專利名稱：催化劑用的支承結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于將高溫反應如催化燃燒中使用的整體性催化劑結構固定在反應室或反應器內(nèi)的改進的支承結構。此外，本發(fā)明針對一種在高溫催化方法如燃氣渦輪動力廠用的催化燃燒的高溫催化方法中使用該改進的支承結構的方法。
背景技術：
已知許多種高溫方法(過程)，它們使用整體性催化劑結構來促進所要的反應，例如廢氣排放控制用的部分氧化碳氫化合物和完全氧化碳氫化合物，汔車廢氣排放控制中的催化劑回氣管，以及供燃氣輪機、爐子之類進一步使用的燃料的催化燃燒。此種催化系統(tǒng)的典型是在燃氣輪機的熱燃燒裝置中使用的催化劑，以便提供低的廢氣排放和高的燃燒效率。為了獲得高的渦輪效率，需要高的氣體溫度。這當然給使用的催化劑整體施加一個高的熱應力，這種催化劑整體通常是一種單件的或結合的金屬或陶瓷結構，做成具有多個沿縱向設置的通道，用于通過燃燒氣體混合物，至少一部分通道在其內(nèi)表面上涂有一層燃燒催化劑。
除了高熱應力以外，作為燃氣輪機中燃燒裝置特征的高的氣流速率對催化劑結構施加一個沿氣流方向推動的顯著的軸向載荷或力，這種軸向載荷是由于對催化劑結構的沿縱向設置的通道內(nèi)的氣流的阻力即摩擦而產(chǎn)生的。例如，如果使用如Dalla Betta等人在美國專利No.5,183,401中描述的多級整體性催化劑結構作為催化劑燃燒反應器中的20英寸直徑的催化劑，其中空氣/燃料混合物的流動速率為約50 lbs/秒而通過該催化劑的壓力降為4psi，那么對該催化劑的總的軸向載荷將為約1,260 lbs。
在高溫(如接近和甚至超過1000℃的溫度，此時金屬整體開始喪失強度)和上述大的軸向載荷(從高的氣流速度得來)兩者的結合作用下，可以產(chǎn)生催化劑支承件的顯著移動或變形。事實上，在使用一個波紋狀金屬箔催化劑整體的情況下，其中該波紋狀箔以非套疊形式卷繞在一起以形成一個圓柱形螺旋結構，內(nèi)中這些金屬箔并不粘合在一起，高溫和從高氣流產(chǎn)生的大軸向載荷的結合可能使整個結構沿氣流方向發(fā)生套疊，特別當軸向力超過該卷繞結構中箔對箔的滑動阻力時。因此，需要為催化劑結構提供一種支承，以便利用一個支承結構來固定該催化劑結構使其不沿氣流方向的軸向發(fā)生移動和/或變形，這種支承結構將在高溫下提供必要的支承而不干擾作為燃氣渦輪原動力的催化燃燒的效率和效益。
在Dalla Betta等人于1993年12月10日提出的共同待審的美國專利申請順序號No.08/165,966(代理人備審文件號No.P-1065)中，描述了在催化劑結構的出口處使用內(nèi)冷支柱或支桿作為支承該催化劑的機構。該方法的優(yōu)點是，這些支柱由空氣或其它熱傳遞介質(zhì)冷卻，因此這些支柱即使在極高溫度下也能夠具有抵抗軸向載荷的高強度。但是，該方法的缺點是，這些支柱需要一個冷卻空氣源而這會導致燃燒系統(tǒng)設計更復雜，或者要求使用高壓空氣而這在燃氣渦輪機中可能不能使用。一個附加的缺點是，空氣冷卻的支柱比較寬地安置在催化劑的表面上。這造成高的局部接觸力或應力。在催化劑設計的某些部分中，這些接觸力可能超過薄催化劑箔的屈服強度，導致箔的變形。這顯然不是希望的結果，并有損于在高的軸向載荷應用中使用空氣冷卻的支柱。
箔變形問題的一種可能的解決方案是提供更多的冷卻支桿，以便減小在催化劑出口表面處的接觸應力。但是，因為空氣冷卻支桿比較厚，所以在催化劑出口處使用大量的支桿會增大對氣流的阻塞并增大燃燒系統(tǒng)中的總壓力降，這是不希望有的。同時，空氣冷卻支桿的間隔必須非常接近，以便減小與催化劑箔的接觸應力。
另一種可能的方法是使用一種不冷卻的金屬支承。這將允許支桿的截面細得多，并減小總截面積和最終壓力降。但是，這也有一個概念問題，就是慣常的想法是，在這些系統(tǒng)的高操作溫度下，大多數(shù)金屬的強度大大減小，不使用非常粗的材料就不可能支承軸向載荷，因而導致嚴重阻塞氣流。
發(fā)明概述令人驚奇的是，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，用耐高溫金屬或陶瓷制成的不冷卻的支承結構可以用作將一個整體性催化劑結構固定在反應器中的優(yōu)越機構，該整體性催化劑結構包括多個沿縱向設置的通道，以便通過流動氣體混合物，該反應器設計用于高溫反應和高的氣體流速或流量，這種支承結構不會產(chǎn)生不適當?shù)膲毫祷蛞詣e的方式干擾催化反應。這種獨特的高效支承結構包括一個整體性蜂窩狀或開孔網(wǎng)格式支承結構，其網(wǎng)格式開孔至少像催化劑結構中的通道一樣大，所述網(wǎng)格式開孔與催化劑結構的通道存在流體連通，并用耐高溫金屬或陶瓷的薄帶或肋板制成，它們結合在一起，形成一個單件結構，緊靠催化劑結構的整個出口端面并在其上面延伸，支承結構的周邊這樣固定在反應器壁上，使得任何施加在開孔網(wǎng)格式支承結構上的軸向力將被傳遞到反應器壁上。
不管其開孔網(wǎng)格的外形如何，本發(fā)明的整體性蜂窩狀或開孔網(wǎng)格式(蜂槽式)支承結構當固定于反應器壁時具有足夠的強度，能夠承受在高溫和高的氣體流速下操作的催化劑結構施加給支承結構的軸向載荷或力，因而盡可能減小了催化劑結構的任何軸向移動或變形。其次，該開孔網(wǎng)格式結構的固有強度使得能夠在該結構框架中使用較薄的金屬或陶瓷薄帶或肋板，這一點與使用至少像催化反應器通道開孔一樣大的開孔網(wǎng)格相結合，使本發(fā)明的支承結構能夠有利地用于有待避免通過支承結構的壓力降的高氣體流速用途中，如隨后用于燃氣渦輪的燃料/空氣混合物的催化燃燒。最后，本發(fā)明的以承結構的蜂窩狀或開孔網(wǎng)格式特性提供多個緊靠催化劑結構的整個端面或截面的支承帶或肋板，因此，催化劑結構的軸向載荷更均勻地分散在整個整體性支承結構上，而避免了催化劑結構中的局部變形。
雖然本發(fā)明的整體性開孔網(wǎng)格式支承結構最適合于安置在催化劑結構的出口端或出口側，以便固定催化劑結構防止沿通過該催化劑結構的氣流方向的軸向移動，但它們對通過支承結構的氣流的阻力極低，這使它們也有吸引力地用于支承催化劑結構的入口側，以防止在突然的氣流倒轉(zhuǎn)情況下出現(xiàn)任何向后移動。其次，在使用如上述Dalla Betta等人的美國專利No.5,183,401中公開的多級催化劑系統(tǒng)的情況下，本發(fā)明的支承結構可以安置在一個或多個催化劑級的出口端部處，并因而起釋放后繼催化劑級上軸向力的中間級支承的作用。
因此，本發(fā)明的一個方面針對一種用于將一個催化劑結構固定在反應室內(nèi)的支承結構，該催化劑結構做成具有多個帶入口和出口端部的沿縱向設置的通道，這些通道用于通過流動的氣體混合物，所述支承結構由一種整體性開孔網(wǎng)格式結構組成，其中網(wǎng)格的壁用耐高溫的金屬或陶瓷材料的帶制成，以提供網(wǎng)格式開孔，其尺寸至少像催化劑結構的通道在其入口和出口端部處形成的開孔一樣大，所述整體性開孔網(wǎng)格式結構(a)安置在催化劑結構的出口端部處或催化劑結構的入口端部處或催化劑結構的入口端部和出口端部兩處；(b)定位和構形成緊靠催化劑結構的一端并沿垂直于催化劑結構縱軸的方向延伸，以基本上蓋住催化劑結構的端面，該整體性開孔網(wǎng)格式結構的網(wǎng)格式開孔與催化劑結構的通道存在流體連通；以及(c)以其周邊固定在反應室壁上，使得施加在該整體性開孔網(wǎng)格式結構上的軸向載荷被傳遞到該反應室壁上，由此限制所述催化劑結構平行于其縱軸的軸向移動。
本發(fā)明的另一方面致力于一種供催化燃燒或部分燃燒一種燃料用的改進的方法，該燃料特別適用于燃氣渦輪用途，其中使用本發(fā)明的整體性開孔網(wǎng)格式支承結構而將該燃燒催化劑結構固定在燃燒器或反應室內(nèi)。該方法包括下列步驟(a)形成一種帶有含氧氣體的燃料混合物；和(b)使該含氧氣體和燃料混合物作為流動氣流流過位于反應室中的整體性催化劑結構，所述催化劑結構做成具有多個沿縱向設置的通道，用于通過所述流動氣流，所述催化劑結構在所述反應室內(nèi)是利用一個整體性開孔網(wǎng)格式結構來穩(wěn)定的，在該結構中網(wǎng)格的壁是用耐高溫的金屬或陶瓷材料帶制成的，以提供網(wǎng)格式開孔，該開孔至少像催化劑結構的通道在其入口和出口端部處形成的開孔一樣大，所述整體性開孔網(wǎng)格式結構
(ⅰ)安置在催化劑結構的出口端部處或催化劑結構的入口端部處或催化劑結構的入口端部和出口端部兩處；(ⅱ)定位和構形成緊靠催化劑結構的一端并沿垂直于催化劑結構縱軸的方向延伸，以基本上蓋住催化劑結構的端面，該整體性開孔網(wǎng)格式結構的網(wǎng)格式開孔與催化劑結構的通道存在流體連通；以及(ⅲ)以其周邊固定在反應室壁上，由此限制所述催化劑結構平行于其縱軸的軸向移動。
本發(fā)明的其它方面包括一種利用本發(fā)明的整體性開孔網(wǎng)格式結構將整體性催化劑結構固定在反應室內(nèi)的方法，以及用作供使用整體性催化劑的多級催化方法用的中間級支承的根據(jù)本發(fā)明的支承結構。
附圖簡述

圖1是一種燃氣渦輪燃燒器中的催化燃燒反應器的側視圖。
圖2A和2B表示一種整體性催化劑結構的制造，它可以利用本發(fā)明的整體性支承結構有效地固定在反應器內(nèi)。
圖3A和3B表示本發(fā)明支承結構的組成部件和一部分截面。
圖4A至4E表示本發(fā)明的催化劑支承結構的各種構型的端視圖。
圖5、6、7、8是根據(jù)本發(fā)明的催化劑反應器的示意圖。
圖9A和9B示意表示由于通過催化劑結構的高氣流而產(chǎn)生的軸向載荷對本發(fā)明支承結構的影響。
發(fā)明詳述本發(fā)明包括一個不冷卻的支承結構，用于將一個整體性催化劑結構的位置固定在反應室或反應器內(nèi)，在那里催化劑結構受到由于通過催化劑的高速氣流而產(chǎn)生的高溫和大的軸向載荷。此外，本發(fā)明還涉及一種將該支承件應用于催化燃燒方法的方法。更具體地說，本發(fā)明針對這樣一種支承結構，它能限制燃燒反應器內(nèi)的一種相當撓性的整體性催化劑結構的軸向移動。除了限制催化劑結構的軸向移動外，該支承結構增大催化劑的對抗由通過催化劑的氣流施加的力的強度。
圖1示出一種典型的催化燃燒反應器。如該圖中所示，一種催化劑結構(10)安置在燃燒反應器(1)中預燃燒器(4)的下游，并垂直于含氧氣流(通常為空氣和燃料混合物)，該燃料經(jīng)過燃料噴射器(5)引入整體性催化劑結構。催化劑結構應被安置成可獲得一個通過該催化劑的均勻的空氣/燃料混合物氣流，并允許該混合物流過沿縱向穿過催化劑結構的通道。為了使催化劑結構在燃燒反應器內(nèi)保持在穩(wěn)定的位置中，必須使用某種類型的支承機構或結構來將催化劑結構固定在燃燒反應器上，包括(作為一種可能性)一種緊靠催化劑結構的出口側(9)的支承結構。如此處所用，催化劑結構的“出口側”(9)是部分或完全燃燒的空氣/燃料混合物流出催化劑結構的一側。因此，催化劑結構的“入口側”是未燃燒的空氣/燃料混合物初始引入催化劑結構的一側。
該催化劑結構可以按照任何已知設計來制造，特別是包括至少部分涂有催化劑的多個平行縱向管道或通道的整體式催化劑結構。典型的催化劑結構公開于許多已出版的參考文件中，包括Dalla Betta等人的美國專利No.5,183,401；No.5,232,351；No.5,248,251；No.5,250,489和No.5,259,754中，以及Young等人的美國專利No.4,870,824。該催化劑結構可以從蜂窩狀、波紋板螺旋卷、柱狀(或“稻草束”)或其它具有縱向管道或通道的構型的金屬或陶瓷襯底(基片)制成，這些縱向管道或通道允許高的氣體空間速度并具有跨越催化劑結構的最小壓力降。例如，可以合適地使用如圖2A和2B中所示的螺旋形催化劑結構。這種結構的制造方法是，將一張金屬箔(20)彎曲成具有凹槽(21)和凸棱(22)的波紋或波浪形，然后將其與一張平面金屬箔(片)(24)一起卷繞成具有交替的波紋狀箔(20)和平面形箔(24)的大的螺卷(25)，作為一個圓柱形單元。為了制備該催化劑結構，在一起卷繞成螺旋形催化劑結構之前，該波紋狀箔和/或平面形箔通常在其一面或兩面上涂敷一種鉑族金屬，最好是鈀和/或鉑。雖然例示的催化劑結構涉及一種與平面形箔結合的直槽形波紋狀結構的金屬箔，但其它合適的螺旋形催化劑結構包括當兩個或更多個具有平直狀或人字狀波紋圖形的波紋狀箔以非套疊方式卷繞在一起時得到的結構。本發(fā)明的催化劑結構支承件在金屬螺旋形催化劑結構的情況下特別有利，因為當它們暴露于充分高的溫度，如1000℃或更高下的高速氣流中而使金屬結構軟化或以其它方式弱化時，它們具有沿氣流方向伸縮或變形的傾向。
支承結構本發(fā)明的支承結構由整體性開孔網(wǎng)格式或蜂窩狀結構組成，它們用耐高溫金屬或陶瓷的薄帶或肋板制成，該支承結構緊靠催化劑結構的一端，并沿垂直于催化劑結構縱軸的方向延伸，基本上蓋住催化劑結構的一個端面(在入口端或出口端或兩端處)，使該支承結構的周邊固定在反應器壁上。制成該支承結構的薄帶或肋板結合在一起，形成一個具有網(wǎng)格式開孔的單件結構，網(wǎng)格式開孔至少像催化劑結構的通道開孔一樣大。該支承結構的網(wǎng)格式開孔同時安置成與催化劑結構的通道存在流體連通，從而使從催化劑結構來的基本上未變換的氣流通過該支承結構。
雖然沒有預期本發(fā)明的支承結構的開孔網(wǎng)格式性能能導致高強度(特別在高溫環(huán)境下)，但本發(fā)明的支承結構令人驚奇地顯示高度的結構完整性和抵抗軸向力的強度，這種軸向力是由催化劑結構的沿通過催化劑結構的氣流方向的移動或變形傾向而施加到支承結構上的。如前面為直徑較大的燃燒催化劑如直徑10至25英寸的催化劑所指示的，一個典型的通過催化劑的4psi的壓力降可以沿氣流方向形成一個約600至約1600 lbs的軸向載荷或力。在上述范圍中的軸向力下和在約1000℃或更高的溫度下，本發(fā)明的支承結構僅顯示非常小的撓曲或彎折，而由于制成開孔網(wǎng)格式支承整體的多個薄帶或肋板提供的支承件的均勻性能，催化劑結構的任何局部變形都基本上消除。因此，本發(fā)明的支承結構具有雙重優(yōu)點，即，既能支承一較大的軸向載荷，又具有十分敞開的結構，對通過該結構的氣流的阻力非常小。
本發(fā)明的整體性開孔網(wǎng)格式支承結構可以是陶瓷的或金屬的，也可以是任何設計來在高溫和高載荷下提供顯著的結構整體性和強度的任何其它結構材料。在本發(fā)明的支承結構中可以有利使用的耐高溫金屬材料包括耐高溫合金鋼如鎳合金、鈷合金或鉻合金或能滿足所需溫度要求的其它合金，以及金屬間材料和金屬陶瓷復合材料。當然，可以使用不同的材料，這取決于支承結構的位置與它受到的溫度和軸向力。例如，在催化劑結構(或多級催化劑系統(tǒng)的前面幾級中)的入口端部處使用的支承結構將不會受到與施加在最后催化劑級的出口端部上相同的溫度和力，因此結構材料可以不同。優(yōu)選的金屬結構材料包括Fe Cr Al合金，它們通常包含約20％Cr和約5％Al及余量的Fe，例如可從Allegheny Ludlum公司(美國賓夕法尼亞州匹茲堡市)買到的Alfa Ⅳ、可從川崎鋼鐵公司(Kawasakisteel，日本神戶)買到的Riverlite R20-5SR和可從VDM公司(德國Werdohl市)買到的Aluchrom Y。其它優(yōu)選的金屬合金為Ni Cr Al合金，是含約20％Cr和約5％Al而余量為Ni的鎳基超合金，例如可從Haymes國際公司(美國印地安那州Kokomo市)買到的Haynes 214。合適的陶瓷材料包括從康寧玻璃公司(美國紐約州Corning市)買到的Celcor堇青石和可從NGK Locke公司(美國密歇根州Southfield市)買到的堇青石整體性襯底(基片)。
本發(fā)明的支承結構可以用任何形成整體式蜂窩狀結構的常規(guī)技術構成或制造，用陶瓷或金屬材料的帶片或肋板(肋材)制成，它們結合在一起而形成一個單體結構。例如，該結構可以在適當?shù)哪＞咧需T成單個單元，或者該結構可以通過將一系列帶片或肋板結合在一起而制成，這些帶片或肋板已預先模制或彎曲，以便當它們結合在一起時可提供所要的網(wǎng)格式開孔構型。在這方面，圖3A和3B例示根據(jù)本發(fā)明的一部分支承結構的制造，其中該結構為具有六角形網(wǎng)格式開孔的金屬整件。該支承結構用金屬薄帶(30)制成，這些金屬薄帶已制成具有平面的凸棱(31)和凹槽(32)的波紋帶。這些波紋薄帶安置在一起而形成圖3B中示出的六角形或蜂窩狀結構，其中接觸的薄帶平面部分用焊接或釬焊(33)結合在一起而形成單件的或整體式結構。當形成一個完整的支承結構時，例示的蜂窩狀結構可以在其周邊上圍繞一個圓形金屬帶(未示出)，圓形金屬帶結合在蜂窩周邊部分上的方式與制成蜂窩的波紋帶的結合方式相同。一個圓形的金屬帶或金屬框架用于使支承結構具有圓形截面，該圓形截面與圓筒形催化劑結構的截面沿垂直于通過催化劑結構的氣流的方向是基本上具有相同的外延的。在用金屬帶制成支承結構的情況下，最好使用釬焊技術來使這些薄帶互相結合，因為這能給出比使用焊接技術更強更整體性的結構，但是并不排除使用焊接作為將這些薄帶結合在一起的方法。焊接和釬焊也可以組合使用，作為將薄帶結合在一起的方法。
本發(fā)明的支承結構中的網(wǎng)格式開孔可以有各種形狀，只要它們的截面積適當均勻并允許那些形成網(wǎng)格式開孔邊緣的相鄰薄帶或肋板之間充分接觸，以便能夠產(chǎn)生薄帶或肋板之間的強烈結合。適當?shù)?，開孔式網(wǎng)格結構的網(wǎng)格形狀可以是多邊形、橢圓形或圓形，多邊形網(wǎng)格優(yōu)選梯形、三角形、矩形、方形或六角形。從易于制造和在相鄰的薄帶或肋板之間可以產(chǎn)生的結合強度的觀點看，最好選用六角形的網(wǎng)格開孔。在這方面，圖4A至4E例示幾種不同開孔網(wǎng)格構型的端視圖，它們可以有利地用于如圖2B中所示圓筒形催化劑結構用的本發(fā)明的支承結構中。圖4A表示具有由作為支承結構框架的圓形帶(41)包圍并結合的六角形網(wǎng)格開孔(40)的支承結構的截面，而圖4B表示一個具有由圓形框架(43)包圍的方形網(wǎng)格開孔(42)的支承結構的類似截面。圖4C例示根據(jù)本發(fā)明的一種支承結構的截面，其中網(wǎng)格式開孔在圓形框架(45)中也是圓形的。最后，圖4D和4E表示本發(fā)明的支承結構具有梯形網(wǎng)格式開孔(46)或三角形網(wǎng)格式開孔(48)，每種情況下由圓形框架(47)和(49)圍繞。
如上面指出的，關鍵的是，不管其具體形狀如何，本發(fā)明的支承結構中的網(wǎng)格式開孔的尺寸是這樣的，就是它們的截面積至少與構成催化劑結構的各個縱向通道的截面積一樣大。最好是，網(wǎng)格式開孔為催化劑結構開孔的1.1倍至200倍大，催化劑結構開孔與網(wǎng)格式開孔流體連通，以便盡可能減小壓力降或其它破壞流通問題。對于催化燃燒方法中使用的典型的整體性催化劑結構，本發(fā)明的支承結構的開孔網(wǎng)格子或網(wǎng)格式開孔將具有從約0.03平方英寸到約2.0平方英寸的平均網(wǎng)格尺寸或截面積，平均網(wǎng)格尺寸最好在約0.05平方英寸到約0.2平方英寸的范圍內(nèi)。
制造本發(fā)明的支承結構的帶片或肋板的厚度(定義為任何單個帶片沿垂直于氣流方向測得的截面尺寸)和制造本發(fā)明支承結構的帶片或肋板的寬度(定義為帶片沿氣流方向縱向測得的尺寸)將由許多因素決定，這些因素涉及反應室和催化劑結構的尺寸與使用支承結構的方法參數(shù)。例如，金屬帶或陶瓷帶的厚度將取決于可以容忍的氣流阻塞(壓力降)、待支承的軸向載荷、催化劑結構的直徑、開孔網(wǎng)格結構的網(wǎng)格尺寸和使用中遇到的預期溫度。同樣，根據(jù)本發(fā)明的支承結構的寬度將取決于如下因素，如待支承的軸向載荷、催化劑結構的尺寸，將要遇到的預期溫度和反應室中對支承結構的允許空間。為了避免不適當?shù)膲毫岛脱a償通常遇到的其它方法變量，制造支承結構的帶片或肋板的厚度應當是催化劑結構的沿縱向設置的通道壁厚度的約0.5至約20倍。對于金屬結構，帶片厚度最好在催化劑通道壁厚度的約1倍至約10倍之間，而對于陶瓷結構，帶片或肋板的厚度在催化劑結構的通道壁厚度的約2倍至約20倍之間。在催化燃燒中通常使用的催化劑結構的情況下，本發(fā)明的金屬支承結構的帶片厚度適宜范圍為約0.0001英寸至約0.10英寸，金屬帶厚度的優(yōu)選范圍為約0.002英寸至約0.03英寸，最優(yōu)選范圍為約0.005英寸至約0.02英寸。對于催化燃燒中通常遇到的軸向載荷，最好在本發(fā)明的支承結構中使用寬度為約0.25英寸至約3英寸的金屬帶，如果使用陶瓷支承結構，帶片或肋板的寬度最好在約0.75英寸和約4英寸之間。但是，在每種情況下，選定的具體寬度和厚度在一定程度上將取決于所選定的結構材料的局部應力與實際的屈服和蠕變強度。
制造本發(fā)明支承結構的帶片或肋板的厚度與結構中網(wǎng)格密度或網(wǎng)格開孔尺寸的結合，能直接影響氣流進出受支承結構阻塞的催化劑結構的程度。適宜的是，這些因素這樣受到控制，使得根據(jù)本發(fā)明的任何單個支承結構所產(chǎn)生的氣流阻塞小于約25％。最好是，氣流阻塞在約5％到15％之間，使得不會不適當?shù)仄茐臍怏w反應混合物的氣體流動性能。此外，支承結構中的氣流通道最好是具有相當光滑的壁的平直管道，以便盡可能減小氣流中的紊流和得到對氣流的最低阻抗。
圖5、6、7示出催化反應器中本發(fā)明的支承結構的典型應用。圖5示出一種如催化燃燒系統(tǒng)中使用的單級催化反應器，氣體反應混合物(50)流入催化反應器，后者有一個由反應器壁(51)限定的反應室并包含一個催化劑結構(52)，反應器壁(51)在催化燃燒器的情況下將是燃燒器襯壁，而催化劑結構(52)包括多個平行的縱向通道，用于通過氣體反應混合物。該催化劑結構利用本發(fā)明的整體性開孔網(wǎng)格支承結構(53)固定在反應室內(nèi)，該支承結構(53)利用凸緣或凸棱(54)固定在反應器壁上，該凸棱(54)附接在反應器壁上或是反應器壁的一部分，并沿向內(nèi)方向伸出而形成一個凸耳，其上安置支承結構的外緣或周邊。以這種方式，由氣流通過催化劑結構作用在支承結構上的軸向載荷從該支承結構轉(zhuǎn)移到反應器壁上。
圖6示出一類似的反應系統(tǒng)，但使用一個兩級催化反應器。在此種情況下，氣體反應混合物(60)也流入一個具有由反應器壁(61)限定的反應室的催化反應器，但在此情況下有兩個整體性催化劑結構(62)和(63)，它們由第一級和第二級催化反應系統(tǒng)組成，在每種情況下，該催化劑結構利用本發(fā)明的支承結構(64)和(65)固定在反應室內(nèi)，支承結構(64)和(65)安置成緊靠兩個催化劑結構的每一個的出口端部或出口面。示出的兩個支承結構利用向內(nèi)伸出的凸緣或凸棱(66)和(67)固定在反應器壁上，使得催化劑結構上的軸向載荷被傳遞到支承結構上，然后支承結構將該載荷傳遞到反應器壁上。
最后，圖7表示一種沒有級間支承的兩級催化反應器，但在反應器的入口側和出口側處利用本發(fā)明的支承結構來固定。在此同樣，氣體反應混合物(70)流入一催化反應器，該反應器具有由反應器壁(71)限定的反應室并包含由兩個整體性催化劑(72)和(73)組成的多級催化劑，它們彼此緊靠，每個有多個平行的縱向通道，這些通道與另一催化劑級中的通道流體連通。這兩級催化劑結構利用本發(fā)明的支承結構固定在反應室內(nèi)，支承結構安置在第二級催化劑結構的出口端部(74)和第一級催化劑結構的入口端部(75)處，以基本上將催化劑結構夾在反應室內(nèi)使它不能沿任一軸向移動。在兩級系統(tǒng)的出口端部處的支承結構和入口端部處的支承結構兩者用凸緣或凸棱(76)和(77)固定，后者從反應壁向內(nèi)伸出，因而用于將任何軸向力傳遞到反應器壁上。
使用將本發(fā)明支承結構安置在其上面的反應器壁上的向內(nèi)伸出的凸緣或凸棱，比起(例如)實際上利用焊接或其它方法將支承結構的邊緣固定和定位在反應器壁上來，具有明顯的操作優(yōu)點。這是因為該凸棱或凸緣可以容納支承結構而支承結構并不一直延伸到反應器壁，從而提供一個自由空間來容納支承結構與熱氣流接觸時可能產(chǎn)生的熱膨脹。最好是，本發(fā)明的支承結構的尺寸和使用的凸棱或凸緣是這樣的，使得支承結構可以沿周邊方向膨脹到其直徑的2％而不會緊靠或接觸反應器壁。在一優(yōu)選實施例中，如圖5、6、7中所示的在反應器壁上安置支承結構的下游或出口側的凸緣或凸棱可以在支承結構的入口側或表面緊前方的一個位置上復制，而有效地形成一個槽，在槽中可以安置支承結構而仍然具有適應熱膨脹的自由度。有了這種將支承結構固定在反應器壁上的優(yōu)選方法，任何對支承結構的突然的反壓力將不會造成支承結構的錯位。
另一種將本發(fā)明的支承結構固定在反應器壁上的優(yōu)選方法示于圖8，圖中例示一個單級催化反應器，其中氣體反應混合物(80)流入一催化反應器，后者有一個由反應器壁(81)限定的反應室，并包含一個利用本發(fā)明的開孔網(wǎng)格式支承結構牢固地固定在反應器中的催化劑結構(82)。在本發(fā)明的該優(yōu)選實施例中，并不一直延伸到反應器壁的支承結構利用鉚釘(84)連接在反應器壁上，這些鉚釘通過反應器壁伸入支承結構的一系列空腔中，這些空腔的深度足以允許支承結構在暴露于熱反應氣體時產(chǎn)生的熱膨脹。也就是，鉚釘穿入支承結構一個足夠的長度，以便牢固地固定支承結構，而同時在鉚釘端部處留下足夠的開孔區(qū)，允許支承結構的溫差熱膨脹。
如上所述，本發(fā)明的支承結構的一個重要而令人驚奇的優(yōu)點是，當遇到高的軸向載荷或力時它呈現(xiàn)出優(yōu)越的強度，這種載荷或力是由高的氣流通過支承結構所支承的整體性催化劑結構而產(chǎn)生的。也就是，當一個高的軸向載荷置于支承結構上時，支承結構將顯示沿施加軸向力的同一方向撓曲或彎折的傾向，而在本發(fā)明的支承結構的情況下，即使當該結構在高的軸向載荷之外還受到高的熱應力時，也能觀察到對此種彎折或變形的令人驚奇的彈性。對于本發(fā)明的支承結構，這由表示催化反應器的圖9A和9B示出，其中催化劑結構(90)利用其出口側處的本發(fā)明支承結構(92)固定在反應室壁(91)內(nèi)，該支承結構轉(zhuǎn)過來又利用向內(nèi)伸入反應室的凸緣或凸棱(93)固定在反應器壁上。在此種情況下，通過催化劑結構的氣流(94)使作用在支承結構上的軸向力導致支承結構沿氣流方向的偏移或彎曲(圖9B中以夸大形式示出)。對于本發(fā)明的目的，該偏移可以表達和量化為對任何給定的支承結構的變形指數(shù)，其中“變形指數(shù)”的定義是在一個從軸向氣流對催化劑的標準的或典型的載荷即4psi下出現(xiàn)的支承結構的偏移或彎曲除以支承結構的直徑(或非圓形支承結構的近似直徑)的長度的比值(數(shù)值)，該4psi的載荷對催化燃燒應用是典型的。該偏移或彎曲如圖9B中所示地測得，是在未加應力狀態(tài)下支承結構的變曲與在標準軸向載荷即4psi下出現(xiàn)的彎曲之差。對于本發(fā)明的支承結構，該變形指數(shù)適當?shù)匚挥诩s0.00001至約0.05之間，最好在約0.001至約0.02之間。這個極低的變形指數(shù)(它甚至對暴露于約1000℃的范圍中的溫度下的本發(fā)明的支承結構也仍然保持)，表明根據(jù)本發(fā)明的支承結構當遭受高軸向載荷時的優(yōu)越強度，這種高軸向載荷是在極高氣流速率下操作的催化燃燒之類方法的特征。
方法如上所述，本發(fā)明的支承結構可以用于碳氫燃料或其它燃料如甲烷、乙烷、H2或CO/H2混合物的催化燃燒。在該方法中，一種含氧氣體如空氣與碳氫燃料混合而形成可燃的氧/燃料混合物。該氧/燃料混合物作為流動氣體流過置于反應室內(nèi)的整體性催化劑結構，以燃燒該氧/燃料混合物并形成一種部分或完全燃燒的熱氣體產(chǎn)物。
在該方法中可以使用各種催化劑。例如，在本發(fā)明中可以使用在題為“具有整體熱交換的催化劑結構”的美國專利No.5,250,489中描述的具有整體熱交換表面的催化劑結構，或題為“分級的含鈀部分燃燒催化劑和使用該催化劑的方法”的美國專利No.5,248,251和No.5,258,349兩專利中描述的分級含鈀部分燃燒方法催化劑。此外，該方法可以涉及完全燃燒燃料或部分燃燒燃料，如題為“燃燒可燃混合物的方法”的美國順序號No.08/088,614的共同待審申請中描述的。其次，該方法可以是一個多級方法，其中利用各個階段中的專用催化劑和催化劑結構來分步燃燒燃料，如題為“在加熱階段中利用氧化物催化劑燃燒燃料混合物的多級方法”的美國專利No.5,232,357中所描述的。上述六個專利和一個專利申請均參考結合于此。
該方法也涉及穩(wěn)定反應室中催化劑結構的位置，以便防止催化劑結構沿軸向移動。該催化劑結構在反應室中利用一整體性開孔網(wǎng)格式結構來穩(wěn)定，其中網(wǎng)格的壁用耐高溫的金屬或陶瓷材料和薄帶來制成，以提供網(wǎng)格式開孔，其尺寸至少像催化劑結構的通道在其入口和出口端部處形成的開孔一樣大，該整體性開孔網(wǎng)格式結構為(a)安置在催化劑結構的出口端部處或催化劑結構的入口端部處或催化劑結構的入口端部和出口端部兩處；(b)定位和將其形狀做成緊靠催化劑結構的一端并沿垂直于催化劑結構的縱軸方向延伸，以基本上蓋住催化劑結構的端面，該整體性開孔網(wǎng)格式結構的網(wǎng)格式開孔與催化劑結構的通道存在流體連通；以及(c)將其周邊固定在反應室壁上，由此限制所述催化劑結構平行于其縱軸的軸向移動。
應當明白，該技術的普通專業(yè)人員可以對后隨權利要求書中敘述的裝置想象等同方案，而這些等同方案將處在本發(fā)明權利要求書的范圍和精神實質(zhì)中。
權利要求
1．一種用于將一個催化劑結構固定在反應室內(nèi)用的支承結構，該催化劑結構做成具有多個帶入口和出口端部的沿縱向設置的通道，這些通道用于通過流動的氣體混合物，所述支承結構包括一種整體性開孔網(wǎng)格式結構，其中網(wǎng)格的壁用耐高溫的金屬或陶瓷材料帶制成，以提供網(wǎng)格式開孔，其尺寸至少與催化劑結構的通道在其入口和出口端部處形成的開孔一樣大，所述整體性開孔網(wǎng)格式結構(a)安置在催化劑結構的出口端部處或催化劑結構的入口端部處或催化劑結構的入口端部和出口端部兩處；(b)定位和構形成緊靠催化劑結構的一端并沿垂直于催化劑結構縱軸的方向延伸，以基本上蓋住催化劑結構的端面，該整體性開孔網(wǎng)格式結構的網(wǎng)格式開孔與催化劑結構的通道存在流體連通；以及(c)以其周邊固定在反應室壁上，使得施加在該整體性開孔網(wǎng)格式結構上的軸向載荷被傳遞到該反應室壁上，由此限制所述催化劑結構平行于其縱軸的軸向移動。
2．根據(jù)權利要求1所述的支承結構，其特征在于，該整體性開孔網(wǎng)格式結構安置在該催化劑結構的出口端部處。
3．根據(jù)權利要求1所述的支承結構，其特征在于，該整體性開孔網(wǎng)格式結構安置在該催化劑結構的入口端部和出口端部兩處。
4．根據(jù)權利要求1、2或3所述的支承結構，其特征在于，該開孔網(wǎng)格式結構的網(wǎng)格為多邊形、橢圓形或圓形。
5．根據(jù)權利要求4所述的支承結構，其特征在于，這些網(wǎng)格為多邊形。
6．根據(jù)權利要求5所述的支承結構，其特征在于，這些多邊形網(wǎng)格為梯形、三角形、矩形、方形或六角形。
7．權利要求1所述的支承結構，其特征在于，由在催化劑結構的入口端或出口端處的任何單個的整體性開孔網(wǎng)格式結構形成的流動阻塞小于約25％。
8．權利要求7所述的支承結構，其特征在于，該流動阻塞在約5％至約15％之間。
9．權利要求1所述的支承結構，其特征在于，制成整體性開孔網(wǎng)格式結構的金屬或陶瓷帶的厚度為催化劑結構的沿縱向設置的通道的壁厚度的約0.5至20倍。
10．權利要求9所述的支承結構，其特征在于，該催化劑結構通道壁和制成整體性開孔網(wǎng)格式結構的帶兩者均由耐高溫金屬材料制成。
11．權利要求9所述的支承結構，其特征在于，制成整體性開孔網(wǎng)格式結構的帶的寬度在約0.25至4英寸之間。
12．權利要求1、2、3、10或11所述的支承結構，其特征在于，整體性開孔網(wǎng)格式結構的變形指數(shù)為約0.0001至約0.05之間。
13．權利要求1所述的支承結構，其特征在于，整體性開孔網(wǎng)格式結構的開孔網(wǎng)格的平均網(wǎng)格尺寸(橫截面積)為從約0.03平方英寸至約2.0平方英寸。
14．權利要求1所述的支承結構，其特征在于，整體性開孔網(wǎng)格式結構用一個固定在反應室壁上的連接機構固定在反應室中，該附接機構將整體性開孔網(wǎng)格式結構保持就位而同時允許該整體性開孔網(wǎng)格式結構沿向外方向向著反應室壁產(chǎn)生溫差熱膨脹。
15．權利要求14所述的支承結構，其特征在于，該連接機構選自(a)反應室壁的內(nèi)側上的一個向內(nèi)伸出的凸棱，在該凸棱上以可以滑動的方式安置整體性開孔網(wǎng)格式結構的周邊的一個端面?zhèn)炔?，以便適應該整體性開孔網(wǎng)格式結構的溫差熱膨脹；或(b)一系列穿過反應室壁伸入整體性開孔網(wǎng)格式結構的周面上空腔內(nèi)的鉚釘，這些空腔的深度和鉚釘?shù)拈L度之間存在差別，使得可以適應整體性開孔網(wǎng)格式結構的溫差熱膨脹。
16．一種用于將一個催化劑結構固定在反應室內(nèi)的方法，該催化劑結構做成具有多個帶入口和出口端部的沿縱向設置的通道，這些通道用于通過流動的氣體混合物，該方法包括將一個整體性開孔網(wǎng)格式結構插入反應室內(nèi)，置于催化劑結構的出口端部處或置于催化劑結構的出口端部和入口端部兩處，該整體性開孔網(wǎng)格式結構中的網(wǎng)格的壁用耐高溫的金屬或陶瓷材料帶制成，以提供網(wǎng)格式開孔，其尺寸至少與催化劑結構的通道在其入口和出口端部處形成的開孔一樣大，所述整體性開孔網(wǎng)格式結構(a)定位和構形成緊靠催化劑結構的一端并沿垂直于催化劑結構的縱軸方向延伸，以基本上蓋住催化劑結構的端面，該整體性開孔網(wǎng)格式結構的網(wǎng)格式開孔與催化劑結構的通道存在流體連通；以及(b)以其周邊固定在反應室壁上，使得施加在該整體性開孔網(wǎng)格式結構上的軸向載荷被傳遞到該反應室壁上，由此限制所述催化劑結構的軸向移動。
17．一種燃燒碳氫化合物或其它燃料以便形成其中燃料至少部分被燃燒的熱氣體產(chǎn)物的方法，該方法包括下列步驟(a)形成一種帶有含氧氣體的燃料混合物；和(b)使該含氧氣體和燃料混合物作為流動氣流流過位于反應室中的整體性催化劑結構，所述催化劑結構做成具有多個沿縱向設置的通道，用于通過所述流動氣流，所述催化劑結構在所述反應室內(nèi)是利用一個整體性開孔網(wǎng)格式結構來穩(wěn)定的，在該結構中網(wǎng)格的壁是用耐高溫的金屬或陶瓷材料帶制成的，以提供網(wǎng)格式開孔，其孔徑至少與催化劑結構的通道在其入口和出口端部處形成的開孔一樣大，所述整體性開孔網(wǎng)格式結構(ⅰ)安置在催化劑結構的出口端部處或催化劑結構的入口端部處或催化劑結構的入口端部和出口端部兩處；(ⅱ)定位和構形成緊靠催化劑結構的一端并沿垂直于催于劑結構縱軸的方向延伸，以基本上蓋住催化劑結構的端面，該整體性開孔網(wǎng)格式結構的網(wǎng)格式開孔與催化劑結構的通道存在流體連通；以及(ⅲ)以其周邊固定在反應室壁上，由此，限制所述催化劑結構平行于其縱軸和軸向移動。
18．權利要求17所述的方法，其特征在于，該整體性開孔網(wǎng)格式結構安置在該催化劑結構的出口端部處。
19．權利要求17所述的方法，其特征在于，該整體性開孔網(wǎng)格式結構安置在該催化劑結構的入口和出口端部兩處。
20．權利要求17、18或19所述的方法，其特征在于，該開孔網(wǎng)格式結構的網(wǎng)格為多邊形、橢圓形或圓形。
21．權利要求20所述的方法，其特征在于，這些網(wǎng)格為多邊形。
22．權利要求21所述的方法，其特征在于，這些多邊形網(wǎng)格為梯形、三角形、矩形、方形或六角形。
23．權利要求17所述的方法，其特征在于，由在催化劑結構的入口端或出口端處的任何單個的整體性開孔網(wǎng)格式結構形成的流動阻塞小于約25％。
24．權利要求23所述的方法，其特征在于，該流動阻塞在約5％至約15％之間。
25．權利要求17所述的方法，其特征在于，制成整體性開孔網(wǎng)格式結構的金屬或陶瓷帶的厚度為催化劑結構的沿縱向設置的通道的壁厚度的約0.5至20倍。
26．權利要求25所述的方法，其特征在于，該催化劑結構通道壁和制成整體性開孔網(wǎng)格式結構的帶兩者均由耐高溫金屬材料制成。
27．權利要求25所述的方法，其特征在于，制成整體性開孔網(wǎng)格式結構的帶的寬度在約0.25至4英寸之間。
28．權利要求17、18、19、26或27所述的方法，其特征在于，整體性開孔網(wǎng)格式結構的變形指數(shù)為約0.0001至約0.05之間。
29．權利要求17所述的方法，其特征在于，整體性開孔網(wǎng)格式結構的開孔網(wǎng)格的平均網(wǎng)格尺寸(橫截面積)為約0.03平方英寸至約2.0平方英寸。
30．一種用于將一個多級催化劑結構固定在反應室內(nèi)用的支承結構，該多級催化劑結構做成具有多個帶有每級的入口和出口端部的沿縱向設置的通道，這些通道用于通過流動的氣體混合物，所述支承結構包括一種整體性開孔網(wǎng)格式結構，其中網(wǎng)格的壁用耐高溫的金屬或陶資材料帶制成，以提供網(wǎng)格式開孔，其尺寸至少與催化劑結構的通道在其入口和出口端部處形成的開孔一樣大，所述整體性開孔網(wǎng)格式結構(a)安置在催化劑結構的每級的出口端部處或催化劑結構的第一級的入口端部處和催化劑結構中包括最后催化劑級的一個或多個催化劑級的出口端部處；(b)定位和構形成緊靠催化劑結構的一端并沿垂直于催化劑結構的縱軸方向延伸，以基本上蓋住催化劑結構的端面，該整體性開孔網(wǎng)格式結構的網(wǎng)格式開孔與催化劑結構的通道存在流體連通；以及(c)以其周邊固定在反應室壁上，使得施加在該整體性開孔網(wǎng)格式結構上的軸向載荷被傳遞到該反應室壁上，由此限制所述催化劑結構平行于其縱軸的軸向移動。
全文摘要
一種將一個催化劑結構(52)固定在反應室內(nèi)用的支承結構(53)，該催化劑結構(52)包括多個沿縱向設置的通道，用于通過流動的氣體混合物，所述支承結構由一種緊靠催化劑結構一端的整體性開孔網(wǎng)格式或蜂窩狀結構組成，后者用耐高溫的金屬或陶瓷薄帶或肋材制成，并沿垂直于催化劑結構縱軸的方向延伸，以便基本上蓋住催化劑結構的端面(在入口端或出口端或兩端處)，使支承結構的周邊固定在反應器壁上(54)。制成支承結構的薄帶或肋板卷繞在一起而形成單體結構，該結構具有的網(wǎng)格式開孔至少與催化劑結構的通道開孔一樣大。支承結構中的網(wǎng)格式開孔也安置成與催化劑結構的通道流體連通，從而供給從催化劑結構通過支承結構的基本上不變化的氣流(50)。
文檔編號F23R3/00GK1228152SQ96180325
公開日1999年9月8日 申請日期1996年6月10日 優(yōu)先權日1996年6月10日
發(fā)明者拉爾夫·A·達拉·貝塔, 詹姆斯·C·施拉特, 馬丁·伯納德·卡特隆, 肯尼思·威斯頓·畢比 申請人:卡塔魯逖克公司