsweise aus hauchdünnen keramischen Fasern zusammen. Zur Erhöhung der Katalysatorwirkung kann die Distanzmatte 2 ebenfalls mit Katalysatormaterial und einem Mineralkristall beschichtet sein. Das so aufgewickelte Sandwich-Element ist in einem Rohrabschnitt 3 angeordnet und am Anfang und Ende dieses Rohrabschnittes in der Randzone abgedichtet (hier nicht abgebildet).In Fig. 1, a first embodiment of a catalyst according to the invention is shown schematically in a cross section. In this example, a sandwich element consisting of a metallic fabric tape 1 and a temperature-resistant and electrically non-conductive spacer mat 2 is wound up in a spiral. The metallic fabric tape 1 is coated with a known catalyst material and may preferably have a thin layer of a grown mineral crystal, preferably a nickel spinel, underneath. The spacer mat 2 is composed, for example, of wafer-thin ceramic fibers. To increase the catalyst effect, the spacer mat 2 can also be coated with catalyst material and a mineral crystal. The sandwich element thus wound is arranged in a pipe section 3 and sealed at the beginning and end of this pipe section in the edge zone (not shown here).

Fig. 2 zeigt in einem Querschnitt eine Variante der Anordnung des Sandwich-Elementes. In diesem Beispiel ist das katalytisch beschichtete Gewebeband 4 gefaltet. Das Gehäuse 6, das das Sandwich-Element umschließt, ist kastenförmig ausgebildet und deshalb wird dieses Modul auch als Kanalmodul bezeichnet. Je nach Anordnung der Öffnung im Gehäuse 6 kann die Abluft das Sandwich-Element in Richtung der Falten, hier angedeutet durch den gestrichelt gezeichneten Pfeil 7 oder quer dazu, hier angedeutet durch den Pfeil 8, durchströmen. Die Enden des Gewebebandes 4 sind mit elektrischen Anschlüssen 9, 9′ verbunden, die die Verbindung zur elektrischen Beheizung (hier nicht dargestellt) herstellen. Fig. 2 shows in a cross section a variant of the arrangement of the sandwich element. In this example, the catalytically coated fabric tape 4 is folded. The housing 6 , which surrounds the sandwich element, is box-shaped and this module is therefore also referred to as a channel module. Depending on the arrangement of the opening in the housing 6 , the exhaust air can flow through the sandwich element in the direction of the folds, indicated here by the dashed arrow 7 or transversely thereto, indicated here by the arrow 8 . The ends of the fabric tape 4 are connected to electrical connections 9 , 9 ', which produce the connection for electrical heating (not shown here).

Eine spezielle Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Katalysators ist im Längsschnitt in Fig. 3 dargestellt. Das Sandwich-Element 10 ist zylindrisch um einen perforierten Rohrabschnitt 11 gewickelt. Die axiale Erstreckung des Sandwich-Elementes 10 wird durch zwei Platten 12, 13 begrenzt, die auch die erforderliche Haltevorrichtung für das Sandwich-Element 10 darstellen. Die schadstoffbeladene Abluft strömt von links in das zylindrische Gehäuse 14 ein und wird durch das geschlossene Halteblech 12 gezwungen, in etwa radial von außen nach innen das Sandwich-Element 10 zu durchströmen. Der Austritt der gereinigten Abluft erfolgt im perforierten Rohrabschnitt 11, wo sie durch eine im zweiten Halteblech 13 angeordnete Bohrung 15 aus dem Gehäuse 14 abströmen kann. Es bedarf keiner näheren Erläuterung, daß die Durchströmung des Sandwich-Elementes 10 auch in umgekehrter Reihenfolge, d. h. von innen nach außen erfolgen kann.A special embodiment of a catalyst according to the invention is shown in longitudinal section in FIG. 3. The sandwich element 10 is wound cylindrically around a perforated tube section 11 . The axial extent of the sandwich element 10 is limited by two plates 12 , 13 , which also represent the required holding device for the sandwich element 10 . The pollutant-laden exhaust air flows into the cylindrical housing 14 from the left and is forced by the closed holding plate 12 to flow through the sandwich element 10 approximately radially from the outside inwards. The cleaned exhaust air emerges in the perforated pipe section 11 , where it can flow out of the housing 14 through a bore 15 arranged in the second holding plate 13 . No further explanation is required that the flow through the sandwich element 10 can also take place in the reverse order, ie from the inside to the outside.

Claims

1.Catalyst for heterogeneous catalysis, with an elongated housing in which a fixed heating element coated with a catalyst material is arranged, which is connected via cable to a voltage source and the exhaust air to be cleaned can be supplied or the gaseous reaction products can be removed through openings in the housing , characterized in that the heating element consists of a metallic fabric tape ( 1 , 4 ) with a mesh size of less than 1 mm and wire thicknesses of less than 0.1 mm.

2. Catalyst according to claim 1, characterized in that to increase the catalytically active surface, the fabric band ( 1 , 4 ) has a thin layer of grown crystals, which are coated with the catalyst material.

3. Catalyst according to claim 1 and 2, characterized in that the metallic fabric tape ( 1 ) together with electrically insulating spacers ( 2 ) is wound like a sandwich element in a spiral to a tubular module.

4. Catalyst according to claim 1 and 2, characterized in that the metallic fabric band ( 4 ) is folded together with electrically insulating spacers like a sandwich element in a meandering shape to form a box-like module.

5. Catalyst according to claim 3 or 4, characterized in that the spacer ( 2 ) is a ribbon or knitted fabric made of wafer-thin ceramic fibers.

6. Catalyst according to claim 1, 2 and 5, characterized, that the tape or knitted fabric is a thin layer of grown Has crystals coated with the catalyst material are.

7. A catalyst according to claim 2 or 6, characterized, that the mineral crystal is a nickel spinel.

8. Catalyst according to one of the preceding claims, characterized in that a temperature sensor is attached to the heating element ( 1 , 4 , 10 ).

9. Catalyst according to one of the preceding claims, characterized, that at least one separator for dust particles and / or Components of the exhaust air that are used in catalytic combustion Ash particles lead upstream.

10. Catalyst according to one of the preceding claims, characterized, that an atomizer is connected upstream.

11. Process for the purification of polluted exhaust air heterogeneous catalysis using a device according to claim 1, characterized, that the pollutant concentration in the exhaust air is measured continuously and only when a predetermined minimum concentration is exceeded the heating for the coated fabric band is switched on.

12. The method according to claim 11, characterized in that the switching on of the heating of the coated fabric tape ( 1 , 4 , 10 ) is linked to the switching on of the ventilating fan.