CN1042981A - 用于催化燃烧反应室床的层合基体材料 - Google Patents

Abstract

一种层合的防氧化催化剂元件，包括诸如钢箔的合金基体并用诸如铂的贵金属覆层。在该贵金属层上施涂一层诸如氧化铝的陶瓷基面涂料并且催化剂与该涂料一起涂上去，或者采用两步法先后涂上该两者。该贵金属能防止氧与金属基体接触，防止因氧化而变质。该催化剂元件特别适用于工业燃气透平的催化反应室床。

Description

本发明涉及燃烧催化剂，更具体讲是涉及包括贵金属保护覆层并用以作燃烧催化剂支持体的抗氧化性层合复合金属基体材料。

为了减少工业燃气透平发动机排出的污染气体，透平制造商已经改用催化燃烧技术，在其中使用一种燃烧催化剂以促进透平燃烧室反应区的无焰燃烧。燃气透平发动机所排出的主要污染物是各种氧化氮、一氧化碳、未燃烧烃。在燃气透平燃烧系统的反应区使用燃烧催化剂能促进燃料与空气的贫预混物的完全燃烧，从而使这些有害的污染物排放减至最少。

不利的是，燃气透平燃烧室反应区的操作环境对于催化反应器是很苛刻的，容易导致其过早损坏。对于要求能长时间操作的工业燃气透平而言，这种损坏会造成严重问题。因此，直至本发明出现之前，燃气透平发动机中的催化燃烧尚未能证实获得完全成功。

具有陶瓷支持体或基体的催化反应器床在燃气透平燃烧室反应区操作时，特别容易过早损坏。陶瓷基体由于受到热的排出气体作用及透平发动机振动作用而产生的温度突变和机械冲击，会发生裂开，最后发生解体。

虽然在催化反应器床中试验过用金属支持体或基体并获得某些成功，但这些反应器床的金属基体容易受到高温氧化而发生解体。

目前设计用于高温环境的常规式金属基体催化剂反应器床是在预成形成为蜂窝结构的高温合金箔表面上直接施加一层陶瓷基面涂层和催化 剂。有一种设计是用一种钢合金作为支持基体，然后在其上施加铂催化剂。当在高温氧化环境操作时，这种设计发生上述的高温氧化和熔融问题。

因此，亟需有一种能在氧化气氛中长时间耐受高温的金属基体催化反应器床。还需要一种高熔点的金属箔催化反应器床基体，要求它在燃气透平的燃烧室反应区或其他高温氧化环境中操作时，能够耐氧化并防止发生结构解体。

本发明通过研制而满足了上述要求，本发明的主要目的是提供一种金属基体的催化反应器床，它所能承受的温度应比以前的常规设计所能承受温度更高。本发明目的还包括提供一种适于在高效燃气透平燃烧系统或类似环境中长时间使用的金属基体催化反应器床。

达到这些目的的方法是在金属箔基体上施加保护覆层，用以防止金属箔基体氧化和进一步发生结构解体。这种保护覆层最好是一种贵金属覆层，将之施加在带有金属催化剂的陶瓷基面涂层和高熔点金属箔之间。该金属箔为该催化反应器床提供结构支持体，而由贵金属覆层防止周围气氛中的氧与该金属箔接触而发生氧化。应用这种带覆层金属箔所制成的催化反应器床特别适用于工业燃气透平的催化燃烧反应室床。

下面参照附图详细说明本发明并叙明本发明的目的、特征和优点。

图1是按本发明所制金属基体催化燃烧层合体的部分剖面图。此图示出在高熔点金属箔基体表面所施加的保护性贵金属覆层。这种催化反应器床或催化剂元件包括高熔点金属箔基体1，该基体是由任何耐热合金所制成，例如用于炉体部件或高温覆层的合金。例如，由铝、铬和铁组合而成的合金，例如Kanthal ，或由镍和铬组合或镍、铬、铁组合的合金，例如Nichrome均可用于制造该金属箔基体1。

其他合金，如铁、铬、铝、钇组合，或镍、铬、铝、钇组合，或钴、铬、铝、钇组合的合金也适用于制造该金属箔基体。制造该金属箔基体 的优选合金是Fecralloy

钢，其典型组成为：C 0.03%，Si 0.30%，Cr 15.80%，Al 4.8%，Y 0.30%，其余为铁。该金属箔基体1可以制成任何厚度，以供该结构支持体所需。例如，可以制成厚度约0.006英寸的金属箔薄片。

贵金属层2是以保护覆层的形成施加到金属箔上，用以使金属箔的氧化减至最少。应在金属箔基体1的全部接触到高温氧化气氛的表面上覆以贵金属2。该贵金属2可以是铂、钯、铑、铱、锇、钌或其组合物或化合物。根据所用施加覆层的方法，该贵金属2可以是溶解的盐或者细粉末的形式。可以采用标准式等离子体喷涂、电镀或气相淀积方法和设备在金属箔基体上施加贵金属2的连续薄覆层。贵金属覆层2的适宜厚度约0.0001英寸或更薄。

在贵金属层2的面上再施涂一层陶瓷基面涂层和催化剂层3，办法是将覆有贵金属层2的金属箔基体浸于基面涂料和催化剂的混合浆液中。另外的方式是先将已覆层的基体浸于基面涂料浆液中，然后用等离子体喷涂法向该基面涂层上施涂催化剂层，从而形成涂层3。所以，基面涂层和催化剂层可以单独分先后涂上去，或混合涂上去，成为薄的涂层。

该基面涂层材料一般是氧化铝，它应具有足够BET法表面面积和能提供热稳定的金属氧化物涂层。可以应用氧化铈或氧化铯作为基面涂料稳定剂。除氧化铝之外，氧化锆和氧化钍也可作为基面涂层材料。混合的基面涂料和催化剂层3的合适厚度约为0.0006英寸。

与基面涂料一起施涂或涂在基面涂层之上以形成基面涂料及催化剂层3的催化剂可以选自以下物质：铂、钯、铑、铱、氧化铬、氧化铁、氧化钴、氧化镧、铽-铈-钍、钌、锇、氧化镍、氧化镁、氧化铜。在施涂陶瓷基面涂料和催化剂层3之后，由所成层合物构成的反应室床可以在炉中加热处理。但贵金属层2不需要热处理。

陶瓷基面涂层能阻止氧流至贵金属层2的表面，因此使该贵金属氧化速率减慢。但是，该陶瓷基面涂层并不是不透氧的，所以必须依靠其本身的抗氧化性能来维持其结构完整。虽然该陶瓷基面涂料和催化剂层3对于金属箔基体1和贵金属覆层2并不提供很大的耐高温保护作用（热绝缘作用），但确能保护贵金属层2不受高温气体侵蚀。

按本发明所制燃烧催化剂的操作温度范围可以在约1800-2500°F。虽然该贵金属覆层能阻止金属箔基体1的氧化并使之在给定温度的使用寿命延长，但该金属箔基体的氧化是决定于时间和温度。所以该催化剂元件的使用寿命绝对值是不易得知的，但相信8000小时的使用寿命是可能的。按本发明用于制造层合催化剂元件的组合材料的熔点如下：

Fecralloy 钢箔 1375-1550℃

铂覆层    1773℃

氧化铝基面涂层    1865-2032℃

钯催化剂    1554℃

因此可以了解到，这些高熔点金属箔1能提供按图1由该基本催化剂层合物制取该反应室床所需的结构支持体。该贵金属覆层2保护金属箔1以防氧化，同时由于其催化活性而能促进化学反应。该基面涂料和催化剂层3提供很大的表面面积，而由于其催化活性而能进一步促进化学反应。

按前述所制的层合催化剂元件可以加工成为蜂窝状结构的催化剂反应床，以便使流动阻力减至最小，供反应物流过该床的表面面积尽量加大。这样制成的床适于在高温氧化环境中操作，例如高效燃气透平燃烧室的反应区，特别适用于在大型工业燃气透平中尽量减少排出的污染性气体。

按本发明制造的一种催化反应室床或催化剂元件优于以前的设计，能达到更长使用寿命。在金属箔基体1和和基面涂料和催化剂层3之间增加贵金属覆层2不仅能保护该基体不受氧化并促进化学反应，还可作 为对于加到入该基面涂层的催化剂的后备或补充催化剂。例如，在该反应室床的使用寿命期内在某些点失落了基面涂层催化剂之后，则该贵金属覆层2本身除起到防氧化保护层的作用之外，还起到催化剂的作用。

上面介绍了本发明的最佳实施方案，但不言而喻的是，在不背离本发明精神实质的条件下，还可以作出各种变动和修改。

Claims (10)

1、一种层合的催化剂元件，其中包括：

(a)一种金属支持基体；

(b)在所述金属支持基体上施加的防氧化层，用于防止所述金属支持基体的高温氧化；

(c)在所述防氧化层上施加的一种热稳定的金属氧化涂层；

(d)在所述金属氧化层中提供的一种燃烧催化剂。

2、权利要求1的催化剂元件，其中所述金属支持基体包括一种钢合金。

3、权利要求1的催化剂元件，其中所述防氧化层包括一种贵金属。

4、权利要求1的催化剂元件，其中所述燃烧催化剂是选自：铂、钯、铑、铱、氧化铬、氧化铁、氧化钴、氧化镧、铽-铈-钍、钌、锇、氧化镍、氧化镁、氧化铜。

5、权利要求1的催化剂元件，其中所述贵金属是选自：铂、钯、铑、铱、锇、钌。

6、权利要求1的催化剂元件，其中所述金属氧化物涂层包括氧化铝。

7、权利要求1的催化剂元件，其中所述金属支持基体包括一种金属箔。

8、权利要求1的催化剂元件，其中所述金属氧化物涂层和所述燃烧催化剂是以一种基面涂层方式施涂到所述防氧化层上。

9、权利要求1的催化剂元件，其中所述防氧化层包括厚度为0.0001英寸或更薄的连续覆层。

10、权利要求1的催化剂元件，其中所述防氧化层是以等离子体喷涂方法施涂到所述金属支持基体上。

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