[发明专利]轴向分节陶瓷蜂窝组件

说明书

本发明涉及轴向分节陶瓷蜂窝组件。

陶瓷蜂窝在多种应用中广泛地用作过滤器和催化剂载体。它们通过如下频繁地用于处理流体如燃烧废气：过滤出颗粒(如烟灰粒子)和/或气溶胶液滴，或作为用于催化废气的特定组分(如NO_x化合物)至气候温和化合物(如N₂和H₂O)的转化的催化材料的载体。这种蜂窝也可用于过滤或催化液体如水和有机溶剂和溶液。

陶瓷蜂窝具有沿蜂窝的长度轴向延伸的多个通道(或″蜂房″)。蜂房由沿蜂窝的长度轴向延伸的交叉壁限定。由这些交叉的壁形成的蜂房提供从蜂窝的上游入口端至下游出口端的流路。蜂房的一部分典型地在出口端堵塞，并且蜂房的另一部分在入口端堵塞。在出口端堵塞的蜂房在入口端开放，从而形成气体通过其进入蜂窝的入口蜂房。在入口端堵塞的蜂房在出口端开放，从而形成流体通过其离开蜂窝的出口蜂房。建立交替的入口和出口蜂房的″跳棋盘″堵塞图案是典型的。

交叉的蜂房壁是多孔的并且因此能够使流体渗透。当流体进入入口蜂房时，它们穿过壁至流体从其离开蜂窝的相邻的出口蜂房中。捕获不能透过壁(如固体粒子)的夹带物，并且因此将其从流体移除。蜂窝结构也通常被称为″壁流″器件，因为流体以这种方式穿过蜂房壁。流体当它们穿过一个或多个多孔壁时被过滤和/或接触活性催化剂材料。

当使用陶瓷蜂窝处理热流体，如来自固定发电设备或移动发电设备(如内燃机)的废气时，通常会观察到破裂问题。在操作过程中在蜂窝内通常形成温度梯度，尤其是在过渡阶段如开始过程中和在″烧尽″循环过程中，在该过程中，操作温度临时增加以点燃并烧尽捕获在过滤器中的灰，并且之后回到正常的操作温度。温度梯度通常导致在蜂窝内产生机械应力，因为蜂窝的不同部分以不同的速率热膨胀或收缩。破裂作为这些机械应力的结果产生。陶瓷蜂窝耐受这种热诱导的破裂的能力可以表达为其″耐热冲击性″。

改进陶瓷蜂窝中的耐热冲击性的一种方式是将其分段。代替由单一的单块体形成整个蜂窝结构，分开制造许多更小的蜂窝，并且之后组装为更大的结构。将段沿在过滤器的轴向上前进的平面在长度上连接。使用无机接合剂以将更小的蜂窝结合至一起。无机接合剂通常比蜂窝结构上更有弹性。这种更大的弹性允许热诱导的应力通过该结构消散，从而减少可能以其他方式导致断裂形成的高局部应力。所使用的段在尺寸上也更小，并且在使用过程中较不倾向于经历大热梯度，以及相关的热应力。分段方案的实例参见于USP 7,112,233、USP 7,384,441、USP 7,488,412和USP7,666,240中。

分段方案被证实为主要在减少轴向破裂(一般沿平行于流体流动和通道轴的线或平面形成的破裂)上是有效的。分段方案可以有助于减少径向破裂(一般沿垂直于流体流动和通道轴的线或平面形成的破裂；通常称为″环脱离(ring-off)″破裂)。但未发现分段方案在减少环脱离破裂上是足够有效的。因此，需要另一个或另外的方案解决环脱离破裂的问题。

在很多情况下，蜂窝负载一种或多种催化材料。催化材料典型地通过涂覆方法沉积至蜂窝壁上，其中将过滤器用催化材料(或其前体)的溶液或悬浮液浸渍，以将蜂窝壁用催化剂材料或前体涂覆。随后的干燥和/或烧制产生催化材料的涂层。有时，仅需要涂覆蜂窝的一部分，以便提供足够的催化剂用于最终应用。在其他情况下，可能适宜的是用不同的催化材料涂覆蜂窝的不同部分。通常所说的″区域涂覆″方法尝试解决这种需要。在区域涂覆方法中，仅将蜂窝的一部分与涂覆流体接触。然而，涂覆流体被″抽吸″至多孔蜂窝结构中并且因此散布超出蜂窝的初始润湿区域。这使得难以制造部分地涂覆的蜂窝，或在不同的区域具有两种以上催化材料的蜂窝。因此，适宜的是提供一种方法，从而可以方便地制造仅部分地涂覆有催化材料或其中蜂窝的不同部分涂覆有不同的催化材料的陶瓷蜂窝。

美国专利号8,007,731描述了一种″分层的″陶瓷蜂窝结构，其中多个陶瓷蜂窝″层″轴向排列，在相继的蜂窝层之间具有间隙。该器件主要作为催化剂载体。蜂窝的蜂房对于大部分在每一端开放，以使得穿过蜂房的流体可以在不穿过蜂房壁的情况下穿过每一层。流体当其穿过蜂房时与沉积在蜂房壁上的催化材料接触。颗粒材料未被移除，因为流体未穿过蜂房壁。单独的蜂窝层可以以″跳棋盘″图案堵塞以驱使流体穿过蜂房壁并且由其过滤颗粒物。归因于不存在或接近不存在可以作为过滤器的堵塞层，这种分层结构具有非常小的用于捕获颗粒物的容量，导致积累灰的可得过滤器壁区域的低效率使用。