[发明专利]催化剂的支承结构

说明书

本申请以1998年4月30日提交的美国专利申请第09/070,554号(档案号P-1081)为基础要求优先权。

本发明涉及改进的催化剂结构和用于将在高温反应如催化燃烧中使用的整体催化剂结构固定并径向定心在反应室或反应器中的支承结构。另外，本发明涉及在高温催化方法如燃气轮机动力设备的催化燃烧中使用改进的催化剂结构和支承结构的方法。

大家知道，多种高温方法采用整体催化剂结构以促进需要的反应，例如，烃的部分氧化、排放物控制用的烃的完全氧化、汽车排放物控制中的催化消声器和进一步用于燃气轮机、炉子等中的燃油的催化燃烧。上述典型的催化系统是为燃气轮机提供低排放和高燃烧效率的热燃烧装置中使用的催化剂。为了实现高燃气轮机效率，一般需要高的气体温度。当然，这样就会在所使用的催化剂整体上作用高的热应力。整体催化剂结构的一个实例是由多条供燃烧气体混合物通过的纵向设置的通道构成的单式或粘合式金属或陶瓷结构。通道的至少一部分内表面上涂覆着燃烧催化剂。

除了高温应力以外，由于对气流的阻力，即，在催化剂结构的纵向设置的通道中的摩擦，燃气轮机中燃烧装置的高的气体流动速率特性在催化剂结构上作用一个显著的轴向载荷或力，其作用在气流方向上。例如，如果一个多级整体催化剂结构如授予Dalla Betta等人的美国专利第5,183,401号中所述的那种在催化燃烧反应器中被用作直径为20英寸的催化剂，其中的空气/燃料混合物的流动速率在通过催化剂的压降为4Psi时大约为50磅/秒，那么，在催化剂上总的轴向载荷为大约1260磅。

暴露于金属整体开始丧失强度的高温如接近甚至超过1000℃及暴露于上述(来自高气流速率的)大的轴向载荷的燃烧可能引起在气流方向上催化剂结构的显著运动或变形。事实上，在使用波纹金属箔整体的情形中，波纹金属箔以非嵌套方式卷成一个圆筒形螺旋结构。其中，箔层不粘合在一起，高温和来自高气流量的大轴向载荷一起可以使整个结构在气流方向上伸缩，特别是当轴向力超过在缠绕结构中箔与箔的滑动阻力时。因此，存在对催化剂结构提供支承的需要，以便借助支承结构将其固定，以免在气流方向上沿其轴线运动或变形。所述支承结构在高温下提供必要的支承，最好不干扰作为燃气轮机动力源的催化燃烧的效率和有效性。

整体催化剂结构可以通过设置邻近于催化剂结构出口端部的短柱或棒的方式受到支承。在授予Dalla Betta等人的美国专利第5,461,864号中，在催化剂结构的出口采用内冷支承短柱或棒作为支承催化剂的装置。但是，这种方式的缺点在于，支承短柱需要冷却空气源，这使燃烧系统的设计更为复杂，或需要使用在燃气轮机中也许不可得到的高压空气。另外，由于空气冷却的短柱在催化剂的表面间隔宽大，因而可能形成大的局部接触力。在催化剂结构的某些部分中，上述接触力可能超过相对较薄的催化剂结构的屈服强度，导致箔的变形。显然这是一种不合乎需要的后果，将有损于气冷支承短柱在高轴向载荷的场合中的应用。

为了克服内冷支承短柱或棒的缺点，可以采用整体蜂窝式或整体开口格孔支承结构来支承催化剂结构。Dalla Betta等人1995年6月5日提交的共同未审定的美国专利申请第08/462,639号(代理人档案第P-1074号)描述了这样的整体开口支承结构。这种支承结构包括彼此相邻设置的、类似于蜂窝结构的多条纵向设置的平行通道。该支承结构是由相对较薄的耐高温金属或陶瓷材料条构成的，这些材料条粘合起来构成整体结构。该支承结构抵靠催化剂结构的出口而并在整个该出口面上延伸。所述通道提供了流动气体混合物穿过支承结构的通路。支承结构的周缘固定在反应室壁上，使作用在支承结构上的轴向载荷例如借助在反应室壁上形成的径向向内延伸的脊传至反应室壁。

已经发现在燃气轮机的反应器的工作过程中，所产生的高温引起相对较薄壁的整体开口孔式支承结构和催化剂结构比相对较厚壁的反应室壁热膨胀一个显著较大的幅度。为了克服这个问题并避免催化剂结构和支承结构的压坏或变形，支承结构和催化剂结构的尺寸应使其外径小于反应室壁的内径，从而容许在这种高温工作中支承结构的热膨胀。如果支承结构的外径太大，那么，支承结构可能向外变形或膨胀，挤压催化剂结构，使催化剂结构的箔显著损坏。