DE3340682A1 - Katalysator zur verbrennung und umwandlung von gasen und hoeheren kohlenwasserstoffen, sowie abgasnachverbrenner mit einem solchen katalysator - Google Patents

Description

• Katalysator zur Verbrennung und Umwandlung von
• Gasen und höheren Kohlenwasserstoffen, sowie Abgasnachverbrenner mit einem solchen Katalysator Die Erfindung bezieht sich auf einen Katalysator zur Umwandlung von Gasen und höheren Kohlenwasserstoffen, welcher auf porösem oxidischen Trägermaterial einen aktiven Metallüberzug aufweist, der Lanthan und Kobalt als aktiven Metallkomponenten enthält, wobei der Überzug durch Imprägnieren des Trägerkörpers mit einer Lösung aus thermisch leicht zersetzbaren Lanthan- und Kobalt-Salzen und anschließendes Brennen gebildet ist, sowie einen Abgasnachverbrenner unter Verwendung eines derartigen Katalysators.
• Die Verbrennungsvorgänge bei der Umsetzung von Kohlenwasserstoffen führen bislang stets nur zu einer unvollständigen Verbrennung und Umsetzung, wodurch sich Probleme mit Kohlenmonoxid, unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Ruß und anderen Schadstoffen, wie beispielsweise Stickoxiden, ergeben. Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten ist bereits eine Verbrennung in den Bohrungen einer Keramik vorgeschlagen worden, die mit einem Katalysator beschichtet ist. Der Katalysator muß dabei auf einen porösen keramischen Träger aufgebracht werden, um eine hohe Lebensdauer zu erzielen und damit auf der anderen Seite durch entsprechend große Oberflächen eine vollständige Umsetzung des durchstreichendes Gemisches erreicht wird. Dies geschieht vorzugsweise in Lochsteinplatten oder einer Wabenkerainik, jedoch auch auf Körpern wie Kugeln, Zylindern und fadenförmigen Keramiken.
• Als Katalysator zur Erfüllung dieser Aufgabe haben sich in der letzten Zeit vor allem platinhaltige Substanzen durchgesetzt, die jedoch den Nachteil besitzen, daß Platin von Verunreinigungen der zu verbrennenden Kohlenwasserstoffe, insbesondere beispielsweise Ruß und S02, im Falle der Nachverbrennung von Kraftfahrzeugabgasen sehr rasch "vergiftet" und damit unwirksam wird.
• Ebenfalls Schwierigkeiten ergeben sich bei Verwendung eines aus der deutschen Patentschrift 22 10 365 bekannt gewordenen Katalysators, bei dem auf einem porösen keramischen Träger ein Gemisch aus Kobalt, Lanthan, Nickel und Uran als aktiver Metallüberzug aufgebracht ist. Bei umfangreichen, der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Versuchen hat es sich nämlich herausgestellt, daß die darin vorgeschlagene Substanz sich ebenfalls nicht dauerhaft als Katalysator verwenden läßt, da der Nickel-Anteil, aber auch das Uran, den Katalysator durch Reaktion mit dem keramischen Träger und Zerfall dieses besonders durch Multispinellbildung auf die Dauer zerstören. Die angegebenen weiten Bereiche an Kobolt und Lanthan ergeben in weiten Teilen der Mischungsverhältnisse ebenfalls keinen brauchbaren Katalysator, da bei Unterschreiten des Verhältnisses ein Teil Lanthannitrat zu einem Teil Kobaltnitrat beim Tränken des Trägerkörpers sehr schnell durch austretendes überschüssiges Kobaltoxid während der Arbeitsweise des Katalysators eine Vergiftung eintritt. Diese Vergiftung des Katalysators sowohl im Falle der vorgenannten Kobalt-Lanthan-Nickel-Uran-Mischung, als auch im Falle platinhaltiger Substanzen, ergibt sich in besonderem Maße bei höheren Temperaturen, so daß derartige Katalysatoren beispielsweise bei der Nachverbrennung von Verbrennungsgasen oder Abgasen von Kraftfahrzeugen in kühleren Abschnitten weit hinter dem Brenngerät oder Motor angeordnet werden müssen. Dies hat aber wiederum den Nachteil, daß die Umsetzung nicht so vollständig erfolgen kann, wie es bei höheren Temperaturen der Fall wäre.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einer Katalysator zur Umwandlung von Kohlenwasserstoffen zu schaffen, der stabil und weitgehend unempfindlich gegen eine Vergiftung sowohl durch Fremdschadstoffe, als auch gegen einer Eigenvergiftung bei höheren Temperaturen ist.
• Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Katalysator der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung vorgesehen, daß der Metallüberzug 1 Teil Kobalt und 1 - 3 Teile, vorzugsweise 2 Teile Lanthan, sowie - bezogen auf die Summe dieser Stoffe - 2 bis 20 Masse % Cer enthält.
• Diese besondere Zusammensetzung - unter Weglassung der bisherigen Katalysatorbestandteile Nickel und Uran - und die Einbeziehung des der Stabilisierung des Katalysators dienenden zusätzlichen Metalls Cer ergeben überraschenderweise eine Katalysator, der so temperaturbeständig ist, daß er je nach Gaszusammensetzung und Aufgabe in reduzierender Atmosphäre bis zu 10000 C und in oxidierender Atmosphäre sogar bis 12000 C eingesetzt werden kann. Dies ermöglicht beispiels weise seinen Einsatz als Nachverbrenner für Dieselmotoren, wobei der Katalysator wegen seiner hohen Temperaturbeständigkeit unmittelbar nach dem Motor im Bereich der höchsten Abgastemperatur eingesetzt werden kann, um die Reaktionsgeschwindigkeit der Rußumwandlung möglichst hoch zu gestalten.
• Das Abgas wird dabei vorzugsweise seitlich in eine zyklonförmige Ringkammer eingeführt, aus dieser in die senkrechte Achse umgelenkt, durch den Katalysator mit vielen hintereinan der geschalteten Platten oder in einen stranggepreßten Waben körper (Monolith) geleitet und am anderen senkrechten Ende wieder durch eine zyklonförmige Ringkammer nach außen abgeleitet.
• Bei diesem speziellen Einsatz des Katalysators zur Rußverbrennung hat es sich darüber hinaus als vorteilhaft erwiesen, wenn der Metallüberzug - bezogen auf den Gehalt an Kobalt und Lanthan - zusätzlich etwa 2 bis 20 % Eisen enthält.
• Während in den bislang bekannt gewordenen Katalysatoren der gesamte Trägerkörper aus dem jeweiligen porösen oxidischen Material bestand, soll erfindungsgemäß ein Zweikomponententräger verwendet werden, der aus einem temperaturwechselbeständigen Grundkörper, vorzugsweise Cordiarit, besteht, der mit einer porösen Beschichtung aus einem Gemisch von Aluminiumoxid und Magnesiumoxid versehen ist. Durch diesen Zweikomponententräger, wobei der Grundkörper nicht porös ist, wird vermieden, daß ein Großteil der Katalysatorsubstanz in das Innere der porösen Trägerkeramik gelangt, in der eine nennenswerte Umsetzung überhaupt nicht mehr erfolgt. Man hat also die poröse Keramik mit ihrer katalytischen Oberflächenbeschichtung nur in Form einer dünnen Schicht auf dem Grundkörper, so daß tatsächlich eine sehr hohe Umsetzung der zu verbrennenden Bestandteile stattfinden kann, ohne den Anteil an Katalysatorsubstanz allzu hoch zu gestalten. Darüber hinaus hat der Zweikomponententräger den Vorteil, daß die Bildung von Ruß tief im Inneren eines porösen Körpers vermieden wird, die zu einer Sprengung des Trägers führen könnte.
• Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Katalysators wird der Trägerkörper vorzugsweise mit wässrigen Lösungen von Kobalt-, Lanthan-, Cer- und gegebenenfalls Eisen-Salzen, vorzugsweise deren Nitraten getränkt, der imprägnierte Trägerkörper bei ca. 1000 C getrocknet und anschliessend bei Temperaturen zwischen 2000 C und 10000 C in Luft oder reduzierender Atmosphäre gebracht.
• Der Einsatz des erfindungsgemäßen Katalysators ist dabei nicht etwa auf die Nachverbrennung von Kraftfahrzeugabgasen und schon gar nicht auf die Rußnachverbrennung bei Dieselmotoren beschränkt. Der erfindungsgemäße Katalysator läßt sich für sämtliche Fälle von Kohlenwasserstoffumsetzungen erfolgreich einsetzen, sei es in Brennwertgeräten für Gebäudeheizungen, oder in Geräten zur Umwandlung von Kohlenwasserstoffen in Spaltgas od. dergl. Gerade die hohe Temperaturbeständigkeit des Katalysators und seine geringe Anfälligkeit gegen Selbstvergiftung oder Vergiftung durch Verunreinigungen des Brennmaterials machen ihn zu einem universell einsetzbaren Katalysator. Die hohe Temperaturbeständigkeit ist dabei von ganz besonderer Bedeutung, da sie ein Arbeiten bei hohen Temperaturen ermöglicht, bei denen die Umsetzungen entsprechend schneller erfolgen, so daß auch mit Sicherheit eine vollständige Umsetzung der jeweiligen Brennstoffe gewährleistet ist.
• Die Fig. 1 und 2 zeigen schematisch einen Längs-, bzw.
• Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Abgasnachverbrenner für Dieselmotoren. In dem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse 1 ist der eigentliche, eine Trennwand 2 durchsetzende Trägerkörper 3 angeordnet, der aus hintereinandergeschalteten Platten oder in Form eines stranggepreßten Wabenkörpers (Monolith) ausgebildet ist, wobei die Oberflächen der durchgehenden Kanäle mit der weiter oben beschriebenen Katalysatorsubstanz beschichtet ist. Der obere seitliche Einlaß 4, der an die Auspuffleitung vom Motor angeschlossen ist, mündet tangential in die obere Ringkammer 5 ein, während in gleicher Weise die Auslaßleitung 6 tangential aus der unteren Ringkammer 7 herausgeführt ist. Es hat sich gezeigt, daß durch die zyklonartige Abgasführung eine bessere Absetzung und Verbrennung der Rußbestandteile stattfindet. Die Anordnung der Einlaß- und Auslaßleitungen 4 und 6 könnte dabei auch vertauscht sein, so daß beispielsweise die Einlaßleitung unten ist.
• Bei 8 und 9 sind schematisch Thermoelemente angedeutet, die zur Überwachung der Einlaß- und Auslaßtemperatur dienen. Am Armaturenbrett des Kraftfahrzeugs ist dabei zweckmäßigerweise ein drei Anzeigefelder umfassendes Temperaturanzeigeinstrument vorgesehen, wobei die Lage des Zeigers oder des sonstigen Anzeigeorgans im ersten Feld angibt, daß die Auslaßtemperatur kleiner als die Einlaßtemperatur ist. Dies bedeutet den Anfahrfall, in welchem der Katalysator noch nicht warm genug ist, um die Umsetzung und Nachverbrennung insbesondere der Rußbestandteile zu bewirken, die zu einer Erhöhung der Temperatur in der Auslaßkammer 7 gegenüber der Abgastemperatur in der Einlaßkammer 5 führen. Bei ordnungsgemäßer Funktion des Abgasnachverbrenners muß die Auslaßtemperatur in der Kammer 7 größer sein als die Einlaßtemperatur, was einer Zeigerstellung im zweiten (mittleren) Anzeigefeld entspricht. Das dritte Feld wiederum signalisiert den Fall, daß die Auslaßtemperatur sehr viel größer als die Einlaßtemperatur ist. Dies wiederum signalisiert, daß am Motor irgend etwas kaputt ist, daß beispielsweise ein Zylinder ausgefallen ist, so daß nicht nur geringe nachzuverbrennende Bestandteile im Abgas vorhanden sind, sondern ein Teil des Treibstoffs selbst, so daß eine übermäßige Erhitzung im Abgasnachverbrenner stattfindet. Die Stellung des Zeigers in diesem dritten Feld signalisiert also einen Motorschaden, der nicht nur im Interesse des Motors selbst, sondern auch zum Schutz des Nachverbrenners behoben werden muß.

Claims (7)

1. Patentansprüche 1. Katalysator zur Umwandlung von Gasen und höheren Kohlenwasserstoffen, welcher auf porösem oxidischen Trägermaterial einen aktiven Metallüberzug aufweist, der Lanthan und Kobalt als aktive Metall komponenten enthält, wobei der Oberzug durch Imprägnieren des Trägerkörpers mit einer Lösung aus thermisch leicht zersetzbaren Lanthan- und Kobalt-Salzen und anschließendes Brennen gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallüberzug 1 Teil Kobalt und 1 - 3 Teile, vorzugsweise 2 Teile, Lanthan, sowie - bezogen auf die Summe dieser Stoffe - 2 bis 20 Masse % Cer enthält.
2. 2. Katalysator nach Anspruch 1, insbesondere zur Rußverbrennung, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallüberzug - bezogen auf den Gehalt an Kobalt und Lanthan -2 - 20 % Eisen enthält.
3. 3. Katalysator nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen tmeperaturwechselbeständigen Grundkörper, vorzugsweise Cordiarit, der mit einer porösen Beschichtung aus einem Gemisch von Aluminiumoxid und Magnesiumoxid versehen ist.
4. 4. Verfahren zur Herstellung eines Katalysators nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper mit einer vorzugsweise wässrigen Lösung von Kobalt-, Lanthan- und Cer-, ggfls. zusätzlich von Eisen-Salzen, vorzugsweise deren Nitraten getränkt wird, daß der imprägnierte Trägerkörper bei ca. 1000 C getrocknet und anschließend bei Temperaturen zwischen 200° C und 10000 C in Luft oder reduzierender Atmosphäre gebrannt wird.
5. 5. Rußnachverbrenner für Dieselmotoren mit einem Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem axial durchströmten Katalysator in Form eines Wabenkörpers oder einer Vielzahl hintereinandergeschalteter Platten je eine zyklonförmige Ringkammer mit seitlichen Ein- bzw. Ausströmöffmungen vor-bzw. nachgeschaltet ist in denen jeweils eine 900 Umlenkung des Gasstromes erfolgt.
6. 6. Rußnachverbrenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zyklonkammer unmittelbar hinter den Motorauslaßöffnungen angeordnet ist.
7. 7. Rußnachverbrenner nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch Thermofühler mit zugeordneten Anzeigevorrichtungen zur Überwachung der Einlaß- und Auslaßtemperatur des Abgases im Nachverbrenner.