JPH07500659A - Multistage combustion method for fuel mixtures - Google Patents
Multistage combustion method for fuel mixturesInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】 燃料混合物のための多段階燃焼方法 (PA−0099) 圃1班員 本願は、Tsurumi、 Ezava、 Dalla Bettaに対するP ROCESS FORBURNING COMBUSTIBLE MIXTUR ES (PA−0041)という名称の米国特許出願番号第077617.97 6号と; Dalla Betta、 TsuruIi。[Detailed description of the invention] Multistage combustion method for fuel mixtures (PA-0099) Field 1 team member This application is filed against P.Tsurumi, Ezava, and Dalla Betta. ROCESS FORBURNING COMBUSTIBLE MIXTUR U.S. Patent Application No. 077617.97 entitled ES (PA-0041) No. 6; Dalla Betta, TsuruIi.
Ezavalこ対するMULTISTAGE PROCESS FORCUMB USTING FUEL MIXTURES (PA−0004)という名称の 米国特許出願番号第617.977号と; Dalla Betta、 Tsu rumi、 Ezavaに対するMULTISTAGE PROCESS FO RCOMBUSTING FUEL MIXTURES USING 0XID E CATALYSTSIN THE HOT 5TAGE (PA−0038 )という名称の米国特許出願番号第617,980号と; Dalla、 Be tta、 Ezava、 Tsurumi、 5chlatterおよびN1c kolasに対するTWO5TAGE PROCESS PORCOMBUST INGFUEL MIXTUI’lES (PA−0030>という名称の米国 特許出願番号第618.301号との、一部継続出願であり、上記出願は参考の ため援用される。MULTISTAGE PROCESS FORCUMB against Ezaval Named USTING FUEL MIXTURES (PA-0004) U.S. Patent Application No. 617.977 and; Dalla Betta, Tsu rumi, MULTISTAGE PROCESS FO for Ezava RCOM BUSTING FUEL MIXTURES USING 0XID E CATALYSTSIN THE HOT 5TAGE (PA-0038 ) and U.S. Patent Application No. 617,980 entitled; Dalla, Be. tta, Ezava, Tsurumi, 5chlatter and N1c TWO5TAGE PROCESS PORCOMBUST for kolas INGFUEL MIXTUI’IES (PA-0030>) This is a partial continuation of patent application No. 618.301, and the above application is a reference. It will be used for this purpose.
良匪優公■ 本発明は、一連の段階を有する燃焼方法であり、一連の特定の触媒および触媒構 造、および、任意に最終均一燃焼ゾーンを用いて、段階的に、燃料/酸素ガス含 有混合物を燃焼し、好ましくは1050°から1700℃の間の選択された温度 で、燃焼ガスを製造する。作動圧力に応じて、2つまたは3つの別個の触媒段階 が存在し得る。触媒を選択し、完全な熱交換(integral heat e xchange)を用いるものを含めて特定の構造を用いることにより、比較的 低温であるために安定した、劣化のない、触媒とその支持体が得られ、製造され た燃焼ガスは、ガスタービン、炉、ボイラー等に用いるのに適切な温度であり、 しかもNoう含有量が少ない。初期段階をのぞくと、この燃焼プロセスには燃料 もガスも加えられることはない。Yoshio Yuko■ The present invention is a combustion method having a series of stages and a series of specific catalysts and catalyst structures. the fuel/oxygen gas content in stages, optionally with a final homogeneous combustion zone. combusting the mixture at a selected temperature preferably between 1050° and 1700°C to produce combustion gas. Two or three separate catalyst stages depending on operating pressure may exist. Catalyst selection, complete heat exchange (integral heat exchange) By using certain structures, including those using Due to the low temperature, stable and non-deteriorating catalysts and their supports can be obtained and manufactured. The combustion gas is at a temperature suitable for use in gas turbines, furnaces, boilers, etc. Moreover, the amount of carbon dioxide is low. Except for the initial stages, this combustion process requires no fuel. No gas is added.
l肚旦1五 米国および世界中の現在の汚染防止法令の出現により、種々の汚染を減少させる 顕著で新規な方法が研究されている。15 With the advent of current pollution prevention laws in the United States and around the world, reducing various types of pollution Remarkable and novel methods are being investigated.
燃料の燃焼は、現在存在する汚染問題の主な原因である。この燃料とは、木材、 石炭、油、あるいは天然ガスである。燃料源中の混入物の存在の結果として生成 されるSO2の様な特定の汚染物質は、結果として起こる汚染を除去するために 、燃料を処理して混入物を除去する、あるいは結果的に生成される排気ガスを処 理する、のいずれかにより除去し得る。不完全燃焼の結果として生成される一酸 化炭素の様な汚染物質は、燃焼後の酸化により、あるいは燃焼工程の改善により 、除去し得る。他の主要な汚染物質であるNO,(平衡混合物は主としてNoで あるが、非常に少量のNO2をも含む)は、燃焼工程を制御してその生成を減少 させる、あるいは後で除去する、の何れかにより対処し得る。その相対的な安定 性、および殆どの排気ガス中でその濃度が低いことが原因で、一旦生成すると、 No、の除去は困難な課題である。自動車に使用されている解決法の1つは、− 酸化炭素を使用して、化学的にNOxを窒素に還元し、同時に一酸化炭素を二酸 化炭素に酸化する方法である。Fuel combustion is the main cause of the pollution problems that currently exist. This fuel is wood, coal, oil, or natural gas. produced as a result of the presence of contaminants in the fuel source Certain pollutants, such as SO2, are treated in order to remove the resulting pollution. , treat the fuel to remove contaminants, or treat the resulting exhaust gases. It can be removed by either: monoacid produced as a result of incomplete combustion Contaminants such as carbon dioxide can be removed by post-combustion oxidation or by improvements in the combustion process. , can be removed. The other major pollutant is NO, (the equilibrium mixture is mainly NO). (but also contains very small amounts of NO2) controls the combustion process to reduce its production. This can be dealt with either by allowing the problem to occur, or by removing it later. its relative stability Once formed, due to its nature and low concentration in most exhaust gases, Removal of No. is a difficult task. One of the solutions used in automobiles is - Carbon oxide is used to chemically reduce NOx to nitrogen and at the same time convert carbon monoxide to diacid. This is a method of oxidizing to carbon.
しかし、2つの汚染物質を反応させる必要があるということは、最初の燃焼反応 が非効率的であったという結論に導かれる。However, the need to react two pollutants means that the first combustion reaction This leads to the conclusion that it was inefficient.
硫黄含有混入物が燃料から除去し得る、硫黄の汚染物質の場合とは異なり、燃焼 工程に供給される空気から窒素を除去することは明らかに非実用的な解決法であ ることは認めなければならない。−酸化炭素の場合とは異なり、燃焼反応の改善 は、それに伴う高温の為に、生成されるNOXのレベルを増大させる。Unlike the case with sulfur contaminants, where sulfur-containing contaminants can be removed from fuels, combustion Removing nitrogen from the air supplied to the process is clearly an impractical solution. I have to admit that. - Improved combustion reactions, unlike in the case of carbon oxides increases the level of NOx produced due to the associated high temperatures.
いまだに、燃焼N08を減少させるという課題は未解決で残り、そして幾つかの 異なった方法が提案されている。選択する工程は、燃焼ガスを発生させている目 的、即ちタービン、ボイラーあるいは炉の発熱量の回収という目的と実質的に相 反してはならない。Still, the problem of reducing combustion N08 remains unresolved, and several Different methods have been proposed. The process you select should be based on the process that is generating combustion gas. materially compatible with the purpose of recovery of the heating value of the turbine, boiler or furnace. Do not go against it.
N08生成を制御するための有効な手段は、燃焼ゾーン中の局所的温度及び全体 温度を1800°C以下に制限することである。An effective means to control N08 production is the local temperature in the combustion zone and the overall The goal is to limit the temperature to 1800°C or less.
例えば、Furuyaらの米国特許第4.731.989号の第1欄52−59 行、およびHindinらの米国特許第4.088.135号の第12欄、を参 照。For example, Furuya et al., U.S. Pat. No. 4,731,989, column 1, 52-59. , and column 12 of Hindin et al., U.S. Pat. No. 4.088.135. Light.
過剰の空気での希釈により、1種あるいはそれ以上の触媒を用いた制御された燃 焼により、あるいは、種々の希薄あるいは濃厚な燃料混合物を用いた多段式燃焼 による等、この温度を制御する多くの方法が存在する。これらの方法の組合せも また既知である。Controlled combustion with one or more catalysts is achieved by dilution with excess air. by sintering or in multiple stages using various lean or rich fuel mixtures. There are many ways to control this temperature, such as by A combination of these methods also Also known.
広く試みられている方法の1つは、多段式の触媒燃焼の使用である。これらの方 法の殆どは、金属酸化物またはセラミックの触媒支持体上の多断面の触媒を利用 している。その様な開示の典型例を次表に示す。One widely tried method is the use of multistage catalytic combustion. These people Most of the methods utilize multi-section catalysts on metal oxide or ceramic catalyst supports. are doing. Typical examples of such disclosures are shown in the table below.
(以下余白) このようなセラミックまたは金属酸化物支持体の使用は、明らかに公知である。(Margin below) The use of such ceramic or metal oxide supports is clearly known.
ここで形成される構造は、金属製支持体のように、容易に溶解または酸化しない 。特定の温度範囲で用いられるように慎重に設計されたセラミック支持体は、そ の温度範囲では適切な働きを行い得る。しかし、このような物質の多くは、11 00℃以上の温度では相変化を起こし、または触媒系の他の成分と反応し得る。The structures formed here do not easily dissolve or oxidize, like metal supports . Carefully designed ceramic supports for use in specific temperature ranges It can function properly in the temperature range of . However, many of these substances are 11 At temperatures above 00°C, it may undergo a phase change or react with other components of the catalyst system.
たとえば、この温度範囲ではガンマアルミナ相はアルファアルミナ相に変化する 。For example, in this temperature range, the gamma alumina phase changes to the alpha alumina phase. .
さらに、このようなセラミック基体はオレフィンに対して脆く、振動、機械的シ ョックまたは熱ショックのために、亀裂が入ったり破損しやすい。熱ショックは 、ガスタービンに用いられる触媒燃焼器では特に問題である。作動開始時および 終了時には、触媒に大きな温度勾配が発生し得、これが高い機械的ストレスとな り、亀裂および破壊につながる。Furthermore, such ceramic substrates are brittle to olefins and susceptible to vibrations and mechanical shocks. Easy to crack and break due to shock or thermal shock. heat shock is , is a particular problem in catalytic combustors used in gas turbines. At the start of operation and At termination, large temperature gradients can occur in the catalyst, leading to high mechanical stresses. lead to cracking and destruction.
金属酸化物およびセラミック触媒支持体の、高温での安定性を向上させるための 典型的な試みとしては、大抵はその他の物理的処理工程を行うと共に、アルカリ 土類金属またはランタニドを支持体に含有させる、あるいはさらに金属を支持体 に添加することが挙げられる: 回 文献 −たは 1 日本 特開昭61−209044 (バブコック日立株式会社)日本 特開昭6 1−216734 (バブコック日立株式会社)日本 特開昭62−07153 5 (バブコック日立株式会社)日本 特開昭62−001454 (バブコッ ク日立株式会社)日本 特開昭62−045343 (バブコック日立株式会社 )日本 特開昭62−289437 (バブコック日立株式会社)日本 特開昭 62−221445 (バブコック日立株式会社)米国 特許第4.793.7 97号 (Katoら)米国 特許第4,220.559号 (Pliknkl ら)米国 特許第3,870.455号 CH5ndInら)米国 特許第4. 711.872号 (Katoら)英国 第1.528,455号 Ca1rn sらしかし、このような高温安定性向上を行っても、セラミックスは破壊されや すい物質である。日本の特開昭60−053724は、カラム壁に穴を有するセ ラミックのカラム状触媒を用いて、亀裂が生じないように、燃料ガスとカラム間 の温度とを均一に分布させることを教示している。To improve the stability of metal oxide and ceramic catalyst supports at high temperatures. Typical approaches include alkaline treatment, often along with other physical treatment steps. Incorporating earth metals or lanthanides into the support, or adding metals to the support It can be added to: Literature - or 1 Japanese Patent Publication No. 61-209044 (Babcock Hitachi Co., Ltd.) Japanese Patent Publication No. 61-209044 1-216734 (Babcock Hitachi Co., Ltd.) Japan JP 62-07153 5 (Babcock Hitachi Co., Ltd.) Japan JP 62-001454 (Babcock Hitachi Co., Ltd.) Babcock Hitachi Co., Ltd.) Japan JP 62-045343 (Babcock Hitachi Co., Ltd.) ) Japanese Patent Publication No. 62-289437 (Babcock Hitachi Co., Ltd.) Japanese Patent Publication No. 62-289437 (Babcock Hitachi Co., Ltd.) 62-221445 (Babcock Hitachi Co., Ltd.) U.S. Patent No. 4.793.7 No. 97 (Kato et al.) U.S. Patent No. 4,220.559 (Pliknkl et al.) U.S. Patent No. 3,870.455 CH5ndIn et al.) U.S. Patent No. 4. No. 711.872 (Kato et al.) UK No. 1.528,455 Ca1rn However, even with such improvements in high-temperature stability, ceramics do not easily break down. It is a substance. Japanese Patent Publication No. 60-053724 discloses a cell with holes in the column wall. A column-shaped catalyst made of ramic is used to prevent the formation of cracks between the fuel gas and the column. It teaches uniform distribution of temperature.
高温(1100℃より上)もまた、触媒層に有害であり、表面領域の損失、金属 触媒の蒸発、および触媒成分とセラミック触媒成分との反応による活性度の低い または不活性の物質の形成を引き起こす。High temperatures (above 1100°C) are also harmful to the catalyst layer, causing loss of surface area and metal Low activity due to catalyst evaporation and reaction of catalyst components with ceramic catalyst components or cause the formation of inert substances.
燃焼に関する文献に開示されている多くの触媒の中に、以下の白金族金属が見ら れる:白金、パラジウム、ルテニウム・イリジウム、およびロジウム;場合によ り、単独で、またはこの放向の他の金属との混合物で、または白金族以外の助触 媒または共触媒と共に用いられる。Among the many catalysts disclosed in the combustion literature, the following platinum group metals are found: platinum, palladium, ruthenium iridium, and rhodium; alone or in mixtures with other metals of this type, or with co-catalysts other than the platinum group. Used with a catalyst or cocatalyst.
その他の燃焼触媒としては、金属酸化物、ことに第Vll+族および第1族の金 属酸化物が挙げられる。たとえば、h上■丘、COMPLETE 0XIDAT ION OF METHANE 0VERPEROVSKITE 0XIDES 。Other combustion catalysts include metal oxides, especially metals of group Vll+ and group 1. Examples include oxides of the genus. For example, h upper ■ hill, COMPLETE 0XIDAT ION OF METHANE 0VERPEROVSKITE 0XIDES .
Catalysis Letters l (1988) 299−306. J、G、 Ba1tzer A、G。Catalysis Letters I (1988) 299-306. J, G, Baltzer A, G.
5cientific Publishing Co、、において、著者は、メ タンの酸化に適切な、通常ABOaとして示される、特に、LaI−tMexM no3、ここでMeはCa、 SrまたはBas という式で示される酸化物で ある、−組のペロブスカイト酸化物触媒について記載している。In 5 scientific Publishing Co., the author In particular, LaI-tMexM, commonly designated as ABOa, suitable for the oxidation of tan no3, where Me is an oxide represented by the formula Ca, Sr, or Bas. A set of perovskite oxide catalysts is described.
同様に、九州大学に関連するグループによる多くの文献に、Ba0・6A120 3に基づいた燃焼触媒が記載されている:1、 PREPARATION AN D CHARACTERIZATION OF LARGESURFACE A REA BaO・6A1203. Machidaら、Bull。Similarly, in many publications by groups associated with Kyushu University, Ba0.6A120 A combustion catalyst based on 3 is described: 1, PREPARATION AN D CHARACTERIZATION OF LARGESURFACE A REA BaO・6A1203. Machida et al., Bull.
Chet Soc、 Jpn、、 61.3659−3665 (1988)。Chet Soc, Jpn, 61.3659-3665 (1988).
2、 HIGHTEMPERAT[IRE CATALYTICCOMBUST ION 0VERCATION−3UBSTITUTED BARIUM HE XAALUMINATES。2, HIGHTEMPERAT[IRE CATALYTICCOMBUST ION 0VERCATION-3UBSTITUTED BARIUM HE XAALUMINATES.
Machidaら、Chea+1stry Letters、767−770゜ 1987゜ 3、 ANALYTICAL ELECTRON MICROSCOPE AN ALYSIS 0FTHE FORMATION OF BaO・6A1203 . Machidaら、J、 At Cerat Coc、、 71 (12) 1142−47 (1988)。Machida et al., Chea+1stry Letters, 767-770° 1987° 3. ANALYTICAL ELECTRON MICROSCOPE AN ALYSIS 0F THE FORMATION OF BaO・6A1203 .. Machida et al., J., At Cerat Coc., 71 (12) 1142-47 (1988).
4、 EFFECT OF ADDITIVES ON THE 5URFAC E AREA 0FOXIDE SυPP0I?TS FORCATALYTI CCOMBUSTION。4. EFFECT OF ADDITIVES ON THE 5URFAC E AREA 0FOXIDE SυPP0I? TS FORCATALYTI CCOM BUSTION.
J、 Cat、 103.385−393 (19B?)、および5、5tlR FACE AREAS AND CATALYTICACTIVITIES O FMn−SUBSTITUTED HEXAALUMINATES WITHV ARIOUSCAT[ON COMPOSITIONS IN THE MIR RORPLANE。J, Cat, 103.385-393 (19B?), and 5, 5tlR FACE AREAS AND CATALYTICACTIVITIES O FMn-SUBSTITUTED HEXAALUMINATES WITHV ARIOUSCAT[ON COMPOSITIONS IN THE MIR RORPLANE.
Chet Lett、、1461−1464.1988゜同様に、Araiに対 する米国特許第4.788.174号は、一般式A+−xc*BxAI+2−y o+9−aを有する、触媒燃焼に適切な耐熱触媒を提案している。上記式におい て、Aは、Ca、 BaおよびSrから選択される少なくとも1つの元素であり ;Cは、Xおよび/またはRbであり;Bは、Mn、 Co、 Fe、 Ni、 CuおよびCrから選択される少なくとも1つであり;2は、ゼロから約0. 4の範囲の値であり;Xは、0.1から4の範囲の値であり、yは、約Xから2 xの範囲の値であり;aは、A、 CおよびBのそれぞれの元素の価数XSYお よび2並びにx、 yおよび2の値によって決まる値であり、a−1,5(X− z(X−Y)+xZ−3ylで表される。Chet Lett,, 1461-1464.1988゜Similarly, for Arai. U.S. Pat. No. 4,788,174 describes the general formula A+-xc*BxAI+2-y We propose a heat-resistant catalyst suitable for catalytic combustion that has o+9-a. The above formula smell and A is at least one element selected from Ca, Ba and Sr. ;C is X and/or Rb;B is Mn, Co, Fe, Ni, at least one selected from Cu and Cr; 2 is from zero to about 0. 4; X is a value in the range 0.1 to 4; y is approximately is a value in the range of x; a is the valence of each element of A, C, and B and 2, and the values of x, y and 2, and a-1,5(X- It is represented by z(X-Y)+xZ-3yl.
厳密な触媒燃焼プロセスに加えて、ある方法は、ガスから熱を回収する前に、残 留している可燃物を均一に酸化するという最終工程を用いている。In addition to the rigorous catalytic combustion process, some methods include A final step is used to uniformly oxidize the remaining combustible materials.
上述の三段階触媒燃焼システムのうちの多くは、後燃焼工程も有している。たと えば、日本触媒化学(”NSK”)に譲渡された一連の公開公報(62−080 419,62−080420,63−080847,63−080848および 63−080549)は、第二の燃焼工程が続いて行われる三段階の触媒燃焼を 開示している。上に述べたように、これらの方法に用いられる触媒は、本発明の 方法に用いられる触媒とは大きく異なっている。さらに、これらの公開公報は、 後燃焼工程を用いる際に、得られるガス温度は[750℃から1100℃」とな るにすぎないと言われている、と記載している。これに対して、本発明の方法で は、後触媒均−燃焼工程を用いると、実質的により高い断熱燃焼温度に達するこ とがわかるであろう。Many of the three-stage catalytic combustion systems described above also have an after-combustion step. and For example, a series of publications (62-080) assigned to Nippon Shokubai Kagaku (“NSK”) 419, 62-080420, 63-080847, 63-080848 and 63-080549) uses a three-stage catalytic combustion process followed by a second combustion step. Disclosed. As mentioned above, the catalysts used in these methods are those of the present invention. The catalysts used in the process are very different. Furthermore, these publications When using the after-combustion process, the resulting gas temperature is [750°C to 1100°C]. It states that it is said that it is only a matter of time. In contrast, the method of the present invention substantially higher adiabatic combustion temperatures can be reached using a post-catalytic equalization combustion process. You will understand that.
その他の燃焼触媒/後触媒均−燃焼法も公知である。ヨーロッパ特許出願第0. 198.948号(同じ< NSKに対して発行)は、後燃焼工程が続いて行わ れる二段階または三段階触媒法を開示している。後燃焼されたガスの温度は、1 300℃となり、触媒から流出する温度(はぼバルクのガス相温度に等しい)は 900℃である。しかし、NSKの公開公報に開示されている触媒構造は、触媒 ゾーン内で起こる燃焼の悪影響から保護されておらず、従って、この支持体は劣 化を起こす。Other combustion catalyst/postcatalyst equal combustion methods are also known. European Patent Application No. 0. No. 198.948 (also issued to NSK) states that the after-combustion process is followed by A two-stage or three-stage catalytic process is disclosed. The temperature of the post-combusted gas is 1 300℃, and the temperature flowing out of the catalyst (equal to the bulk gas phase temperature) is The temperature is 900°C. However, the catalyst structure disclosed in the NSK publication is It is not protected from the negative effects of combustion occurring within the zone and therefore this support is inferior. cause a change.
Furuyaらに対する特許(米国特許第4,731,989号)は、追加燃料 を注入し、後触媒燃焼が続いて行われる一段階触媒を開示している。この場合に は、触媒に低混合比の燃料/空気混合物を加えることによって、触媒基体の温度 を900℃までまたは1000℃までに限定している。ガスタービン等のある種 の方法に必要な高いガス温度を得るためには、触媒の後に追加の燃料を注入し、 この燃料は後触媒領域で均一に燃焼される。The patent to Furuya et al. (U.S. Pat. No. 4,731,989) provides additional fuel Discloses a one-stage catalyst in which catalytic gas is injected followed by post-catalytic combustion. In this case The temperature of the catalyst substrate is reduced by adding a low ratio fuel/air mixture to the catalyst. is limited to up to 900°C or 1000°C. Some types of gas turbines, etc. To obtain the high gas temperatures required for this method, additional fuel is injected after the catalyst and This fuel is combusted evenly in the post-catalyst region.
この方法は複雑であり、触媒から流出する高温のガス流の中に、追加燃料注入装 置が必要である。我々の発明で示される本発明の装置は、触媒の後の燃料注入が 不要である;すべでの燃料は触媒の入口で加えられる。This method is complex and requires additional fuel injection equipment into the hot gas stream exiting the catalyst. It is necessary to The inventive device shown in our invention is such that the fuel injection after the catalyst is Not necessary; all fuel is added at the catalyst inlet.
本発明の方法を実施する際の重要な局面は、好ましくは金属の、完全な熱交換構 造を、少なくとも後半の触媒段階または燃焼段階で用いることにある。一般に、 その概念は、触媒構造中の、触媒を有さない面に対向した壁面に触媒層を置くこ とである。両面とも燃料−ガス混合物の流れに接触している。An important aspect in carrying out the method of the invention is the complete heat exchange structure, preferably metal. The aim is to use the structure at least in the latter catalytic stage or combustion stage. in general, The concept is to place a catalyst layer on the wall of the catalyst structure opposite the non-catalyst surface. That is. Both sides are in contact with the flow of fuel-gas mixture.
一方の面で反応熱が発生し;他方の面でその反応熱が流れているガスに伝達され る。The heat of reaction is generated on one side; the heat of reaction is transferred to the flowing gas on the other side. Ru.
完全な熱交換特性を持つ構造は、特開昭59−136.140および61−25 9.O’13に開示されている。同様に、Youngらに対する米国特許第4. 870.824号は、選択された通路壁土に触媒を有する、モノリス型触媒を用 いた、一段階触媒燃焼器ユニットを開示している。その他の多くの相違点に加え て、この構造は、単独で、その他の触媒段階とは組み合わせずに用いると開示さ れている。さらに、この構造を異なる触媒金属と共に段階的に使用することは、 これらの文献には示されていない。Structures with perfect heat exchange characteristics are disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 59-136.140 and 61-25. 9. It is disclosed in O'13. Similarly, U.S. Patent No. 4 to Young et al. No. 870.824 uses a monolithic catalyst with the catalyst in selected passageway walls. A single stage catalytic combustor unit is disclosed. In addition to many other differences Therefore, this structure is disclosed when used alone and without any other catalytic steps. It is. Furthermore, the stepwise use of this structure with different catalytic metals Not shown in these documents.
上記に述べたいずれの方法も、触媒支持体が金属製であり、それぞれの固有の利 点を利用するために触媒を特異的に変化させ、完全な熱交換を選択的に用いて触 媒基体温度を制御し、そして、特に高いガス温度を達成する一方で、NOxの発 生および触媒(および支持体)の温度を抑えた、組み合せ触媒システムを示して いない。In all of the above-mentioned methods, the catalyst support is made of metal, and each method has its own unique advantages. By specifically modifying the catalyst to take advantage of the Control media temperature and achieve particularly high gas temperatures while reducing NOx emissions. Demonstrates a combined catalyst system with reduced raw and catalyst (and support) temperatures not present.
及五立!1 本発明は、燃料が、特定の燃料/空気比に前もって混合され、所望の断熱燃焼温 度を有する可燃混合物が製造される、燃焼方法である。この可燃混合物は、その 後、一連の触媒構造において、および任意に均一燃焼ゾーンにおいて、反応させ られる。この燃焼は段階的に行われ、触媒およびバルクのガス温度が、触媒の選 択および構造によって、比較的低い値に制御される。Good luck! 1 The present invention allows fuel to be premixed to a specific fuel/air ratio to achieve a desired adiabatic combustion temperature. A method of combustion in which a combustible mixture having a certain temperature is produced. This flammable mixture is The reaction is then carried out in a series of catalyst structures and optionally in a homogeneous combustion zone. It will be done. This combustion occurs in stages, with catalyst and bulk gas temperatures varying depending on the catalyst selection. Depending on the selection and construction, it is controlled to a relatively low value.
我々は、作動の圧力が上がるにつれて、パラジウム触媒の「自己制限(self −11mits) J温度が上がり、燃料混合物が均一燃焼する温度が下がるこ とを見いだした。約10気圧より上では、大半の実用的な燃料/空気比について 、パラジウム触媒自己限界温度と均一燃焼開始温度とが等しく、または十分に適 合するものであり、「ホットエンド(hot end) J 燃m触媒段階は省 略し得る。We demonstrate that the palladium catalyst becomes "self-limiting" as the operating pressure increases. -11 mits) J temperature increases and the temperature at which the fuel mixture burns uniformly decreases. I found that. Above about 10 atmospheres, for most practical fuel/air ratios , the palladium catalyst self-limit temperature and the homogeneous combustion start temperature are equal or sufficiently suitable. The “hot end” fuel catalyst stage is omitted. Can be omitted.
この方法は、非常にNOx濃度は低いがガスタービン、ボイラー、または炉で用 いるのには適切な温度の排出ガスを製造する。This method has very low NOx concentrations but can be used in gas turbines, boilers, or furnaces. Produce exhaust gas at the appropriate temperature.
区jμλ駈岸11咀 図1は、圧力と、均一燃焼温度およびパラジウム温度との関係を示すグラフであ る。Ward jμλ 11 Tsui Figure 1 is a graph showing the relationship between pressure, uniform combustion temperature, and palladium temperature. Ru.
図2Aおよび2Bは、触媒を一方の面のみに有する触媒構造の壁の拡大切断図で ある。Figures 2A and 2B are close-up cutaway views of the walls of the catalyst structure with catalyst on only one side. be.
図3A、3B、 3C,4A、 4B、5.6A、および6Bは、本発明の方法 の触媒段階に用い得る、様々な完全な熱交換触媒構造を示している。3A, 3B, 3C, 4A, 4B, 5.6A, and 6B illustrate the method of the present invention Various complete heat exchange catalyst structures that can be used in the catalyst stage are shown.
図7は、実施例で用いられる、三段階触媒試験反応器の概略図である。FIG. 7 is a schematic diagram of a three-stage catalytic test reactor used in the examples.
図8および9は、予熱温度の関数としての様々な作動温度のグラフである。8 and 9 are graphs of various operating temperatures as a function of preheat temperature.
図10は、長期安定状態作動テストの間の様々な作動温度のグラフである。FIG. 10 is a graph of various operating temperatures during long term steady state operating tests.
図11は、典型的な始動工程の間の様々な作動温度のグラフである。FIG. 11 is a graph of various operating temperatures during a typical startup process.
日の な璽日 本発明は、燃料が、特定の燃料/空気比に前もって混合され、所望の断熱燃焼温 度を有する可燃混合物が製造される、燃焼方法である。この可燃混合物は、その 後、2つまたは3つの別個の触媒構造において、および任意に均一燃焼ゾーンに おいて、反応させられる。この燃焼は段階的に行われ、触媒およびバルクガスの 温度が、触媒の選択および構造によって一比較的低い値に制御される。作動圧力 が上がるにつれて、パラジウム触媒が「自己制限する」温度が上がり、燃料混合 物が均一燃焼する温度が下がる。図1に示すように、(全圧を上げるか、または 02の濃度を上げることによって)02の分圧が上がると、(約10ppm未満 の一酸化炭素のレベルまでの)完全な均一燃焼を起こすのに必要な理論圧力は、 パラジウム触媒が燃焼を開始させるレベルにまで下がる。2本の線は、4気圧と 5気圧との間で交わる。約4から5気圧より上まで空気を圧縮すると、均一燃焼 反応は約11マイクロ秒で完全に燃焼する。約4から5気圧より上で、大半の実 用的な燃料の空気に対する比について、パラジウム触媒自己制限温度と均一燃焼 温度とが等しく、または十分に適合するものであり、第三段階の「ホットエンド 」燃焼触媒は、所望であれば、省略し得る。Seal of the day The present invention allows fuel to be premixed to a specific fuel/air ratio to achieve a desired adiabatic combustion temperature. A method of combustion in which a combustible mixture having a certain temperature is produced. This flammable mixture is then in two or three separate catalyst structures and optionally in a homogeneous combustion zone. and allowed to react. This combustion takes place in stages, with the catalyst and bulk gas The temperature is controlled to a relatively low value by catalyst selection and construction. working pressure As the temperature increases, the temperature at which the palladium catalyst "self-limits" increases and the fuel mixture The temperature at which things burn uniformly decreases. As shown in Figure 1, (increase the total pressure or As the partial pressure of 02 increases (by increasing the concentration of 02), The theoretical pressure required to cause complete homogeneous combustion (to the level of carbon monoxide) is It drops to a level where the palladium catalyst starts burning. The two lines are 4 atm. Intersects between 5 atmospheres. Compressing air above about 4 to 5 atmospheres results in uniform combustion. The reaction burns out completely in about 11 microseconds. Above about 4 to 5 atmospheres, most fruit Palladium catalyst self-limiting temperature and uniform combustion for practical fuel to air ratios temperature is equal or sufficiently compatible with the third stage "hot end" ”The combustion catalyst may be omitted if desired.
この方法は、非常にN(h濃度は低いが、ガスタービン、ボイラー、または炉で 用いるのには適切な温度で排出ガスを製造する。Although this method has very low N(h) concentrations, it can be used in gas turbines, boilers or furnaces Produce the exhaust gas at a temperature suitable for use.
この方法は、様々な燃料に、広い範囲の工程条件で用い得る。This method can be used with a variety of fuels and over a wide range of process conditions.
通常の気体状炭化水素、たとえば、メタン、エタンおよびプロパンは、この方法 の燃料源として非常に望ましいものではあるが、下記のこの方法の温度で気化し 得るほとんどの燃料が適当である。たとえば、燃料は常温常圧で、液体でも気体 でもよい。例としては、上記の低分子量の炭化水素および、ブタン、ペンタン、 ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ガソリン、並ヒニベンゼン、トルエン、エチル ベンゼンなどの芳香族炭化水素;およびキシレン;ナフサ;ディーゼル燃料、ケ ロシン;ジェット燃料;その他の中間留出物;重留出燃料(好ましくは、水素化 処理して窒素化合物および硫黄化合物を除去したもの);メタノール、エタノー ル、インプロパツール、ブタノール等を含むアルコール類などの酸素含有燃料; ジエチルエーテル、エチルフェニルエーテル、MTBE等のエーテルなどが挙げ られる。都市ガスまたは合成ガスなどの低BTUガスも燃料として用い得る。Common gaseous hydrocarbons, such as methane, ethane and propane, can be Although highly desirable as a fuel source for Most of the fuel you get is adequate. For example, fuel is either liquid or gas at room temperature and pressure. But that's fine. Examples include the low molecular weight hydrocarbons listed above and butane, pentane, Hexane, heptane, octane, gasoline, normal hinibenzene, toluene, ethyl Aromatic hydrocarbons such as benzene; and xylene; naphtha; diesel fuel, rosin; jet fuel; other middle distillates; heavy distillate fuel (preferably hydrogenated); treated to remove nitrogen and sulfur compounds); methanol, ethanol Oxygen-containing fuels such as alcohols, including alcohol, impropatol, butanol, etc.; Examples include ethers such as diethyl ether, ethyl phenyl ether, and MTBE. It will be done. Low BTU gases such as city gas or syngas may also be used as fuel.
燃料は、典型的には、本発明の方法に用いられる触媒に実際に起こる、触媒また はガス相温度より高い理論断熱燃焼温度を有する混合物となるような量で、燃焼 空気に混合される。The fuel is typically a catalytic or is the amount of combustion that results in a mixture with a theoretical adiabatic combustion temperature higher than the gas phase temperature. Mixed with air.
好ましくは、断熱燃焼温度は900°Cより上であり、最も好ましくは1000 ℃より上である。非ガス燃料は、第一触媒ゾーンに接触させる前に気化させなけ ればならない。燃焼空気は、1気圧またはそれ以下(−0,25気圧)であり得 、または、35気圧またはそれ以上の圧力に圧縮され得る。(本方法で製造され るガスを最終的に用い得る)定置ガスタービンは、8気圧から35気圧のゲージ 圧力で作動することが多い。従って、本方法は、−0,25気圧から3S気圧の 間の圧力で、好ましくは0気圧から17気圧の間の圧力で作動し得る。Preferably the adiabatic combustion temperature is above 900°C, most preferably 1000°C. It is above ℃. Non-gaseous fuels must be vaporized before contacting the first catalytic zone. Must be. The combustion air can be at 1 atmosphere or less (-0,25 atmospheres) , or may be compressed to a pressure of 35 atmospheres or more. (manufactured using this method) Stationary gas turbines (which can ultimately use Often operated by pressure. Therefore, the method can be applied from -0,25 atm to 3S atm. It may be operated at pressures between 0 and 17 atmospheres, preferably between 0 and 17 atmospheres.
に肢媒又ニヱ 第一ゾーンに供給された燃料/空気混合物は、よく混合され、第一ゾーン触媒上 での反応を開始させるのに十分な高温度に加熱されなければならない;典型的な パラジウム触媒上のメタン燃料では、少なくとも約325℃の温度が通常適切で ある。この予熱は、部分燃焼、パイロットバーナー、熱交換または加圧によって 行い得る。ni mediata nie The fuel/air mixture fed to the first zone is well mixed and over the first zone catalyst. must be heated to a temperature high enough to initiate the reaction; typical For methane fuels on palladium catalysts, temperatures of at least about 325°C are usually suitable. be. This preheating can be done by partial combustion, pilot burner, heat exchange or pressurization. It can be done.
本方法の第一ゾーンは、ガス流に対して抵抗の低い、モノリス型触媒支持体上に 、触媒量のパラジウムを含有している。The first zone of the method is carried out on a monolithic catalyst support with low resistance to gas flow. , containing a catalytic amount of palladium.
支持体は好ましくは金属製である。パラジウムは325°Cおよびそれ以下でメ タンの酸化に対して非常に活性であり、低温で燃料を「点火」または着火し得る 。また、ある場合には、パラジウムが燃焼反応を開始させた後、1気圧では75 0℃から800℃に、または全圧10気圧で約940°Cに、触媒が急速に温度 を上昇させることが観察された。これらの温度は、下記のパラジウム/酸化パラ ジウム反応の熱重量分析(TGA)における、上記の様々な圧力での、転移点の 各温度である。この点で、触媒反応は実質的に減速し、触媒温度は、圧力に応じ て、750℃から800″Cまたは940℃になる。燃料/空気比が、900℃ より上または1700℃もの高さの理論断熱燃焼温度を与える時でさえ、この現 象は見られる。The support is preferably made of metal. Palladium melts at 325°C and below. Very active against oxidation of tan and can "ignite" or ignite fuel at low temperatures . Also, in some cases, after the palladium starts the combustion reaction, at 1 atm, 75 The catalyst rapidly increases in temperature from 0°C to 800°C, or about 940°C at a total pressure of 10 atmospheres. was observed to increase. These temperatures are for palladium/palladium oxide below. Transition points at various pressures mentioned above in thermogravimetric analysis (TGA) of the reaction Each temperature. At this point, the catalytic reaction substantially slows down and the catalyst temperature increases with pressure. from 750°C to 800″C or 940°C.The fuel/air ratio is 900°C. Even when giving theoretical adiabatic combustion temperatures above or as high as 1700°C, this current Elephants can be seen.
この温度制限現象の説明の1つとして、上記のTGA転移点におけるパラジウム 酸化物からパラジウム金属への転換が挙げられる。1気圧で750℃より下の温 度では、パラジウムは主にパラジウム酸化物として存在する。パラジウム酸化物 は、燃料の酸化には活性な触媒であると思われる。750℃以上では、パラジウ ム酸化物は、下の平衡に従ってパラジウム金属に転換する: P d O−−−−−−−→P d +1/202パラジウム金属は、炭化水素 燃焼には実質的に活性が低く、750℃から800℃より上の温度では触媒活性 がかなり低下すると思われる。この転換によって、反応が自己制限される:燃焼 工程は、温度0己制御が始まる750℃から800℃にまで触媒温度を急速に上 昇させる。この制限温度は02圧力に応じ、02分圧が上がるにつれて上昇する 。One explanation for this temperature-limited phenomenon is that palladium at the above TGA transition point Examples include conversion of oxides to palladium metal. Temperature below 750℃ at 1 atm In degrees, palladium exists primarily as palladium oxide. palladium oxide appears to be an active catalyst for fuel oxidation. At temperatures above 750℃, parasitic Palladium oxide converts to palladium metal according to the equilibrium below: P d O---------→P d +1/202 Palladium metal is a hydrocarbon It has virtually no activity for combustion, with no catalytic activity at temperatures above 750°C to 800°C. is expected to decrease considerably. This conversion makes the reaction self-limiting: combustion The process involves rapidly raising the catalyst temperature from 750°C to 800°C, where temperature zero self-control begins. raise This limit temperature depends on the 02 pressure and increases as the 02 partial pressure increases. .
しかし、ある程度の注意が必要である。パラジウムの活性が高くなると、750 ″Cより上のパラジウム金属の低い活性でも触媒温度を800℃より上に上昇さ せるのに十分となり、上記の燃料/空気混合物の断熱燃焼温度にさえ近づけてし まうという「暴走」燃焼が起こり得る; 1100”C以上の温度になると触媒 は激しく劣化し得る。我々は、燃料および/または酸化剤の触媒への供給を制限 するために、触媒層の上に拡散バリア層を加えることによって、暴走燃焼が制御 され得ることを見いだした。拡散層は、より高い予熱温度へ、より低いガスの線 速度へ、より高い燃料/空気比の範囲へ、そして、より高い導入ガス温度へと、 第一段階触媒の作動範囲を大きく広げる。また、我々は、基体上のパラジウム金 属の濃度を制限することによって、触媒の寿命は比較的短(なるものの、「暴走 」が抑えられることをも見いだした。However, some caution is required. As the activity of palladium increases, 750 Even the low activity of palladium metal above “C” can raise the catalyst temperature above 800°C. and even approach the adiabatic combustion temperature of the above fuel/air mixture. “Runaway” combustion can occur; if the temperature exceeds 1100”C, the catalyst can be severely degraded. We limit the supply of fuel and/or oxidizer to the catalyst To achieve this, runaway combustion is controlled by adding a diffusion barrier layer on top of the catalyst layer. I found out that it can be done. Diffusion layer lowers the gas line to higher preheating temperature speed, higher fuel/air ratio ranges, and higher inlet gas temperatures. Greatly expands the operating range of the first stage catalyst. Additionally, we have palladium gold on the substrate. By limiting the concentration of ” was also found to be suppressed.
この自己制限現象によって、触媒基体の温度が、実質的に断熱燃焼温度以下に維 持される。これによって、高温での作動による触媒の劣化が、防止され、あるい は実質的に減少される。This self-limiting phenomenon maintains the temperature of the catalyst substrate substantially below the adiabatic combustion temperature. held. This prevents deterioration of the catalyst due to high temperature operation or is substantially reduced.
パラジウム金属は顕著な活性を付与するのに十分な量で添加される。個々の添加 量は、多くの必要条件、例えば経済面、活性、寿命、混入物の存在などに依存す る。理論上の最大量は、不適切な金属の微結晶成長および付随する活性損失を引 き起こすことなく最大量の支持体をカバーするのに十分な量である。これらは明 らかに拮抗する要因である:最大触媒活性を得るにはより高い表面被覆率を必要 とするが、表面被覆率が高いと、隣接する微結晶間の成長を促進し得る。さらに 、触媒支持体の形態についての考慮が必要である。支持体が高い空間速度の環境 で使用されると、触媒充填率を高くして、滞留時間が低い場合でも十分な転換を 維持しなければならないようである。経済面では、必要な仕事を行うのに最少量 の触媒金属を使用することが一般的な目標である。最後に、燃料に混入物が存在 すると、非活性化による触媒の品質低下を補償するために触媒充填率を高(する 必要が生じる。Palladium metal is added in an amount sufficient to impart significant activity. individual addition The amount depends on many requirements, such as economics, activity, longevity, presence of contaminants, etc. Ru. The theoretical maximum amount may lead to inappropriate metal crystallite growth and concomitant loss of activity. The amount is sufficient to cover the maximum amount of support without causing any damage. These are clear are strongly competing factors: higher surface coverage is required for maximum catalytic activity. However, high surface coverage can promote growth between adjacent crystallites. moreover , consideration must be given to the morphology of the catalyst support. Supports in high space velocity environments When used in It seems that it must be maintained. Economically, the minimum amount to do the required work The general goal is to use catalytic metals of Finally, the presence of contaminants in the fuel Then, in order to compensate for the deterioration in catalyst quality due to deactivation, the catalyst loading rate is The need arises.
この触媒複合体のパラジウム金属含有量は、たとえば、0゜1重皿%から約25 重量%、好ましくは、0.01重量%から約20重量%と、一般に非常に少ない 。触媒は、任意に、第1B族または第Vlll族の貴金属から選ばれる1つまた はそれ以上の等量までの触媒添加物を含存し得る。好ましい添加触媒は、銀、金 、ルテニウム、ロジウム、白金、イリジウムまたはオスミウムである。最も好ま しいのは銀および白金である。The palladium metal content of this catalyst composite ranges from, for example, 0.1% to about 25%. % by weight, preferably from 0.01% to about 20% by weight, generally very low . The catalyst optionally comprises one or more noble metals of group 1B or group Vllll. may contain up to an equal or greater amount of catalyst additive. Preferred added catalysts are silver, gold , ruthenium, rhodium, platinum, iridium or osmium. most preferred The most important ones are silver and platinum.
パラジウムおよび任意の添加物は、パラジウム複合物、化合物、または金属分散 物を使用する様々な異なる方法により支持体上に組み込まれ得る。化合物または 複合物は水または炭化水素に可溶であり得る。これらは溶液から沈澱し得る。Palladium and any additives are palladium complexes, compounds, or metal dispersions can be incorporated onto a support by a variety of different methods using materials. compound or The composite can be soluble in water or hydrocarbons. These may precipitate out of solution.
液状担体は、通常は、パラジウムを分散形態で支持体上に残しながら、揮発また は分解により触媒担体から取り除かれ得ることのみが必要とされる。本発明で使 用される触媒を製造するのに適切なパラジウム複合体および化合物の例としては 、塩化パラジウム、二面硝酸ジアミンパラジウム、パラジウムテトラミンクロリ ド、2−エチルヘキサン酸パラジウム、ナトリウムパラジウムクロリドおよび様 々な他のパラジウム塩または複合物がある。Liquid carriers are typically used to evaporate or evaporate while leaving the palladium in dispersed form on the support. is only required to be able to be removed from the catalyst support by decomposition. used in this invention Examples of palladium complexes and compounds suitable for producing catalysts used include , palladium chloride, dihedral diamine palladium nitrate, palladium tetramine chloride palladium 2-ethylhexanoate, sodium palladium chloride and There are many other palladium salts or compounds.
この触媒ゾーンに好ましい支持体は金属製である。しかし、セラミック等のその 他の支持体材料、およびシリカ、アルミナ、シリカ−アルミナ、チタニア、ジル コニア等の様々な無機酸化物も典型的に支持体として用い得、安定性を得るため に、バリウム、セリウム、ランタンまたはクロムなどの添加物を有していても、 宵していなくても用い得る。ハニカム、波型のシートの螺旋状の円筒(平坦なセ パレーターが組み合わされても良い)、円柱状(即ち「−束のストロ−」)、あ るいは圧力損失が最小で高い空間速度が可能な、細長いのチャンネルあるいは通 路を有する他の構造、の形態の金属支持体がこの目的に望ましい。これらは、柔 軟性で、周囲構造に、より容易に固定および付着し得、そして、より容易にセラ ミックの支持体よりも薄く製造し得る壁面のために、より低い流動抵抗を与える 。金属支持体であることに起因する他の実際的な利益は、熱的ショックに耐える 能力である。この熱的ショックは、ガスタービンの操作で起こり、タービンを起 動および停止させた時に起こる。そして特に、タービンを急速にシャットダウン させなければならない時に起こる。後者の場合、燃料の供給は断たれる、即ちタ ービンは「失調する(tripped>J。The preferred support for this catalyst zone is metal. However, ceramic etc. Other support materials and silica, alumina, silica-alumina, titania, silica Various inorganic oxides, such as conia, can also typically be used as supports, to provide stability. Even if it has additives such as barium, cerium, lanthanum or chromium, It can be used even if it is not evening. Honeycomb, spiral cylinder of corrugated sheet (flat sheet parators may be combined), cylindrical (i.e. “straws of bundles”), etc. or an elongated channel or passageway capable of high space velocities with minimal pressure loss. Metal supports in the form of other structures having channels are desirable for this purpose. These are soft Soft, can be more easily fixed and adhered to surrounding structures, and can be more easily cured. Gives lower flow resistance due to walls that can be manufactured thinner than Mic supports . Other practical benefits attributable to the metal support include resisting thermal shocks. It is an ability. This thermal shock occurs during gas turbine operation and starts the turbine. Occurs when moving and stopping. and, in particular, rapidly shut down the turbine. It happens when you have to. In the latter case, the fuel supply is cut off, i.e. -Bin is ``tripped>J.
なぜなら、タービンに対する物理的な負荷−たとえば、ジェネレーターの設定− が除去されている為である。タービンへの燃料は、オーバースピードを防ぐため 、即座に供給停止される。本願の発明の工程が行われる燃焼室の温度は、燃焼の 温度から圧縮空気の温度に急速に低下する。この低下は、1秒以内に1000° C以上に及び得る。Because the physical loads on the turbine - for example, the generator settings - This is because it has been removed. Fuel to the turbine to prevent overspeeding , the supply will be stopped immediately. The temperature of the combustion chamber in which the process of the invention of the present application is carried out is The temperature drops rapidly to that of compressed air. This drop is 1000° within 1 second It can reach more than C.
とにかく、金属支持体のチャンネルあるいは通路内の壁に、上記の特定の量のこ の触媒を付着あるいは載置する。触媒は、様々な形で支持体上に導入され得る: 支持体全体を被覆してもよいし、支持体の下流部分を被覆してもよいし、または 支持体の一方の壁を被覆して、下記の後半段階についての説明のように、完全な 熱交換関係を形成してもよい。好ましい形態は、低温での全体活性を高めるため 、全体を覆うものであるが、それぞれの形態が特定の環境において特異的に有効 であり得る。以下の様な幾つかの種類の支持体物質が、本願の目的を満足するニ アルミニウム、アルミニウム含有あるいはアルミニウム処理した鋼鉄、特定のス テンレススチール、または、金属表面に触媒層が付着し得るニッケル合金を含む 任意の高温金属合金。In any case, apply the above specified amount to the walls within the channels or passageways of the metal support. Attach or place the catalyst. The catalyst can be introduced onto the support in various ways: The entire support may be coated, a downstream portion of the support may be coated, or Coat one wall of the support to ensure complete coverage as described for the latter stages below. A heat exchange relationship may also be formed. Preferred forms increase overall activity at low temperatures , which covers the whole, but each form is uniquely effective in a particular environment. It can be. Several types of support materials are available that meet the objectives of this application, such as: Aluminum, aluminium-containing or aluminized steel, certain steel Contains stainless steel or nickel alloys that can form a catalytic layer on the metal surface Any high temperature metal alloy.
好適な物質は、Aggenらの米国特許第4.414.023号、Chapma nらの米国特許第4.331.631号、およびCa1rnsらの米国特許第3 .969,082号に見られる様なアルミニウム含有の鋼鉄である。Suitable materials include Aggen et al. U.S. Pat. No. 4.414.023, Chapma U.S. Pat. No. 4,331,631 to n et al., and U.S. Pat. .. It is an aluminum-containing steel such as that found in No. 969,082.
これらの鋼鉄および、Kavasakj 5teel Corporation (RiverLite 20−5 SR)、 Vereinigte Deu tchse Metall+werke AG (Alumcbrom [RE )、およびAllegheny Ludlum 5teel (Alfa−IV )が市販している他の鋼鉄は、溶解したアルミニウムを充分に含んでいるために 、酸化した時、このアルミニウムが鋼鉄の表面上にアルミナのウィスカー、また は結晶を形成し、ウォッシュコートの接着が良好な、粗くそして化学的に反応性 の表面を提供する。These steels and Kavasakj 5teel Corporation (RiverLite 20-5 SR), Vereinigte Deu tchse Metal+werke AG (Alumcbrom [RE ), and Allegheny Ludlum 5teel (Alfa-IV ) other commercially available steels contain enough molten aluminum to , when oxidized, this aluminum forms alumina whiskers on the surface of the steel, and is coarse and chemically reactive, forming crystals and having good washcoat adhesion surface.
ウォッシュコートは、例えば、ガンマ−アルミナゾル、あるいはアルミニウム、 シリコン、チタニウム、ジルコニウム、および、バリウム、セリウム、ランタン 、クロム、あるいは種々の他の成分の様な添加剤、を含む混合酸化物のゾルの様 な先行技術に記載された様なアプローチを用いて塗布し得る。The washcoat can be, for example, gamma-alumina sol or aluminum, Silicon, titanium, zirconium, and barium, cerium, lanthanum , chromium, or various other ingredients, such as mixed oxide sols. It can be applied using approaches such as those described in the prior art.
ウォッシュコートのより良い接着のために、Chap輸anらの米国特許第4. 729.782号に記載されたシュード−ベーマイトアルミナの希薄懸濁液のよ うな含水の酸化物を含むプライマー層を塗布し得る。しかし、望ましくは、この プライマー処理された表面は、次いで、ジルコニア懸濁液で被覆され、乾燥され 、そして仮焼され、金属表面上に表面積の大きい接着性の酸化物層を形成し得る 。For better adhesion of washcoats, Chap et al., US Pat. No. 4. 729.782, such as the dilute suspension of pseudo-boehmite alumina described in 729.782. A primer layer containing a hydrous oxide such as However, preferably this The primed surface is then coated with a zirconia suspension and dried. , and can be calcined to form a high surface area adhesive oxide layer on the metal surface. .
ウォッシュコートは、例えば、スプレー、直接塗布、ウォッシュコート物質中へ の支持体の浸漬、等の普通に塗料を表面に塗布するのと同じ様式で塗布し得る。Washcoats can be applied, for example, by spraying, directly applying, or into washcoating materials. It can be applied in the same manner as paints are normally applied to surfaces, such as by dipping the support.
アルミニウム構造体もまた本発明の使用に適し、そして、実質的に同様の様式で 処理あるいは被覆し得る。アルミニウム合金は幾分柔軟で、そして、変形し易い 。あるいは、この工程で作動中の外被の温度でさえも溶融する。そのため、これ らは支持体としては好ましくはないが、温度基準さえ適合すれば使用し得る。Aluminum structures are also suitable for use in the present invention and can be constructed in substantially the same manner. May be treated or coated. Aluminum alloys are somewhat flexible and easily deformed . Alternatively, even the temperature of the operating envelope may melt in this process. Therefore, this Although these are not preferred as supports, they can be used as long as the temperature standards are met.
ウォッシュコートおよびパラジウムを金属支持体に塗布し仮焼した後、上述の温 度の「暴走」を防ぐための拡散バリアとして、1層以上の低−あるいは非−触媒 性酸化物のコーティングを次いで塗布し得る。このバリア層はアルミナ、シリカ 、ジルコニア、チタニア、もしくは燃料の燃焼に対して触媒活性が低い様々な他 の酸化物、または混合酸化物、またはウォッシュコート層に対して述べた添加剤 に類似した添加剤を有する酸化物であり得る。アルミナは上記の物質としてはあ まり望ましくない。バリア層は厚さはウォッシュコート層の1%からウォッシュ コー;・より実質的に厚い厚さまでの範囲にわたり得るが、しかし好適にはウォ ッシュコート層の厚さの10%から100%である。好適な厚さは、燃料のタイ プ、ガス流速度、予熱温度、およびウォッシュコート層の触媒活性を含む触媒の 作動条件に依存する。拡散バリアコーティングを触媒構造の下流部分のみに、例 えば長さの30%から70%の部分に塗布することにより、特定の条件の下では 触媒に対する十分な保護が提供されることも見い出された。After applying the washcoat and palladium to the metal support and calcination, one or more layers of low- or non-catalytic as a diffusion barrier to prevent "runaway" A coating of chemical oxide may then be applied. This barrier layer is made of alumina, silica , zirconia, titania, or various others with low catalytic activity for fuel combustion. oxides, or mixed oxides, or additives mentioned for the washcoat layer. can be an oxide with additives similar to . Alumina is not one of the above substances. highly undesirable. The thickness of the barrier layer is 1% of the wash coat layer. - may range in thickness up to substantially greater, but preferably The thickness is 10% to 100% of the thickness of the flash coat layer. The preferred thickness is the fuel tie. catalyst, including gas flow rate, preheat temperature, and washcoat layer catalytic activity. Depends on operating conditions. Applying a diffusion barrier coating only to the downstream part of the catalyst structure, e.g. For example, by applying it to 30% to 70% of the length, under certain conditions It has also been found that sufficient protection for the catalyst is provided.
ウォッシュコートの場合と同様に、バリア層は通常塗料を塗布するときに使用す る塗布方法を用いて塗布し得る。As with washcoats, barrier layers are typically used when applying paint. It can be applied using any application method.
この触媒構造は、触媒構造のチャンネルを通るガスの平均線速度が第一触媒ゾー ン構造中のすべてで約0.2+a/秒以上かつ約40重/秒以下である様に、大 きさおよび形態を作成すべきである。この下限は、メタンの炎前線速度より大き く、そしてこの上限は、現在市販されているタイプの支持体の実用限界の値であ る。これらの平均速度は、メタン以外の燃料では多少異なる。This catalyst structure is such that the average linear velocity of the gas through the channels of the catalyst structure is so that it is about 0.2 + a/sec or more and about 40 f/sec or less in all parts of the bearing structure. The texture and form should be created. This lower limit is greater than the methane flame front velocity. This upper limit is the practical limit value for currently commercially available types of supports. Ru. These average velocities differ somewhat for fuels other than methane.
第一触媒ゾーンは、このゾーンからのガスのバルク流出温度が約800℃以下、 好ましくは450℃から700℃、最も好ましくは500℃から650″Cの範 囲となるような大きさである。The first catalyst zone has a bulk exit temperature of gas from this zone of about 800°C or less; Preferably from 450°C to 700°C, most preferably from 500°C to 650″C. It is large enough to be enclosed.
に肢娠lニヱ 本方法の第二ゾーンは、第一ゾーンから部分的に燃焼したガスを取入れ、熱交換 能力を有する触媒構造の存在下で、制御された燃焼をさらに引き起こす。触媒は 、メンデレーエフの第1B、第v11第Vlll族の貴金属から選択される物質 を含有し得る。本方法の圧力が、約4気圧より上である場合には、1[$11パ ラジウムを含有していることが望ましい。圧力にかかわらず、触媒は、白金また はパラジウムなどの第Vlll族の貴金属を含有する。触媒がパラジウムを含有 する場合には、任意に、第!B族または第Vlll族の貴金属から選択される1 つまたはそれ以上の、等量までの触媒添加物を含有し得る。好ましい触媒添加物 は、銀、金、ルテニウム、ロジウム、白金、イリジウム、またはオスミウムであ る。もつとも好ましいのは銀および白金である。このゾーンは、燃料の部分燃焼 で放出された熱で断熱的に作動し、ガス温度を上昇させる。第一触媒ゾーンと第 二触媒ゾーンとの間では、空気も燃料も添加されない。I'm pregnant with my legs The second zone of the method takes in the partially combusted gas from the first zone and exchanges heat. In the presence of a capable catalyst structure, controlled combustion is further induced. The catalyst is , a substance selected from the noble metals of Mendeleev's 1B, V11 group Vllll. may contain. If the pressure of the method is above about 4 atmospheres, Preferably, it contains radium. Regardless of the pressure, the catalyst contains noble metals of group Vlll, such as palladium. Catalyst contains palladium Optionally, if you want! 1 selected from noble metals of Group B or Group Vllll; It may contain up to an equal amount of one or more catalyst additives. Preferred catalyst additive is silver, gold, ruthenium, rhodium, platinum, iridium, or osmium. Ru. Most preferred are silver and platinum. This zone is where the partial combustion of fuel It operates adiabatically using the heat released by the gas, increasing the gas temperature. The first catalyst zone and No air or fuel is added between the two catalyst zones.
このゾーンの触媒は、好ましくは、モノリス型触媒支持体構造の壁を形成してい る面の一方のみの少なくとも一部に塗布されることを除いて、第一触媒ゾーンで 用いられたものと類似である。図2Aは、金属基体(14)の一方の面に塗布さ れた、高表面積金属酸化物のウォッシュコート(10)と、活性金属触媒(12 )との切断面を示している。この構造は、図2Bに示したウォッシュコート層( 10)とガス流(16)との間の界面を通して、触媒で発生した反応熱を容易に 伝導する。ウォッシュコート(10)と金属(14)との比較的高い熱伝導によ って、熱は、経路(A)にも(B)にも均等に伝導され、反応熱を、ガス流(1 6)および(18)の流れに均等に放散する。この完全な熱交換構造は、式(1 )で表される基体温度、すなわち壁温度を有する壁の温度上昇は、流入温度と理 論的断熱燃焼温度との差の約半分に等しい。The catalyst in this zone preferably forms the walls of a monolithic catalyst support structure. in the first catalytic zone, except that it is applied to at least a portion of only one of the surfaces. Similar to the one used. FIG. 2A shows the coating applied to one side of the metal substrate (14). a high surface area metal oxide washcoat (10) and an active metal catalyst (12). ) is shown. This structure is based on the washcoat layer ( 10) and the gas stream (16) to easily transfer the heat of reaction generated in the catalyst. conduct. Due to the relatively high heat conductivity between the wash coat (10) and the metal (14) Therefore, the heat is conducted equally to paths (A) and (B), and the heat of reaction is transferred to the gas flow (1 6) and (18). This complete heat exchange structure is expressed by the formula (1 ), the temperature rise of the wall with the base temperature, i.e. the wall temperature, is the inflow temperature and the theoretical It is equal to about half the difference from the theoretical adiabatic combustion temperature.
(以下余白) 金属シートの片側を触媒で被覆し、他の側は無触媒とし、巻き上げ構造あるいは 層状構造を形成し、図3Aから30に示される波型シー1− (20)および平 坦なシート(22)を組み合わせて、ガス流に対して低い抵抗を示す長く開いた チャンネル構造を形成し得る。片側を触媒(32)で被覆した波型の金属ストリ ップ(30)を、触媒被覆を有さないセパレーターストリ。(Margin below) One side of the metal sheet is coated with a catalyst and the other side is uncatalyzed, and a rolled structure or Forming a layered structure, the corrugated sheet 1- (20) and the flat sheet shown in FIGS. 3A to 30 In combination with flat sheets (22), long open sheets exhibiting low resistance to gas flow. A channel structure may be formed. Corrugated metal strip coated on one side with catalyst (32) (30) as a separator strip without catalyst coating.
プ(34)と組合せ、図4Aに示した構造を形成し得る。(34) to form the structure shown in FIG. 4A.
あるいは、図4Bに示した様に、触媒構造に組み上げる前に共に片側を触媒で被 覆した、波型ストリップ(36)および平坦なストリップ(38)を図4Bに示 す様に組合せ得る。この構造は、触媒性の壁(図4Aの40および図4Bの42 )、および非触媒性の壁(図4Aの44および図4Bの46)を有するチャンネ ルを形成する。この方法で作製される、触媒性のチャンネルおよび非触媒性のチ ャンネルを有する触媒構造は、係属中の出願(代理人名簿番号PA−0097) に記載されている。これらの構造は、触媒基体温度および排出ガス温度を制御す るユニークな能力を有する。Alternatively, as shown in Figure 4B, both sides are coated with catalyst before assembly into the catalyst structure. The overturned wavy strip (36) and flat strip (38) are shown in Figure 4B. Can be combined as desired. This structure has a catalytic wall (40 in Figure 4A and 42 in Figure 4B). ), and a channel with non-catalytic walls (44 in Figure 4A and 46 in Figure 4B) form a le. Catalytic channels and non-catalytic channels made with this method The catalyst structure with channels is disclosed in a pending application (Attorney Directory No. PA-0097). It is described in. These structures are used to control catalyst substrate temperature and exhaust gas temperature. He has a unique ability to
片側に触媒を被覆した波型シート(42)および平坦なシート(40を、図5に 従い配置し得る。この図では、各シートの触媒性表面は異なったチャンネルに面 し、そのため全てのチャンネルは触媒で被覆された壁を有し、そして全ての壁は 触媒で被覆された1つの表面およびそれに対向する無触媒の表面を有する。図5 の構造は、図4Aおよび図4Bの構造とは異なった挙動を示す。図5の構造の壁 は、完全な熱交換を形成するが、全てのチャンネルが触媒を含むため、全ての燃 料が触媒により燃焼する可能性がある。燃焼は触媒表面で起こるので、触媒およ び支持体の温度は上昇し、そして熱は触媒性の側および非触媒性の側の両方で、 伝導および消散する。このことが触媒基体の温度を制限する役に立ち、そしてパ ラジウムが温度を制御し、1気圧の空気中で750℃からa o o ”cに、 あるいは10気圧の空気で930℃に壁温度を維持するのを助ける。A corrugated sheet (42) and a flat sheet (40) coated with catalyst on one side are shown in FIG. Therefore, it can be arranged accordingly. In this diagram, the catalytic surface of each sheet faces different channels. , so all channels have catalyst-coated walls, and all walls have It has one surface coated with catalyst and an opposing surface without catalyst. Figure 5 The structure behaves differently than the structures of FIGS. 4A and 4B. The wall of the structure in Figure 5 forms a complete heat exchanger, but since all channels contain catalyst, all combustion catalytic combustion. Since combustion occurs on the catalyst surface, the catalyst and and the temperature of the support increases, and heat is generated on both the catalytic and non-catalytic sides. Conducted and dissipated. This helps limit the temperature of the catalyst substrate and Radium controls the temperature, from 750°C to a o ”c in 1 atm air. Alternatively, 10 atmospheres of air can help maintain the wall temperature at 930°C.
充分に長い触媒あるいは充分に低いガス流速では、1気圧の空気中で約800° Cより上、あるいは10気圧の空気で930℃より上の断熱燃焼温度を有する任 意の燃料/空気で、750℃から800°Cの一定の排出ガスが得られる。図4 Aおよび4Bに示した構造は、各触媒性チャンネルおよび各非触媒性チャンネル に、等しい量のガス流が流れる。これらの構造の最大ガス温度上昇は、流入ガス の50%燃焼で発生する。For a sufficiently long catalyst or a sufficiently low gas flow rate, approximately 800° in air at 1 atm. Any material having an adiabatic combustion temperature above 930°C or above 930°C in air at 10 atm. At any given fuel/air, a constant exhaust gas of 750°C to 800°C is obtained. Figure 4 The structures shown in A and 4B include each catalytic channel and each non-catalytic channel. An equal amount of gas flow flows through. The maximum gas temperature rise for these structures is It occurs when 50% of the amount is burned.
図4Aおよび4Bに示した構造は、触媒性チャンネルおよび非触媒性チャンネル を通過する燃料と酸素の比率を変化させることで、反応する燃料と酸素の比率を 制御する様に改変し得る。図6Aは、波型の箔が交互に狭い波型(50)および 広い波型(52)の構造を有する構造を示す。この波型の箔の片側を被覆すると 、大きな触媒性チャンネル(54)および小さな非触媒性チャンネル(56)が 得られる。この構造では、ガス流の約80%が触媒性チャンネルを通過し、そし て20%が非触媒性チャンネルを通過する。最大排出ガス温度は、ガスが断熱燃 焼温度に到達した際に予測される温度上昇の約80%である。逆に、箔の逆の側 のみを被覆した場合(図6B)、触媒性チャンネル(58)を通るガス流が僅か 20%で、そして最大排出ガス温度の上昇が断熱燃焼温度上昇の20%である構 造が得られる。波型の形および大きさの適切な設計で、完全な熱交換を取り入れ た上で、5%から95%の任意のレベルの転換が達成し得る。最大排出ガス温度 は、次の式(2)で計算し得る: この完全な熱交換ゾーンの作動を説明するために、第1の触媒ゾーンからの部分 的に燃焼されたガスは、図4Aの構造に流入すると仮定する。この構造では、触 媒チャンネルを通過するガス流は全流量の50%である。The structures shown in Figures 4A and 4B contain catalytic and non-catalytic channels. By changing the ratio of fuel and oxygen passing through the Can be modified to control Figure 6A shows that the corrugated foil alternates with narrow corrugations (50) and A structure with a wide corrugation (52) structure is shown. If you cover one side of this corrugated foil, , a large catalytic channel (54) and a small non-catalytic channel (56) can get. In this configuration, approximately 80% of the gas flow passes through the catalytic channels and and 20% passes through non-catalytic channels. The maximum exhaust gas temperature is This is about 80% of the expected temperature rise when the firing temperature is reached. Conversely, the other side of the foil (Figure 6B), the gas flow through the catalytic channels (58) is small. 20%, and the maximum exhaust gas temperature rise is 20% of the adiabatic combustion temperature rise. structure is obtained. Proper design of wave shape and size to incorporate perfect heat exchange Any level of conversion from 5% to 95% can be achieved. Maximum exhaust gas temperature can be calculated using the following equation (2): To illustrate the operation of this complete heat exchange zone, a portion from the first catalytic zone Assume that the combusted gas flows into the structure of FIG. 4A. With this structure, the touch The gas flow through the media channel is 50% of the total flow rate.
ガス流の約半分が触媒性の壁(42)を有するチャンネルを通過し、そして半分 は非触媒性の壁(46)を有するチャンネルを通過する。燃料の燃焼は触媒表面 で起こり、そして熱は触媒性および非触媒性の両方のチャンネルを流れるガスに 消散する。ゾーン(1)からの流入ガスが500℃で、そして燃料/空気比が1 300℃での理論的断熱燃焼温度に相当する場合、触媒性チャンネル中での燃料 の燃焼は、流れるガス全ての温度を上昇させる。この熱は、触媒性および非触媒 性の両方のチャンネルを流れるガス中に消散する。計算されるL−IHE壁温度 は:T1.Ia)lIII立l二−工廷且l= 900℃To−s −a−=1 500℃ + [1300℃ −500℃] 、5−900℃である。しかし、 1気圧の空気圧ではパラジウムは、壁温度を750℃から800℃に制限し、そ して最大排出ガス温度は約く800℃である。この場合から判る様に、パラジウ ムの制限は、最大排気ガス温度を制御し、そしてそれにより壁温度を制限する。Approximately half of the gas flow passes through the channel with catalytic walls (42) and half passes through a channel with non-catalytic walls (46). Fuel combustion occurs on the catalyst surface , and heat is transferred to the gas flowing through both catalytic and non-catalytic channels. Dissipate. The incoming gas from zone (1) is at 500°C and the fuel/air ratio is 1. If the fuel in the catalytic channel corresponds to the theoretical adiabatic combustion temperature of 300 °C The combustion of increases the temperature of all flowing gases. This heat can be used for both catalytic and non-catalytic dissipates into the gas flowing through both channels. Calculated L-IHE wall temperature :T1. Ia) lIII standing l2-teching and l=900℃To-s-a-=1 500°C + [1300°C -500°C], 5-900°C. but, At 1 atm air pressure, palladium limits the wall temperature to 750°C to 800°C; The maximum exhaust gas temperature is approximately 800°C. As you can see from this case, Paragiu The system limit controls the maximum exhaust gas temperature and thereby limits the wall temperature.
10気圧の空気圧では状況が異なる。パラジウムの制限温度は約930℃である 。壁は、L−IHE構造により900℃に制御される。The situation is different at an air pressure of 10 atmospheres. The limiting temperature of palladium is about 930℃ . The walls are controlled at 900°C by the L-IHE structure.
この場合、L−IRE構造が壁a度およびガス温度を制限している。In this case, the L-IRE structure limits the wall a degree and gas temperature.
このゾーンにおける触媒構造は、箪−ゾーンの構造と同様の触媒添加量を、触媒 を有する表面上に有していなければならない。この触媒構造は、流れを、第一ゾ ーンと同じ平均線速度に維持する大きさでなければならず、第三触媒段階を所望 する場合には、バルク流出温度が800℃以下、好ましくは600℃からの範囲 、最も好ましくは700℃から800℃の範囲となる大きさでなければならない 。触媒は、第一触媒ゾーンについて説明したような、非触媒拡散バリヤ層を有す ることもできる。The catalyst structure in this zone has a similar catalyst loading as the structure in the trough zone. must be present on the surface. This catalyst structure directs the flow into the first zone. The third catalyst stage should be sized to maintain the same average linear velocity as the If the bulk outlet temperature is below 800°C, preferably in the range from 600°C , most preferably in the range of 700°C to 800°C. . The catalyst has a non-catalytic diffusion barrier layer as described for the first catalytic zone. You can also
別個の触媒構造を2つだけ用いる方法を所望する場合には、設計上の問題として 、(均一な燃焼ゾーンを所望するならば)第二触媒ゾーンは、ゾーンから流出す るガスのバルク温度が自己発火温度以上となるように設計されなければならない 。As a design matter, if a method using only two distinct catalyst structures is desired, , the second catalyst zone (if a uniform combustion zone is desired) flows out of the zone The design shall be such that the bulk temperature of the gas used is above the self-ignition temperature. .
支持体および触媒の温度は、触媒チャンネルおよび非触媒チャンネルの相対寸法 、導入温度、理論断熱燃焼温度、および第二ゾーンの長さによって決まる、適度 な温度に維持される。The temperature of the support and catalyst is determined by the relative dimensions of the catalytic and non-catalytic channels. , moderate, determined by the introduction temperature, the theoretical adiabatic combustion temperature, and the length of the second zone. maintained at a suitable temperature.
第二触媒ゾーンにおけるガスの線速度は、第一ゾーンにおけるものと同一である 。The linear velocity of the gas in the second catalytic zone is the same as in the first zone .
1旦肢lヱニヱ 使用にあたっては、本方法の第三ゾーンは、第二ゾーンから部分的に燃焼したガ スを取入れ、完全な熱交換能力を有し、好ましくは金属酸化物触媒物質を含有す る、または触媒物質として白金を含有する、触媒構造の存在下で、さらに制御さ れた燃焼を引き起こす。金属酸化物物質は、メンデレーエフの第Vlll族およ び第1族から選択される、1つまたはそれ以上の金属を含有していることが望ま しい。これらの物質は、高温でも比較的活性が安定しているために望ましい。パ ラジウム、ロジウム、オスミウム、イリジウム等のその他の燃焼触媒も、白金の 代わりに、もしくは白金に加えて、用い得る。1st limb lenii In use, the third zone of the method collects partially burned gas from the second zone. with full heat exchange capacity and preferably containing metal oxide catalytic material. further controlled in the presence of a catalytic structure containing platinum as a catalytic material. cause combustion. Metal oxide materials are classified into Mendeleev's group VIII and and one or more metals selected from Group 1. Yes. These substances are desirable because their activity is relatively stable even at high temperatures. pa Other combustion catalysts such as radium, rhodium, osmium, and iridium also It can be used instead of or in addition to platinum.
このゾーンは、作動中には本質的に断熱的であり得、かつ、燃料の少なくとも一 部の触媒燃焼によって、均一な燃焼が起こり得る点、またはガスが炉またはター ビンで直接用い得る点まで、さらにガス温度を上昇させる。This zone may be essentially adiabatic during operation and contain at least one portion of the fuel. catalytic combustion at a point where uniform combustion can occur, or where the gas is The gas temperature is further increased to the point where it can be used directly in the bottle.
このゾーンにおける触媒構造は、第二ゾーンで用いられるものと同一であり得る 。上述のように、このゾーンで用いられる触媒は、金属−酸素触媒物質または白 金を含有していることが望ましい。適切な金属−酸素触媒物質としては、メンデ レーエフの第V族(特にNbまたは■)、第Vl族(特にCr)、第Vlll族 の遷移金属(特にFe、 Co、Ni)、および第一系列ランタニド(特にCe 、 Pr、 Nd、 Sa、 Tb、 La)金属酸化物または混合酸化物から 選択されたものが挙げられる。さらに、この触媒物質は、ABO3の形のペロブ スカイト形態物質から選択され得、ここで、Aは、第11A族または第1A族金 属(Ca%Bas Srs Mg5Be、 KSRbSNaまたはCs)から選 択され;Bは、第Vlll族遷移金属、第VIB族または第1B族(特にFe、 Co、 Ni、 Mn、 Cr、 Cu)から選択される。これらの物質がど のように組み合わされるかが重要であるということはまだ見い出していない。基 体を塩の溶液、または所望の金属の複合体で含浸し、その後仮焼することは、文 献で提案されてきたように、適切である。これらの物質は、650℃より上の温 度でのみ、燃焼触媒として一般に活性であり、この温度範囲でかなりの安定性を 示す。これらの物質は、パラジウムのような温度制限作用は示さない;触媒基体 は、注意しておかないと、800℃以上の温度まで上昇し得る。The catalyst structure in this zone can be the same as that used in the second zone . As mentioned above, the catalyst used in this zone can be a metal-oxygen catalyst material or a white It is desirable that the material contains gold. Suitable metal-oxygen catalyst materials include Mende Leev group V (especially Nb or ■), group Vl (especially Cr), group Vllll transition metals (especially Fe, Co, Ni), and first series lanthanides (especially Ce , Pr, Nd, Sa, Tb, La) from metal oxides or mixed oxides Selected ones are listed. Additionally, this catalytic material is a perovskite in the form of ABO3. may be selected from skite-form materials, where A is a Group 11A or Group 1A metal. Selected from the genus (Ca%Bas Srs Mg5Be, KSRbSNa or Cs) B is a group VIII transition metal, a group VIB or a group 1B (particularly Fe, Co, Ni, Mn, Cr, Cu). What are these substances? I have not yet discovered that it is important whether they are combined like this. base Impregnating the body with a solution of salts or with a complex of the desired metal and then calcining it is It is appropriate, as has been proposed in the These materials are suitable for temperatures above 650°C. It is generally active as a combustion catalyst only at show. These materials do not exhibit temperature-limiting effects like palladium; catalytic substrate If care is not taken, temperatures can rise to over 800°C.
図6のL−IHE触媒構造が、触媒チャンネル(3)を通して50%のガス流を 、非触媒チャンネル(4)を通して50%のガス流を有し、かつ、触媒チャンネ ルにおいて燃焼が完了すると、第三ゾーンからの流出ガス温度は、上述したよう に、導入温度と断熱燃焼温度との平均になる。壁面温度およびガス温度は、上記 の式(1)および(2)に規定される。触媒チャンネル内で不完全反応が起こる と、流出ガス温度が低くなる。The L-IHE catalyst structure of Figure 6 allows 50% gas flow through catalyst channels (3). , with 50% gas flow through the non-catalytic channel (4) and the catalytic channel (4). Once combustion is completed in the third zone, the temperature of the exiting gas from the third zone will be as described above. is the average of the inlet temperature and the adiabatic combustion temperature. Wall temperature and gas temperature are as above. is defined by equations (1) and (2). Incomplete reaction occurs within the catalyst channel As a result, the temperature of the outflow gas decreases.
第二ゾーンからの排出ガスが、約800℃以上の温度で、燃料/空気混合物が1 300°Cの理論断熱燃焼温度を有し、50%のガス混合物が触媒チャンネル内 で完全に燃焼されると、第三ゾーンからの流出温度は1050℃(つまり、80 0℃と1300℃との平均)となる。この流出ガス温度の結果、急速な均一燃焼 が得られる。The exhaust gas from the second zone is at a temperature above about 800°C and the fuel/air mixture is It has a theoretical adiabatic combustion temperature of 300°C, with 50% of the gas mixture inside the catalyst channels. When completely combusted at (average of 0°C and 1300°C). This exit gas temperature results in rapid, uniform combustion is obtained.
第三ゾーンに入る燃料の少なくとも一部を燃焼させるためには、第三ゾーンの構 造は多くの形態をとり得、触媒は様々な方法で塗布し得る。例としては、上記で 図6Aと6Bとについて説明した構造を用いると、それぞれ、第三ゾーンに入る ガス混合物の80%または20%の転換が行える。第三ゾーンからの流出ガス温 度は、触媒支持体の設計によって調節し得る。In order to combust at least a portion of the fuel entering the third zone, the structure of the third zone must be The structure can take many forms and the catalyst can be applied in a variety of ways. For example, in the above Using the structure described for Figures 6A and 6B, respectively, entering the third zone. A conversion of 80% or 20% of the gas mixture is possible. Outflow gas temperature from third zone The degree can be adjusted by the design of the catalyst support.
従って、設計上の問題として、(第四ゾーン均一燃焼ゾーンを所望する場合には )第三ゾーンから流出するガスのバルク温度が自己点火温度を越えるように、第 三ゾーンを設計するべきである。支持体および触媒の温度は、触媒チャンネルお よび非触媒チャンネルの相対寸法、導入温度、理論断熱燃焼温度、および第三ゾ ーンの長さによって決まる適度な温度に維持される。第三触媒ゾーンにおけるガ スの線速度は、第−および第二ゾーンにおけるものと同一の範囲であるが、温度 が高いので、明らかにより速いものとなる。Therefore, as a design issue, (if a fourth zone homogeneous combustion zone is desired) ) The bulk temperature of the gas exiting the third zone exceeds the autoignition temperature. Three zones should be designed. The temperature of the support and catalyst is relative dimensions of the and non-catalytic channels, inlet temperature, theoretical adiabatic combustion temperature, and third zone. maintained at a moderate temperature determined by the length of the tube. Gas in the third catalyst zone The linear velocity of the is higher, so it is clearly faster.
肛二漿澁lニヱ これまでの燃焼ゾーンから流出したガスは、温度が正しければ、このまま用いる のに適切な状態にあり得る;このガスは、実質的にNoxを含有せず、しかし触 媒および触媒支持体は長期の安定性を可能とする温度に維持されている。しかし 、多くの使用法では、さらに高い温度が必要である。たとえば、多くのガスター ビンは、約1260’Cの導入温度に設計されている。従って、均一燃焼ゾーン を付は加えることが適切であり得る。two anus The gas that has flowed out from the previous combustion zone can be used as is if the temperature is correct. the gas may be in suitable conditions for The medium and catalyst support are maintained at a temperature that allows long-term stability. but , many applications require even higher temperatures. For example, many gasters The bottle is designed for an inlet temperature of approximately 1260'C. Therefore, the homogeneous combustion zone It may be appropriate to add .
均一燃焼ゾーンは大きくなくてもよい。実質的に完全な燃焼(つまり一酸化炭素 IQppm以下)を達成し、断熱的燃焼温度に達するには、このゾーン内でのガ スの残留時間は、約11または12ミリ秒以下でなければならない。The homogeneous combustion zone does not have to be large. Virtually complete combustion (i.e. carbon monoxide gas within this zone to achieve a The residence time of the flash should be less than about 11 or 12 milliseconds.
下の表は、(燃料/空気比の関数としての)様々な断熱的燃焼温度の達成するた め、および、様々なほぼ完全な燃焼を達成するための、燃料−(メタン)/空気 比と、第三触媒ゾーンから流出するガスのバルク温度と、圧力との関数として、 算出された残留時間を示す。これらの反応時間は、均一燃焼モデルと、Keeら が示した速度定数(kinetic rata constants) (Sa ndia National Laboratory Report No、 5AND 8O−8003)を用いて計算した。The table below shows the results for achieving various adiabatic combustion temperatures (as a function of fuel/air ratio). and fuel-(methane)/air to achieve near-complete combustion. as a function of the ratio, the bulk temperature of the gas exiting the third catalytic zone, and the pressure: Shows the calculated residual time. These reaction times are based on the homogeneous combustion model and Kee et al. Kinetic rate constants (Sa ndia National Laboratory Report No. 5AND 8O-8003).
明らかに、ガスタービンの基体に用いられる方法については(たとえば、触媒ゾ ーンガスバルク流出温度=900℃、F/A率0.043、圧力=10気圧)、 断ハ燃焼温度および完全燃焼を達成するための残留時間は5ミリ秒未満である。Obviously, for the methods used in gas turbine substrates (e.g. catalytic gas bulk outflow temperature = 900°C, F/A ratio 0.043, pressure = 10 atm), The maximum combustion temperature and residence time to achieve complete combustion are less than 5 milliseconds.
バルク線ガス速度が40m/秒未満であれば(触媒段階に関して上述したように )、均一燃焼ゾーンの長さを0.2m未満とし得る。If the bulk linear gas velocity is less than 40 m/s (as described above for the catalyst stage) ), the length of the homogeneous combustion zone may be less than 0.2 m.
要するに、本方法は、多(の慎重に作成された触媒構造と触媒方法とを用い、実 質的にNOxを含有せず、通常の燃焼方法に匹敵する温度の、作動ガスを製造す る。しかし、触媒または支持体を阻害し得る、またはその有効寿命を短くし得る 、有害な高温に、触媒およびその支持体が曝されることはない。In summary, this method uses a carefully crafted catalyst structure and catalytic method to Produces a working gas that is qualitatively NOx-free and has a temperature comparable to that of conventional combustion methods. Ru. However, it may inhibit the catalyst or support or shorten its useful life. , the catalyst and its support are not exposed to harmful high temperatures.
爽血且 爽立且土 この実施例では、三段階触媒システムの組立を示す。fresh blood and Soaring soil This example shows the assembly of a three-stage catalyst system.
反階上 第一段階は以下のように調製された: 13%のパラジウム/ZrO2ゾルを調 製した。表面積45m2/g+oのZrO2粉末145gの試料を、HNO3に Pd(HN3)2(NO2)2を溶解することによって調製した0、83g/m lのパラジウムを含有するパラジウム溶液45m1に含浸した。この固体を乾燥 し、空気中で500℃で仮焼し、230m1の820と2.01の濃HNO3と 円筒状のジルコニア媒体と共に、ポリマーで内側を覆ったボールミルに充填した 。Anti-staircase The first step was prepared as follows: 13% palladium/ZrO2 sol was prepared. Manufactured. A sample of 145 g of ZrO2 powder with a surface area of 45 m2/g+o was dissolved in HNO3. 0.83 g/m prepared by dissolving Pd(HN3)2(NO2)2 It was impregnated with 45 ml of palladium solution containing 1 ml of palladium. Dry this solid Then, it was calcined in air at 500℃, and 230ml of 820 and 2.01 of concentrated HNO3 were added. A polymer-lined ball mill was filled with a cylindrical zirconia medium. .
この混合物を8時間混合粉砕した。This mixture was mixed and ground for 8 hours.
(約35重量%の固体を含有する)このゾル50ccに、36+mlのパラジウ ム溶液を加えた。p■を約9に調節し、1.0■lのヒドラジンを加えた。室温 で撹拌して、パラジウムを還元した。最100平方セル毎1平方インチ(SCS I)を有するコージェライトモノリス型セラミックハニカム構造を、上記のパラ ジウム/ZrO2ゾルに浸漬し、過剰なゾルをチャンネルから吹き飛ばした。こ のモノリスを乾燥して、850℃で仮焼した。モノリスは、6.1%のZrO2 と、1.5%のパラジウムとを含有していた。To 50 cc of this sol (containing approximately 35% solids by weight), add 36+ ml of palladium The solution was added. The p■ was adjusted to about 9 and 1.0μl of hydrazine was added. room temperature The palladium was reduced by stirring. up to 100 square cells per square inch (SCS I) A cordierite monolith type ceramic honeycomb structure having the above parameters It was immersed in the Dium/ZrO2 sol and the excess sol was blown out of the channel. child The monolith was dried and calcined at 850°C. The monolith contains 6.1% ZrO2 and 1.5% palladium.
このモノリスを再び同じパラジウム/ZrO2ゾルに、101mの深さまで浸漬 し、取り出し、吹き飛ばし、乾燥して、仮焼した。This monolith was immersed again in the same palladium/ZrO2 sol to a depth of 101 m. Then, it was taken out, blown dry, and calcined.
最終触媒は、導入のio、Omm部分に25%のZrO2と6.2%のパラジウ ムを含有していた。The final catalyst consisted of 25% ZrO2 and 6.2% palladium in the io, Omm portion of the introduction. It contained mu.
皮限呈 第二段階触媒を以下のように調製した二zrO2のコロイド状ゾルを調製した。limited skin appearance The second stage catalyst was prepared as follows: A colloidal sol of 2zrO2 was prepared.
約66gのジルコニウムイソプロポキシドを75ccの水で加水分解し、表面積 100■2/g■のZrO2粉末100gとさらに56■lの水と混合した。こ のスラリーを、ZrO2の円筒状媒体を用いて、ポリマーで内側を覆ったボール ミルで8時間混合粉砕した。このコロイド状ゾルに水を加えて、ZrO2濃度1 5%まで希釈した。Approximately 66 g of zirconium isopropoxide was hydrolyzed with 75 cc of water to determine the surface area. 100 g of ZrO2 powder at 100 2/g was mixed with a further 56 l of water. child The slurry was transferred to a polymer-lined ball using a cylindrical medium of ZrO2. The mixture was mixed and ground in a mill for 8 hours. By adding water to this colloidal sol, the ZrO2 concentration is 1. Diluted to 5%.
Fe/Cr/Alの合金箔にヘリンボン型に波うたせ、空気中で900℃で酸化 して、箔表面にアルミナのホイスカーを形成した。Wave the Fe/Cr/Al alloy foil in a herringbone shape and oxidize it in air at 900°C. Then, alumina whiskers were formed on the foil surface.
上記zr02ゾルを波型の箔にスプレーした。被覆された箔を乾燥し、850℃ で仮焼した。最終的な箔は、表面IC12あたり12膳gのZrO2を有してい た。The above zr02 sol was sprayed onto corrugated foil. Dry the coated foil at 850°C It was calcined in The final foil had 12 g of ZrO2 per surface IC12. Ta.
2−エチルへ牛すン酸パラジウムをトルエンに溶解し、パラした金属箔の一方の 面のみにスプレーし、乾燥して、空気中で850°Cで仮焼した。最終的な箔は 、表面few”あたり0.5Bのパラジウムを有していた。Dissolve palladium bovine acid into 2-ethyl toluene and place on one side of the paralyzed metal foil. It was sprayed on only the surface, dried and calcined at 850°C in air. The final foil is , had 0.5 B palladium per few'' surface.
波型の箔を、波が噛み合わないように巻き、直径2インチ、長さ2インチで、構 造全体に渡って細長いチャンネルを軸方向に有し、1平方インチあたり約150 のセルを有する最終金属構造を形成した。この箔は、一方の面にのみパラジウム /ZrO2触媒を有しており、各チャンネルは、図3Aに示すような、触媒被覆 面と非触媒面とからなる。Wrap the corrugated foil so that the waves do not interlock, 2 inches in diameter and 2 inches long. It has elongated channels axially throughout the structure, with approximately 150 channels per square inch. A final metal structure was formed with cells of . This foil only has palladium on one side /ZrO2 catalyst, and each channel is coated with a catalyst as shown in Figure 3A. It consists of a surface and a non-catalytic surface.
R1主 第三段階触媒を以下のように調製した:アルミナゾルを調製した。表面積180 m2/gのガンマアルミナ約125gと、濃硝酸21m1と、水165+elと を、円筒状アルミナ粉砕媒体と共に半ガロンボールミルに充填し、24時間混合 粉砕した。このゾルを固体濃度20%まで希釈した。R1 main The third stage catalyst was prepared as follows: An alumina sol was prepared. Surface area 180 Approximately 125g of gamma alumina of m2/g, 21ml of concentrated nitric acid, and 165+el of water. was charged into a half gallon ball mill with cylindrical alumina grinding media and mixed for 24 hours. Shattered. This sol was diluted to a solids concentration of 20%.
Fe/Cr/A1合金箔を波型にして、箔片に均一な直線状チャンネルを形成し た。平坦な箔片と共に巻くと、螺旋構造が、直線状チャンネルを有するハニカム 構造を形成した。波型の箔片に、まず、5%コロイド状ベーマイトゾルをスプレ ーし、その後上記で調製したアルミナゾルをスプレーした。平坦な金属箔にも同 様にスプレーした。それぞれの箔は一方の面のみをこのように被覆した。そして 、箔を乾燥し、1100℃で仮焼した。The Fe/Cr/A1 alloy foil is corrugated to form uniform straight channels in the foil piece. Ta. When rolled together with flat foil strips, the helical structure forms a honeycomb with straight channels. formed the structure. First, spray 5% colloidal boehmite sol onto a corrugated piece of foil. Then, the alumina sol prepared above was sprayed. Same goes for flat metal foil. I sprayed it like that. Each foil was thus coated on only one side. and , the foil was dried and calcined at 1100°C.
Pt(NH3)2(NO2)2を硝酸に溶解−して、白金を0.13g/sl含 有する溶液を作った。この溶液を被覆した箔にスプレーし、箔を気体H2Sで処 理し、乾燥し、1100℃で仮焼した。金属箔上のアルミナ被覆の「厚み」は、 平坦な箔表面で約4mg/cm2であった。Pt(NH3)2(NO2)2 was dissolved in nitric acid, containing 0.13g/sl of platinum. I made a solution with Spray this solution onto the coated foil and treat the foil with gaseous H2S. The mixture was washed, dried, and calcined at 1100°C. The "thickness" of the alumina coating on the metal foil is It was about 4 mg/cm2 on a flat foil surface.
白金添加量は、アルミナの約20%であった。The amount of platinum added was about 20% of the alumina.
= システム 上記の3つの触媒を、図7に示したように、セラミックのシリンダーの内側に並 べた。このシステムでは、熱電対を図示した場所に置いた。触媒部分に置かれた 熱電対は、セラミックセメントでチャンネルの中に封じ込め、触媒基体の温度を 測定した。ガス熱電対は、ガス流中に浮遊させた。図7の絶縁触媒部分は、直径 50厘1のガス流経路を有するリアクター内に設置された。150SLPMの空 気が、電気ヒーター、静止ガス混合器を通して、触媒システムに流された。67 SLPMの天然ガスを、静止ガス混合器のすぐ上流で加えた。電気ヒーターの電 力を上げることによって、空気温度をゆっくりと上げた。= system The above three catalysts are arranged inside a ceramic cylinder as shown in Figure 7. Beta. In this system, thermocouples were placed at the locations shown. placed on the catalyst part The thermocouple is enclosed in a channel with ceramic cement and measures the temperature of the catalyst substrate. It was measured. A gas thermocouple was suspended in a gas stream. The diameter of the insulated catalyst part in Figure 7 is It was installed in a reactor with 50 liters of gas flow path. 150SLPM sky Air was passed through an electric heater, a static gas mixer, and into the catalyst system. 67 SLPM natural gas was added just upstream of the static gas mixer. electric heater power By increasing the force, the air temperature was slowly raised.
368°Cで、段階1.2および3から流出するガス温度が、図8に示すように 上がり始めた。380℃の予熱温度以上では、段階1からのガス温度は約530 °Cで一定であり、段階2から流出のガス温度は約780″Cであり、段階3か ら流出するガスは約1020℃であった。触媒がガス温度を、約1250°Cに した後、均一燃焼が起こる。この温度は、この燃料/空気比の断熱燃焼温度に近 い温度である。この三段階の基体温度を、図9に示す。At 368 °C, the gas temperature exiting from stages 1.2 and 3 is as shown in Figure 8. It started to rise. Above the preheat temperature of 380°C, the gas temperature from stage 1 is approximately 530°C. °C, the gas temperature exiting from stage 2 is approximately 780"C, and from stage 3 the gas temperature is approximately 780"C. The temperature of the gas flowing out was about 1020°C. The catalyst increases the gas temperature to approximately 1250°C. After that, uniform combustion occurs. This temperature is close to the adiabatic combustion temperature for this fuel/air ratio. The temperature is high. These three stages of substrate temperature are shown in FIG.
上述したように、段階l触媒は低温で着火し、基体温度は約750℃で自己制限 された。この触媒セル濃度およびガス流速度は、中間ガス温度を540℃とした 。同様に、段階2も基体温度を780℃で自己制限し、ガス温度を750℃とし た。段階3は、壁二度が1100 ”Cに制限された。As mentioned above, the Stage I catalyst ignites at low temperatures and the substrate temperature is self-limiting at about 750°C. It was done. The catalyst cell concentration and gas flow rate were determined with an intermediate gas temperature of 540°C. . Similarly, stage 2 also self-limits the substrate temperature at 780°C and the gas temperature at 750°C. Ta. Stage 3 was limited to a wall temperature of 1100"C.
段階1および2の基体温度が750℃から780℃に制限されることによって、 非常に長い期間C゛こわなって触媒安定性が得られた。この安定性は図10に示 すように、100時間にわたって示された。導入空気温度を400°Cに維持し 、燃料/空気比をメタン流速度を上げて増加させることによって、この触媒シス テムを再び始動させた。この始動工程を図11に示す。段階1は、燃料/空気= 、033で流出ガス温度540°Cに達し、燃料/空気比、O45までこの温度 を維持した。触媒の後の領域での完全均一燃焼は、燃料/空気比、045で達成 された。By limiting the substrate temperature in stages 1 and 2 to 750°C to 780°C, Catalyst stability was obtained with Cₛ stiffness for a very long period. This stability is shown in Figure 10. This was shown to be the case over a period of 100 hours. Maintain the inlet air temperature at 400°C. This catalytic system can be improved by increasing the fuel/air ratio by increasing the methane flow rate. I started the system again. This starting process is shown in FIG. Stage 1 is fuel/air = , the exit gas temperature reached 540 °C at 033, and this temperature remained until the fuel/air ratio, O45. was maintained. Complete homogeneous combustion in the region after the catalyst is achieved at a fuel/air ratio of 045 It was done.
本発明を、直接的な説明と実施例とによって説明してきた。The invention has been illustrated by direct description and examples.
実施例は、以下にクレームする本発明を限定するものではなく、単なる実施例に すぎない。さらに、当業者は、これらのクレームに記載する発明を実施する同等 の方法に気付くであろう。そのような同等の方法は、本発明の趣旨に含まれると 考える。The examples are not intended to limit the invention as claimed below, but are merely illustrative. Only. Furthermore, those skilled in the art will be able to find equivalents that implement the invention recited in these claims. You will notice the method. Such equivalent methods are considered to be within the spirit of the present invention. think.
末防筋h“スジ随 ケをを÷シトf6.10c 1 ? 6 シ31A 10c CH,Ft啼ioに41大テスト 奮カイ1m千間 /81 国際調査報告 フロントページの続き (31)優先権主張番号 617,980(32)優先日 1990年11月2 6日(33)優先権主張国 米国(US) (31)優先権主張番号 618,301(32)優先日 1990年11月2 6日(33)優先権主張国 米国(US) (81)指定国 EP(AT、BE、CH,DE。End defense muscle h “suji tsui” Ke ÷ Shito f6.10c 1? 6 C31A 10c 41 major tests on CH, Ft io Struggle 1m 1,000m/81 international search report Continuation of front page (31) Priority claim number: 617,980 (32) Priority date: November 2, 1990 6th (33) Priority claim country: United States (US) (31) Priority claim number: 618,301 (32) Priority date: November 2, 1990 6th (33) Priority claim country: United States (US) (81) Designated countries EP (AT, BE, CH, DE.
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