專利名稱：對具有含氫氣氛的爐子進行脫氧的制作方法
對具有含氫氣氛的爐子進行脫氧相關(guān)申請交叉引用
本發(fā)明要求2005年11月16日提交的名為"In Situ Catalytic Deoxygenation of Heat Treating Furnaces Containing H2 Atmosphere"的美 國臨時申請60/737276的權(quán)益。在此，將該臨時申請的公開內(nèi)容通過引 用結(jié)合進來。發(fā)明背景
100%氫氣氣氛和含氫氣氛在熱處理工業(yè)中在間歇爐和連續(xù) 爐中被常規(guī)用于金屬粉末還原、亞鐵和非亞鐵金屬的光亮退火以及要求 熱處理的其它材料。在含100%氫氣氣氛的爐子的操作中，外部空氣侵 入爐子是一種需要考慮的安全問題，尤其在爐子溫度低于氫氣自燃溫度 的情況下，比如在爐子的出口端或者冷卻區(qū)(在該處爐子溫度低)。在 這種情況下，侵入的空氣不與爐子的氫氣氣氛反應(yīng)形成水分，并且隨后 它會聚集在爐子內(nèi)部。當爐子內(nèi)部累積的空氣或者氧氣水平達到不安全 水平時，必須關(guān)閉爐子，用氮氣(惰性)氣體吹掃。氧氣水平高也可能 導致爐子內(nèi)正被處理的材料發(fā)生氧化。這種爐子關(guān)閉和吹掃降低了生產(chǎn) 力，提高了制備成本。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是去除爐子氣氛中存在的氧氣分子的方法，包括如下 步驟在一個或多個催化反應(yīng)器上使來自爐子氣氛的氧氣分子反應(yīng)。
本發(fā)明是采用催化脫氧反應(yīng)器以避免在爐子中累積氧氣的方 法，所述反應(yīng)器具有包含氬氣(至多100% )的爐子氣氛。反應(yīng)器可以 放置在爐子內(nèi)部并可以沿著侵入氣體的通路放置，由此侵入氣體中的氧 氣被來自爐子氣氛的氫氣催化轉(zhuǎn)化成水蒸氣(H20)。通過爐子氣氛中 氣體的移動，反應(yīng)器與該氣氛中的氧氣分子接觸?；蛘?，可以提供氣氛 移動設(shè)備，例如，風扇、泵或者真空，以移動爐子氣氛中的氣體，促進 氧氣和氬氣分子與反應(yīng)器的接觸?；蛘撸梢葬娪蔑L扇(一個或多個)、 泵(一個或多個)或者真空(一種或多種)來將氣氛吸入位于爐子外面的反應(yīng)器中，分子氧含量減少的氣氛氣體可以被重新引入到反應(yīng)器下游 的爐子中。反應(yīng)器可以位于爐子附近或者安裝在爐子上，分子氧含量減 少的氣體可以在通過反應(yīng)器之后立刻返回到爐子氣氛。本發(fā)明可以降低 爐子中的氧水平，并可以防止在爐子中并正被爐子處理的材料被氧化。
另外，本發(fā)明提供包含氣氛的爐子和至少一個用于去除爐子 中存在的氧分子的催化反應(yīng)器。
這些發(fā)明可以提供一個或多個下列益處安全操作具有含氫 氣氛的爐子的爐子和方法(避免爐子中氧累積到不安全的水平)；可以 避免或者減少由于空氣侵入而引起的爐子關(guān)閉和/或氮氣吹掃的次數(shù)的 爐子和方法；消除或者減少在爐子中處理的材料的不想出現(xiàn)的氧化量的 爐子和方法；增加爐子生產(chǎn)力的爐子和方法；和減少爐子中處理的材料 的生產(chǎn)成本的爐子和方法。附圖的數(shù)個視圖說明


圖1是根據(jù)本發(fā)明安裝有反應(yīng)器的爐子的出口端的縱向橫截 面示意圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明安裝有反應(yīng)器的爐子的出口端的縱向橫截 面示意圖。
圖3是可用于本發(fā)明的反應(yīng)器的橫向橫截面示意圖。 [OOIO]圖4是爐子入口端的縱向橫截面示意圖，顯示出反應(yīng)器放置在爐子的前端中。[OOll]圖5是爐子入口端的縱向橫截面示意圖，顯示出反應(yīng)器放置在從爐子前端到回收系統(tǒng)的供料管線(supply line)中。發(fā)明詳述
本發(fā)明涉及采用催化反應(yīng)器的方法，所述催化反應(yīng)器典型地 置于爐子中，例如在爐子或者窯的出口端簾幕區(qū)域(exit end curtain area)。爐子在其氣氛中包含氫氣(至多100% )。反應(yīng)器將從爐子外 面泄漏進來的或者來自爐子內(nèi)部來源的任何氧氣催化轉(zhuǎn)化成水。處理設(shè)備。爐子的實例可以包括加熱爐、^續(xù)帶式爐、:爐、箱式;r燒結(jié)爐(strand furnace)、帶式爐(strip furnace)、轉(zhuǎn)膛爐、浮法玻璃爐、陶瓷窯、和其它本領(lǐng)域會公知的爐子。這些爐子可用于加工金屬、復合材 料或者陶瓷材料，包括燒結(jié)、退火、滲碳、脫碳、硬化、銅焊、氮化、 熔融、和玻璃制備等等。
爐子中的氣氛典型的是含氫氣氛。所需的含氫氣氛可以包含 任何量的氫，典型的為5-100%。含氫氣氛的余量可以由惰性氣體和/ 或反應(yīng)性氣體構(gòu)成，具體取決于處理要求。惰性氣體的實例可以是氮氣、 氬氣和氦氣。反應(yīng)性氣體的實例可以包括CO、 C02、丙烷、甲烷、乙烷 和其它烷烴、天然氣、硅烷、和氨等。本發(fā)明用于在爐子內(nèi)維持所需的 氣氛。在一些實施方案中，本發(fā)明的反應(yīng)器和方法可以和可位于爐子內(nèi) 側(cè)或夕卜側(cè)的獨立的氣氛產(chǎn)生i殳備(atmosphere generating equipment) — 起使用。所述氣氛產(chǎn)生設(shè)備具有位于爐子外側(cè)的一個或多個來源，用于 將氣體送入爐子氣氛中，或者用于生成氣體然后送入爐子氣氛中。
術(shù)語侵入氣體(ingressing gas)用于描述進入爐子氣氛中的 不需要的氧氣源。本發(fā)明是防止不需要的侵入氣體導致在含氫氣氛的爐 子中累積氧的方法。侵入氣體可以是進入爐子的空氣，或者可以是作為 一種或多種雜質(zhì)在爐子氣氛的來源中存在的氣體(例如，在氫氣供給中 的氧氣，或者來自氣氛產(chǎn)生設(shè)備的未反應(yīng)的氧氣)。氣體侵入可以是來 自法蘭的泄漏、管道連接處、端口、待在爐子中處理的材料的進口和出 口、或者其它通向爐子的開口。侵入氣體，尤其是空氣，可能源自爐子 設(shè)計、爐子磨損、或者來自將在爐子中處理的材料的尺寸或者形狀。另 外，侵入氣體的源可以來自正在爐子中處理的材料。
催化反應(yīng)器包括催化材料，比如鉑、釔、鎳、貴金屬、銠、 釕、或者其它促進氫和/或反應(yīng)性氣體/烴(如果在爐子氣氛中存在的話) 和氧反應(yīng)的材料。反應(yīng)器可以包括單獨催化劑，或者用于支持催化劑或 者在其上可以涂覆或粘附催化劑的載體。載體材料的實例包括氧化鋁、 或者其它陶瓷或者金屬粉末、條、蜂窩、篩網(wǎng)、半導性材料、多孔硅、 其它多孔材料和設(shè)計或者其它載體形式。
反應(yīng)器可以位于爐子中任何地方。典型地，反應(yīng)器位于4曼入 氣體的源的附近，所迷源通常位于爐子的入口或者出口處。反應(yīng)器位于 侵入氣體的源附近，使得大部分的侵入氣體在分散在氣氛中作為 一個整 體之前與反應(yīng)器接觸。如果反應(yīng)器距離侵入氣體的源少于10英尺，則 認為它位于侵入氣體的源附近。在在其中氣氛溫度低于氣氛中氣體自燃溫度的具有含氫氣氛的爐子或者爐段中和/或含氫氣氛的工段(比如，在 爐子的出口端或者冷卻區(qū)域中)中，反應(yīng)器特別有用。對于含有大部分氫的含氫氣氛而言，在大氣壓下爐子溫度可以低于579°C (氫氣的自燃 溫度)。氣氛的自燃溫度取決于氣氛中氣體的組成和爐子中的壓力。在 低于氣氛組成的自燃溫度的溫度，如果沒有本發(fā)明的反應(yīng)器，那么侵入 氣體(例如空氣)中的氧不會與爐子氣氛中的氫氣(和烴)反應(yīng)形成水 蒸氣(和CO或C02),并隨后會累積在爐子中。
催化反應(yīng)器也可以采用爐子簾幕材料形式或者簾幕材料(例 如，纖維玻璃簾幕材料)上的涂層形式，或者其它空氣侵入阻擋裝置的 形式，比如由催化活性材料構(gòu)成的擋板或者柔性或者非柔性物理阻擋 物?；蛘?，催化劑可以是用于阻擋爐子出口的粉末或者珠子或者珠子或 者粉末上的催化涂層，其會確保氧在進入爐子的位點處或者在開始與爐 子氣氛混合時與氫氣或者烴反應(yīng)形成水蒸氣或者二氧化碳或者一氧化 碳，所述水蒸氣或者二氧化碳或者 一 氧化碳對正處理的材料的反應(yīng)性比 氧氣弱，并且如果在含氫氣氛中存在則較安全。
在一種實施方案中，如圖3所示，催化反應(yīng)器包括填充在載 體內(nèi)的催化材料，所述載體可以由不銹鋼制成，并可以在反應(yīng)器的相對 端部上具有兩個使得空氣可以艮容易通過反應(yīng)器的篩網(wǎng)狀墻。反應(yīng)器可 以設(shè)定大小(例如，具有和爐子內(nèi)部寬度相同的寬度)和另外設(shè)計以最 大接觸侵入氣體，并位于爐子中使得大部分或者大多數(shù)侵入氣體不能繞 過反應(yīng)器。通過最優(yōu)化反應(yīng)器的尺寸大小和位置，大部分的侵入氣體應(yīng) 該通過催化反應(yīng)器，在該處侵入氣體的氧氣將如前所述催化反應(yīng)。
在一種實施方案中，在爐子內(nèi)催化反應(yīng)器的操作可以通過如 下進行監(jiān)測將熱電偶置于催化反應(yīng)器內(nèi)部，將另一熱電偶置于爐子內(nèi) 催化反應(yīng)器的外部，例如，朝向爐子出口端，如圖l所示?；跉?或 者烴)和氧反應(yīng)(H2 + 02—H20)的放熱性質(zhì)，在反應(yīng)器內(nèi)部或者表面 上產(chǎn)生熱，反應(yīng)器溫度上升。所以，兩個熱電偶(或者多組熱電偶)之 間的溫度差可以用作爐子內(nèi)氧的存在性和/或量的指示。
或者，可以采用氧監(jiān)測器、其它氣體分析器和/或露點監(jiān)測器 來測量(直接或者間接)爐子內(nèi)合適位置(一個或多個)處的氧濃度或 露點，其可以用來指示是否正在發(fā)生由于反應(yīng)器存在而引起的脫氧反 應(yīng)。
在重新捕獲和循環(huán)來自爐子的含氫氣氛時，空氣侵入也是在 安全上和過程中需要考慮的問題。由于循環(huán)系統(tǒng)必須將來自爐子的含氫 氣氛抽吸進入循環(huán)設(shè)備，所以也可能出現(xiàn)空氣被抽吸進入爐子和進入循 環(huán)系統(tǒng)的趨勢。在大氣壓或者接近大氣壓操作的爐子特別容易發(fā)生空氣 侵入。在供應(yīng)管道中或者橫跨通向從爐子到循環(huán)系統(tǒng)的供給管道的開口 或在其上方使用原位催化除氧反應(yīng)器，從易燃性方面上提高了爐子的安 全性，也消除了在后續(xù)純化過程中去除氧的需要。另外，可能有利的是 在通向供應(yīng)管道的開口附近的侵入氣體位置附近例如，在爐子的進口附 近或者出口附近(具體取決于通向循環(huán)系統(tǒng)的供應(yīng)管道的位置)，釆用 另外的反應(yīng)器。本發(fā)明的反應(yīng)器可用于從以低壓，例如小于lpsig或者 小于0.5psig，穿過反應(yīng)器的氣氛中的氣體中去除氧。從爐子通向循環(huán)系 統(tǒng)的入口管道中或者附近的壓力可以小于lpsig或者小于0.5psig。實施例
圖1示出了用于加工爐子中的材料15,例如，用于金屬粉末 15的退火，的連續(xù)帶式爐10的出口端的示意圖。所述爐子包括含氫氣 體入口 12以為爐子供給含氫氣體氣氛、固體傳送帶11以攜帶金屬粉末 15通過爐子、惰性氣體(例如氮氣)吹掃入口 13、位于爐子出口端防 止空氣泄漏進入爐子的物理簾幕14、和氧含量監(jiān)測采樣端口 16。氣氛 112是在含有將在爐子中處理的材料15的爐子內(nèi)部的所有氣體。將在爐 子中處理的材料可以沿著箭頭A所示方向移動，氣氛中的氣體可以沿著 箭頭B所示方向移動。當氧監(jiān)測器16顯示爐子中氧水平高時，關(guān)閉爐 子并用惰性氣體吹掃；但是，反應(yīng)器17有助于減少惰性氣體安全吹掃 和關(guān)閉的頻率。(關(guān)閉和/或吹掃步驟可以通過未示出的處理裝置(例如， 計算機和電子控制器)完全自動化。或者，關(guān)閉和/或吹掃步驟可以通過 操作員控制。)當前爐子設(shè)計的門19和物理簾幕14 (如圖1中所示) 不能充分地防止所有侵入氣體(例如，空氣)進入爐子IO。如圖所示， 根據(jù)本發(fā)明的原位催化除氧反應(yīng)器17和任選的差動熱電偶監(jiān)測器18提 供在爐子中。利用本發(fā)明的方法，經(jīng)由反應(yīng)器的存在，通過物理簾幕14 的侵入氣體中的氧在催化反應(yīng)器17中和爐子的含氫氣氛一起被催化轉(zhuǎn) 化成水蒸氣。圖3更詳細示出了反應(yīng)器的實施方案。
催化反應(yīng)器17的操作通過差動熱電偶18基于氧氣和氫氣之 間化學反應(yīng)的放熱性質(zhì)來監(jiān)測。
或者，雖然沒有示出，反應(yīng)器可以包括單獨的涂覆在物理簾 幕14上的催化材料，或者可以除了如圖所示的反應(yīng)器17以外還包括涂 覆在物理簾幕14上的催化材料。如果需要，可以在爐子內(nèi)一個或多個 其它固定件或者結(jié)構(gòu)上和/或如果需要在爐子壁的內(nèi)部表面上提供催化劑。
圖2示出了和圖1相似的爐子20，但是如圖所示，爐子20 具有粉末、珠子或者殼式阻擋物或者閘狀物，以代替圖1中所示的物理 簾幕14。爐子20具有原位催化除氧反應(yīng)器27和任選的差動熱電偶監(jiān)測 器28。所示催化反應(yīng)器位于爐子20內(nèi)。利用本發(fā)明的方法，泄漏通過 物理簾幕24的任何氧通過氧分子和爐子氣氛122中存在的氫氣反應(yīng)而 在催化反應(yīng)器27中或者上被催化轉(zhuǎn)化成水蒸氣。圖2中所示的爐子20 的額外的元件是氫入口 22、氣氛122的氣體釆樣端口 26、和爐子的出 口門29。
圖3示出了和圖1或2中以側(cè)視圖顯示的催化反應(yīng)器相似的 催化反應(yīng)器70的前視圖。反應(yīng)器包括催化材料71,例如，支持在氧化 鋁(A1203 )粉末上的鈀金屬，填充在多孔容器載體72中，所述多孔容 器載體72例如是不銹鋼容器，在其前后壁上具有互相相對的兩個篩網(wǎng) 狀開口 74,以允許氣體通過反應(yīng)器。在不銹鋼容器72的底部，連接有 柔性箔或者擋板73,其可以包括不銹鋼或者任何有用的組成，并且可以 接觸將在爐子中處理的材料以防止侵入氣體或者氣氛中的氧分子從反 應(yīng)器70下方通過。反應(yīng)器70可以設(shè)置尺寸以使反應(yīng)器的頂部76接觸 和/或可以安裝在爐子的天花板上，反應(yīng)器的側(cè)壁77和78接觸和/或可 以安裝在爐子的側(cè)壁上，底部75與將在爐子中處理的材料接觸或者幾 乎接觸。利用本發(fā)明的方法，在爐子中的氧累積可以下降或者可以不發(fā) 生，爐子可以連續(xù)更長時間的運行，而無需關(guān)閉和用惰性氣體吹掃。另 外，更少量的將被爐子處理的材料可能被氧化。
圖4示出了和先前所示的爐子相似的爐子40的前端，但是安 裝了位于爐子所述前端的根據(jù)本發(fā)明的原位催化除氧反應(yīng)器47。利用本 發(fā)明的方法，通過入口端49泄漏的任何氧氣在反應(yīng)器47中和爐子的氫 氣氛一起被催化轉(zhuǎn)化成水蒸氣。位于爐子入口端49處的反應(yīng)器可以用 來減少爐子40中的氧量。在爐子中處理的材料45可以沿著箭頭A所示 方向在傳送帶41上移動。氣氛142中的氣體可以沿著箭頭B所示方向移動。
圖5示出了其中反應(yīng)器57用在回收或者循環(huán)系統(tǒng)的進入管道 81中的實施方案。在該實施方案中，來自爐子的含氫氣氛的循環(huán)系統(tǒng) 80用于從含氫氣氛中除去雜質(zhì)，典型地形成雜質(zhì)小于5%、小于3%或 者小于1%的循環(huán)的氫氣流，然后氫氣可以在爐子氣氛中重新使用。為 了防止氧氣和其它雜質(zhì)(可以是侵入氣體的組分)進入進入管道81中， 將反應(yīng)器57置于進入管道81中，如圖所示?；蛘?，反應(yīng)器可以可置于 橫跨通向進入管道的入口 82,或者可以使用多個反應(yīng)器，例如，圖4所 示的反應(yīng)器可以和圖5所示的反應(yīng)器一起使用。
—個或多個反應(yīng)器可以用于爐子中以從氣氛中除去氧。如果 使用多個反應(yīng)器，那么它們可以位于各個位置并具有不同設(shè)計。例如， 圖1所示的反應(yīng)器可以和圖5所示的反應(yīng)器一起使用，或者圖1所示的 反應(yīng)器可以和涂覆在出口簾幕(未示出)上的反應(yīng)器和/或圖4所示的反 應(yīng)器一起使用。
本發(fā)明已經(jīng)參考特定實施方案進行了描述。本發(fā)明不應(yīng)限制 于這些特定實施方案，應(yīng)該僅僅受限于權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
1、去除爐子氣氛中存在的氧分子的方法，包括如下步驟在一個或多個催化反應(yīng)器上反應(yīng)來自所述爐子氣氛的所述氧分子。
2、 權(quán)利要求l的方法，其中所述爐子包括含氫氣氛。
3、 權(quán)利要求l的方法，其中所述反應(yīng)器包括催化劑和載體。
4、 權(quán)利要求1的方法，其中所述催化反應(yīng)器包括鉑、把、鎳、貴 金屬、銠或釕。
5、 權(quán)利要求1的方法，其中所述反應(yīng)器包括負載在金屬性、半 導性或者陶資基底或者結(jié)構(gòu)上的鉑、釔、鎳、貴金屬、銠或者釕。
6、 權(quán)利要求l的方法，其中所述爐子是間歇爐或者連續(xù)爐。
7、 權(quán)利要求1的方法，進一步包括監(jiān)測反應(yīng)器是否將所述氧分子 從爐子氣氛中去除的步驟。
8、 權(quán)利要求7的方法，其中所述監(jiān)測步驟通過測量爐子內(nèi)反應(yīng)器 內(nèi)部和外部的溫度來進行。
9、 權(quán)利要求7的方法，其中所述監(jiān)測步驟通過測量爐子內(nèi)氣氛的 組成來進行。
10、 權(quán)利要求l的方法，其中所述反應(yīng)器在用于選自如下組的工藝 的爐子中使用亞鐵或非亞鐵部件的光亮退火、熱處理、硬化、滲碳、 銅焊部件、燒結(jié)金屬或者陶瓷粉末、將玻璃密封到金屬、和浮法玻璃制 備。
11、 權(quán)利要求l的方法，進一步包括將所述至少一個反應(yīng)器置于侵 入氣體源附近的步驟。
12、 權(quán)利要求l的方法，進一步包括將所述至少一個反應(yīng)器置于爐 子出口附近或者置于爐子入口處的步驟。
13、 權(quán)利要求l的方法，進一步包括將所述一個或多個反應(yīng)器結(jié)合 到 一 個或者多個爐子結(jié)構(gòu)中的步驟。
14、 權(quán)利要求13的方法，其中所述一個或多個爐子結(jié)構(gòu)選自簾 幕、擋板、粉末閘狀物、珠子閘狀物和出口門。
15、 權(quán)利要求l的方法，進一步包括將所述反應(yīng)器置于通向氣氛循 環(huán)系統(tǒng)的進入管道中的步驟。
16、 權(quán)利要求l的方法，進一步包括將所述反應(yīng)器置于通向氣氛循 環(huán)系統(tǒng)的所述進入管道的開口附近。
17、 權(quán)利要求l的方法，進一步包括將所述反應(yīng)器置于所述爐子的 其中氣氛溫度低于579。C的部分中的步驟。
18、 爐子，包括氣氛和至少一個用于去除存在于所述氣氛中的氧分 子的催化反應(yīng)器。
19、 權(quán)利要求18的爐子，進一步包括用于所述一個或多個反應(yīng)器 的監(jiān)測裝置。
20、 權(quán)利要求18的爐子，其中所述氣氛低于579°C。
全文摘要
去除爐子氣氛中存在的氧分子的方法，具有如下步驟在一個或多個催化反應(yīng)器上使來自爐子氣氛的氧分子反應(yīng)。具有氣氛的爐子和用于去除所述爐子中氧分子的至少一個催化反應(yīng)器。
文檔編號C21D1/76GK101310030SQ200680043058
公開日2008年11月19日 申請日期2006年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月16日
發(fā)明者D·J·博維, R·J·愛德華茲, 林民發(fā) 申請人:氣體產(chǎn)品與化學公司