FI71409C - Katalytisk braennare - Google Patents

Description

71409 1 Katalyyttinen poltin Katalytisk brännare 5 Tämän keksinnön kohteena on katalyyttinen poltin erityisesti tarkoitettu puita ja hiiliä polttaviin uuneihin.

Jatkuvasti lisääntyvästä huolesta sellaisten energialähteiden kuin öljyn 10 ja maakaasun saatavuudesta ja hinnasta johtuen useat ihmiset ovat kääntyneet asuntojen länmittämisissään kiinteisiin polttoaineisiin, kuten puuhun ja hiileen. Suuri osa kiinteän polttoaineen polttamisen tekniikkaa sellaisena kuin se ilmenee puita ja hiiliä polttavissa uuneissa on 40-50 vuotta vanhaa tai vanhempaa. On kuitenkin kehitetty uusia uunira-15 kenteita paremman hyötysuhteen ja puhtaamman polton aikaansaamiseksi.

Katso esim. US-patenttia 4.221.207.

Viimeisimmät ns. "toisen sukupolven" uunit ovat etsineet parannuksia polttotehoon ja saasteen vähentämiseen lisäämällä rakenteeseen uunien 20 yläosaan tai poistoputkeen katalyyttisen polttimen, joka aikaansaa poistokaasujen lisäpolton. Sen lisäksi, että se vähentää uunista tulevien saastuttavien aineiden määrää ja pienentää noen muodostumista piipussa, sellainen poltin myös parantaa uunin polttotehoa saaden enemmän lämpöä polttoainemäärää kohti. Kuitenkin on vielä tarve parantaa sellaisten 25 polttimien hyödyllisyyttä, mitä tulee esimerkiksi katalysaattorimateri-aalin lyhytikäisyyteen polttavista aineista johtuen.

Ja vaikka uusia edistysaskeleita on tehty tälläkin alalla, on vielä tarve sellaisten polttosysteemien tehon lisäämiseen.

30

Keksinnön mukaiselle katalyyttiselle polttlmelle on pääasiallisesti tunnusomaista se, että siihen kuuluu korkeassa lämpötilassa stabiili lantanilla stabiloitua alumiinioksidia tai magnesiumilla parannettua lantanilla stabiloitua alumiinioksidia oleva substraatti, joka on kyllästetty rikkiä 35 kestävällä korkea-aktilvisella rodlum-polttokatalysaattorilla.

Tämä keksintö kohdistuu katalyyttiseen polttimeen erilaisista polttoaine- 2 71409 1 lähteistä tulevien kaasujen polttamiseksi. Poltin on pitkäikäinen ja rikkiä kestävä. Se on myös tehokkaampi kuin tämän tyyppiset tavallisesti käytetyt polttimet. Poltin sisältää poistokaasuja kestävää lantanilla stabiloitua alumiinioksidia tai magnesiumilla parannetulla lantanilla stabiloitua 5 alumiinioksidia tukiaineena, jonka päällä on rodiumista tehtyä polttokata-lysaattoria.

Eräs keksinnön sovellutus käsittää puu-uunin, joka sisältää sellaisen katalyyttisen polttimen.

10

Keksinnön piirteet ja edut käyvät selvemmiksi seuraavasta selityksestä ja liitteenä olevista piirustuksista.

Kuviot 1 ja 2 esittävät tyypillisiä muotoja keksinnön mukaisesta kata-15 lyyttisestä polttimesta.

Kuvio 3 esittää kaupallisesti saatavan ja keksinnön mukaisen kataly-saattorimateriaalin polttoaktiviteetin vertailun.

20 Keksinnön mukainen katalysaattorimaterlaali on asetettu polttokaasun kestävälle aluspinnalle. Tämä alustamateriaali voi olla mitä hyvänsä tavallisesti käytettyä muotoa, kuten mehiläiskennorakennetta (kuvio 1) tai säiliön muotoinen (kuvio 2), jossa on metallituki 1 ja verkko 2, jolla lepää tätä materiaalia olevia pellettejä.

25

Tukimateriaali on tyypillisesti keraamisesta aineesta, kuten alumiini-oksidista, kordieriitista, piistä, slrkonista tai kestävästä metallista, kuten ruostumattomasta teräksestä. Lantanilla stabiloitu alumiinioksidi tai magnesiumilla parannettu lantanilla stabiloitu alumiinioksidi ovat 30 erityisen suositeltavia aluspintamateriaaleja keksinnön mukaan.

Lantanistabiloitu alumlinioksldialusta on kaupallisesti saatava katalyyttinen tukimateriaali W.R. Grace & Corsta (esim. Grace SMR 1449). Magnesiumilla parannettua lantanilla stabiloitua alumiinioksidia val-35 luistetaan kyllästämällä lantanilla stabiloitua alumiinioksidia (edullisesti vesipitoisella) magnesiumsuolaliuoksella (edullisesti magne-siumnitraattia), kuivaamalla liuote ja hehkuttamalla ilmassa, niin 3 71409 1 että suola palaa magnesiumoksidiksi. Hehkutuslämpötila voi vaihdella käytetystä suolasta riippuen, mutta yleisesti käytetään suunnilleen 1800°F (982°C) lämpötilaa, esim. magnesiumnitraatille. Tukimateriaaliin sisällytetään niin paljon magnesiumsuolaa, että hehkutuksen jul-5 keen noin 3%-15% magnesiumia on tukimateriaalin painosta, sopivimmin n. 5% painosta.

Tällaisen alusmateriaalin käyttö on edullista, koska se on erittäin kestävää palamlstilan korkeissa lämpötiloissa. Tällaisen alusmateriaalin 10 on todettu säilyttävän korkean B.E.T. (Bruinauer-Emmet-Teller) pinta-alan, alusmateriaali säilyttää mittansa vakaina (ei esimerkiksi kutistu pelletteinä) ja sillä on riittävä särkymislujuus erityisesti magnesiumilla lisättynä. Tämän alusmateriaalin on myös havaittu sallivan pienten metallikitei-den muodostumisen pinnalleen, joka on välttämätöntä tämän keksinnön mukai-15 selle katalysaattoritoiminnalle. Tämä materiaali estää myös paremmin hiilen muodostumisen päälleen kuin esimerkiksi käsittelemätön alumiinioksidi.

Keksinnön mukainen aktiivinen katalysaattorimateriaali saatetaan alusmateriaalin päälle jollakin tunnetulla tavalla ja mieluummin vesiliuokses-20 ta. Metallisuoloja ja tyypillisesti nitraatteja liuotetaan joko veteen tai orgaanisiin liuotteisiin ja kuivataan alusmateriaalin päälle. Nämä suolat käsitellään sitten vedyllä, jolloin ne muodostavat metallikitei-tä. Rodium metallilla on havaittu olevan edullisia ominaisuuksia tämän keksinnön yhteydessä. Voidaan huomauttaa, että mitä hyvänsä tietä voi-25 daan käyttää suolasta metalliksi, kuten menemällä suoraan suolan muodosta metallikiteiksi pelkistämällä tai hapettamalla suola ilmassa ja pelkistämällä sitä sen jälkeen niin kauan kuin metallikiteitä muodostuu alusmate-riaalille. Käytetyn rodiumin määrä voi vaihdella laajoissa rajoissa, mutta yleensä käytetään 0.01%:sta noin 6%:in rodiumia katalysaattorin tukimate-30 riaalin painosta, ja tyypillisesti tämä määrä on noin välillä 0.1%-1%.

Vaikka säiliöt, mehiläiskennorakenteet jne. voivat olla mitä hyvänsä kokoa, jota erityiseen uunirakenteeseen tarvitaan, tällaiset sylinterit ovat tyypillisesti puolesta kahteen neliöjalkaan (15,24-60,96 en/) niiden vapaan 35 aukon ollessa riittävän suuri, ettei se häiritse piipun luonnollista vetoa, mutta riittävän pieni kannattamaan pellettien kerroksia. Ruostumattomasta teräksestä oleva verkko suunnilleen 0.0625 tuuman (0.159 cm) silmäkoolla 4 71409 Ί on tyypillinen. Verkolle asetettujen osien kerroksen paksuus on välillä 0.375-2 tuumaa (0,935-5,08 cm) riippuen pakokanavista, joissa niitä käytetään. Painovoimaisen vedon vallitessa sallitaan pienempi paineen aleneminen ja katalysaattorikerroksen paksuuden tulee olla pieni. Tehostetun vedon 5 vallitessa sallitaan suurempi paineen pieneneminen ja katalysaattorikerroksen paksuus voi olla suurempi.

Viitataan myös US-hakemukseen n:o 344.897 nimeltä "Combustion Catalyst Bed", D. McVay ja H. Setzer, jätetty 1.2.1982, joka kuvaa erityisen sopivia 10 katalysaattorin alustoja "polttokatalysaattoreille", kun käytetään pellettien muodossa olevaa katalysaattoria.

Vaikka tämä keksintö on kuvattu puuta polttavan uunin katalyyttisen polt-timen termein, se on yhtä sopiva missä hyvänsä ympäristössä, jossa on 15 tarpeen parantaa palamisprosessin tehokkuutta, kuten öljy tai kaasu-uuneissa tai kattiloissa. Se on myös hyödyllinen poisteessaan mahdollisia noki-liekkejä kaasuvirroista.

Kuten edellä mainittu, on suositeltavaa käyttää alusmateriaalia pellettien 20 muodossa valmistuksen ja hinnan vuoksi. Kun näitä materiaaleja käytetään pellettien muodossa, kappaleet ovat tyypillisesti halkaisijaltaan 0.0625-0.625 tuumaa (0.159-1.59 cm) ja edullisesti 0.125- 0.25 tuumaa (0.318-0.635 cm). Jos käytetään muita kuin pyöreitä kappaleita, niiden tulee olla samaa mittaluokkaa.

25

Pelletit voivat olla joko täysin katalysaattorilla kyllästettyjä tai "rengaskyllästettyjä". Rengaskyllästyksellä tarkoitetaan sitä, että toisin kuin täysin kyllästetyissä pelleteissä vain pellettien ulkokuori on kyllästetty katalysaattorilla. Tyypillisesti 25% tai vähemmän (0.001-30 0.1 in. eli 0.0025-0.254 cm tunkeutuma) pellettien ulkopinnasta sisään päin on kyllästetty katalysaattorilla. Sisempl pellettien osa pysyy kata-lysoitumatta. Katalysaattorin vaadittava tarkka määrä voidaan määrittää uunissa poltetun puun tai hiilen palamisarvoista. Polttoaineen palamisaste määrää syntyneen palamiskaasun määrän, joka puolestaan säätää vaatimukset 35 polttokatalysaattorin määrälle. Edelleen, puuta tai hiiltä polttavassa uunissa sisääntulolämpötila on yleensä 400-900°F (2.04-482°C) ja ulosmeno-lämpötila 1100-1600°F (593-871°C).

5 71409 1 Alusmateriaaliin kyllästetty katalysaattori toimii laskemalla hiilivetyjen ja hiilimonoksiidin syttymislämpötiloja poistokaasuvirrassa niin, että ne palavat välillä 400-600°F (204-316°C). Tästä palamisesta syntynyt lämpö nostaa katalysaattorin ja tukimateriaalin lämpötilaa, mikä vuorostaan 5 lisää sen katalyyttistä aktiivisuutta. Edelleen korkeampi lämpötila rikkoo savun tai poistokaasun raskaita aineita ja johtaa vielä lisäpalami-seen. Kun poistokaasun hiilimonoksidi ja raskaat hiilivedyt jatkavat palamistaan tulleessaan kosketukseen ensimmäisen, täysin katalysoiduista pelleteistä olevan kerroksen kanssa, lämpötila nousee suunnilleen 10 1200-1400°F (649-760°C).

Esimerkki

Lantanilla stabiloitu alumimioksidikatalysaattorialusmateriaali hankit-15 tiin W.R. Grace & Co:sta pellettien muodossa, joiden läpimitta oli n.

0.25 in. (0,64 cm). Erä näitä pellettejä laitettiin MgiNO^)^ · öH^Otn vesiliuokseen väkevyydeltään n. 57 paino-%. Noin 5 minuutin ultraääni-värähtelyllä tehostetun ja 30 minuutin ilman sitä suoritetun imeytymisen jälkeen pelletit otettiin liuoksesta. Sitten ne kuivattiin ilmalla uunissa 20 3 tuntia 230°F:ssa (110°C) ja hehkutettiin l800°F:ssa (982°C) 16 tuntia ja jäähdytettiin. Magnesiumilla parannetut lantanilla stabiloidut alumiini-oksidipelletit laitettiin sitten RhiNO^^Jn vesiliuokseen väkevyydeltään noin 11.1 tilav.-%. Noin 5 minuutin ultraäänitehostetun ja 30 minuutin ilman sitä suoritetun imeyttämisen jälkeen pelletit otettiin liuoksesta 25 ja kuivattiin ilmassa 3 tuntia 230°F:ssa (110°C), minkä jälkeen niitä lämmitettiin vedyssä muodostamaan metallikiteitä alusmateriaalin pinnalle. Tämä prosessi tekee materiaalille noin 0.05 in. (0.127 cm) paksun katalv-saattoripinnan. Jos halutaan täysi kyllästyminen, imeytysaika Rh(NO^)^:ssa täytyy pidentää, esim. kaksinkertaistaa.

30

Pelkistäminen suoritettiin seuraavasti. Yllä esitetyllä tavalla käsitellyt pelletit asetettiin alustalle uuniin, joka täytettiin typellä. Uunin lämpötila nostettiin n. 600°F:een (316°C) ja pellettien ympärillä oleva kaasu muuttui seuraavasti: 35 6 71409 1 % N2 % H2 Aika tuntia 100 0 0.25 95 5 0.25 5 90 10 0.25 75 25 0.50 0 100 2.00 Jäähdyttyään 200°F:een (93°C) uunin kaasutilavuus vaihdettiin 100% 10 N2:ksi. Pelletit annettiin sitten jäähtyä huoneen lämpötilaan ja niiden ympärillä oleva kaasu muuttui seuraavasti: % N2 % 02 Aika tuntia 15 95 5 0.5 90 10 0.5 80 20 0.5

Edelleen esittämään keksinnön mukaisen polttokatalysaattorin parannettuja 20 ominaisuuksia tehtiin seuraava koe. Käyttäen mikroreaktoria, jonka si-säläpimitta oli 0.375 in. (0.953 cm) ja pituus 1.0 in. (2.54 cm) noin 5 grammalla katalysaattorimateriaalia, reaktiokertoimet (sama kuin aktiviteetti) merkittiin koordinaatistoon koelämpötilan funktiona. Koe suoritettiin 30 tunnin aikana polttaen seosta, jossa on metaania si-25 sältäen n. 2.25 paino-% H2S. Reaktiokerroin (k) määritellään yhtälöllä: (_1 ) k = (tilan nopeus) x In (~ % muuttuminen ) C 100 ) 30

Kuviossa 3 on esitetty kaupallisesti saatavissa olevan katalysaattorin (15 paino-% nikkeliä alfa alumiinioksidin päällä - käyrä A) ja esimerkin mukaisen katalysaattorin (käyrä B) tulokset tavallisella Arrhenius asteikolla kokeen mukaan. Kuten käyristä nähdään, käyrä B katalysaattorilla 35 saadaan paljon suurempi aktiivisuus matalissa lämpötiloissa. Tämä merkitsee, että jopa mahdollisella rikkisaastuksella (esim. hiilipolttoaineesta) tämän keksinnön mukainen poltin on vielä riittävän tehokas käytettäväksi.

7 71409 1 Tämän keksinnön mukaisen katalyyttisen polttimen valmistamiseksi on suositeltua käyttää säiliötä, jossa on ruostumattomasta teräksestä valmistettu kannatusverkko, jonka langan halkaisija on 0.032 in.

2 (0.081 cm) ja 256 reikää neliötuumalla eli 40 reikää/cm (eli 45% 5 avoin). Säiliön seinät ovat tyypillisesti sarjan 300 ruostumatonta terästä, kuten ruostumatonta terästä 304. Useita kerroksia katalysaattorilla kyllästettyjä 0.25 in. (0.635 cm) läpimittaisia pellettejä kaadetaan tukiverkon päälle. Säiliö voidaan tämän jälkeen päällystää tilapäisellä muovipäällisellä estämään ylimääräisen liikkeen kuljetuk-10 sen aikana. Kuviossa 2 on esitetty säiliö 1, tukiverkko 2 ja kappale-kerros 3.

Kerroksen paksuus tulisi pitää miniminä, jotta paineen aleneminen sen kohdalla pysyisi pienenä, erityisesti painovoimaiseen vetoon perustuvissa 15 hiili tai puu-uuneissa. Teollisuuspolttimet, jotka käyttävät puhaltimia, voidaan varustaa syvemmillä säiliöillä ja siten suuremmalla paineen alenemisella. Jos paineen aleneminen kummalla hyvänsä tavalla, luonnollisella vedolla tai puhaltimelle avustettuna, on liian suuri ja virtaus rajoittuu pieneksi, puun tai muun kiinteän polttoaineen polttoaste pienenee. Kuiten-20 kin katalysaattoriainesta pitäisi olla riittävästi, jotta kaasu viipyisi siinä riittävän ajan katalyyttisen polttamisen aikaansaamiseksi. Koska tyypillisen asuintalon piipun veto on luokkaa 0.05-0.10 in. (0.127-0.254 cm) vesipatsasta, kuten voidaan päätellä teoksesta Standard Handbook for Mechanical Engineers, 7. painos, McGraw Hill Book Co., katalysaattorisäi-25 liö luonnolliselle vedolle mitoitetaan pinta-alaltaan ja syvyydeltään sellaiseksi, että paineen aleneminen on luokkaa 0.01 in. (0.0254 cm) vesi-patsasta. Paineen aleneminen voidaan mitata herkällä delta-mittarilla. Toinen tapa päätellä onko paineen aleneminen kyllin matala, on määrittämällä se onko polttoaineen palamismäärä kiloina tuntia kohden tyydyttävä. 30 Jos paineen aleneminen on liian pieni eli säiliö on liian ohut, voi tapahtua ohitusta ja epätäydellistä palamista. Tämä voidaan huomata tarkkailemalla uunista tulevaa savua.

Voidaan myös huomauttaa, että vaikka keksintö on kuvattu rodium-kata-35 lysaattorin termein, myös rutenium-, nikkeli-, palladium-, rautaoksidi-, iridium-, platina- tai tavallinen polttokatalysaattori on hyödyllinen.

8 71409 1 Vaikka keksintöä on kuvattu yksityiskohtaisin esimerkin, on ymmärrettävää, että laitteen muodossa ja yksityiskohdissa voidaan tehdä muutoksia poikkeamatta vaatimuksissa määritellyn keksinnön hengestä.

5 10 15 20 25 30 35

Claims (5)

5 71409

1. Katalyyttinen poltin erityisesti tarkoitettu puita ja hiiliä polttaviin uuneihin, tunnettu siitä, että siihen kuuluu korkeassa 5 lämpötilassa stabiili lantanilla stabiloitua alumiinioksidia tai magnesiumilla parannettua lantanilla stabiloitua alumiinioksidia oleva substraatti, joka on kyllästetty rikkiä kestävällä korkea-aktiivisella rodium-polttokatalysaattorilla.

1 Patenttivaatimukset

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen katalyyttinen poltin, tunnet- t u siitä, että substraatti on sylinterimäisen mehiläiskennoston muotoinen.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen katalyyttinen poltin, tunnet-15 t u siitä, että substraatti on pellettien muodossa.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen katalyyttinen poltin, tunnet-t u siitä, että katalysaattorin määrä on n. 0.01 - n. 6 paino-%.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukaisen katalyyttisen polttimen käyttö kiinteätä polttoainetta polttavassa uunissa, jossa on ilman sisäänotto, polttotila, palaneen ja palamattoman kaasun ulosmeno-osa, mainitun katalyyttisen polttimen ollessa sijoitettuna poisto-osassa. 25 30 35