催化燃烧器制造技术

本发明专利技术公开了一种催化燃烧器，所述催化燃烧器包括多孔扩散器构件和多孔分配器构件。至少一个密封件在所述多孔扩散器构件与所述多孔分配器构件之间延伸，从而限定氧化室。用于催化燃料料流的氧化反应以产生热量和排出料流的催化剂介质颗粒设置在所述氧化室内。所述催化剂介质颗粒包含载体颗粒。所述载体颗粒包含耐火材料，并且所述载体颗粒的至少一些在其上具有包含氧化催化剂的外涂层。所述催化剂介质颗粒的空隙分数为至少0.6。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】催化燃烧器联邦政府资助研究的声明本专利技术是根据由能源部授予的合同号DE-EE0003491在政府支持下进行的。政府在本专利技术中享有一定的权利。
本公开涉及催化燃烧器及其中使用的催化剂介质。
技术介绍
在商用锅炉中，在锅炉内容纳的换热器内部的气态烃燃料源被转换为热能。通常，换热器内部的空间保持为小的，以使锅炉的尺寸最小化。为了使操作和环境成本最小化，希望燃料被有效地转换为热能并且最小化有害副产物(例如，NOx、CO)的量。先前尝试解决该问题涉及通过多孔分配器和扩散器板(该专门术语较常用，即便“板”可能不平坦)控制气体-空气混合物的流体动力学，该多孔分配器和扩散器板常常被取向为同心、同轴圆柱体并且由耐热金属诸如不锈钢构造。虽然这些设计较紧凑并降低了NOx排放量，但该降低量正变得无法满足逐渐严格的排放标准。
技术实现思路
本公开通过建立设置在分配器与扩散器板之间的高空隙分数填充的催化剂介质颗粒床而克服了上述问题。催化剂介质颗粒降低了有效燃烧温度，从而减少了所生成的热NOx的量。填充的催化剂介质颗粒床是在催化剂存在下实现燃料的足够停留时间所需的。然而，催化剂介质颗粒床的厚度(或深度)和空隙分数(ε)极大地影响催化剂介质颗粒床中燃烧的燃料的热传递速率。对于太厚和/或空隙分数太低的催化剂介质颗粒床而言，来自燃烧反应的热量从催化剂介质颗粒床低效地去除，从而导致该床的温度迅速升高并且可能超过催化剂的稳定极限温度，从而使其失活。在低空隙分数下，诸如在球形催化剂介质颗粒(例如，空隙分数为约0.36的单分散球形颗粒)或破碎颗粒的情况下，根据催化剂介质颗粒床的厚度，该床温度可超过800℃。如本文所用，术语“空隙分数”是指在填充满颗粒的容器中颗粒之间的空隙空间的体积与总容器体积(V容器，以立方厘米(cm3)表示)的比率，并且由以下表达式定义：其中V外部是以立方厘米(cm3)计的外部体积，包括所有固体材料、开放孔和不可渗透的部分。外部体积被定义为V外部＝W-S(2)其中W是以克计的饱和重量，S是以克计的悬浮重量，并且测试液体是密度为1克/立方厘米(g/cm3)的水。例如根据宾夕法尼亚州西康舍霍肯ASTM国际标准组织(ASTMInternational,WestConshohocken,Pennsylvania)制定的ASTM编号C20-00(2010年再批准)中对煅烧耐火砖所述的规程“StandardTestMethodsforApparentPorosity,WaterAbsorption,ApparentSpecificGravity,andBulkDensityofBurnedRefractoryBrickandShapesbyBoilingWater”(用沸水法测定煅烧耐火砖和异型砖的表观多孔性、吸水性、表观比重及体积密度的标准测试方法)来计算这些项。高床温度可导致催化剂失活和/或从表面挥发掉并随排出料流携带出该系统。虽然催化剂介质颗粒可实现低NOx排放量，但高催化剂床温度逐渐降低了催化剂的有效性。在较大空隙分数下，床温度随空隙分数增加而降低，相伴的是催化剂介质颗粒寿命延长，直到在大于0.6的空隙分数下，床温度通常不超过800℃，并且钯催化剂表现出较长寿命，同时仍然实现低NOx排放量。在一些实施例中，催化剂介质颗粒基本上不含，或甚至不含内部空隙空间。因此，在一个方面，本公开提供一种催化燃烧器，其包括：多孔扩散器构件；多孔分配器构件；至少一个密封件，该密封件在多孔扩散器构件与多孔分配器构件之间延伸，从而限定氧化室；和催化剂介质颗粒，该催化剂介质颗粒用于催化燃料料流的氧化反应以产生热量和排出料流，其中该催化剂介质颗粒设置在所述氧化室内，其中该催化剂介质颗粒包含载体颗粒，每个载体颗粒包含耐火材料，其中该载体颗粒中的至少一些在其上具有包含氧化催化剂的外涂层，并且其中该催化剂介质颗粒的空隙分数为至少0.6。在一些实施例中，多孔扩散器构件和多孔分配器构件包括基本上平行的多孔板。在一些实施例中，多孔扩散器构件包括第一开口端，多孔分配器构件至少部分地设置在多孔扩散器构件内部，并且多孔分配器构件包括第二开口端。在考虑具体实施方式以及所附权利要求书之后，将进一步理解本公开的特征和优点。附图说明图1是根据本公开的示例性催化燃烧器100的示意透视图。图1A是图1中的区域1A的放大细部。图2是示例性催化燃烧器200的示意性剖视图。图3是示例性催化剂介质颗粒270的放大示意性剖视图。图4是示例性催化燃烧器400的示意性剖视图。图5是“催化剂介质颗粒E的制备”中制备的示例性鞍形载体颗粒的显微照片。图6是根据本公开的包括催化燃烧器的示例性锅炉的示意性剖视图。在本说明书和附图中重复使用附图标记旨在表示本公开的相同或相似的特征或元件。应当理解，本领域的技术人员能构思出落入本公开的原理的范围和实质之内的多种其他修改和实施例。附图可未按比例绘制。具体实施方式参见图1，示例性催化燃烧器100具有燃料料流(未示出)的入口开口110、相邻密封件160，该燃料料流穿过多孔分配器构件115中的孔113(参见图1A)，在燃烧器内部被氧化，然后作为排出料流(未示出)穿过多孔扩散器构件120中的孔129释放。催化燃烧器的除催化剂介质颗粒之外的部件可包含能够承受燃料料流的氧化所引起的热量(例如，最高至至少800℃)和腐蚀的任何材料。不锈钢(例如，等级304或316)是示例性的此类材料。催化燃烧器可具有例如如本领域已知的任何合适设计，包括未在本文示例的设计。各种设计的示例包括柱形(例如，如图1-3所示)、截头圆锥形(例如，如PCT公布申请WO2011/076220A1所述)、平行板和球状构形(例如，如美国专利5,474,443(Viessmann等人)所述)。多孔分配器构件通常包括具有多个贯穿延伸的孔的壁，可被成型为例如柱形管、锥形管、中空球状体、或它们的组合，但这不是必需。孔可具有任何形状(例如，狭缝和/或圆孔)和图案，但优选地尺寸被充分设定成催化剂介质颗粒不从中穿过。在一些实施例中，基于壁的总表面积计，多孔分配器构件的壁中的多个孔占1至30面积百分比、优选地5至25面积百分比、并且更优选地5至15面积百分比，但这不是必需。优选地，孔应足够小，这防止回火点火。孔形状和尺寸的选择可取决于燃料料流的成分及其压力，并且将是本领域普通技术人员已知的。在一些实施例中，多孔分配器构件包括烧结的多孔金属玻璃料。同样，多孔扩散器构件通常包括具有多个贯穿延伸的孔的壁，可被成型为例如柱形管、锥形管、中空球状体、或它们的组合，但这不是必需。和此前一样，孔可具有任何形状和图案，但优选地尺寸被充分设定成催化剂介质颗粒不从中穿过。在一些实施例中，基于壁的总表面积计，多孔分配器构件的壁中的多个孔占10至90面积百分比、优选地15至45面积百分比，但这不是必需。在一些实施例中，多孔扩散器构件包括丝网。通常，多孔扩散器构件适于至少部分地包封多孔分配器构件，同时形成在多孔扩散器构件与多孔分配器构件之间具有基本上恒定的间隙的氧化室(例如，至少部分地填充有催化剂介质颗粒)。针对用于家用锅炉，间隙通常为0.5毫米至3毫米，而较高的间隙通常具有旨在与商用和工业锅炉一起使用的较大燃烧器。在一些实施例中，多孔分配器构件本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种催化燃烧器，包括：多孔扩散器构件；多孔分配器构件；至少一个密封件，所述密封件在所述多孔扩散器构件与所述多孔分配器构件之间延伸，从而限定氧化室；和催化剂介质颗粒，所述催化剂介质颗粒用于催化燃料料流的氧化反应以产生热量和排出料流，其中所述催化剂介质颗粒设置在所述氧化室内，其中所述催化剂介质颗粒包含载体颗粒，每个载体颗粒包含耐火材料，其中所述载体颗粒中的至少一些在其上具有包含氧化催化剂的外涂层，并且其中所述催化剂介质颗粒的空隙分数为至少0.6。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.12.12 US 61/736,1731.一种催化燃烧器，其特征在于所述催化燃烧器包括：多孔扩散器构件；多孔分配器构件；至少一个密封件，所述密封件在所述多孔扩散器构件与所述多孔分配器构件之间延伸，从而限定氧化室；和催化剂介质颗粒，所述催化剂介质颗粒用于催化燃料料流的氧化反应以产生热量和排出料流，其中所述催化剂介质颗粒设置在所述氧化室内，其中所述催化...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿伦·R·比贝尔，托马斯·E·伍德，亚当·C·申德尔，巴德理·维尔拉哈万，伊万·昆·伦·油吉·哈吉米，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US