CN108431379B

CN108431379B - 用于包含整料的改进的元件框架

Info

Publication number: CN108431379B
Application number: CN201680071543.XA
Authority: CN
Inventors: R·克劳德雷恩; D·雷彻特; H·施彻贝尔
Original assignee: Johnson Matthey Catalysts Germany GmbH
Current assignee: Johnson Matthey Catalysts Germany GmbH
Priority date: 2015-12-07
Filing date: 2016-12-06
Publication date: 2021-12-21
Anticipated expiration: 2036-12-06
Also published as: RU2018123318A3; DE112016005587T5; RU2020136405A; RU2738702C2; JP6900377B2; RU2020136405A3; HK1258144A1; EP3387232B1; WO2017098224A1; MX2018006888A; CN112253297B; RU2018123318A; US11181029B2; EP3387232A1; EP3567230B1; US20170159529A1; KR20180091038A; US20200095914A1; US10533475B2; JP2019504236A

Abstract

一种用于将含有催化剂的整料保持在来自于燃烧源的废气流中的元件框架，所述元件框架包含两对相对的壁，其中所述壁形成矩形或正方形，由所述壁形成的内部，入口端，出口端，至少一个锁合元件，至少一个垫和至少一个整料，所述整料包含入口、出口、四个侧面和用于有效降低废气中一种或多种气体的浓度的至少一种催化剂，其中所述至少一个垫和所述至少一个整料位于所述元件框架的所述内部，以使得在所述整料与每个相邻的壁之间存在至少一个垫，每个锁合元件延伸跨过所述元件框架的入口端或出口端，并且连接到所述元件框架的两个相对侧面。

Description

用于包含整料的改进的元件框架

发明领域

本发明涉及一种改进的元件框架，其将含有催化剂的整料保持在该框架中，其中具有该催化剂的该元件框架经配置来位于发动机的废气中。

发明背景

本发明涉及用于催化剂模块中来处理来自于具有排气系统的固定燃烧源的废气的元件框架，该排气系统使废气经过含有一个或多个整料的载体结构，每个含有一种或多种催化剂。固定燃烧系统可以是任何燃烧不是用于路上操作的轿车、卡车或飞机的烃基燃料的系统。它们可以是例如燃煤系统、燃油(石油)系统或燃气轮机。固定燃烧系统也可以用于海洋应用，其中将燃烧系统如柴油机用于大型集装箱或游轮。固定燃烧系统通常在恒定的固定负荷下连续操作，而移动燃烧系统通常在变化负荷下操作。

这些系统和用于移动应用的发动机中的烃燃烧产生废气，其必须经处理来除去形成的污染物如氮氧化物(NO_x)、一氧化碳(CO)或烃(HC)。已知NO_x引起许多的人和动物的健康问题以及引起许多有害的环境影响，包括形成烟雾和酸雨。CO对于人和动物是有毒的，并且HC会引起不利的健康影响。为了减轻废气中这些污染物，尤其是NO_x对于人和环境二者的影响，期望消除这些不期望的组分，优选通过不产生其他有害或有毒物质的方法。

固定燃烧系统可以装备有排放控制系统，其提供有催化剂模块。图1是现有技术已知的催化剂模块的描述。催化剂模块是包含多个元件框架的结构，其中每个元件框架可以含有多个整料，每个包含催化剂载体和一种或多种催化剂。催化剂模块安装在排放控制系统的烟气管道中，并且要净化的烟气在操作过程中流过整料。烟气管道可以典型地具有几平方米的横截面积，并且可以为几十到几百平方米。烟气管道的尺寸可以根据许多因素包括发动机尺寸、发动机的操作条件、可允许的背压等而广泛变化。在一些情况中，烟气管道可以具有矩形横截面，并且管道的宽度和高度每个是几米，例如10m×10m。烟气管道的整个横截面被一个或多个催化剂模块覆盖。催化剂模块彼此相邻排列，以使得全部烟气经过整料，接触整料之上或之中的催化剂，和变得净化。几个例如2-5个催化剂模块可以成行和成列彼此相邻布置，经常在烟气管道内在负载框架中连接(图2)。催化剂模块本身典型地具有边缘长度为几米的矩形横截面。

在烟气流动方向上，催化剂模块经常位于一个接一个布置的几个平面中。在一些应用中，催化剂模块可以在流动方向上延伸几米，甚至高达10-15米(图3)。对于一些应用如海洋或燃气轮机，对于催化剂模块会存在在机械应力方面相对苛刻的环境条件。例如，在海洋船舶上，会经历几倍于重力的力。另外，特别是对于燃气轮机所用的大横截面催化剂模块来说，必须考虑由地震引起的机械应力。

催化剂模块可以使用堆叠框架来构建，其中插入几个元件框架单元，其中元件框架单元含有包含一种或多种催化剂的整料。烟气在烟气流动方向上流过单个整料。整料也称作蜂窝体型催化剂。这些蜂窝体型催化剂通常由陶瓷材料制成，并且具有多个在气流方向上穿过整料的流动通道。在安装的、操作状态时，烟气流过整料中的流动通道，在这里它接触整料中或整料表面上涂层中的催化剂，变得净化。

使用这些处理系统中遇到的一个典型问题是置于整料与元件框架之间来提供密封和因此气密性(即在催化剂周围没有旁路流)以及充当抗震缓冲的材料，在正常使用过程中不能位于原地，除了当材料经特别设计，和作为具有相对高成本的特定类型的垫来提供时。元件框架与含有一种或多种催化剂的整料之间的垫在元件框架即将焊接在一起时置于元件框架中。在存在周期性机械应力的情况中(其典型地在排气系统条件中，其中发动机脉动导致冲击和震动)，垫会靠着框架和整料移动。由于系统对于冲击和震动相对低的机械稳定性，这种移动会引起整料的破坏。

目前的元件框架具有金属折板(flap)或凸缘(lip)，其与整料的入口和/或出口面重叠，以使得约15％的催化剂孔不直接暴露于废气流。

目前的元件框架在入口和出口面的中央还具有锁合元件。锁合元件的功能之一是将整料之间的间隙相对于直接废气流遮蔽。锁合元件经没有预应力的焊接，这导致对于冲击和震动来说相对低的机械稳定性。

目前的元件框架设计没有提供将元件框架直接彼此连接的机构。将元件框架结合在一起的能力可以避免当需要仅少量元件框架时对于催化剂模块的需要。

期望具有催化剂模块，其允许将成本有效的材料置于整料与元件框架的金属框架之间来提供密封和充当抗震缓冲，该材料可以在正常使用期间位于原地，还提供最大可能的催化剂可利用横截面，全部处于苛刻的机械应力条件下。

发明内容

在第一方面中，本发明涉及一种用于将含有催化剂的整料保持在来自于燃烧源的废气流中的元件框架，所述元件框架包含两对相对的壁，其中所述壁形成矩形或正方形，由所述壁形成的内部，入口端，出口端，至少一个锁合元件，至少一个垫和至少一个整料，所述整料包含入口、出口、四个侧面和用于有效降低所述废气中的一种或多种气体的浓度的至少一种催化剂，其中所述至少一个垫和所述至少一个整料位于元件框架的所述内部，并且在所述整料与每个相邻的壁之间存在至少一个垫，每个锁合元件延伸跨过所述元件框架的所述入口端或出口端，并且连接到所述元件框架的两个相对侧面。

在第二方面中，本发明涉及一种催化剂模块，其包含多个本发明第一方面的元件框架。

在另一方面中，本发明涉及一种排气系统，其包含本发明第一方面的元件框架。

在又一方面中，本发明涉及一种排气系统，其包含本发明第二方面的催化剂模块。

在又一方面中，本发明涉及一种制造本发明第一方面的元件框架的方法。

在另一方面中，本发明涉及一种制造本发明第二方面的催化剂模块的方法。

在又一方面中，本发明涉及一种处理废气的方法，所述方法包括使废气经过本发明第一方面的元件框架中的整料，其中所述整料包含一种或多种有效降低所述废气中一种或多种气体的浓度的催化剂。

在又一方面中，本发明涉及一种增加与废气接触的催化剂的量的方法，所述方法包括使废气经过本发明第二方面的催化剂模块。

附图说明

图1是催化剂模块的三维图。

图2的图显示了模块跨过排气管道横截面的布置。

图3的图显示了在排气管道内的气流方向上一个接一个放置的五组模块的布置的俯视图。

图4是元件框架的三维图。

图5是元件框架的三维图，在所述元件框架中具有四个整料。

图6是从入口和/或出口侧所示的元件框架一部分的图示，其显示了两个块，每个具有相邻的壁和在入口和/或出口面中的切掉部分。

图7显示了连接有锁合元件的元件框架的端视图。

图8显示了元件框架的侧视图。

图9显示了元件框架的横截面图，在所述元件框架的横截面内具有两个整料。

图10显示了元件框架上凸起的横截面图。

图11显示了包含四个整料的元件框架的侧视图。

图12显示了包含六个整料的元件框架的侧视图。

图13是元件框架的三维图，每个侧面具有延伸部，用于将所述元件框架连接到其他元件框架。

图14显示了两个连接的锁合元件，具有切掉部分。

图15是三个元件框架的三维图，其侧面具有延伸部，用于将所述元件框架连接到其他元件框架上，其中所述元件框架含有整料。

具体实施方式

作为本说明书和所述权利要求书中所用的，单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数指代物，除非上下文另有明确指示。因此，例如提及“催化剂”时包括两种或更多种催化剂的混合物等。

术语“基本上全部”表示至少90％，优选至少95％，优选至少97％。

术语“载体”表示催化剂固定到的惰性材料。

术语“元件框架”表示包含四个壁的结构，每个壁包含多个凸起，其中该四个壁形成矩形或正方形，并且限定元件框架的内部，以使得多个整料，每个具有至少一个垫，覆盖该整料的每个侧面的一部分。元件框架还可以含有在入口横截面上的锁合元件，其用于遮蔽垫材料防止直接流动动量，并充当用于高机械稳定性的系杆。元件框架可以由钢制成，其中钢是许多不同等级的任一种。

术语“锁合元件”表示将整料保持在元件框架内的结构。锁合元件典型地由与元件框架相同的材料制成，即许多不同等级的任一种的钢。

术语“切掉部分”表示元件框架或锁合元件不存在的一部分或一段，当元件框架或锁合元件安装在废气流中时，减小元件框架或锁合元件相对于废气流的表面积。切掉部分增加整料中直接暴露于废气流的孔腔的数目。术语“直接暴露”表示废气进入整料入口侧的开口处的整料中的孔腔。

“垫”被理解为表示矿物、玻璃或金属纤维的组合，例如为织造织物、编织织物、无规则层等的形式。垫还可以称作网、羊毛状织物或非织造材料。所用纤维包括能够经受高温并且耐腐蚀的材料。它们可以具体地包括其中添加合金元素的铁基材料，并且有利地存在选自镍(8-11重量％)或铬(17-24重量％)的至少一种合金元素。合适纤维的一个例子包含70重量％的铁，17重量％的铬和8重量％的镍，不过当然还存在常规的杂质。垫可以使用相同或不同(例如就纤维长度和纤维直径而言)的纤维来生产。所用纤维还可以包括矿物或玻璃基材料。垫可以是单块，或者可以为条的形式，其中该条覆盖整料的整个侧面，或一个或多个侧面的一部分，或者包围整料的仅一部分。

术语“催化剂模块”表示由多个元件框架形成，或者包含多个元件框架的结构。

在本发明的第一方面中，一种用于将含有催化剂的整料保持在来自于燃烧源的废气流中的元件框架，所述元件框架包含两对相对的壁，其中所述壁形成矩形或正方形，由所述壁形成的内部，入口端，出口端，至少一个锁合元件，至少一个垫和至少一个整料，所述整料包含入口、出口、四个侧面和用于有效降低废气中一种或多种气体的浓度的至少一种催化剂，其中所述至少一个垫和所述至少一个整料位于所述元件框架的所述内部，并且在所述整料与每个相邻的壁之间存在至少一个垫，每个锁合元件延伸跨过所述元件框架的所述入口端或出口端，并且连接到所述元件框架的两个相对侧面。至少一个壁，优选每个壁，可以包含伸入元件框架的内部的多个凸起。当整料位于元件框架的内部时，所述多个凸起可以经配置来与垫接触，并将垫保持靠着包含一种或多种催化剂的整料。

图4是元件框架的三维图。元件框架包含四个壁，并且所述壁中的一个或多个，优选全部，可以包含伸入由四个壁形成的内部空间的多个凸起。元件框架可以将多个整料保持在由四个壁形成的内部空间中，如图5、11和12中所示。元件框架可以将整料保持为不同构造，例如1乘2，1乘3，3乘3等。元件框架的长度(深度)基于可以在元件框架中连续放置的整料长度和整料数目。

当两个或更多个整料存在于元件框架的内部，和至少两个整料二者彼此相邻布置时，至少一个垫可以位于彼此相邻的整料之间。优选一个或多个垫的至少一部分位于：(a)整料的每个侧面与相邻的整料之间；和(b)每个整料与元件框架的相邻壁之间。

元件框架可以通过将四个壁彼此结合来形成具有内部的矩形或正方形来形成。优选地，元件框架可以通过将两个块，每个包含两个壁，结合在一起来形成。图6显示了从两个块(A和B)，每个包含通过弯曲单个块形成的两个壁，入口端或出口端的视图。壁没有显示，因为它们伸入图中，并且被在入口和/或出口处弯向元件框架的内部的元件框架的部分所遮挡。在元件框架的入口和出口处的元件框架的部分优选包含一个或多个切掉部分，其可以增加置于元件框架内的整料的暴露面积。在入口和出口面处元件框架的切掉部分可以减少整料中不直接接触废气流的孔腔的数目。催化剂孔腔的优选小于10％，更优选小于8％，甚至更优选小于7％，甚至更优选小于6％，最优选小于5％不直接暴露于废气流。整料中不直接暴露于气流的孔腔数目的减少会获得较低的背压，增加废气对催化剂的暴露，和提高废气中的化合物向其他更期望的化合物的转化率。

包含壁的块可以连接在一起，优选通过焊接。

图7显示了元件框架从入口或出口端的视图，其具有两个连接的锁合元件。其侧壁至少部分地被垫覆盖的整料置于元件框架的壁内。每个锁合元件可以通过焊接连接到四个侧面的每个。图7中所示的锁合元件不具有切掉部分。优选锁合元件将包含一个或多个切掉部分。

图8显示了元件框架的侧视图，其中元件框架的壁的长度与整料的长度大致相同。框架的壁的宽度取决于单个整料或多个整料，优选两个或三个，是否彼此相邻地靠着壁布置。当仅单个整料靠着壁布置时，壁的宽度大致等于靠着壁的整料的尺寸加上两个垫的厚度。当多个整料靠着壁布置时，壁的宽度约等于靠着壁的整料的尺寸加上整料数目乘以两个垫厚度之和。取决于壁如何放在一起，会需要产生公差来用于壁的厚度和整料的制造容差。

图9显示了元件框架的横截面图，其显示了穿过整料的通道和元件框架的壁中的凸起。在这个图中，两个整料彼此相邻布置，它们的流动通道具有相同的流向。附图标记“Z”的区域在图10中放大显示，来显示凸起的细节。

两个或更多个整料可以连续置于元件框架内，如图11和12中所示。元件框架可以包含多个整料，其中布置两个或更多个整料，以使得第一整料的出口与第二整料的入口相邻，废气流依次经过至少两个整料。当使用三个或更多个整料时，离开第二整料的废气可以进入第三整料。在这些构造中，一个或多个整料可以在穿过元件框架中的整料的废气流动方向上位于一个或多个整料的下游。

元件框架可以包含多个整料，其中两个或更多个整料经布置以使得一个整料的出口与含有具有相同功能性的催化剂的另一整料的入口相邻。术语“具有相同功能性”表示彼此相邻的催化剂进行相同类型的化学反应，例如选择性催化还原(SCR)、氨氧化、烃氧化、NO_x储存、储氧等。

元件框架可以包含多个整料，其中两个或更多个整料中的两个经布置以使得一个整料的出口与包含具有不同功能性的催化剂的另一整料的入口相邻。术语“具有不同功能性”表示彼此相邻的催化剂进行不同类型的化学反应。多种类型的构造是可能的。例如，包含用于选择性催化还原(SCR)的催化剂的整料之后可以是包含用于氨氧化的催化剂的整料。包含用于烃氧化的催化剂的整料之后可以是包含用于选择性催化还原(SCR)的催化剂的整料。包含提供NO_x储存的催化剂的整料之后可以是包含用于SCR的催化剂的整料。其他可能的催化剂组合是本领域技术人员已知的。

元件框架的至少一个壁可以包含延伸段，其中延伸段包含多个开口，其中开口经配置来允许将元件框架结合到另一元件框架的紧固件穿过开口。

元件框架的至少两个壁可以包含延伸段，所述延伸段包含多个开口，其中开口经配置来允许将元件框架结合到另一元件框架的紧固件穿过开口。

元件框架的四个侧面每个可以包含延伸段，所述延伸段包含多个开口，其中开口经配置来允许将元件框架结合到另一元件框架的紧固件穿过开口。

延伸段可以存在于元件框架的入口侧、出口侧或入口侧和出口侧二者上。图13显示了元件框架，其中每个侧面(30)含有延伸段(34)，其包含多个开口。开口、孔和狭缝中的两种类型显示在图13中。可以使用其他形状或形状的组合。

凸起

多个壁之一，优选每个壁，可以包含多个伸入内部的凸起。

壁上的凸起的数目和尺寸可以根据几个因素来变化，包括但不限于垫的物理性质、垫的尺寸和每个壁所用垫的数目和元件框架的壁的尺寸。图7显示了元件框架，其每个壁具有成5×5矩阵的25个凸起。

凸起的功能是将垫保持在壁与整料之间来通过剪切力抑制整料的破坏或损坏。当使用单个垫来覆盖整料的全部四个侧面时，会比当使用两个或更多个垫来覆盖整料的每个侧面时需要更少数目的凸起。如果垫为条的形式，其中在整料的侧面上使用两个或更多个条，则当使用单个垫来覆盖整料的全部四个侧面时会需要更多的凸起。图9显示了元件框架上的凸起的截面图，其中凸起具有高度(h)和底部宽度(w)。相对于凸起底部的面积，凸起的高度越大，凸起在正常使用过程中由于震动而破坏垫的可能性越大。但是，具有相对于凸起底部的面积的小高度的凸起会不太可能在正常使用过程中妨碍垫，并且相对大的底部更能够接触垫的较大表面积。凸起的高度可以是约1mm，和凸起的宽度可以是约6mm。取决于垫的性质、元件框架的壁厚和材料，可以使用具有其他高度和宽度的凸起，例如2mm×10mm，或1mm×10mm。垫可以切成宽度与整料的深度大致相同的大条。然后垫可以包裹在整料周围，然后可以将垫覆盖的整料置于元件框架中。垫还可以作为多个条中的两个而存在，其中条的合计宽度小于或等于整料的深度。当使用两个条并且条的合计宽度小于整料深度时，优选条是偏心布置的。压迫元件框架，然后将侧面焊接在一起，并且将锁合元件通过焊接在入口端和出口端上连接到元件框架的四个壁。

根据本发明的元件框架具有用于废气催化剂应用的改进的开放前区，同时提供抗冲击和震动的改进的机械稳定性。

整料

术语“整料”也称作“蜂窝体”型催化剂，其表示具有从整料入口延伸到出口面的多个细的平行气流通路的载体，由此通路对于流体流动是开放的。整料可以具有矩形的，优选正方形的横截面和流入表面。整料的表面可以是任何尺寸，优选10cm-30cm，包括端值。整料在流动方向上的长度典型地是15cm-150cm，不过可以使用其他长度。元件框架在废气流动方向上的宽度与整料的长度大致相同。

整料具有入口、出口、四个侧面和多个流路(或“孔腔”)。整料可以含有至多约700或更多个流路/平方英寸横截面，不过可以使用少得多的。例如，对于固定应用，载体典型地可以具有约9-600，更通常约35-300个孔腔/平方英寸(“cpsi”)。通路，其从它们的流体入口到它们的流体出口是基本上直的路径，通过壁来限定，壁上涂覆了一种或多种有效处理废气的催化剂作为“载体涂层(washcoat)”，以使得流过通路的气体与催化材料接触。

本领域技术人员熟知使用和选择一种或多种催化剂来将氮氧化物、一氧化碳、烃、氨泄漏和其他污染物还原以形成相对无害的化合物氮、水和二氧化碳。整料可以包含SCR催化剂、氨氧化催化剂、烃氧化催化剂、NO_x储存催化剂、储氧催化剂等中的一种或多种。整料可以是过滤器，例如陶瓷过滤器。可以存在其他类型的催化剂。整料基底的流路是薄壁通道，其可以是任何合适的横截面形状，例如梯形、矩形、正方形、三角形、正弦曲线形、六边形、椭圆形、圆形等。本发明不限于特定的基底类型、材料或几何形状。整料通常是挤出的材料，优选陶瓷基底。

陶瓷基底可以由任何合适的难熔材料制成，例如堇青石、堇青石-α氧化铝、α氧化铝、碳化硅、氮化硅、氧化锆、莫来石、锂辉石、氧化铝-二氧化硅、氧化镁、硅酸锆、硅线石、硅酸镁、锆石、透锂长石、铝硅酸盐及其混合物。陶瓷基底可以本身具有催化活性。在一些情况中，没有另外的催化剂材料置于具有催化活性的陶瓷基底上。

垫

一个或多个垫可以形成限制废气在整料周围移动的密封。垫可以防止整料与元件框架之间的直接物理接触，和提供抗外力带给元件框架的冲击和震动的阻尼。可以用于本发明的垫是本领域已知的。

单个垫可以覆盖整料的基本上全部四个侧面。整料的四个侧面每个的至少大部分可以被垫覆盖。单个垫可以覆盖整料的基本上全部四个侧面。一片或多片垫可以包围整料的全部或几乎全部。垫可以为条的形式，条可以包围整料的仅一部分。

整料的至少一个侧面的至少大部分面积可以被一个或多个垫覆盖。

整料的至少两个侧面每个的至少大部分面积可以被一个或多个垫覆盖。

整料的四个侧面每个的至少大部分面积可以被一个或多个垫覆盖。

可以选择垫的厚度以使得垫填充整料与元件框架之间的间隙并提供缓冲，所述缓冲使得当元件框架在组装过程中被压在一起时，整料能够经受至少约100，优选约150，更优选约200牛顿/mm²的表面压力。

用于整料的一个或多个垫的厚度可以基于垫在其上接触的整料的尺寸。整料能以多种尺寸商购，并且每个尺寸的整料的容差取决于制造商。具有150×150mm横截面的整料可以具有±3mm的容差。使用不同厚度的垫，具有149×149mm实际横截面的整料使用的垫将比用于具有153×153mm实际横截面的整料的垫更厚。在具有153×153mm实际横截面的整料上使用的垫将比用于在具有150x150mm实际横截面的整料上使用的垫更薄。

当整料具有名义宽度N和实际宽度A时，用于实际宽度A等于名义宽度N的整料的垫的厚度是B，和用于具有实际宽度C的整料的垫的期望厚度：

a)当C<A时是B+(A-C)；

b)当C＝A时是B；和

c)当C>A时是B-(C-A)，

其中用于具有实际宽度C的整料的垫的实际厚度是宽度B的材料的商购垫的最接近厚度。

可以使用两个垫来获得期望厚度。

锁合元件

元件框架包含一个或多个锁合元件，其中每个锁合元件延伸跨过元件框架的入口端和/或出口端，连接到元件框架的相对壁。锁合元件将整料保持在元件框架中，防止元件框架的相对壁移动。图5和13每个显示了含有2乘2构造的四个整料以及两个锁合元件的元件框架，其中每个锁合元件在两个相邻的整料的侧面和整料之间的间隙上。在1乘3整料元件框架的情况中，入口侧和出口侧每个侧面可以各包含两个锁合元件，并且每个锁合元件位于两个相邻的整料之间的间隙上。

锁合元件优选含有一个或多个切掉部分。切掉部分增加当催化剂模块暴露于来自于废气源的废气时整料中直接暴露于废气流的孔腔的数目。当锁合元件不包含切掉部分时，整料中更多数目的孔腔被锁合元件覆盖，这减少与废气直接接触的孔腔的数目。切掉部分锁合元件的宽度使得整料之间的间隙被覆盖。在确定切掉部分的宽度中，应当考虑整料的宽度的制造容差。在入口和出口面上位于元件框架上的锁合元件可以含有切掉部分，以使得催化剂孔腔的优选小于10％，更优选小于8％，甚至更优选小于7％，甚至更优选小于6％，最优选小于5％不直接暴露于废气流。这获得催化剂整料更低的背压和更高的利用率和因此更高的转化率。

当(a)在元件框架的入口和出口中元件框架的壁(如图6、7和13中所示)和(b)锁合元件(如图13和14中所示)中的至少一者包含切掉部分时，NH₃、NO_x、烃和一氧化碳中至少一种的转化量大于不具有切掉部分的相当的元件框架。

图7显示了元件框架从入口或出口端的视图，其具有两个连接的锁合元件。其侧壁至少部分地被垫覆盖的整料置于元件框架的壁内。每个锁合元件可以通过焊接连接到相对的壁。锁合元件优选焊接到预应力下的元件框架中，这最小或防止元件框架的膨胀。元件框架的膨胀会导致表面压力较低，和因此在周期性机械应力如典型的排气系统条件中的冲击和震动下整料移动的风险较高。

催化剂模块

在本发明的另一方面中，催化剂模块可以包含本发明第一方面的元件框架。

本发明的催化剂模块可以为以下两组之一：具有外围框架和不具有外围框架。

具有外围框架的催化剂模块是本领域已知的，如例如图1中所示。具有外围框架的催化剂模块可以具有两个侧面10、顶部11、底部12和由水平分区13和垂直分区14形成的多个空间15。可以将本发明第一方面的元件框架20，其含有多个包含一种或多种催化剂的整料，插入空间15每个中。优选元件框架包含一个或多个锁合元件，如上所述。

不具有外围框架的催化剂模块可以如下来形成：通过将元件框架彼此相邻布置，将元件框架置于其他元件框架顶上，和将元件框架连接到相邻的元件框架，来使多个元件框架彼此结合(参见图15)。当仅需要小数目的整料时，不具有外围框架的催化剂模块特别有用，并且可以避免使用具有外围框架的催化剂模块时的额外重量和复杂性。

优选地，元件框架连接到相邻的元件框架。相邻的元件框架可以具有例如位于它们之间的密封元件如垫。元件框架可以通过焊接、粘合剂(其能够经受当置于废气流中时催化剂模块经受的温度、震动和冲击)或机械装置如螺栓、螺母、锚固等连接到相邻的元件框架。优选地，元件框架的一个或多个侧面包含延伸部。

催化剂模块中的元件框架可以经布置以使得当催化剂模块安装到排气系统时，绕过元件框架周围的废气流通最小。

催化剂模块可以包含多个元件框架，其中元件框架的至少一个壁包含延伸段，所述延伸段包含多个开口，其中开口经配置来使得用于将元件框架结合到另一元件框架的紧固件穿过开口，并且每个元件框架通过元件框架上的延伸段连接到一个或多个元件框架。

催化剂模块包含多个元件框架，其中元件框架的至少一个壁包含延伸段，所述延伸段包含多个开口，其中开口经配置以使得用于将元件框架结合到另一元件框架的紧固件穿过开口，并且元件框架经布置以使得绕过元件框架的排气最小。

催化剂模块可以包含多个元件框架，其中元件框架的至少两个壁包含延伸段，所述延伸段包含多个开口，其中开口经配置以使得用于将元件框架结合到另一元件框架的紧固件穿过开口，并且元件框架经布置以使得绕过元件框架的排气最小。

催化剂模块可以包含多个元件框架，其中元件框架的四个侧面每个包含延伸段，所述延伸段包含多个开口，其中开口经配置以使得用于将元件框架结合到另一元件框架的紧固件穿过开口，并且元件框架经布置以使得绕过元件框架的排气最小。

当元件框架包含含有多个开口的延伸段时，催化剂模块中的每个元件框架可以连接到一个相邻的元框架件，其中开口经配置以使得用于将元件框架结合到另一元件框架的紧固件穿过开口。

当元件框架包含含有多个开口的延伸段时，催化剂模块中的每个元件框架可以连接到全部相邻的元件框架，其中开口经配置以使得用于将元件框架结合到另一元件框架的紧固件穿过开口。

催化剂模块可以进一步包含由水平分区和垂直分区形成的多个空间，其中空间内存在元件框架，所述元件框架含有整料和位于每个整料的每个侧面之间的一个或多个垫。

催化剂模块可以直接固定到排气管道中或者更大的反应空间(称作反应器)中，废气流中。

一种排气系统可以包含本发明第一方面的元件框架。

一种排气系统可以包含催化剂模块，其包含本发明第一方面的元件框架。

当元件框架中的整料，单独的或在催化剂模块中，包含SCR催化剂时，排气系统可以进一步包含用于将还原剂流体例如烃或含氮还原剂或其前体注入元件框架上游的废气中的装置。优选地，所述装置包括注射器。本领域技术人员将认识到，当SCR催化剂用于将氮氧化物转化成氮时，需要氨或一些其他类型的还原剂。这样的技术人员将知晓如何将反应物添加到废气中和将SCR催化剂用于系统中。这样的技术人员还将知晓用于将还原剂流体注入上游废气的手段是本领域公知的。

在又一方面中，本发明涉及一种制造本发明第一方面的元件框架的方法。一种制造本发明第一方面的元件框架的方法包括用垫包裹每个整料，在将锁合元件连接到元件框架之前将经包裹的整料置于元件框架的内部，和在含有垫包裹的整料的元件框架经受压迫力的同时将锁合元件连接到元件框架。优选地，取决于垫的属性，元件框架受到至少约100牛顿/mm²，优选至少约150牛顿/mm²，更优选至少约200牛顿/mm²的压力压迫。

在另一方面中，本发明涉及一种制造包含本发明第一方面的多个元件框架的催化剂模块的方法。所述方法包括如下来形成包含一个或多个整料、一个或多个垫和一个或多个锁合元件的元件框架：用垫包裹每个整料，将经包裹的整料置于元件框架中，将一个或多个锁合元件连接到元件框架，同时将含有垫包裹的整料的元件框架经受压迫力，和(a)将一个或多个元件框架彼此连接来形成催化剂模块，或者(b)将含有一个或多个锁合元件的元件框架插入催化剂模块中的框架中的分区。优选地，取决于垫的属性，元件框架受到至少约100牛顿/mm²，优选至少约150牛顿/mm²，更优选至少约200牛顿/mm²的压力压迫。本领域技术人员将熟知用来生产具有外围框架的催化剂模块的技术和程序，其中上述元件框架可以置于元件框架中的分区内。这样的技术人员还将熟知用来将上述包含延伸的元件框架使用机械紧固件彼此连接的技术和程序。

一种处理废气的方法包括使废气经过本发明第一方面的元件框架中的整料，其中整料包含有效降低废气中一种或多种气体的浓度的一种或多种催化剂。

一种增加与废气接触的催化剂的量的方法，所述方法包括使废气经过本发明第一方面的元件框架，其中元件框架包含切掉部分。

本发明还可以根据以下限定中的一种或多种来限定：

1)用于将含有催化剂的整料保持在来自于燃烧源的废气流中的元件框架，所述元件框架包含两对相对的壁，其中所述壁形成矩形或正方形，由所述壁形成的内部，入口端，出口端，至少一个锁合元件，至少一个垫和至少一个整料，所述整料包含入口、出口、四个侧面和用于有效降低所述废气中一种或多种气体的浓度的至少一种催化剂，其中所述至少一个垫和所述至少一个整料位于所述元件框架的所述内部，并且在所述整料与每个相邻的壁之间存在至少一个垫，每个锁合元件延伸跨过所述元件框架的所述入口端或出口端，并且连接到所述元件框架的两个相对侧面。

2)根据1)所述的元件框架，其中两个或更多个整料存在于所述元件框架的所述内部，至少两个整料彼此相邻布置，和至少一个垫位于彼此相邻的整料之间。

3)根据1)或2)所述的元件框架，其中至少两个锁合元件位于所述元件框架的所述入口端上，和至少两个锁合元件位于所述元件框架的所述出口端上。

4)根据1)-3)中任一项所述的元件框架，其中当所述元件框架包含至少两个整料时，在相邻的整料之间有空间，并且所述锁合元件中的至少一个位于两个整料之间的空间上，优选位于所述空间中央。

5)根据1)-4)中任一项所述的元件框架，其中每个锁合元件通过焊接连接到相对的壁。

6)根据1)-5)中任一项所述的元件框架，其中所述锁合元件包含切掉部分，其中所述切掉部分增加当所述催化剂模块暴露于来自于废气源的废气时所述整料中直接暴露于废气流的孔腔的数目。

7)根据1)-6)中任一项所述的元件框架，其中(a)所述元件框架的入口和出口的元件框架的壁，和(b)锁合元件的至少一者包含切掉部分，NH₃、NO_x、烃和一氧化碳中的至少一种的转化量大于不具有切掉部分的相当的元件框架。

8)根据1)-7)中任一项所述的元件框架，其中每个壁包含伸入所述内部中的多个凸起。

9)根据8)所述的元件框架，其中当所述整料位于所述元件框架的所述内部时，所述多个凸起经配置来与纤维垫接触，并将所述纤维垫依靠包含一种或多种催化剂的整料来保持。

10)根据1)-9)中任一项所述的元件框架，其中所述元件框架的至少一个壁包含延伸段，所述延伸段包含多个开口，其中所述开口经配置来允许用于将所述元件框架结合到另一元件框架的紧固件穿过所述开口。

11)根据1)-10)中任一项所述的元件框架，其中所述元件框架的至少两个壁包含延伸段，所述延伸段包含多个开口，其中所述开口经配置来允许用于将所述元件框架结合到另一元件框架的紧固件穿过所述开口。

12)根据1)-11)所述的元件框架，其中所述元件框架的四个侧面每个包含延伸段，所述延伸段包含多个开口，其中所述开口经配置来允许用于将所述元件框架结合到另一元件框架的紧固件穿过所述开口。

13)根据1)-12)中任一项所述的元件框架，其中整料的至少一个侧面的至少大部分面积被一个或多个垫覆盖。

14)根据1)-13)中任一项所述的元件框架，其中整料的至少两个侧面每个的至少大部分面积被一个或多个垫覆盖。

15)根据1)-14)中任一项所述的元件框架，其中整料的四个侧面每个的至少大部分面积被一个或多个垫覆盖。

16)根据1)-15)中任一项所述的元件框架，其中所述垫为条的形式，所述条包围整料的仅一部分。

17)根据1)-16)中任一项所述的元件框架，其中选择所述垫的厚度，以使得所述垫填充所述整料与所述元件框架之间的间隙，并且提供缓冲，所述缓冲使得当所述元件框架在组装过程中压在一起时，所述整料经受至少约100，优选至少约150，更优选至少约200牛顿/mm²的表面压力。

18)根据1)-17)中任一项所述的元件框架，其中所述整料具有名义宽度N和实际宽度A，用于实际宽度A等于名义宽度N的整料的垫的厚度是B，和用于具有实际宽度C的整料的垫的期望厚度：

a)当C<A时是B+(A-C)；

b)当C＝A时是B；和

c)当C>A时是B-(C-A)，

其中所述用于具有实际宽度C的整料的垫的实际厚度是宽度B的材料的商购垫的最接近厚度。

19)根据1)-18)中任一项所述的元件框架，其中一个或多个垫形成限制废气在所述整料周围的移动的密封。

20)根据1)-19)中任一项所述的元件框架，其中所述整料包括SCR催化剂。

21)根据1)-20)中任一项所述的元件框架，其中所述整料包括氧化催化剂。

22)根据1)-21)中任一项所述的元件框架，其中所述整料是过滤器。

23)根据1)-22)中任一项所述的元件框架，其中所述元件框架包含多个整料，并且两个或更多个整料经布置以使得一个整料的出口与另一整料的入口相邻，并且废气流依次经过至少两个整料。

24)根据23)所述的元件框架，其中所述两个或更多个整料经布置以使得一个整料的出口与含有具有相同功能的催化剂的另一整料的入口相邻。

25)根据23)所述的元件框架，其中所述两个或更多个整料中的两个经布置以使得一个整料的出口与含有具有不同功能的催化剂的另一整料的入口相邻。

26)催化剂模块，其包含多个根据1)-25)中任一项所述的元件框架。

27)根据26)所述的催化剂模块，其中所述元件框架经布置以使得当所述催化剂模块安装在排气系统中时绕过所述元件框架的废气旁路最小。

28)催化剂模块，其包含根据10)、11)和12)中一项或多项所述的多个元件框架，其中每个元件框架通过所述元件框架上的延伸段连接到一个或多个元件框架。

29)催化剂模块，其包含根据10)、11)和12)中一项或多项所述的多个元件框架，其中所述元件框架经布置以使得绕过所述元件框架的废气旁路最小。

30)根据26)-29)中任一项所述的催化剂模块，其中所述元件框架每个连接到一个相邻的元件框架。

31)根据26)-29)中任一项所述的催化剂模块，其中所述元件框架每个连接到全部相邻的元件框架。

32)根据26)-31)中任一项所述的催化剂模块，其中所述催化剂模块进一步包含由水平分区和垂直分区形成的多个空间，其中空间中存在元件框架，所述元件框架含有整料和每个整料的每个侧面之间的一个或多个垫。

33)排气系统，其包含根据1)-25)中任一项所述的元件框架。

34)排气系统，其包含根据26)-32)中任一项所述的催化剂模块。

35)根据33)或34)所述的排气系统，其进一步包含在废气中形成NH₃的装置，其中所述形成NH₃的装置位于所述元件框架或催化剂模块之前。

36)制造根据1)-25)中任一项所述的元件框架的方法，所述方法包括用垫包裹每个整料，在将所述锁合元件连接到所述元件框架之前将经包裹的整料置于所述元件框架的所述内部，和在含有垫包裹的整料的所述元件框架经受压迫力的同时将所述锁合元件连接到所述元件框架。

37)根据36)所述的方法，其中所述元件框架受到至少约100牛顿/mm²，优选至少约150牛顿/mm²，更优选至少约200牛顿/mm²的压力压迫。

38)制造根据26)-32)中任一项所述的催化剂模块的方法，所述方法包括如下来形成包含一个或多个整料、一个或多个垫和一个或多个锁合元件的元件框架：用垫包裹每个整料，将经包裹的整料置于所述元件框架中，将所述一个或多个锁合元件连接到所述元件框架，同时使含有垫包裹的整料的所述元件框架经受压迫力，和(a)将一个或多个元件框架彼此连接来形成催化剂模块，或者(b)将含有所述一个或多个锁合元件的所述元件框架插入催化剂模块中的框架中的分区。

39)根据38)所述的方法，其中所述压迫力是至少约100牛顿/mm²，优选至少约150牛顿/mm²，更优选至少约200牛顿/mm²。

40)处理废气的方法，所述方法包括使废气经过根据1)-25)中任一项所述的元件框架内的整料，其中所述整料包含有效降低所述废气中一种或多种气体的浓度的一种或多种催化剂。

41)增加与废气接触的催化剂的量的方法，所述方法包括使废气经过根据6)或7)之一所述的元件框架。

Claims

1.用于将含有催化剂的整料保持在来自于燃烧源的废气流中的元件框架，所述元件框架包含两对相对的壁，其中所述壁形成矩形或正方形，由所述壁形成的内部，入口端，出口端，至少一个锁合元件，至少一个垫和至少一个整料，所述整料包含入口、出口、四个侧面和用于有效降低所述废气中一种或多种气体的浓度的至少一种催化剂，其中所述至少一个垫和所述至少一个整料位于所述元件框架的所述内部，以使得在所述整料与每个相邻的壁之间存在至少一个垫，每个锁合元件延伸跨过所述元件框架的所述入口端或出口端，并且连接到所述元件框架的两个相对侧面，其中每个壁包含伸入所述内部中的多个凸起，和其中所述凸起具有相对于底部面积的小的高度。

2.根据权利要求1所述的元件框架，其中两个或更多个整料存在于所述元件框架的所述内部，至少两个整料彼此相邻布置，和至少一个垫位于彼此相邻的整料之间。

3.根据权利要求1或2所述的元件框架，其中至少两个锁合元件位于所述元件框架的所述入口端上，和至少两个锁合元件位于所述元件框架的所述出口端上。

4.根据权利要求1或2所述的元件框架，其中当所述元件框架包含至少两个整料时，在相邻的整料之间有空间，并且所述锁合元件中的至少一个位于两个整料之间的空间上。

5.根据权利要求4所述的元件框架，其中所述锁合元件中的至少一个位于两个整料之间的空间中央。

6.根据权利要求1或2所述的元件框架，其中所述元件框架的至少一个壁包含延伸段，所述延伸段包含多个开口，其中所述开口经配置来允许用于将所述元件框架结合到另一元件框架的紧固件穿过所述开口。

7.根据权利要求1或2所述的元件框架，其中选择所述垫的厚度，以使得所述垫填充所述整料与所述元件框架之间的间隙，并且提供缓冲，所述缓冲使得当所述元件框架在组装过程中压在一起时，所述整料经受至少100牛顿/mm²的表面压力。

8.根据权利要求7所述的元件框架，其中所述缓冲使得当所述元件框架在组装过程中压在一起时，所述整料经受至少150牛顿/mm²的表面压力。

9.根据权利要求7所述的元件框架，其中所述缓冲使得当所述元件框架在组装过程中压在一起时，所述整料经受至少200牛顿/mm²的表面压力。

10.根据权利要求1或2所述的元件框架，其中所述整料具有名义宽度N和实际宽度A，与实际宽度A等于名义宽度N的整料一起使用的垫的厚度是B，和与具有实际宽度C的整料一起使用的垫的期望厚度：

a)当C<A时是B+(A-C)；

b)当C＝A时是B；和

c)当C>A时是B-(C-A)，

其中与具有实际宽度C的整料一起使用的垫的实际厚度是宽度B的材料的商购垫的最接近厚度。

11.根据权利要求1或2所述的元件框架，其中所述整料包括SCR催化剂；氧化催化剂；或过滤器。

12.根据权利要求1或2所述的元件框架，其包含多个整料，并且两个或更多个整料经布置以使得一个整料的出口与另一整料的入口相邻，并且废气流依次经过至少两个整料。

13.根据权利要求12所述的元件框架，其中所述两个或更多个整料经布置以使得一个整料的出口与含有具有相同或不同功能性的催化剂的另一整料的入口相邻。

14.催化剂模块，其包含多个根据权利要求1-13中任一项所述的元件框架。

15.催化剂模块，其包含多个根据权利要求6所述的元件框架，其中每个元件框架通过其上的延伸段连接到一个或多个元件框架。

16.根据权利要求14或15所述的催化剂模块，其中所述元件框架每个连接到一个或全部相邻的元件框架。

17.根据权利要求14或15所述的催化剂模块，其中所述催化剂模块进一步包含由水平分区和垂直分区形成的多个空间，其中空间中存在元件框架，所述元件框架含有整料和位于每个整料的每个侧面之间的一个或多个垫。

18.排气系统，其包含根据权利要求1-13中任一项所述的元件框架，或者根据权利要求14-17中任一项所述的催化剂模块。

19.根据权利要求18所述的排气系统，其包含在所述废气中形成NH₃的装置，其中所述形成NH₃的装置位于所述元件框架或催化剂模块之前。

20.制造根据权利要求1-13中任一项所述的元件框架的方法，所述方法包括用垫包裹每个整料，在将所述锁合元件连接到所述元件框架之前将经包裹的整料置于所述元件框架的所述内部，和在含有垫包裹的整料的所述元件框架经受压迫力的同时将所述锁合元件连接到所述元件框架。

21.制造根据权利要求14-17中任一项所述的催化剂模块的方法，所述方法包括根据权利要求20的方法形成元件框架，和：(a)将一个或多个元件框架彼此连接来形成催化剂模块；或者(b)将含有所述一个或多个锁合元件的所述元件框架插入催化剂模块的框架中的分区。

22.根据权利要求20或21所述的方法，其中所述压迫力是至少100牛顿/mm²。

23.根据权利要求22所述的方法，其中所述压迫力是至少150牛顿/mm²。

24.根据权利要求22所述的方法，其中所述压迫力是至少200牛顿/mm²。

25.处理废气的方法，所述方法包括使废气经过根据权利要求1-13中任一项所述的元件框架中的催化型整料。