[发明专利]一种具有完全热交换的催化剂结构

说明书

这是由Dalla  Betta等人于1990年11月26日申请的（美国专利序号07/617，974）题为“一种具有完全热交换的催化剂结构（Ⅱ）”的继续申请，该美国申请的整个发明此处一并介绍。

本发明是一种具有完全热交换表面的催化剂结构。这个特点允许该结构在高放热过程、如一种燃烧过程中的使用，而使催化剂和结构间壁的温度保持低于可燃气体混合物的绝热燃烧温度。

随着在美国和世界各地的现代防污染法律的出现，正在研究将各种污染物减至最小的新的有效方法。燃料的燃烧-燃料用木材、煤、油或天燃气-在目前世界中可能引起严重的污染问题。其些污染物，如SO₂，是由于在燃料源中存在污染物而引起的，可以用净化燃料、或者用净化最后产生的排出气体来除去。其他的污染物，如一氧化碳，是由于不完全燃烧的结果，可以采用二次燃烧氧化、或采用改进的燃烧工艺来除去。其他主要的污染物，NO_x（一种主要是NO₂，但也包含非常少量的NO₂的平衡态混和物。）或可以通过控制燃烧过程来处理，使NO_x的产生减至最小;或可以通过后面工序除去。NO_x的除去，只要提出便是一个困难的任务，这是由于它的相对稳定性，以及它在大多数排出气体中的低浓度。在汽车中采用的一种解决方法是用一氧化碳使NO_x还原成氮气，同时使CO氧化成CO₂。然而需要使二种污染物反应也表明初始的燃烧反应是低效率的。

必须说明不同于从燃料中除去硫污染物的情况，从空气进料到燃烧过程中氮气的除去是一个不现实的解决方法。与一氧化碳的情况不同，燃烧反应的改进很可能提高所产生的NO_x含量，因为这时涉及高温。

尽管如此，对还原NO_x剩余物提出挑战，并且提出几种不同的方式。可选择的NO_x还原方法实质上不一定与净化可燃气体的目的相矛盾，即，在涡轮机、锅炉或熔炉中回收它的热值。

许多人认为限定局部地区和在燃烧区域的群体温度略低于1800℃来控制NO_x的产生是一条富有成效的途径。例如参见Furuya等人的美国专利No.4，731，989、第一栏、52-59行，以及Hindin等人的美国专利No.4，088，135，第12栏。

在许多控制温度的途径，例如用过量空气稀释，用一种或多种催化剂来控制氧化作用，或者用各种贫燃料或富燃料混和物来分级燃烧。这些方式的燃烧也是知道的。

一种广泛的试验方式是用多级催化燃烧。这些过程的大多数应用载持在陶瓷催化剂载体上的金属或金属氧化物催化剂的多级催化。典型的这种过程如下所示：

  

＊在多铝红柱石或堇青石上的氧化铝或氧化锆

＊＊CO在第一层;Zr，Sr，Ba的一种或几种在第二层;

La和Nd至少一种在第三层

＊＊＊用镧系元素或碱土金属氧化物稳定化的单片载体

注：表中催化剂用“a”/“b”标示，其中a是活性金属而“b”是载体然而，在这些工艺中难以控制温度。鉴于每个工艺的目的在于产生的最大数量的热量可以有效地使用在以后的工艺中，燃烧步骤基本上是绝热的。因此，任何早期的燃料比、空气比或操作工艺的较小变化将在后阶段温度上发生显著变化。非常高的温度对下面的催化成分产生热变形。