CN111491722B - 用于氨氧化燃烧器的催化剂载体系统 - Google Patents

用于氨氧化燃烧器的催化剂载体系统 Download PDF

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Abstract

用于氨氧化燃烧器的催化剂载体系统包括顶部凸缘和内壁。所述顶部凸缘包括平坦部分、倒圆的外边缘和倒圆的内边缘,所述倒圆的外边缘和所述倒圆的内边缘由平坦部分间隔开。内壁包括承载板、纱网架和底板架,所述纱网架和所述底板架附接至所述承载板。所述承载板通过倒圆的内边缘附接到顶部凸缘。

Description

用于氨氧化燃烧器的催化剂载体系统
技术领域
本发明在用于氨氧化燃烧器的催化剂载体系统的领域中。
背景技术
最小化热应力是设计氨燃烧器(俗称氨燃烧器火焰筒)中的催化剂载体结构的重要目标。由于氨燃烧过程中涉及的高温,这是有挑战性的。实际上,相对较热的催化剂载体结构与相对较冷的反应器壁之间甚至可能大于500℃的较大温差导致热膨胀的差异,这在瞬态条件下可能更为明显。为了避免出现不可接受的大热应力,需要适应这些差异。最初,大的热应力可能导致燃烧器无法实现其主要功能,从而导致氨旁路以及燃烧器内的温度进一步升高或温度分布变化。这可能导致裂纹形成和火焰筒故障,从而损坏燃烧器壁的完整性。因此,不同的水和蒸汽回路交换也有故障的风险。由于开始和停止生产过程而导致的反复热循环会在达到燃烧器火焰筒的预期设计寿命之前大大增加火焰筒故障的风险。
由于过度热应力,现有的催化剂载体结构往往会由于主凸缘的竖直壳体与火焰筒组件之间的裂纹以及催化剂架与火焰筒壳体之间的焊缝中的裂纹而失效。这种现有的催化剂载体结构的示例包括Grand Paroisse(GP)和Uhde型(参见例如R.Buchenau,Thecatalyst basket–How to prolong the service life,在第三届UHDE硝酸研讨会发表的论文,特蒙德,1986年5月26日至28日)催化剂载体结构。
在WO2013034304中描述了克服这些问题的一种尝试。然而,这种特定类型的燃烧器火焰筒包括许多不同的零件,例如导向销,所述导向销所有需要被焊接,从而使燃烧器火焰筒难以组装,并且进一步导致很多在设计中形成薄弱环节的焊接连接件。这样的薄弱环节往往会发生破裂以及其它机械故障。缘部(rim)中的裂纹或破裂允许氨泄漏通过,从而减少经过催化剂床的氨的量,这导致了效率较低的过程。氨泄漏也可能导致局部高温,该局部高温可能导致对燃烧器部件的损坏。此外,未反应的氨可能会形成硝酸铵,这可能会引起爆炸风险。
因此,仍然需要用于氨氧化燃烧器的催化剂载体系统,该催化剂载体系统不易受热应力引起的故障的影响。另外,需要稳定的催化剂载体系统。而且,需要允许在氨燃烧催化剂上方和下方的空间之间进行气密分离的催化剂载体系统。同样,催化剂载体系统优选地有助于均匀的下游气流。
发明内容
本发明的一个目的是提供满足上述需求中的一个或多个的氨的催化氧化的装置和方法。
本公开涉及一种用于氨氧化燃烧器的催化剂载体系统的支圈(100),所述支圈包括顶部凸缘(110)和内壁(120),
-所述顶部凸缘(110)包括平坦部分(111)、倒圆的外边缘(112)和倒圆的内边缘(113),所述倒圆的外边缘(112)和所述倒圆的内边缘(113)由所述平坦部分(111)间隔开;
-所述内壁(120)包括承载板(121)、纱网架(122)和底板架(123),所述纱网架(122)和所述底板架(123)附接到所述承载板(121);并且,
-所述承载板(121)通过倒圆的内边缘(113)附接到所述顶部凸缘(110)。
在特定实施例中,如本文公开的支圈(100)被设置成使得所述承载板(121)具有在10%的误差范围内,优选地在5%的误差范围内,更优选地在1%的误差范围内是恒定的厚度。
在特定实施例中,如本文所公开的支圈(100)被设置成使得所述承载板(121)是平坦的。
在特定实施例中,如本文所公开的支圈(100)被设置成使得所述平坦部分(111)的宽度与所述倒圆的外边缘(112)的曲率半径的比在0.50至10.0之间。
在特定实施例中,如本文公开的支圈(100)被设置成使得所述倒圆的外边缘(112)的曲率半径在10.0%的误差范围内,优选地在5.0%的误差范围内,更优选地在2.0%的误差范围内,最优选地在1.0%的误差范围内等于所述倒圆的内边缘(113)的曲率半径。
在特定实施例中,如本文所公开的支圈(100)被设置成使得所述平坦部分(111)具有2.0cm至20.0cm的宽度,优选地具有2.0cm至10.0cm的宽度。
在特定实施例中,如本文所公开的支圈(100)被设置成使得所述倒圆的外边缘(112)和/或所述倒圆的内边缘(113)具有至少20mm至最多100mm的曲率半径,优选地具有25mm至最多50mm的曲率半径。
在特定实施例中,如本文所公开的支圈(100)被设置成使得所述纱网架(122)和/或所述底板架(123)包括多个扩张狭缝(1221,1231);所述扩张狭缝(1221,1231)优选地终止于孔(1222,1232)中,更优选地终止于圆形孔(1222,1232)中,最优选地终止于具有1mm至5mm的直径的圆形孔(1222,1232)中。
在特定实施例中,如本文所公开的支圈(100)还包括在所述底板架(123)和所述纱网架(122)之间附接至所述承载板(121)的消波器环(124);优选地,其中所述底板架(123)与所述消波器环(124)之间的距离在130mm与150mm之间。
根据另一个实施例,本公开涉及一种用于氨氧化燃烧器的催化剂载体系统,所述催化剂载体系统包括如本文所公开的支圈(100)、包括一个或多个催化剂纱网的主体、和底板。
根据另一个实施例,本公开涉及一种氨燃烧器,所述氨燃烧器包括反应器容器和如本文公开的催化剂载体系统,该反应器容器包括反应器壁(300),所述催化剂载体系统附接至所述反应器壁(300),所述催化剂载体系统优选地通过一个或多个焊接部附接至所述反应器壁。
在特定的实施例中,本文所公开的氨燃烧器还被设置成使得隔热罩(320)设置在所述催化剂载体系统和所述反应器壁(300)之间;优选地,其中一个或多个壁式线圈(310)附接到所述反应器壁(300),所述隔热罩(320)设置在一个或多个壁式线圈(310)与催化剂载体系统之间。
在特定的实施例中,本文所公开的氨燃烧器还包括一个或多个配重(130)和一个或多个隔热罩(131),所述一个或多个配重用于压住所述一个或多个催化剂纱网,所述一个或多个隔热罩优选地设置在所述一个或多个配重(130)的顶部上。
根据另一个实施例,本公开涉及如本文所公开的支圈(100)的用于氨的催化氧化的用途、如本文所公开的催化剂载体系统的用于氨的催化氧化的用途和/或如本文所公开的氨燃烧器的用于氨的催化氧化的用途。
根据另一个实施例,本公开涉及一种用于氧化氨的方法,该方法包括以下步骤:
-提供如本文所公开的氨燃烧器;
-将空气-氨混合物引导在一个或多个催化剂纱网上;以及,
-对所述氨进行催化氧化。
附图说明
本发明的具体实施例的附图的以下描述仅通过示例的方式给出,并且不旨在限制本说明、其应用或使用。在附图中,相同的附图标记指代相同或相似的部件和特征。
图1示出了穿过支圈(100)的径向横截面。
图2示出了穿过支圈(100)的径向横截面。
图3示出了纱网架(122)和底板架(123)。
图4示出了配重(130)。
图5示出了组装杆(133)和组装护套(134)的特写。
图6示出了附接到反应器壁(300)的支圈(100)。
图7示出了用于氨氧化催化剂的载体结构的一部分。
图8示出了两个催化剂载体结构的支圈(100)中的热应力的比较。
图9示出了两个催化剂载体结构的支圈(100)中的热变形的比较。
图10示出了在反应器启动后多个时间处两个催化剂载体结构的支圈(100)中的温度的比较。
在说明书和附图中使用以下附图标记:
100–支圈;110–顶部凸缘;111–平坦部分;112–倒圆的外边缘;113–倒圆的内边缘;120–内壁;121–承载板;122–纱网架;1221–纱网架上的扩张狭缝;1222–纱网架中的扩张狭缝的端部处的孔;123–底板架;1231–底板架中的扩张狭缝;1232–底板架中的扩张狭缝的端部处的孔;124–消波器环;150–外壁;130–配重;131–配重上的隔热罩;132–配重手柄;133–配重的组装杆;1331–组装杆的钝角角部;134–配重的组装护套;1341–组装护套的钝角角部;140–支圈载体;200–主体;210–蜂窝状结构;300–反应器壁;310–反应器壁式线圈;320–支圈(100)和反应器壁式线圈(310)之间的隔热罩;330–反应器壁的上支圈附接件;331–反应器壁的下支圈附接件。
具体实施方式
如本文下文中所使用,单数形式“一”、“一个”、“该或所述”既包括单数也包括复数,除非上下文另外明确指出。
下面使用的术语“包括”、与“包含”或“含有”同义,并且是包括性的或开放的,并且不排除其它未提及的部件、构件或方法步骤。在此描述指的是“包括”特定特征、部件或步骤的产品或过程的情况下,这表示还可以存在其它特征、部件或步骤的可能性,但是也可以表示仅包含所列特征、部件或步骤的实施例。
通过图形范围进行的数值枚举包括这些范围内的所有值和分数以及所引用的端点。
当指代诸如参数、数量、时间段等的可测量值时使用的术语“大约或近似”旨在包括规定值的和偏离规定值的+/-10%或更少,优选+/-5%或更少,更优选地+/-1%或更少,以及更优选地+/-0.1%或更少的变化,只要所述变化适用于本文所公开的发明。应该理解的是,术语“大约或近似”本身所指的值也已经被公开。
本说明书中引用的所有参考文献据此认为通过引用整体并入。
除非另有定义,否则本发明中所公开的所有术语,包括技术术语和科学术语,具有本领域技术人员通常赋予所述术语的含义。为了进一步指导,包括进一步解释在本发明的描述中使用的术语的定义。
在以下段落中,将更详细地定义本发明的不同方面或实施例。如此定义的每个方面或实施例可以与任何其它(一个或多个)方面或(一个或多个)实施例组合,除非清楚地相反地指出。特别地,被指示为优选或有利的任何特征可以与被指示为优选或有利的任何其它一个或多个特征组合。应当理解,由诸如“在一些实施例中”,“典型地”或“优选地”之类的表达所引入的特征是可选特征,其对于本发明不是必需的,但是可以描绘有利的实施例。在整个说明书中,对“一个实施例”、“实施例”的引用是指结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此,在整个说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定全都指同一实施例,而是可以。此外,在一个或多个实施例中,特定的特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合,这对于本领域技术人员而言根据本公开将是显而易见的。此外,尽管本文描述的一些实施例包括一些特征但不包括其它实施例中所包括的其它特征,但是不同实施例的特征的组合意在在本发明的范围内,并且形成不同的实施例,如本领域技术人员将理解的那样。例如,在所附权利要求中,任何要求保护的实施例可以以任何组合使用。
本公开涉及氨燃烧器及其部件,并且提供了支圈和包括该支圈的催化剂载体结构。支圈是一种非常有效的结构,所述结构用于适应氨燃烧器的正常操作期间的热应变。在氨燃烧器中的正常操作期间,支圈附接到反应器壁,并且支圈支撑包括催化剂的主体。
因此,本文提供了一种用于催化剂载体系统的支圈。所述支圈可以用于涉及高温催化过程的各种过程中,并且特别适合用在氨氧化燃烧器中。支圈包括顶部凸缘和内壁。顶部凸缘包括平坦部分、倒圆的外边缘和倒圆的内边缘。倒圆的外边缘和倒圆的内边缘由平坦部分间隔开。支圈通常是由前述倒圆的外边缘、倒圆的内边缘、平坦部分和内壁形成的环形结构。倒圆的内边缘比平坦部分更靠近环形结构的中心,并且平坦部分比倒圆的外边缘更靠近环形结构的中心。
本支圈在避免发生过度热应力方面非常有效,从而扩展了氨燃烧器火焰筒的用途,并提高了氨氧化过程的效率。所述支圈包括很少的部件,这使其特别易于制造和安装。另外,该结构仅包括有限数量的焊接部,这限制了易受应力引起的破裂的位置的数量。本支圈进一步是稳固的、有效地工作,并且由于本支圈破裂倾向降低,因此在使用本支圈的氨燃烧器的正常操作期间,支圈减少了氨旁路的量。另外,本支圈易于维护。
如本文所使用的术语“倒圆的外边缘”是指顶部凸缘的外部。所述倒圆的外边缘可以被描述为弯曲结构。在氨燃烧器的操作期间,所述倒圆的外边缘可以连接到氨燃烧器的反应器壁。支圈和反应器壁之间的这种连接件被称为反应器壁的上支圈附接件。在一些实施例中,倒圆的外边缘通过焊缝和/或通过支圈支撑件连接到反应器壁。支圈支撑件是附接到反应器壁的环形边缘,倒圆的外边缘放置在该环形边缘上。
替代地,支圈可以包括外壁,并且倒圆的外边缘连接到支圈的外壁,该支圈的外壁在正常操作期间连接到反应器壁。支圈的外壁和反应器壁之间的连接件称反应器壁的下支圈附接件。倒圆的外边缘和支圈的外壁两者也都可以连接到反应器壁。通常,反应器壁与倒圆的外边缘和/或支圈的外壁之间的连接是焊接。因此,可以在反应器壁和支圈之间形成牢固的连接。
通常,外壁的厚度基本上是均匀的。换句话说,外壁的厚度通常在10%的误差范围内、优选地在5%的误差范围内、更优选地在1%的误差范围内是恒定的。不受理论的束缚,支圈的均匀厚度可以导致热应力的均匀分布并降低破裂的风险。
如本文所使用的,术语“倒圆的内边缘”是指顶部凸缘的内部。所述倒圆的内边缘可以被描述为连接顶部凸缘与内壁的弯曲结构。
如本文中所使用的,术语“平坦部分”是指顶部凸缘的位于倒圆的内边缘和倒圆的外边缘之间的大致平坦的部分。平坦部分是环形结构,该环形结构在正常操作期间增加支圈的内壁和氨燃烧器的反应器壁之间的距离。因此,可以在支圈中有效地适应热应变。
将理解的是,实际上,平坦部分不必一定是完美平坦的,而是平坦部分可以或多或少地弯曲。例如,平坦部分的径向横截面可以被描述为弧,该弧的对向角度小于10°、小于5°或小于1°。增加平坦部分的曲率可能会降低支圈的柔韧性。因此,平坦部分通常是大致平坦的。
通常,顶部凸缘具有大致均匀的厚度。换句话说,顶部凸缘的厚度通常在10%的误差范围内,优选地在5%的误差范围内,更优选地在1%的误差范围内是恒定的。但是,壁的厚度不是关键参数,只要壁的厚度足以在正常操作条件下承受适当的载荷并具有适当的腐蚀余量(例如通过氧化)即可。
内壁包括承载板、纱网架和底板架。纱网架和底板架被附接到承载板。承载板在倒圆的内边缘处附接到顶部凸缘。附加地或替代地,内壁可以被如下描述:内壁包括承载板,该承载板又包括上边缘和下边缘。承载板在其上边缘处连接到顶部凸缘的倒圆的内边缘。底板架在其下边缘处连接至承载板。在承载板的上边缘和下边缘之间中,纱网架附接到承载板。在正常操作期间,纱网架支撑催化剂纱网,并且底板架支撑底部架,所述底部架通常是自由浮动的蜂窝状结构。
优选地,承载板是平坦的。承载板通常由单片金属形成。因此,简化了承载板的构造,并且承载板不包括例如焊接部的薄弱点,这在正常操作期间增加了其弹性。优选地,承载板具有均匀的厚度。可选地,承载板的厚度优选地在10%的误差范围内,优选地在5%的误差范围内,更优选地在1%的误差范围内是恒定的。这减少了承载板中的热应力。
在一些实施例中,平坦部分具有2.0cm至20.0cm的宽度,优选地具有2.0至10.0cm的宽度。这有助于在使用支圈的氨燃烧器的正常操作期间在催化剂纱网和反应器壁之间获得适当的热隔离。
在一些实施例中,倒圆的外边缘和/或倒圆的内边缘具有至少20mm至最大100mm,优选地为25mm至最大50mm的曲率半径。大于75mm的较大半径可能会减小平坦部分可用的空间量,并因此减少可用的催化剂表面面积。曲率半径有助于减轻支圈中的过度热应力。
在一些实施例中,平坦部分的宽度与倒圆的外边缘的曲率半径的比在0.50至10.0之间,优选地,平坦部分的宽度与倒圆的外边缘的曲率半径的比在2.5和3.0之间。这有助于减轻支圈中的过度热应力。而且,这有助于在催化剂纱网和反应器壁之间获得适当的热隔离。
在一些实施例中,平坦部分的宽度与倒圆的内边缘的曲率半径的比在0.50至10.0之间,优选地,平坦部分的宽度与倒圆的内边缘的曲率半径的比在2.5和3.0之间。这有助于减轻支圈中的过度热应力。而且,这有助于在催化剂纱网和反应器壁之间获得适当的热隔离。
在一些实施例中,在10.0%的误差范围内,优选地在5.0%的误差范围内,更优选地在2.0%的误差范围内,最优选地在1.0%的误差范围内,倒圆的外边缘的曲率半径等于倒圆的内边缘的曲率半径。
在一些实施例中,顶部凸缘的厚度在2mm和6mm之间,例如在3mm和5mm之间。
在一些实施例中,支圈是环形结构,所述环形结构的外径在1m与7m之间,更典型地在3m与7m之间,但是高压设备通常具有外径从1m至1.5m的支圈。
在一些实施例中,平坦部分的宽度与支圈的外径的比在30与550之间。
在一些实施例中,承载板的厚度在3mm与12mm之间,优选地在4mm与6mm之间。
在一些实施例中,承载板的长度为300mm至400mm。
在一些实施例中,承载板的长度与其厚度的比在25与100之间。
在一些实施例中,承载板的长度与平坦部分的宽度的比在1.5与8之间。
这些特性有助于确保可以有效地支撑催化剂,并且支圈保持柔韧性,从而有助于适应热应力。
纱网架典型地被形成为附接到承载板的板。典型地,纱网架被焊接到承载板。在一些实施例中,纱网架具有3mm至20mm的厚度,优选地具有在6mm与12mm之间的厚度。在一些实施例中,纱网架的宽度为30mm至90mm,优选地在50mm与70mm之间。优选地,纱网架相对于承载板以90°的角度定向。在一些实施例中,纱网架的宽度与纱网架的厚度的比在1.5和18之间。在一些实施例中,纱网架的宽度与平坦部分的宽度的比在0.15和1.8之间。这允许有效地支撑催化剂纱网,同时还允许在正常使用期间适应热膨胀。
在一些实施例中,纱网架包括多个扩张狭缝。优选地,扩张狭缝是架厚度的0.25倍至0.5倍。在典型的实施例中,这可以对应于1mm宽与2mm宽之间。扩张狭缝优选地终止于孔中,更优选地终止于圆形孔中,最优选地终止于具有3mm至12mm(例如,5mm与10mm之间)的直径的圆形孔中。优选地,扩张狭缝的长度是20mm至50mm,更优选地是25mm至40mm。优选地,纱网架中的相邻扩张狭缝之间的距离为120mm至180mm。
在一些实施例中,扩张狭缝延伸穿过纱网架的宽度的20%至70%,例如延伸穿过纱网架的40%至50%。在一些实施例中,扩张狭缝的长度与扩张狭缝的宽度的比在7.5与35之间。在一些实施例中,圆形孔的直径与扩张狭缝的宽度的比在1与7之间。
优选地,支圈是环形结构,并且扩张狭缝在径向方向上对准。等效地,扩张狭缝优选地垂直于纱网架的环形边缘定向。
在一些实施例中,纱网架通过焊接在距承载板的顶部6.0cm至10.0cm的距离处附接至承载板,其中表述“承载板的顶部”表示承载板终止而倒圆的内边缘开始的位置。在一些实施例中,该距离在平坦部分的宽度的0.3倍至2倍之间。
与现有系统中的纱网架相比,如此设计的纱网架引起较低的热应力。
在一些实施例中,底板架具有3mm至20mm的厚度,优选地具有在6mm与12mm之间的厚度。在一些实施例中,底板架的宽度与其厚度的比在2与14之间。优选地,底板架相对于承载板以90°的角度定向。
在一些实施例中,底板架具有在40mm与100mm之间的宽度。在一些实施例中,底板架的宽度与平坦部分的宽度的比在0.8与1.4之间。优选地,底板架与承载板形成在88°与92°之间的角度,更优选地形成为90.0°的角度。
在一些实施例中,底板架包括多个扩张狭缝。优选地,扩张狭缝为1mm至2mm宽。扩张狭缝优选地终止于孔中,更优选地终止于圆形孔中,最优选地终止于直径为3mm至12mm的圆形孔中。优选地,扩张狭缝的长度为15mm至70mm,更优选地为20mm至40mm。优选地,底板架中的相邻扩张狭缝之间的距离为120mm至180mm。优选地,支圈是环形结构,并且扩张狭缝在径向方向上对准。等效地,扩张狭缝优选地垂直于底板架的环形边缘定向。
在一些实施例中,扩张狭缝延伸穿过底板架的宽度的20%至70%,例如延伸穿过底板架的40%至50%。在一些实施例中,扩张狭缝的长度与扩张狭缝的宽度的比在7.5与35之间。在一些实施例中,圆形孔的直径与扩张狭缝的宽度的比在1与7之间。扩张狭缝减少了纱网架和底板架中的热应力。
顶部凸缘和承载板可以由单片金属制成,或者所述顶部凸缘和承载板可以由焊接在一起的多片金属制成。优选地,顶部凸缘和承载板一起由不多于两个的金属片形成,并且包括至多一个焊接部。优选地,在顶部凸缘的平坦部分与倒圆的内边缘之间存在最多一个焊接部。生产支圈的替代方法可以包括扩散粘结、摩擦搅拌焊或挤压,以及最终焊接,但是,焊接是最常用的技术。因此,倒圆的外边缘和平坦部分优选地由单片金属制成,倒圆的内边缘和承载板优选地由另一单片金属制成,并且两片金属优选地在平坦部分和倒圆的内边缘相交的点处被焊接在一起。因此,提供了一种支圈,所述支圈特别容易组装,并且在适应热应变方面非常有效。
在一些实施例中,支圈包括外壁。在这样的实施例中,顶部凸缘和外壁可以由单片金属制成,或者所述顶部凸缘和外壁可以由多于一片的金属(例如,焊接在一起的两片金属)制成。在一些实施例中,外壁焊接到倒圆的外边缘。
在一些实施例中,支圈还包括消波器环。消波器环在底板架和纱网架之间附接到承载板。在不受理论的束缚的情况下,该环有助于确保消波器在所有操作条件(包括启动、正常操作、停机、重新启动等)期间有效防止氨沿支圈绕过。
在一些实施例中,消波器环具有在10.0mm与20.0mm之间的宽度,优选地,消波器环具有15.0mm的宽度。在一些实施例中,消波器环的宽度在平坦部分的宽度的0.05倍与2倍之间。
在一些实施例中,消波器环具有在10.0mm与20.0mm之间的厚度,优选地,消波器环具有15.0mm的厚度。在一些实施例中,消波器环的厚度在平坦部分宽度的0.05倍与2倍之间。
在一些实施例中,消波器环的宽度在10%的误差范围内,优选地在5%的误差范围内,更优选地在2%的误差范围内,甚至更优选地在1%的误差范围内等于消波器环的厚度。
优选地,底板架与消波器环之间的距离在100mm与200mm之间,更优选地在120mm至150mm之间。一个或多个消波器可以附接到消波器环,例如,如WO2004005187中所公开的一个或多个消波器。这些消波器有助于保持填充材料的均匀分布,这会降低催化剂纱网破裂的风险。底板架和消波器环之间的距离基于催化剂的高度之间的中点、消波器的角度(例如30°)、以及在已经安装消波器后允许访问环的必要性。
还提供了一种用于氨氧化燃烧器的催化剂载体系统,所述催化剂载体系统包括如本文所公开的支圈。催化剂载体系统进一步包括主体。该主体包括一个或多个催化剂纱网、和底板。在一些实施例中,底板包括蜂窝状结构。
在正常使用期间,纱网架支撑一个或多个催化剂纱网,并且底板架支撑底板。本支圈允许高效地适应催化剂纱网和底板的热应变。
在一些实施例中,填充材料设置在底板与一个或多个催化剂纱网之间。该填充材料可以包含减少N 2O的催化剂。
当填充材料设置在底板与一个或多个催化剂纱网之间时,优选地设置一个或多个消波器。所述消波器允许避免在填料中形成深度大于约20-30mm的沟槽,从而防止催化剂纱网撕裂以及过程气体的旁通。合适的消波器在WO2004005187中被公开,其通过引用并入本文。
破波器优选地包括穿孔板,该穿孔板相对于底板以在20°与40°之间的角度定向,例如以30°的角度定向。
消波器还包括顶部。在正常使用期间,消波器的顶部被从一个或多个纱网移开10mm-50mm,优选地移开20mm-40mm。在正常使用期间,消波器的顶部定位于一个或多个纱网的下方。优选地,消波器将具有在水平和垂直两个方向上移动的自由度,并且可以通过使用焊接到所述消波器环的L形轮廓而被保持在适当位置。消波器有助于保持填充材料的均匀分布,这会降低催化剂纱网破裂的风险。
优选地,催化剂载体结构的支圈和主体由镍-铁-铬合金制成。这种合金适于耐受在氨燃烧器的正常操作期间发生的高温和化学环境。
本文还提供了一种氨燃烧器,所述氨燃烧器包括反应器容器和如本文提供的催化剂载体系统。该反应器容器包括反应器壁,并且催化剂载体系统可以通过一个或多个焊接部附接到反应器壁。附加地或可替代地,催化剂载体系统可以借助于支圈支撑件附接到反应器壁。优选地,倒圆的外边缘焊接到反应器壁。
在一些实施例中,隔热罩安装在催化剂载体系统与反应器壁之间。在一些实施例中,一个或多个壁式线圈附接到反应器壁。壁式线圈可以保护压力容器免于过热并可以冷却外壁。在这些实施例中,隔热罩安装在催化剂载体系统和壁式线圈之间。在一些实施例中,隔热罩具有在1mm与2mm之间的厚度。隔热罩有助于确保催化剂载体结构整个下部在正常操作条件下在高于800℃的温度下操作。而且,这减少了到反应器壁和壁式线圈的热通量。因此,隔热罩减少了热应力并提供了能量节省。此外,隔热罩有助于确保反应器壁处或反应器壁附近的焊缝保持在对于应力引起的裂纹至关重要的范围之外的条件下:特别是优选地避免涉及在焊缝上被局部化的高拉伸应变(ε>0.001)和温度在500℃-750℃范围内的操作条件。
优选地,支圈的内壁与壁式线圈之间的距离为25mm至40mm,但是根据支圈的直径可以更大或更小。这确保了在催化剂载体结构和壁式线圈之间提供足够的空间以允许热膨胀;在正常使用期间,催化剂载体结构的热膨胀显著高于壁式线圈的热膨胀,这是因为催化剂载体结构在比壁式线圈明显高的温度高下操作。
在一些实施例中,氨燃烧器设有多个配重。在正常使用期间,被压住的配重定位在纱网架上,并夹持催化剂纱网。优选地,单个被压紧的配重具有小于25kg,更优选小于20kg,甚至更优选小于15kg的质量。在一些实施例中,设置总共10至25个配重。在一些实施例中,配重的高度在60mm与100mm之间。在一些实施例中,配重的高度与平坦部分的宽度的比在0.3与2之间。配重有效地保持催化剂纱网处于适当的位置。
在一些实施例中,一个或多个隔热罩设置在一个或多个配重的顶部上。优选地,一个或多个隔热罩具有在50mm与250mm之间的高度。在一些实施例中,隔热罩的高度与平坦部分的宽度的比在0.25与2之间。隔热罩减少到反应器壁的热损失,并且可以减少可能会影响支圈的上部的辐射。
在一些实施例中,一个或多个手柄设置在一个或多个配重的顶部上。优选地,一个或多个手柄具有在2.5cm与7.5cm之间的高度。在一些实施例中,两个手柄设置在每个配重上。
优选地,所述一个或多个配重是弯曲的。所述配重优选具有与环相同的曲率半径。在一些实施例中,所述一个或多个配重在其整个长度上弯曲10°至30°的角度。
在一些实施例中,所述一个或多个配重包括在第一端部处的组装杆和在第二端部处的组装护套。在正常使用期间,相邻配重的组装杆和组装护套以滑动的方式接合,从而在相邻配重之间形成可滑动释放的连接。
在一些实施例中,组装杆具有在3.0cm与7.0cm之间的长度;并且组装护套具有在3.0cm与7.0cm之间的长度。优选地,组装杆具有在0.8cm与1.2cm之间的宽度。优选地,组装护套具有在1.0cm与1.4cm之间的宽度。优选地,组装护套具有在1.0mm至3.0mm的更宽的宽度。
优选地,组装杆和组装护套两者都包括钝角角部。钝角角部具有倾斜边缘的特征,该倾斜边缘相对于配重的相应端部以30°至60°的角度定向。
组装杆和装配护套允许容易地安装配重。而且,在正常操作期间,组装杆可以在组装护套中滑动,从而在配重中以最小量的热应力有效地适应热膨胀。
本文还提供了根据本公开的支圈的用于氨的催化氧化的用途。
本文还提供了根据本公开的催化剂载体系统的用于氨的催化氧化的用途。
本文还提供了根据本公开的氨燃烧器的用于氨的催化氧化的用途。
本文还提供了一种用于氧化氨的方法。该方法包括以下步骤:1)提供根据本公开的氨燃烧器;2)将空气-氨混合物引导在一个或多个催化剂纱网上;3)对氨进行催化氧化。
示例
示例1
在第一示例中,参考图1,其示出了穿过支圈(100)的径向横截面。支圈(100)是包括顶部凸缘(110)和内壁(120)的环形结构。顶部凸缘(110)包括平坦部分(111)、倒圆的外边缘(112)、以及倒圆的内边缘(113)。内壁(120)包括承载板(121)、纱网架(122)和底板架(123)。纱网架(122)和底板架(123)附接到承载板(121)。
示例2
在第二示例中,参考图2,其示出了穿过支圈(100)的径向横截面。支圈(100)是包括顶部凸缘(110)和内壁(120)的环形结构。所述支圈具有4.92m的外径。
顶部凸缘(110)包括平坦部分(111)、倒圆的外边缘(112)和倒圆的内边缘(113)。顶部凸缘(110)由金属片制成,并且具有4.0mm的厚度。平坦部分(110)具有13.2cm的宽度。倒圆的外边缘(112)和倒圆的内边缘(113)两者都具有4.4cm的曲率半径。倒圆的外边缘(112)通过支圈支撑件(140)连接到反应器壁(未示出)。倒圆的内边缘(113)焊接到内壁(120)。
内壁(120)包括承载板(121)、纱网架(122)、底板架(123)和消波器环(124)。纱网架(122)、底板架(123)和消波器环(124)附接到承载板(121)。承载板(121)具有6.0mm的厚度和337.5mm的宽度。纱网架(122)具有1.0cm的厚度和6.0cm的宽度。纱网架(122)与承载板(121)成90°角,并在距离承载板的顶部(即,距离承载板(121)终止且倒圆的内边缘(113)开始的位置)8.0cm的距离处通过焊接附接到承载板。底板架(123)具有10mm的厚度和55mm的宽度,并且与承载板(121)成90.0°的角度。消波器环(124)具有15mm的厚度和宽度,并且定位在距离底板架(123)138mm的距离处。
18个配重(130)定位于纱网架(122)上。配重(130)在正常使用氨燃烧器期间压住催化剂纱网和/或催化剂载体,其中在正常使用氨燃烧器期间,即时支圈(100)被使用。配重(130)具有8.0cm的高度。隔热罩(131)和手柄(132)定位在配重(130)的顶部。隔热罩(131)具有75mm的高度。手柄(132)具有51mm的高度。
示例3
在第二示例中,参考图3。图3示出了纱网架(122)和底板架(123)。纱网架(122)和底板架(123)两者都包括100个扩张狭缝(1221、1231)。扩张狭缝(1221,1231)终止于圆形孔(1222,1232)中。纱网架(122)和底板架(123)是环形结构,并且扩张狭缝(1221,1231)沿径向方向对准。等效地,扩张狭缝(1221,1231)垂直于纱网架(122)和底板架(123)的环形边缘。
纱网架(122)的扩张狭缝(1221)宽3mm,长25mm。相应的孔(1222)具有2.5mm的半径。底板架(123)的扩张狭缝(1231)宽3mm,长20mm。相应的孔(1232)的半径为2.5mm。
示例4
在第三示例中,参考图4。图4示出了本文所提供的配重(130)的俯视图。在氨燃烧器中通常使用总共18个配重来夹持催化剂纱网。
配重(130)包括隔热罩(131)、两个手柄(132)、组装杆(133)和组装护套(134)。
配重在其整个长度上弯曲20°。在两个手柄上两个对应点之间的距离上的弯曲角度为12°。配重(130)的高度(不包括手柄(132)和隔热罩(131)的高度)为80mm。手柄长157mm,长45mm。其形状为具有12mm的直径的弯曲杆。隔热罩高75mm,厚3mm。
组装杆(133)从配重(130)的第一端突出,并且组装护套(134)形成为在配重(130)的第二端处的切口。在正常操作期间,每个组装杆(133)滑动到相邻配重(130)的组装护套中,从而形成配重的闭合环。组装杆长50mm,宽10mm。组装护套长50mm,宽12mm。
示例5
在第四示例中,参考图5,其示出了组装杆(133)和组装护套(134)的特写。组装杆(133)和组装护套(134)两者都包括钝角角部(1331,1341)。这些钝角角部(1331,1341)具有倾斜边缘的特征,该倾斜边缘相对于配重的相应端部成45°角定向。
示例6
在第六示例中,参考图6,其示出了附接到反应器壁(300)的支圈(100)。用于冷却外壁(150)的壁式线圈(310)附接到反应器壁(300)。壁式线圈(310)通过隔热罩(320)与支圈(100)热绝缘。支圈(100)包括与反应器壁(300)相邻的外壁(150)。支圈(100)通过倒圆的外边缘(112)和反应器壁(300)之间的上支圈附接件(330),通过在支圈的外壁(150)和反应器壁(300)之间的下支圈附接件(331),或者通过所述上支圈附接件和所述下支圈附接件被附接到反应器壁(300)。
示例7
在第六示例中,参考图7,其示出了用于氨氧化催化剂的载体结构的一部分。特别地,支圈(100)设置在载体结构的周边处。支圈(100)在其外侧处与隔热罩(320)相邻。支圈(100)在其内侧处与消波器相邻。
示例8
在第八示例中,参考图8,其示出了如本文提供的催化剂载体结构的支圈中的热应力与根据Uhde设计的支圈中的热应力的比较(参见例如R.Buchenau,The catalystbasket–How to prolong the service life,在第三届UHDE硝酸研讨会上发表的论文,多特蒙德,1986年5月26日至28日)。特别是,氨燃烧器启动后50分钟,以MPa表示冯·米塞斯应力。显然,与现有技术的Uhde设计相比,根据本公开的支圈产生明显更低的热应力。
示例9
在第九示例中,参考图9,其示出了如本文所提供的催化剂载体结构的支圈中的变形与根据Uhde设计(参见例如R.Buchenau,The catalyst basket–How to prolong theservice life,在第三届UHDE硝酸研讨会上发表的论文,多特蒙德,1986年5月26日至28日)的支圈中的热应力的比较。具体而言,变形被显示为在反应器启动后50分钟发生变形。与现有技术的Uhde设计相比,根据本公开的支圈显示出较小的应变/应力。应力减小将导致更均匀的变形和更长的使用寿命。
示例10
在第十示例中,参考图10,其示出了如本文提供的催化剂载体结构的支圈中的温度分布(图a-c)与根据Uhde设计(图d-f,参见例如R.Buchenau,The catalyst basket–Howto prolong the service life,在第三届UHDE硝酸研讨会上发表的论文,多特蒙德,1986年5月26日至28日)的支圈中的温度分布的比较。特别地,显示了在反应器启动后5分钟(图a和d),在反应器启动后15分钟(图b和e)以及在反应器启动后50分钟(图c和f)的温度分布。与Uhde设计的支圈相比,本公开的支圈中的温度变化的特征在于更加平缓的温度变化。

Claims (28)

1.一种用于氨氧化燃烧器的催化剂载体系统的支圈(100),所述支圈包括顶部凸缘(110)和内壁(120),
-所述顶部凸缘(110)包括平坦部分(111)、倒圆的外边缘(112)和倒圆的内边缘(113),所述倒圆的外边缘(112)和所述倒圆的内边缘(113)由所述平坦部分(111)间隔开;
-所述内壁(120)包括承载板(121)、纱网架(122)和底板架(123),所述纱网架(122)和所述底板架(123)附接到所述承载板(121);以及,
-所述承载板(121)通过所述倒圆的内边缘(113)附接到所述顶部凸缘(110)。
2.根据权利要求1所述的支圈(100),其中,所述承载板(121)在10%的误差范围内是恒定的厚度。
3.根据权利要求1或2所述的支圈(100),其中,所述承载板(121)是平坦的。
4.根据权利要求1或2中任一项所述的支圈(100),其中,所述平坦部分(111)的宽度与所述倒圆的外边缘(112)的曲率半径的比在0.50至10.0之间。
5.根据权利要求1至2中任一项所述的支圈(100),其中,所述倒圆的外边缘(112)的曲率半径在10.0%的误差范围内等于所述倒圆的内边缘(113)的曲率半径。
6.根据权利要求1至2中任一项所述的支圈(100),其中,所述平坦部分(111)具有2.0cm至20.0cm的宽度。
7.根据权利要求1至2中任一项所述的支圈(100),其中,所述倒圆的外边缘(112)和/或所述倒圆的内边缘(113)具有20mm至100mm的曲率半径。
8.根据权利要求1至2中的任一项所述的支圈(100),其中,所述纱网架(122)和/或所述底板架(123)包括多个扩张狭缝(1221,1231);所述扩张狭缝(1221,1231)终止于孔(1222,1232)中。
9.根据权利要求1至2中任一项所述的支圈,还包括消波器环(124),所述消波器环在所述底板架(123)和所述纱网架(122)之间附接至所述承载板(121)。
10.根据权利要求2所述的支圈(100),其中,所述承载板(121)在5%的误差范围内是恒定的厚度。
11.根据权利要求2所述的支圈(100),其中,所述承载板(121)在在1%的误差范围内是恒定的厚度。
12.根据权利要求5所述的支圈(100),其中,所述倒圆的外边缘(112)的曲率半径在5.0%的误差范围内等于所述倒圆的内边缘(113)的曲率半径。
13.根据权利要求5所述的支圈(100),其中,所述倒圆的外边缘(112)的曲率半径在2.0%的误差范围内等于所述倒圆的内边缘(113)的曲率半径。
14.根据权利要求5所述的支圈(100),其中,所述倒圆的外边缘(112)的曲率半径在1.0%的误差范围内等于所述倒圆的内边缘(113)的曲率半径。
15.根据权利要求6所述的支圈(100),其中,所述平坦部分(111)具有2.0cm至10.0cm的宽度。
16.根据权利要求7所述的支圈(100),其中,所述倒圆的外边缘(112)和/或所述倒圆的内边缘(113)具有25mm至50mm的曲率半径。
17.根据权利要求8所述的支圈(100),其中,所述扩张狭缝(1221,1231)终止于圆形孔(1222,1232)中。
18.根据权利要求8所述的支圈(100),其中,所述扩张狭缝(1221,1231)终止于具有1mm至5mm的直径的圆形孔(1222,1232)中。
19.根据权利要求9所述的支圈(100),其中,所述底板架(123)与所述消波器环(124)之间的距离在130mm与150mm之间。
20.一种用于氨氧化燃烧器的催化剂载体系统,所述催化剂载体系统包括根据权利要求1至19中任一项所述的支圈(100)、和主体,所述主体包括一个或多个催化剂纱网、和底板。
21.一种氨燃烧器,包括反应器容器和根据权利要求20所述的催化剂载体系统,所述反应器容器包括反应器壁(300),所述催化剂载体系统附接至所述反应器壁(300)。
22.根据权利要求21所述的氨燃烧器,其中,隔热罩(320)设置在所述催化剂载体系统和所述反应器壁(300)之间。
23.根据权利要求21或22所述的氨燃烧器,还包括一个或多个配重(130),所述一个或多个配重用于压住所述一个或多个催化剂纱网。
24.根据权利要求21所述的氨燃烧器,其中,所述催化剂载体系统通过一个或多个焊接部附接至所述反应器壁。
25.根据权利要求22所述的氨燃烧器,其中,一个或多个反应器壁式线圈(310)附接到所述反应器壁(300),所述隔热罩(320)设置在所述一个或多个反应器壁式线圈(310)与所述催化剂载体系统之间。
26.根据权利要求23所述的氨燃烧器,其中,一个或多个隔热罩设置在所述一个或多个配重(130)的顶部上。
27.根据权利要求1至19中任一项所述的支圈(100)的用于氨的催化氧化的用途、根据权利要求20所述的催化剂载体系统的用于氨的催化氧化的用途、和/或根据权利要求21至26中任一项所述的氨燃烧器的用于氨的催化氧化的用途。
28.一种用于氧化氨的方法,包括以下步骤:
-提供根据权利要求21至26中任一项所述的氨燃烧器;
-将空气-氨混合物引导在一个或多个催化剂纱网上;以及,
-对氨进行催化氧化。
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