KR100261783B1 - Multistage process for combustion fuel mixtures - Google Patents

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KR100261783B1
KR100261783B1 KR1019930701568A KR930701568A KR100261783B1 KR 100261783 B1 KR100261783 B1 KR 100261783B1 KR 1019930701568 A KR1019930701568 A KR 1019930701568A KR 930701568 A KR930701568 A KR 930701568A KR 100261783 B1 KR100261783 B1 KR 100261783B1
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combustion
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fuel
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KR1019930701568A
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랄프에이.델러베타
쓰루미가즈노리
에자와노부야스
제임스시.스크래터
사렌토지.니콜라스
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다나까 세이이찌로
다나까 기낀조꾸 고교 가부시끼가이샤
젝미넥 알 에이.
캐탈리티카 인코포레이티드
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C13/00Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C6/00Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion
    • F23C6/04Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection
    • F23C6/045Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection with staged combustion in a single enclosure
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23C2900/00Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/13002Catalytic combustion followed by a homogeneous combustion phase or stabilizing a homogeneous combustion phase

Abstract

This invention is a combustion process having a series of stages in which a fuel/oxygen-gas-containing mixture (16, 18) is combusted stepwise using a series of specific catalysts and catalytic structures (figure 2) and, optionally, a final homogeneous combustion zone to produce a combusted gas at a selected temperature preferably between 1050 DEG and 1700 DEG C. Depending upon the pressure of operation, there may be two or three discrete catalytic stages (stages 1, 2 and 3). The choice of catalysts and the use of specific structures, including those employing integral heat exchange (44) results in a catalyst and its support which are stable due to their comparatively low temperature, do not deteriorate, and yet the product combustion gas is at a temperature suitable for use in a gas turbine, furnace, boiler, or the like, but has low NOx content. Neither fuel nor air is added to the combustion process except in the initial stage.

Description

연료혼합물 연소를 위한 다단공정Multistage process for fuel mixture combustion

제1또는 압력의 균질연소온도 및 팔라듐 온도에 대한 관계를 나타낸 그래프.Graph showing the relationship between homogeneous combustion temperature and palladium temperature of the first or pressure.

제2a 및 b또는 단지 한면에만 촉매를 가지는 촉매 구조물 벽의 클로즈업한 일부 단면도.Close-up partial cross-sectional view of the walls of catalyst structures having catalysts 2a and b or only one side thereof.

제3a, b, c도, 4a, b도, 5도, 6a 및 b또는 모두 본발명 공정의 촉매 단계에 사용될 수 있는 일체식 열교환 촉매 구조물의 변형을 나타내는 도면.3a, b, c degrees, 4a, b degrees, 5 degrees, 6a and b or all show variations of the integral heat exchange catalyst structure that can be used in the catalytic step of the present invention process.

제7또는 실시예에서 사용된 3단계 촉매시험 반응기의 개략도.Schematic diagram of the three stage catalytic test reactor used in the seventh or example.

제8도 및 9또는 예비가열온도의 함수로서의 각종 조작온도를 나타내는 그래프.8 and 9 or graph showing various operating temperatures as a function of preheating temperature.

제10또는 장기간 정상상태에서의 조작시험 동안의 각종 조작온도를 나타내는 그래프.A graph showing various operating temperatures during the tenth or long term steady state test.

제11또는 전형적인 작동개시 절차 동안의 각종 조작온도를 나타내는 그래프이다.A graph showing various operating temperatures during the eleventh or typical start-up procedure.

본 출원은 명칭이 "가연혼합물 연소공정"(PA-0041)인 쓰루미(Tsurumi), 에자와(Ezawa), 달라베타(Dalla Betta) 의 미국출원 제07/617,976호; 명칭이 "연료혼합물 연소를 위한 다단 공정" (PA-0004) 인 달라베타, 쓰루미, 에자와의 미국출원 제617,977호; 명칭이 "고온단계에서 산화물 촉매를 사용하여 연료혼합물을 연소하기 위한 다단공정"(PA-0038)인 달라베타, 쓰루미, 에자와의 미국출원 제617,980호; 명칭이 "연료혼합물 연소를 위한 2단공정"(PA-0030)인 달라베타, 에자와, 쓰루미, 스크래터(Schlatter) 및 니콜라스(Nickolas)의 미국 출원 제618,301호의 일부 계속이며, 이들 출원내용 전체가 통합 소개되어 있다.The present application discloses U.S. Application Nos. 07 / 617,976 to Tsurumi, Ezawa, and Dalla Betta, entitled “Combustible Mixture Combustion Process” (PA-0041); US application 617,977 to Dalabeta, Tsurumi, Ezawa, entitled "Multistage Process for Combustion of Fuel Mixes" (PA-0004); US Application No. 617,980 to Dalabeta, Tsurumi, Ezawa, entitled "Multistage Process for Combustion of Fuel Mixes Using Oxide Catalysts at High Temperature Stages" (PA-0038); Part of a continuation of U.S. Application No. 618,301 to Dalabeta, Ezawa, Tsurumi, Schlatter, and Nicholas, entitled “Two Stage Process for Combustion of Fuel Mixes” (PA-0030) The whole is integrated.

[발명의 분야][Field of Invention]

본발명은 일련의 특정한 촉매 및 촉매구조물을 사용하여 연료/산소-가스-함유혼합물이 단계적으로 연소되는 일련의 단계 그리고, 선택적으로, 바람직하게는 1050℃ 내지 1700℃의 선정된 온도에서 연소가스를 발생시키기 위한 최종의 균일 연소구역을 가진 연소공정에 관한 것이다. 조작압력에 따라, 2 또는 3개의 구별되는 촉매 단계가 있다. 촉매를 잘 선택하고, 일체식 열교환을 이용하는 구조물을 포함하여 특정구조물을 사용함으로써, 비교적 낮은 온도로 인해 안정하고 성능이 저하하지 않는 촉매 및 그 지지체가 얻어지며, 그러면서도 생성된 연소가스는 가스터어빈, 노, 보일러등에 이용되기에 적당한 온도에 있고 또한 NOx 함량은 낮다.The present invention employs a series of stages in which a fuel / oxygen-gas-containing mixture is burned in stages using a series of specific catalysts and catalyst structures, and optionally, combustion gases at a predetermined temperature of preferably 1050 ° C to 1700 ° C. A combustion process with a final uniform combustion zone for generating. Depending on the operating pressure, there are two or three distinct catalyst stages. By using specific structures, including those that select catalysts well and utilize integral heat exchange, catalysts and supports are obtained that are stable and do not degrade due to relatively low temperatures, and the resulting combustion gases are produced by gas turbines, It is at a temperature suitable for use in furnaces, boilers, etc., and its NOx content is low.

초기 단계를 제외하고는 연료와 공기는 연소공정에 가해지지 않는다.Except at the initial stage, fuel and air are not added to the combustion process.

[발명의 배경][Background of invention]

미국 및 세계 각지에 있어 현대적 오염방지법의 출현과 더불어, 각종 오염물질을 최소화하는 중요하고 신규한 방법들이 연구되고 있다.With the advent of modern pollution control laws in the United States and around the world, important new methods of minimizing pollutants are being studied.

장작, 석탄, 기름, 천연가스 어느 것이건 연료의 연소가 오늘날 존재하는 오염문제의 대부분을 일으키는것 같다. 연료원중에 불순물이 존재하기 때문에 생기는 SO2와 같은 몇종류의 오염물질은, 연료를 불순물 제거처리를 함으로써 또는 종국적으로 발생되는 배기가스를 처리하여 오염물을 제거함으로써, 제거될 수 있다.Firewood, coal, oil, natural gas, or any other fuel, seems to cause most of the pollution problems that exist today. Several types of contaminants, such as SO 2 due to the presence of impurities in the fuel source, can be removed by removing the contaminants by subjecting the fuel to an impurity removal treatment or by treating the resulting exhaust gas.

불완전 연소로 인해 생기는 일산화탄소와 같은 오염물질은 연소후 산화에 의해 또는 연소공정을 개선함으로써 제거될 수 있다. 다른 중요 오염물질인 NOx (대부분의 NO와 극소량의 NO2와의 평형 혼합물)는, 이물질 생성을 최소화하도록 연소공정을 조절함에 의해 또는 나중에 제거함에 의해 처리될 수 있다.Contaminants such as carbon monoxide resulting from incomplete combustion can be removed by post-combustion oxidation or by improving the combustion process. Another important pollutant, NOx (equilibrium mixture of most NO and trace amounts of NO 2 ), can be treated by adjusting the combustion process to minimize the generation of foreign matter or by removing it later.

Nox는 일단 생성되면 제거하기 어려운데 그 이유는 대부분의 배기가스 중에서 비교적 안정하고 낮은 농도로 존재하기 때문이다. 자동차에서 사용되는 한가지 해별법은 일산화탄소를 화학적으로 이용하여 NOx를 질소로 환원시키고 그와 동시에 일산화 탄소를 이산화탄소로 산화시키는 방법이다.Nox is difficult to remove once produced because it is relatively stable and present at a low concentration in most exhaust gases. One breakup method used in automobiles is the use of carbon monoxide chemically to reduce NOx to nitrogen and at the same time to oxidize carbon monoxide to carbon dioxide.

그러나 두 오염물질을 반응시킬 필요가 있다는 것은 역시 최초의 연소반응이 비효율적이었다는 결론을 말하는 것이 된다.But the need to react the two pollutants also leads to the conclusion that the first combustion reaction was inefficient.

황불순물은 연료로 부터 제거될 수 있는데, 그런 황오염물의 경우와는 달리 연소공정에 공급된 공기로 부터 질소를 제거하는 것은 분명히 실현성 없는 해결법임을 유의해야 할것이다. 일산화탄소의 경우와는 달리, 연소반응을 개선하면, 그때에 채용되는 높은 온도로 인해 생성되는 NOx의 수준은 상승할 것이다.Sulfur impurity can be removed from the fuel, and unlike such sulfur pollutants, it should be noted that removing nitrogen from the air supplied to the combustion process is clearly an impractical solution. Unlike in the case of carbon monoxide, improving combustion reactions will raise the level of NOx produced due to the high temperatures employed at that time.

그러나, 연소 NOx를 감소시키려는 도전은 여전히 계속되고 있고, 몇가지의 다른 방법이 제안되었다. 그러나 선택된 방법은, 연소가스를 발생시키는 목표 즉 그의 발열량을 터어빈, 보일러 또는 노에서 회수하는 것과 심하게 상충하지 않아야 할 것이다.However, the challenge of reducing combustion NOx continues, and several other methods have been proposed. However, the chosen method should not be in sharp conflict with the goal of generating combustion gases, ie its calorific value, recovered in a turbine, boiler or furnace.

많은 사람들이, NOx 생성을 억제하는 유효한 방법은 연소구역에 있어 국부온도 및 전체적 온도를 1800℃ 이하의 어떤 온도로 제한하는 것이라는 것을 인정하고 있다. 예컨데 후루야(Furuya)등의 미국특허 제4,731,989호의 제1난, 제52~59행 및 힌딘(Hindin)등의 미국특허 제4,088,135호의 제2난을 보라.Many recognize that the effective way to suppress NOx production is to limit the local and global temperatures to some temperature below 1800 ° C in the combustion zone. See, for example, column 1 of US Pat. No. 4,731,989 to Furya et al., Lines 52-59 and second column of US Pat. No. 4,088,135 to Hindin et al.

과잉공기로 희석하는 것, 한가지 또는 몇가지 촉매를 사용하여 연소를 제어하는 것, 또는 여러가지의 묽은 또는 진한 연료혼합물을 사용하여 다단연소시키는 것과 같이 다수의 온도제어방법이 있다. 이들 방법의 조합도 또한 알려져 있다.There are a number of temperature control methods, such as diluting with excess air, controlling combustion using one or several catalysts, or multistage combustion using various dilute or concentrated fuel mixtures. Combinations of these methods are also known.

널리 시도되는 한방법은 다단촉매 연소를 사용하는 것이다.One widely attempted approach is to use multistage catalyst combustion.

이들 공정의 대부분에서는 금속산화물 또는 세라믹 촉매 담체를 가진 다부분(multi-section) 촉매를 이용한다. 그러한 개시들중 전형적인 것은 다음과 같다.Most of these processes utilize multi-section catalysts with metal oxides or ceramic catalyst carriers. Typical of such disclosures are as follows.

그러한 세라믹 또는 금속산화물 지지체를 사용하는 것은 분명히 주지되어 있다. 형성된 구조체는 금속 지지체와는 달리 쉽게 용융 또는 산화하지 않는다. 특정온도 범위에서 사용되도록 주의 깊게 설계된 세라믹 지지체는 그 온도범위에서 적절하게 작용한다. 그러나 많은 그러한 재료는 1100℃ 이상의 온도에서는 상변화를 받거나 또는 촉매계의 다른 성분과 반응할 수 있는 것으로, 예컨대 감마 알루미나상은 그 온도범위에서 알파 알루미나로 변한다.It is clearly known to use such ceramic or metal oxide supports. The formed structure does not readily melt or oxidize unlike metal supports. Carefully designed ceramic supports for use in specific temperature ranges work well in that temperature range. Many such materials, however, may undergo phase changes or react with other components of the catalyst system at temperatures above 1100 ° C., for example, the gamma alumina phase turns into alpha alumina in the temperature range.

그 위에, 그러한 세라믹 기질은 올레핀 메짐성이 있고, 파열을 받고, 진동, 기계적 충격 또는 열충격으로 인해 손상된다. 열충격은 가스 터어빈에 사용되는 촉매 연소물에 있어 특별한 문제이다. 운전개시 및 운전정지시, 촉매에 있어 큰 온도 구배가 생겨서 높은 기계적 응력을 일으키고 이로인해 파열 및 파단이 생길 수 있다.On top of that, such ceramic substrates are olefin brittle, ruptured and damaged by vibration, mechanical shock or thermal shock. Thermal shock is a special problem for catalytic combustion products used in gas turbines. At start-up and shutdown, large temperature gradients can occur in the catalyst, resulting in high mechanical stresses, resulting in rupture and fracture.

금속산화물 또는 세라믹 촉매 지지체의 고온안정성을 개선하기 위한 노력중의 전형적인 것은 가끔은 다른 물리적 처리단계와 병행해서, 알칼리토금속 또는 란탄화물 또는 추가금속을 지지체 속에 포함시키는 것이다.A typical effort to improve the high temperature stability of metal oxide or ceramic catalyst supports is the inclusion of alkaline earth metals or lanthanides or additional metals in the support, sometimes in parallel with other physical processing steps.

그러나, 세라믹은 비록 그런 고온안정화를 개선시키는 물질을 함유하더라도, 역시 깨지기 쉬운 재료이다. 일본특허공개 60-053724는, 원통벽에 구멍이 있는 원통상 세라믹 촉매를 사용함으로써 원통촉매들 중에 있어 연료가스와 온도가 보다 균일하게 분포되어 균열이 일어나지 않게하는 것을 가르치고 있다.However, ceramics are also fragile materials, even though they contain materials that improve such high temperature stabilization. Japanese Patent Laid-Open No. 60-053724 teaches the use of a cylindrical ceramic catalyst having a hole in a cylindrical wall to more uniformly distribute fuel gas and temperature in the cylindrical catalysts so that cracking does not occur.

고온(1100℃ 이상)도 또한 촉매층에 해로워, 표면적 감소, 금속촉매의 증발, 및 촉매 성분과 세라믹 촉매성분과의 반응으로 저활성 또는 불활성물질의 형성이 일어난다.High temperatures (above 1100 ° C.) are also detrimental to the catalyst layer, resulting in the formation of low or inert materials by reduction of surface area, evaporation of the metal catalyst, and reaction of the catalyst component with the ceramic catalyst component.

연소문헌에 소개된 많은 촉매들중에는 백금족 금속 즉 백금, 팔라듐, 루테늄, 이리듐 및 로듐이 발견될 수 있는데, 가끔은 단독으로 가끔은 백금족의 다른 원소와의 혼합물로 그리고 가끔은 비백금족 촉진제 또는 조촉매와 함께 사용된다.Among the many catalysts introduced in the combustion literature, platinum group metals such as platinum, palladium, ruthenium, iridium and rhodium can be found, sometimes alone, sometimes in mixtures with other elements of the platinum group and sometimes with non-platinum group promoters or promoters. do.

다른 연소촉매에는 금속산화물 특히 VIII족 및 I족 금속산화물이 포함된다. 예컨대, 카일리(Kaili) 등의 기사 "페로브스카이트 산화물상에서의 메탄의 완전산화"(Cataly-sis Letters 1(1988) 299-306, J. G. Baltzer A. G. Scientific Publishing Co.,)에서, 저자들은 대체로 ABO3로 표시되는 메탄산화용으로 적합한 페로브스카이트 산화물 촉매들, 특히 La1-xMExMnO3(Me는 Ca, Sr 또는 Ba를 표시함)로 표시되는 산화물의 사용에 관해 기재하고 있다.Other combustion catalysts include metal oxides, in particular Group VIII and Group I metal oxides. For example, in Kaili et al., “Complete Oxidation of Methane on Perovskite Oxides” (Cataly-sis Letters 1 (1988) 299-306, JG Baltzer AG Scientific Publishing Co.,), The use of perovskite oxide catalysts suitable for methanation represented by 3 , in particular the oxide represented by La 1-x ME x MnO 3 (Me denotes Ca, Sr or Ba), is described.

그와 유사하게, 일본 규우슈우 대학교의 일단의 연구자들에 의해 많은 기사가 BaOㆍ6Al2O3에 기초를 둔 연소촉매를 기재하고 있다: 1. "대표면적 BaOㆍ6Al2O3의 제조 및 특성결정 "마찌다(Machida) 등, Bull. Chem. Soc. Jpn., 61, 3659-3665(1988), 2. "양이온-치환된 핵사알루민산 바륨상에서의 고온촉매연소", 마찌다등, Chemistry Letters, 767-770, 1987, 3. "BaOㆍ6Al2O3형성의 전자현미경분석" 마찌다등, J. Am. Ceram. Coc., 71(12)1142-47(1988), 4. "첨가제가 촉매 연소용 산화물 지지체의 표면적에 미치는 영향", J. Cat. 103-385-393(1987), 5. "여러 양이온 성분이 경면에 있는 Mn-치환된 헥사알루민산염의 표면적 및 촉매활성" Chem.Lett., 1461-1464, 1988.Similarly, many articles by a group of researchers at Kyushu University in Japan describe combustion catalysts based on BaO · 6Al 2 O 3 : 1. Preparation of "large surface area BaO.6Al 2 O 3 . And characterization "Machida et al., Bull. Chem. Soc. Jpn., 61, 3659-3665 (1988), 2. "Hot Catalytic Combustion on Cationic-Substituted Barium Nitrate," Machida et al., Chemistry Letters, 767-770, 1987, 3. "BaO.6Al 2 Electron Microscopic Analysis of O 3 Formation ”Machida et al., J. Am. Ceram. Coc., 71 (12) 1142-47 (1988), 4. "The Effect of Additives on the Surface Area of Oxide Supports for Catalytic Combustion", J. Cat. 103-385-393 (1987), 5. “Surface Area and Catalytic Activity of Mn-Substituted Hexaaluminates Containing Multiple Cationic Components” Chem. Lett., 1461-1464, 1988.

그와 유사하게, 아라이(Arai)의 미국특허 제4,788,174호는 촉매연소에 적합한 내열성 촉매를 제안하고 있는데, 이 촉매는 A1-xCxBxAl12-yO19-a의 화학식을 갖고 있으며, 여기서 A는 Ca, Ba 및 Sr로 부터 선택된 적어도 한원소이고; C는 K및/또는 Rb이고; B는 Mn, Co, Fe, Ni, Cu및 Cr에서 선택된 적어도 한원소이고; Z는 0으로 부터 약 0.4까지 범위의 한 값이고; x는 0.1 내지 4범위의 한값이고 y는 약 x 내지 2x 범위의 한 값이며; a는 각 원소 A,C, B의 원자가 X, Y, Z 및 x, y, z의 값에 의해 정해지는 값으로 a=1.5{X-z(X-Y)+xZ-3y}로 표시된다.Similarly, U.S. Patent No. 4,788,174 to Arai proposes a heat resistant catalyst suitable for catalytic combustion, which has the formula A 1-x C x B x Al 12-y O 19-a . Wherein A is at least one element selected from Ca, Ba and Sr; C is K and / or Rb; B is at least one element selected from Mn, Co, Fe, Ni, Cu and Cr; Z is one value ranging from 0 to about 0.4; x is a value ranging from 0.1 to 4 and y is a value ranging from about x to 2x; a is a value determined by the valence X, Y, Z and the values of x, y, z of each element A, C, B, and is represented by a = 1.5 {Xz (XY) + xZ-3y}.

엄격한 촉매연소 공정단계에 추가하여, 일부 공정에서는 그렇지 않은 최종 단계를 채용하는데, 이 단계에서는 가스로 부터 열을 회수하기 전에 모든 잔류 가연물을 균일하게 산화시킨다.In addition to the rigorous catalytic combustion process step, some processes employ a non-final step, which uniformly oxidizes all residual combustibles before recovering heat from the gas.

상기한 3단계 촉매연소 시스템들중의 대부분이 역시 후연소 단계를 갖는다.Most of the three stage catalytic combustion systems described above also have a post combustion stage.

예컨대, 일본 촉매 화학사("NSK")가 출원인인 일련의 일본공개특허(62-080419, 62-080420, 63-080847, 63-080848 및 63-080549)는 3단계 촉매연소 및 후속하는 2차 연소단계를 개시하고 있다. 상기한 바와 같이, 이들 공정에 사용된 촉매는 본발명에 사용된 촉매와 크기 상이하다. 그 위에, 이들 공개특허는 후연소 단계를 사용하는 경우는 얻어지는 가스온도 "750℃ 내지 1100℃"에 도달할 뿐이라고 암시하고 있다.For example, a series of Japanese patents (62-080419, 62-080420, 63-080847, 63-080848 and 63-080549), filed by Nippon Catalytic Chemical Company ("NSK"), have three stages of catalytic combustion and subsequent secondary combustion. Initiating the step. As mentioned above, the catalysts used in these processes differ in size from the catalysts used in the present invention. On top of that, these published patents suggest that when the post-burning step is used, only the gas temperature "750 ° C to 1100 ° C" obtained is reached.

이와는 분명히 대조적으로 본발명의 공정에서는 촉매 균일후 연소단계를 사용할때 훨씬 높은 단열연소 온도에 도달하는 것을 볼수 있다.In contrast, it can be seen that the process of the present invention achieves much higher adiabatic combustion temperatures when using the post-catalytic post-catalytic combustion stage.

다른 연소촉매/촉매 균일후 연소공정도 알려져 있다. 유럽특허 출원 0,198,948(역시 NSK에 양도됨)은 2 또는 3단계 촉매 공정에 후속하는 후연소 단계를 보여주고 있다. 후연소 가스의 온또는 1300℃에 도달하며 촉매로 부터의 출구온도(대략 전체가스상 온도)는 900℃라고 기재되어 있다.Other combustion catalysts / post-catalyst post-combustion processes are also known. European patent application 0,198,948 (also assigned to NSK) shows a post-combustion stage following a two or three stage catalytic process. The on-combustion gas reaches on or 1300 ° C. and the outlet temperature from the catalyst (approximately total gas phase temperature) is described as 900 ° C.

그러나 NSK 공개특허에 개시된 촉매구조물은 촉매구역내에서 일어나는 연소의 악영향으로 부터 보호될 수가 없고 그래서 지지체는 열화한다.However, the catalyst structures disclosed in the NSK publication cannot be protected from the adverse effects of combustion occurring in the catalyst zone and so the support deteriorates.

후루야등의 특허(미국특허 제4,731,989호)는 추가연료를 주입하는 1단계 촉매와 후속하는 촉매 후연소를 개시하고 있다.Furuya et al. (US Pat. No. 4,731,989) disclose a one-stage catalyst for subsequent injection of fuel and subsequent catalytic post-combustion.

이 경우, 촉매에 낮은 연료/공기비 혼합물을 공급함으로써 촉매 기판온또는 900℃ 또는 1000℃에 제한된다. 가스 터어빈과 같은 어떤 공정에 요구되는 보다 높은 가스 온도를 얻기 위해서, 촉매 다음에 추가연료가 주입되고 이 연료는 후촉매 구역에서 균일하게 연소되게 한다. 이 공정은 복잡하고 촉매에서 떠나는 고온가스류내에 추가의 연료주입장치를 설치할 필요가 있다. 본 발명에 기재되어 있는 발명장치는 촉매 후의 연료주입을 필요로 하지 않아 모든 연료가 촉매 입구에서 가해진다.In this case, by supplying a low fuel / air ratio mixture to the catalyst, it is limited to catalyst substrate temperature or 900 ° C or 1000 ° C. In order to obtain the higher gas temperatures required for certain processes such as gas turbines, additional fuel is injected after the catalyst and the fuel is allowed to burn uniformly in the postcatalyst zone. This process is complex and requires the installation of additional fuel injection devices in the hot gas stream leaving the catalyst. The inventive device described in this invention does not require fuel injection after the catalyst so that all fuel is applied at the catalyst inlet.

본발명 공정의 실시에 있어 중요한 면모는, 일체식 열교환 구조물-바람직하게는 금속을 사용하고 그것을 적어도 연소의 후반 촉매 단계 또는 단계들에서 사용하는 것이다. 대체로 기본개념은 촉매 구조체에 있어 촉매가 없는 면에 대향하는 한벽면에 촉매층을 위치시키는 것이다. 양면은 흐르는 연료-가스 혼합물과 접촉한다. 한면에서는 열이 발생하고 다른 면에서는 그 반응열이 흐르는 가스에 전달된다.An important aspect of the practice of the present invention is the use of an integral heat exchange structure—preferably metal and at least in the late catalyst stage or stages of combustion. Generally, the basic idea is to place the catalyst layer on one wall facing the catalyst free side of the catalyst structure. Both sides are in contact with the flowing fuel-gas mixture. On one side heat is generated and on the other side the heat of reaction is transferred to the flowing gas.

일체식 열교환 특성을 가진 구조물은 일본공개특허 59-136,140 및 61-259,013에 나타나 있다. 그와 유사하게 영(Young)등의 미국특허 제4,870,824호는 촉매가 특정 통로벽에 배치된 모놀리드 촉매를 사용하는 1단계 촉매 연소장치를 보여준다. 많은 다른 차이에 추가하여, 이 구조체는 유리시켜, 곧 다른 촉매 단계와 병용하지 않고, 사용되는 것으로 기재되어 있다. 그위에, 상이한 촉매 금속을 가진 구조체들을 단계별로 사용하는 것은 이들 간행물에는 개시되어 있지 않다.Structures having integral heat exchange characteristics are shown in Japanese Patent Laid-Open Nos. 59-136,140 and 61-259,013. Similarly, US Pat. No. 4,870,824 to Young et al. Shows a one-stage catalytic combustion device using a monolithic catalyst in which the catalyst is disposed on a particular passage wall. In addition to many other differences, this structure is described as being used freely, not immediately in combination with other catalyst steps. On top of that, the stepwise use of structures with different catalytic metals is not disclosed in these publications.

상기 토의에 나타난 어느 공정도, 촉매 지지체는 금속성이고, 촉매들의 특징 이점을 이용하기 위해 촉매들을 특정적으로 바꿀수 있고, 일체식 열교환을 선택적으로 적용하여 촉매기판 온도를 조절하고, 그리고 특히 낮은 NOx 발생 및 낮은 촉매(및 지지체)온도를 유지하면서 높은 가스온도를 얻을 수 있는 조합촉매 시스템을 시사하지는 않는다.In any of the processes shown in the discussion above, the catalyst support is metallic, and the catalyst support can be specifically modified to take advantage of the feature advantages of the catalysts, selectively applying integral heat exchange to control the catalyst substrate temperature, and especially low NOx generation. And combination catalyst systems that can achieve high gas temperatures while maintaining low catalyst (and support) temperatures.

[발명의 요약][Summary of invention]

본 발명은 연료를 특정한 연료/공기비로 에비혼합하여 원하는 단열 연소온도를 지니는 가연혼합물을 제조하는 연소공정이다. 가연혼합물은 그 다음에 일련의 촉매 구조물 및 선택적으로 균질한 연소구역 안에서 반응된다. 연소는 촉매 및 전체 가스온도가 촉매의 선택과 구조에 의해 비교적 낮은 값으로 조절되는 단계를 두고 있다.The present invention is a combustion process in which fuel is ebmixed at a specific fuel / air ratio to produce a combustible mixture having a desired adiabatic combustion temperature. The combustible mixture is then reacted in a series of catalytic structures and optionally in a homogeneous combustion zone. Combustion has a stage where the catalyst and total gas temperature are adjusted to relatively low values by the choice and structure of the catalyst.

본원인은 조작압력이 상승함에 따라, 팔라듐 촉매가 "자기제어(self-limit)"하는 온또는 상승하고 연료 혼합물이 균질 연소를 행하는 온또는 저하한다는 것을 발견하였다. 약 10기압 이상에서, 가장 실용적인 연료/공기 비에 대하여, 팔라듐 촉매의 자기제어 온도와 균질연소 초기온또는 같거나 "핫엔드(hot end)" 연소촉매 단계가 제거될 수 있을 정도로 충분히 양립할 수 있다.The Applicant has found that as the operating pressure rises, the palladium catalyst turns on or rises to "self-limit" and the fuel mixture turns on or falls to perform homogeneous combustion. Above about 10 atmospheres, for the most practical fuel / air ratio, the self-regulating temperature of the palladium catalyst and homogeneous combustion initial temperature or the same or "hot end" combustion catalyst stage can be sufficiently compatible to eliminate. have.

본 공정은 단지 가스터빈, 보일러 또는 노에 사용하기에 적합한 온도만으로 매우 낮은 NOx 농도의 배기가스를 제조한다.The process produces exhaust gases with very low NOx concentrations only at temperatures suitable for use in gas turbines, boilers or furnaces.

[발명의 설명][Description of the Invention]

본 발명은 연료를 특정한 연료/공기비로 예비혼합하여 원하는 단열 연소온도를 가지는 가연혼합물을 제조하는 연소공정이다. 가연혼합물은 그 다음에 2이상의 별개의 촉매구조물 및 선택적으로 균질연소구역 안에서 반응된다. 연소는 촉매 및 전체 가스온도가 촉매의 선택과 구성을 통해 비교적 낮은 값으로 조절되도록 단계를 두고 있다. 운전 압력이 증가함에 따라, 팔라듐 촉매가 "자기제어"하는 온또는 상승하고 연료혼합물이 균질연소를 행하는 온또는 저하한다. 제1도에 나타낸 바와 같이, O2의 분압은 증가하고(총압의 증가 또는 O2농도의 증가를 통해 증가함), 균질연소를 완료하는데 필요한 이론상의 압력(약 10ppm 미만의 일산화탄소 수준까지)은 팔라듐 촉매가 그 연소를 개시하게 될 수준까지 저하한다. 이 두개의 선은 4기압과 5기압 사이에서 만난다. 공기가 약 4 내지 5기압 이상의 수준까지 압축될때, 균질연소반응은 약 11 마이크로초내에 완전히 연소하게 된다. 4 내지 5기압 이상에서, 가장 실용적인 연료대 공기비에 대하여, 팔라듐 제어온도와 균질연소 온도의 면적은 같거나 3단계의 "핫엔드"연소촉매가 원한다면 제거될 수 있을 정도로 충분히 양립할 수 있다.The present invention is a combustion process in which fuel is premixed at a specific fuel / air ratio to produce a combustible mixture having a desired adiabatic combustion temperature. The combustible mixture is then reacted in at least two separate catalyst structures and optionally in a homogeneous combustion zone. Combustion is staged such that the catalyst and total gas temperature are adjusted to relatively low values through the selection and configuration of the catalyst. As the operating pressure increases, the palladium catalyst turns on or rises to "self-control" and the fuel mixture turns on or falls to perform homogeneous combustion. The (up to carbon monoxide levels of less than about 10ppm) 1 is also described above, the partial pressure of O 2 is increased (also increasing with an increase in growth or O 2 concentration of chongap), the theoretical pressure needed to complete homogeneous combustion shown in the The palladium catalyst is lowered to the level at which combustion will commence. These two lines meet between 4 and 5 atm. When the air is compressed to a level above about 4 to 5 atmospheres, the homogeneous combustion reaction burns out completely in about 11 microseconds. Above 4 to 5 atmospheres, for the most practical fuel-to-air ratio, the area of the palladium control temperature and the homogeneous combustion temperature are equal or sufficiently compatible so that a three-stage “hot end” combustion catalyst can be removed if desired.

본 공정은 단지 가스터빈, 보일러, 노에 사용하기에 적합한 온도만으로 매우 낮은 NOx 농도의 배기가스를 제조한다.The process produces exhaust gases with very low NOx concentrations only at temperatures suitable for use in gas turbines, boilers and furnaces.

이 공정은 각종 연료를 사용하여 폭넓은 범위의 공정조건에서 이용될 수 있다.This process can be used in a wide range of process conditions using a variety of fuels.

공정을 위한 연료공급원으로서는 일반적으로 가스상 탄화수소, 예컨대 메탄, 에탄 및 프로판이 아주 바람직하지만, 아래에서 논하는 공정온도에서 증발될 수 있는 연료의 대부분이 적합하다. 예를 들면, 연료는 실내온도 및 압력에서 액체나 가스일 수 있다. 예로는 부탄, 펜탄, 헥산, 헵탄, 옥탄, 가솔린, 및 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠 및 크실렌과 같은 방향족 탄화수소와 같은 위에서 언급한 저분자량 탄화수소; 나프타; 디젤연료, 등유; 제트연료; 기타의 중간 증류액; 비중이 큰 증류연료(바람직하게는 질소 및 황화합물을 제거하기 위해 수소화처리된 것); 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 부탄올 따위 등의 알코올과 같은 산소함유연료; 디에틸에테르, 에틸페닐에테르, MTBE 등과 같은 에테르를 들 수 있다. 도시가스 혹은 합성가스와 같은 저-BUT 가스도 역시 연료로서 사용될 수 있다.As fuel sources for the process, gaseous hydrocarbons such as methane, ethane and propane are generally preferred, but most of the fuels that can be evaporated at the process temperatures discussed below are suitable. For example, the fuel may be liquid or gas at room temperature and pressure. Examples include but are not limited to the above mentioned low molecular weight hydrocarbons such as butane, pentane, hexane, heptane, octane, gasoline, and aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, ethylbenzene and xylene; naphtha; Diesel fuel, kerosene; Jet fuel; Other intermediate distillates; High specific gravity distillate fuel (preferably hydrogenated to remove nitrogen and sulfur compounds); Oxygen-containing fuels such as alcohol such as methanol, ethanol, isopropanol and butanol; Ethers such as diethyl ether, ethylphenyl ether, MTBE and the like. Low-BUT gases such as city gas or syngas may also be used as fuel.

연료는 일반적으로 본발명의 공정에 사용되는 촉매에 실제로 발생하는 촉매 또는 가스상 온도 보다 높은 이론상의 단열 연소온도를 갖는 혼합물을 제조하는 양으로 연료 공기안에 혼합된다. 단열 연소온또는 900℃ 이상이 바람직하며, 1000℃ 이상이 가장 바람직하다. 비가스상 연료는 그것들이 최초의 촉매구역에 접촉하기 전에 증발되어야 한다. 연소공기는 대기압 또는 그보다 낮은 압력이 가해지거나(-0.25 공기압) 35공기압 또는 그 이상의 공기압까지 압축될 수 있다. 정상가스 터빈(궁극적으로 이 공정에 의해 제조된 가스를 사용할 수 있는 터빈)은 종종 8공기압 내지 35 공기압 범위내에 계기압으로 조작된다. 결과적으로 이 방법은 -0.25공기압 내지 35 공기압 바람직하게는 0 공기압 내지 17 공기압으로 조작될 수 있다.The fuel is generally mixed in the fuel air in an amount that produces a mixture having a theoretical adiabatic combustion temperature higher than the catalyst or gas phase temperature actually occurring in the catalyst used in the process of the present invention. Adiabatic combustion temperature or 900 degrees C or more is preferable, and 1000 degrees C or more is the most preferable. Non-gaseous fuels must be evaporated before they contact the original catalytic zone. Combustion air may be pressurized to atmospheric pressure or lower (-0.25 pneumatic) or compressed to 35 pneumatic or higher. Steady gas turbines (those that can ultimately use the gas produced by this process) are often operated at instrument pressure in the range of 8 to 35 air pressures. As a result, this method can be operated from -0.25 air pressure to 35 air pressure, preferably 0 air pressure to 17 air pressure.

[제1촉매구역][1st catalyst zone]

제1촉매구역에 공급된 연료/공기 혼합물은 잘 혼합되어 제1구역 촉매에서 반응을 개시하기에 충분히 높은 온도로 가열되어야 하는데; 대표적인 팔라듐 촉매에서의 메탄연료에 대하여는 적어도 약 325℃가 대체로 적당하다. 이 예열은 파일럿 버너를 사용하는 부분연소, 열교환 또는 압축에 의해 달성될 수 있다.The fuel / air mixture supplied to the first catalyst zone must be mixed well and heated to a temperature high enough to initiate the reaction in the first zone catalyst; At least about 325 ° C. is generally suitable for methane fuel in an exemplary palladium catalyst. This preheating can be achieved by partial combustion, heat exchange or compression using a pilot burner.

공정에서 제1구역은 가스류에 대해 낮은 저항성을 제공하는 일체식 촉매 지지체 상에 촉매량의 팔라듐을 함유한다. 지지체는 금속성인 것이 바람직하다. 팔라듐은 메탄산화에 대해 325℃ 이하에서 매우 활성적 이어서 저온에서 연료를 점화할수 있다. 어떤 경우에는, 팔라듐이 연소반응을 개시한 후에 촉매가 온도를 1공기 압에서 750℃ 내지 800℃로 또는 총 10 공기압에서 약 940℃로 급속도로 상승시킨다는 것도 또한 관찰되었다. 이들 온또는 언급된 여러 압력에서의 아래에 나타낸 팔라듐/산화팔라듐 반응의 열중량 분석(TGA)시의 각 전이점의 온도이다. 그 점에서 압력에 따라 촉매반응은 실질적으로 느려지고 촉매온또는 750℃ 내지 800℃ 또는 940℃ 감소된다. 이 현상은 연료/공기비가 이론상의 단열 연소온도를 900℃ 이상 혹은 1700℃ 정도로 높게 할 수 있을 때 조차도 관찰된다.The first zone in the process contains a catalytic amount of palladium on an integral catalyst support that provides low resistance to gas flow. The support is preferably metallic. Palladium is very active at below 325 ° C against methanation and can ignite fuel at low temperatures. In some cases, it has also been observed that after the palladium initiates the combustion reaction, the catalyst rapidly raises the temperature from 750 ° C. to 800 ° C. at 1 air pressure or to about 940 ° C. at 10 total air pressures. These are the temperatures of each transition point in the thermogravimetric analysis (TGA) of the palladium / palladium oxide reactions shown below at or below the various pressures mentioned. In that respect, depending on the pressure, the catalytic reaction is substantially slowed down and the catalyst temperature or 750 ° C to 800 ° C or 940 ° C is decreased. This phenomenon is observed even when the fuel / air ratio can raise the theoretical adiabatic combustion temperature above 900 ° C or as high as 1700 ° C.

이 온도제어 현상에 대한 한가지 이유는 위에서 논한 TGA 전이점에서의 산화팔라듐의 팔라듐 금속으로의 전환이다. 1기압의 공기에서 750℃ 이하의 온도에서 팔라듐은 주로 산화팔라듐으로서 존재한다. 산화팔라듐은 연료의 산화에 대한 활성촉매인 것으로 보인다. 750℃ 이상에서는 산화팔라듐이 다음 평형에 따라 팔라듐 금속으로 전환한다.One reason for this temperature control phenomenon is the conversion of palladium oxide to palladium metal at the TGA transition point discussed above. At temperatures below 750 ° C. in one atmosphere of air, palladium is present primarily as palladium oxide. Palladium oxide appears to be an active catalyst for the oxidation of fuels. Above 750 ° C., palladium oxide is converted to palladium metal according to the following equilibrium.

팔라듐 금속은 750℃ 내지 800℃ 이상의 온도에서 촉매적 활성이 다소 감소할 정도로 탄화수소 연소에 대해 실질적으로 덜 활성인 것으로 보인다. 이 전이는 반응을 자기제어시키며; 연소공정은 촉매온도를 온도의 자기제어가 시작되는 750℃ 내지 800℃까지 급속도로 상승시킨다. 이 제어온또는 O2압력에 좌우되어 O2분압이 증가함에 따라 상승할 것이다.Palladium metals appear to be substantially less active against hydrocarbon combustion, with a slight decrease in catalytic activity at temperatures above 750 ° C to 800 ° C. This transition self-controls the reaction; The combustion process rapidly raises the catalyst temperature to 750 ° C. to 800 ° C. at which self control of the temperature begins. It will rise as the O 2 partial pressure increases, depending on this control temperature or the O 2 pressure.

그러나 약간의 주의가 필요하다. 팔라듐의 고활성또는 750℃ 이상에서의 팔라듐 금속의 저활성도 조차도 촉매온도를 800℃ 이상으로 상승시켜 위에서 언급한 바와 같은 연료/공기 혼합물의 단열 연소온도에 도달시키기에도 충분할 수 있는 "런어웨이(runaway)"연소를 초래할 수 있는데; 1100℃ 이상의 온또는 촉매의 심각한 손상을 초래할 수도 있다. 본원인은 촉매층 상부에 확산 방해층을 첨가함으로써 연료 및/또는 산화제의 촉매에의 공급을 제어하여 런어웨이 연소를 조절할 수 있음을 발견했다. 이 확산층은 제1단계 촉매의 운전범위를 보다 높은 예열온도, 보다 낮은 선형가스속도, 보다 높은 연료/공기비 범위 및 보다 높은 출구 가스온도로 크게 넓힌다. 우리는 또한 기질상의 팔라듐 금속의 농도제어는 "런어웨이"를 방지하긴 하나 촉매수명이 비교적 더 짧아진다는 손실이 있다는 것을 발견하였다.But a little attention is needed. Even high activity of palladium or low activity of palladium metal above 750 ° C. may be sufficient to raise the catalyst temperature above 800 ° C. to reach the adiabatic combustion temperature of the fuel / air mixture as mentioned above. ) "Can lead to combustion; It may lead to temperatures above 1100 ° C. or severe damage to the catalyst. The Applicant has discovered that runaway combustion can be controlled by controlling the supply of fuel and / or oxidant to the catalyst by adding a diffusion barrier over the catalyst bed. This diffusion layer broadens the operating range of the first stage catalyst to higher preheat temperatures, lower linear gas velocities, higher fuel / air ratio ranges and higher outlet gas temperatures. We also found that the control of the concentration of palladium metal on the substrate prevents "runaway", but there is a loss of relatively short catalyst life.

자기제어 현상은 촉매 기질의 온도를 실질적으로 단열 연소온도 이하로 유지시킨다. 이는 고온운전으로 인한 촉매의 성능 저하를 방지하거나 실질적으로 감소시킨다.The self-control phenomenon keeps the temperature of the catalyst substrate substantially below the adiabatic combustion temperature. This prevents or substantially reduces the performance degradation of the catalyst due to high temperature operation.

팔라듐 금속은 현저한 활성도를 제공하기에 충분한 양으로 첨가된다. 첨가되는 구체적인 양은 다수의 요구조건, 에컨대 경제적인 측면, 활성도, 수명, 오염물질 존재 등에 좌우된다. 이론상의 최대량은 과도한 미소결정의 성장 및 부수하는 활성도 손실의 초래없이 최대 량의 지지체를 피복하기에 충분할것 같다. 이는 분명히 경쟁 인자이며; 촉매의 최고 활성또는 보다 높은 표면 피복도를 요구하지만 보다 높은 피복또는 인접하는 미소결정들 사이에서 성장을 촉진시킬 수 있다. 게다가 촉매 지지체의 형태가 고려되어야 한다. 만일 지지체가 높은 공간속도의 환경에서 사용된다면, 촉매 하중은 체류 시간이 적더라도 충분한 전환을 지속하기 위해 높아야 할 것이다. 경제적 측면은 소망하는 일을 완수할 촉매를 최소량으로 사용하는 것을 그 보편적인 목적으로 한다. 결국, 연료내에 오염물질이 존재함은 비활성화에 의한 촉매의 저하를 상쇄하기 위해 보다 높은 하중의 촉매를 사용할 것을 요구한다.Palladium metal is added in an amount sufficient to provide significant activity. The specific amount added depends on a number of requirements, such as economics, activity, lifespan, and the presence of contaminants. The theoretical maximum is likely to be sufficient to coat the maximum amount of support without causing excessive growth of microcrystals and subsequent loss of activity. This is clearly a competitive factor; It requires the highest active or higher surface coverage of the catalyst but can promote growth between higher coatings or adjacent microcrystals. In addition, the form of the catalyst support should be considered. If the support is used in a high space velocity environment, the catalyst loading will have to be high to sustain sufficient conversion even with a short residence time. The economic aspect is its universal purpose to use a minimum amount of catalyst to accomplish the desired task. As a result, the presence of contaminants in the fuel requires the use of higher load catalysts to counteract the degradation of the catalyst by deactivation.

이 촉매 복합체의 팔라듐 금속 함량은 일반적으로는 에컨대 0.1중량% 내지 약 25중량%로 아주 작고, 바람직하게는 0.01중량% 내지 약 20중량%이다. IB족 또는 VIII족의 저금속에서 선택된 하나 또는 그 이상의 촉매 부가물의 당량 이하로 촉매가 선택적으로 함유될 수 있다. 바람직한 부가물 촉매는 음, 금, 루테늄, 로듐, 백금, 이리듐, 또는 오스뮴이다. 더 바람직하게는 은과 백금이다. 팔라듐과 어떤 부가물은 금속의 팔라듐 복합체, 화합물 또는 분산을 사용하는 여러종류의 방법으로 지지체에 혼입할 수도 있다. 화합물 또는 복합체는 물 또는 탄화수소로 용해될 수도 있다. 그것들은 용액에서 침전될 수도 있다. 지지체상에서 분산형태로 팔라듐을 남겨놓는 동안 액체 담체는 일반적으로 증발 또는 분해로써 촉매 담체로 부터 단지 제거해야 한다. 본 발명에서 사용되는 촉매생성에 적합한 팔라듐 복합체 및 화합물의 예에는 염화팔라듐, 팔라듐 디아민 디니트라이트, 팔라듐 테트라아민클로라이드, 팔라듐 2-에틸헥사노산, 소디움 팔라듐 클로라이드 및 다른 팔라듐 염 또는 복합체등이 있다. 이 촉매구역에 대해 바람직한 지지체는 금속을 함유하는 것이다. 비록 세라믹 및 각종 무기산화물 같은 다른 지지체 물질은 전형적으로 실리카, 알루미나, 실리카-알루미나, 산화티타늄, 산화지르코늄 같은 지지체로 사용된다. 그리고 안정성을 위해 첨가된 바륨, 세륨, 란탄, 또는 크롬 같은 첨가제와 함께 또는 없이 사용될 수도 있다. 최소한의 압력강하와 빠른 공간속도로 통과하는 세로방향의 채널 또는 통로를 가지는 주름진 시트(평평한 분리기 시트를 산재시킬 수도 있다.), 원통형(또는 소량의 스트로) 또는 다른 원자배열의 6각형, 나선로울 형태의 금속 지지체가 이 실시에 바람직하다. 이것들은 가단성이고 더 쉽게 주위 구조물에 부착 및 배접할 수 있어 세라믹 지지체에서 쉽게 제조될 수 있는 얇은 막에 낮은 흐름저항을 제공할 수도 있다. 금속지지체에 있다고 생각되는 다른 실제적인 장점은 열충격에 견딜수 있는 기능이다. 터빈이 작동시 및 정지시, 특히 터빈이 급하게 정지시 가스터빈 조작중에 이같은 열충격이 발생한다. 이러한 경우에 터빈위의 물질적인 적하(예를 들어 발전기 세트)가 제거되었기 때문에 터빈이 급시동되거나 연료의 공급이 중단된다. 터빈에 연료가 즉시 중단되어 과속되는 것을 막는다. 본출원의 방법이 발생하는 연소실의 온또는 연소온도로 부터 압축된 공기의 온도까지 빠르게 떨어진다. 이 강하는 1초 이내에 1000℃ 이상 떨어질 수도 있다. 이 경우에, 위의 특정된 양에서 금속지지체의 채널 또는 통로내의 벽에 촉매가 침전되거나 또는 다른 방법으로 놓여진다. 촉매는 다양한 포맷으로 지지체에 도입될 수도 있다.The palladium metal content of this catalyst composite is generally very small, such as from 0.1% to about 25% by weight, preferably from 0.01% to about 20% by weight. The catalyst may optionally be contained up to the equivalent of one or more catalyst adducts selected from the low metals of Group IB or Group VIII. Preferred adduct catalysts are um, gold, ruthenium, rhodium, platinum, iridium, or osmium. More preferably silver and platinum. Palladium and certain adducts may be incorporated into the support in a variety of ways using palladium complexes, compounds or dispersions of metals. The compound or complex may be dissolved in water or hydrocarbons. They may precipitate out of solution. The liquid carrier should generally only be removed from the catalyst carrier by evaporation or decomposition while leaving palladium in dispersed form on the support. Examples of palladium complexes and compounds suitable for catalyst production for use in the present invention include palladium chloride, palladium diamine dinitrite, palladium tetraamine chloride, palladium 2-ethylhexanoic acid, sodium palladium chloride and other palladium salts or complexes and the like. Preferred supports for this catalyst zone contain metals. Although other support materials such as ceramics and various inorganic oxides are typically used as supports such as silica, alumina, silica-alumina, titanium oxide, zirconium oxide. And may be used with or without additives such as barium, cerium, lanthanum, or chromium added for stability. Corrugated sheet with longitudinal channels or passageways passing through at minimum pressure drop and fast space velocity (also interspersed with flat separator sheets), cylindrical (or a small amount of straw) or other atomic array hexagonal, spiral roll Metal supports in the form are preferred for this embodiment. These may be malleable and more easily attach and back to the surrounding structure, providing low flow resistance to thin films that can be easily manufactured on ceramic supports. Another practical advantage believed to be in metal supports is their ability to withstand thermal shock. This thermal shock occurs during turbine operation when the turbine is in operation and when it is stopped, in particular when the turbine is in a hurry stop. In this case, the turbine is suddenly started or the fuel supply is stopped because the material drop on the turbine (eg generator set) has been removed. The fuel is immediately stopped by the turbine to prevent overspeed. The method of the present application falls quickly from the on or combustion temperature of the combustion chamber to the temperature of the compressed air. This drop may drop 1000 degrees Celsius or more within 1 second. In this case, the catalyst is precipitated or otherwise placed in the walls in the channels or passages of the metal support at the specified amounts above. The catalyst may be introduced to the support in various formats.

지지체가 완전히 덮일 수도 있고, 지지체의 하류부분이 덮일 수도 있고 또는 지지체 벽의 한쪽면이 덮일 수도 있어서 나중 단계 아래와 관련되어 논의된 것과 같은 적분열교환 관계가 발생하였다. 낮은 온도에서 높은 총합활성에 대한 요구 때문에 바람직한 형태는 완전하게 덮는 것이다. 그러나 각각의 다른 것은 특별한 상황하에서 특별히 사용될 수도 있다. 이런 실시에서 지지체 물질의 여러 형태가 만족스럽다 : 알루미늄, 알루미늄 함유 또는 알루미늄 처리 강철, 그리고 특정한 스테인레스강 또는 촉매층이 금속표면에 부착된 니켈합금으로 이루어진 어떤 고온금속합금. 바람직한 물질은 알루미늄 함유 강철이고 이것은 아겐 등(Aggen et al)의 미국특허 제4,414,023호, 채프만 등(Chapman et al)의 제4,331,631호, 그리고 케인즈 등(Cairns et al)의 제3,969,082호에 공개된 것과 같은 알루미늄 함유 강철이 바람직한 물질이다. 가와사키 강철회사(리버리트 20-5 SR(River Lite 20-5 SR), 베라니그트 도이취 메탈베르크 AG(Vereinigte Deutchse Metallwerke AG) (알룸크롬(Alumchrom)IRE ) 및 앨리게니 루들럼 스틸(Allegheny Ludlum Steel)(Alfa-IV)에 의해 시판된 다른것과 같이 이런 강철들은 용해된 알루미늄을 충분히 함유해서, 산화시 알루미늄은 강철의 표면에 알루미나 휘스커(whisker) 또는 결정을 형성하여 와시코트(washcoat)의 더나은 점착성을 위해 미가공 및 화학적으로 활성인 표면을 제공하였다. 와시코트는 당업계에서 설명된 방법을 사용하여 실시할 수도 있다. 예를 들어 감마-알루미나 졸 또는 알루미늄을 함유하는 혼합된 산화물의 졸, 실리콘, 티타늄, 지르코늄, 및 바륨, 세륨, 란타늄, 크로뮴 또는 여러가지의 다른 조성물 같은 첨가제의 실시이다. 와시코트의 더나은 점착성을 위해서, 제1층은 채프만(Chapman et al)의 미국특허 제4,729,782호에 설명되어진 슈도보헤마이트 알루미나(pseudo-boehmite alumina)의 묽은 서스펜션 같은 함수 산화물을 함유하여 실시될 수도 있다. 그러나 바람직하게는 제1표면은 지르코니아 서스펜션으로 피복하고나서 건조, 그리고 금속표면 위에 높은 표면 점착성 산화물층을 형성할때까지 하소시킨다. 와시코트는 표면에 칠을 하는 것과 같은 형태로 실시될 수도 있다. 예를 들어 분산, 직접도포, 와시코트 물질안에 지지체의 침액등으로 실시되었다. 또한 알루미늄 구조물은 본발명에 사용하기에 적당하고, 그리고 같은 방법으로 본질적으로 처리 또는 피복될 수도 있다. 알루미늄 합금은 다소 더 연성이 있고 그리고 본 방법의 외피를 조작하는 온도에서 변형되거나 또는 녹기까지 한다. 결과적으로, 이것들은 지지체로서 덜 바람직하고 그리고 만일 온도표준에 만족될 수 있다면 사용될 수도 있다. 일단 와시코트 및 팔라듐이 금속지지체로 적용되고 하소된다면, 그리고나서 낮은 또는 비촉매 산화물의 하나 또는 그 이상의 피복은 확산 장애물로 적용되어 위에 설명된 "런어웨이" 온도를 방지한다. 이 벽층은 와시코트층에 대해서 설명된 것과 비슷한 연료 또는 혼합된 산화물 또는 산화물과 첨가제의 연소동안 낮은 촉매활성을 가지는 알루미나, 실리카, 산화지르코늄 산화티타늄 또는 여러종류의 다른 산화물일 수 있다. 알루미나는 언급된 물질중에 가장 덜 바람직하다. 벽층은 두께에 있어서 와시코트층 두께의 1퍼센트에서 와시코트 보다 실질적으로 더 두꺼운 두께일 것이지만 그러나 더 바람직하게는 와시코트층 두께의 10퍼센트에서 100퍼센트 까지이다. 바람직한 두께는 연료형태로 이루어진 촉매의 조작상태, 가스류속도, 예열온도 그리고 와시코트층의 촉매활성에 의존할 것이다. 촉매구조의 하루부분 예를 들어 길이의 30퍼센트 내지 70퍼센트까지 단지 확산벽 피복의 적용이 특정한 상태하에서 촉매에 대한 충분한 방어를 제공할 수 있다는 것이 또한 발견되었다. 와시코트에서, 벽층 또는 층들은 페인트의 도포에 사용되는 도포기술을 이용하여 실시할 수도 있다. 촉매구조물 안에서 채널을 통과하는 평균선속도가 약 0.2n/초 보다 크고 제1촉매구역 구조물 전체에서 약 40m/초 이하인 촉매구조물로 크기 및 형태를 만들 수 있다. 이 하한제한량은 메탄에 대해서 불꽃면 속도 보다 더 크고 그리고 상한 제한량은 쉽게 상업적으로 이용할 수 있는 지지체의 형태에 대해서는 실질적인 불꽃면 속도이다. 이런 평균 속도들은 메탄 보다 다른 연료에 대해서 다소 다를 수도 있다. 제1촉매구역은 그 구역으로 부터 가스의 출구전체온도가 약 800℃ 이하, 바람직하게는450℃ 내지 700℃의 범위, 더욱 바람직하게는 500℃ 내지 650℃에서 만들어졌다.The support may be completely covered, the downstream portion of the support may be covered, or one side of the support wall may be covered, resulting in an integral heat exchange relationship as discussed in connection with later steps below. Due to the demand for high total activity at low temperatures, the preferred form is a complete covering. However, each other may be used specially under special circumstances. Various forms of support material are satisfactory in this embodiment: any hot metal alloy consisting of aluminum, aluminum containing or aluminum treated steel, and a nickel alloy with a particular stainless steel or catalyst layer attached to the metal surface. Preferred materials are aluminum containing steels, which are those disclosed in US Pat. No. 4,414,023 to Aggen et al, US Pat. No. 4,331,631 to Chapman et al and 3,969,082 to Keynes et al. The same aluminum containing steel is the preferred material. Kawasaki Steel Company (River Lite 20-5 SR), Vereinigte Deutchse Metallwerke AG (AlumchromIRE) and Allegheny Ludlum Steel Like others sold by Steel (Alfa-IV), these steels contain enough molten aluminum so that when oxidized, aluminum forms alumina whiskers or crystals on the surface of the steel to further the washcoat. A rough and chemically active surface was provided for better tack. Washcoats may also be carried out using methods described in the art, for example gamma-alumina sol or sol of mixed oxides containing aluminum, Implementation of additives such as silicon, titanium, zirconium, and barium, cerium, lanthanum, chromium or various other compositions.For better adhesion of the washcoat, the first layer is Chapman. It may also be carried out containing a hydrous oxide, such as a dilute suspension of pseudo-boehmite alumina, described in US Pat. No. 4,729,782 to Chapman et al. However, preferably the first surface is coated with a zirconia suspension. And then calcined until drying and forming a high surface tacky oxide layer on the metal surface Washcoats may be applied in the form of coating on the surface, for example in disperse, direct coating, and washcoat materials. The aluminum structure may also be suitable for use in the present invention, and may be essentially treated or coated in the same way, as the aluminum alloy is somewhat softer and may be used to fabricate the shell of the method. As a result of deformation or melting at temperatures As a result, they are less desirable as supports. And if the washcoat and palladium are applied and calcined as a metal support, then one or more coatings of low or non-catalyst oxides are applied as diffusion barriers as described above. Prevents "runaway" temperature. This wall layer may be alumina, silica, zirconium titanium oxide or a variety of other oxides having low catalytic activity during combustion of fuels or mixed oxides or oxides and additives similar to those described for washcoat layers. Alumina is the least preferred of the materials mentioned. The wall layer will be substantially thicker than the washcoat at one percent of the thickness of the washcoat layer, but more preferably from 10 percent to 100 percent of the thickness of the washcoat layer. The preferred thickness will depend on the operating condition of the catalyst in fuel form, gas flow rate, preheat temperature and catalytic activity of the washcoat layer. It has also been found that the application of only diffusion wall coatings, for example up to 30 percent to 70 percent of the length of the catalyst structure, can provide sufficient protection against the catalyst under certain conditions. In washcoats, the wall layer or layers may be carried out using the application technique used to apply the paint. The catalyst structure can be sized and shaped to have a mean linear velocity through the channel within the catalyst structure of greater than about 0.2 n / sec and less than about 40 m / sec throughout the first catalyst zone structure. This lower limit is greater than the flame surface velocity for methane and the upper limit is the actual flame surface velocity for forms of the support that are readily commercially available. These average rates may be somewhat different for other fuels than methane. The first catalyst zone was made at a temperature of about 800 ° C. or less, preferably in the range of 450 ° C. to 700 ° C., more preferably 500 ° C. to 650 ° C., from the zone.

[제2촉매구역][Second catalyst zone]

본 방법에서 제2구역은 제1구역에서 부분적으로 가스를 연소하고, 그리고 열교환 능력을 가진 촉매구조의 존재하에서 발생될때까지 한층 제한된 연소를 일으킨다. 촉매는 멘델리브 IB족, VI족, VIII족의 귀금속으로 부터 선택된 물질을 포함할 수 있다. 만일 본 방법의 압력이 약 4기압 보다 큰 경우, 촉매는 바람직하게는 팔라듐을 함유한다. 어떤 압력에서, 촉매는 백금 또는 팔라듐 같은 VIII족 귀금속을 포함한다. 만일 촉매가 팔라듐을 함유하면, 그것은 IB족 또는 VIII족의 귀금속으로 부터 선택된 하나 또는 그이상의 촉매 부가물의 당량을 선택적으로 함유한다. 바람직한 부가물 촉매는 은, 금, 루테늄, 로듐, 백금, 이리듐 또는 오스뮴이다. 가장 바람직한 것은 은과 백금이다.In the process, the second zone burns the gas partially in the first zone and produces even more limited combustion until it occurs in the presence of a catalyst structure with heat exchange capability. The catalyst may comprise a material selected from the precious metals of Mendeleeb Groups IB, VI, and VIII. If the pressure of the process is greater than about 4 atmospheres, the catalyst preferably contains palladium. At some pressures, the catalyst contains Group VIII precious metals such as platinum or palladium. If the catalyst contains palladium, it optionally contains the equivalent of one or more catalyst adducts selected from precious metals of Group IB or Group VIII. Preferred adduct catalysts are silver, gold, ruthenium, rhodium, platinum, iridium or osmium. Most preferred are silver and platinum.

이 구역은 가스온도의 증가를 초래하는 연료의 부분적인 연소에서 발생되는 열로 단열적으로 조작될 수 있다. 공기 또는 연료의 어느 하나도 제1 및 제2촉매구역간에 첨가되지 않았다. 이 구역안의 촉매 구조는 바람직하게 촉매가 모놀리드 촉매 지지체 구조의 벽을 형성한 표면의 단지 한면의 적어도 한부분에 실시되는 것을 제외하고는 제1촉매구역에 사용되는 것과 유사하다. 제2A또는 높은 표면적 금속산화 와시코트(10)의 일부를 잘라낸 부분을 보여준다. 그리고 활성금속촉매(12)는 금속기판(14)의 한쪽면에 적용된다. 이 구조는 제2B도에서 와시코트층(10)과 가스류(16) 간의 접촉면을 통해 촉매에서 발생된 반응열이 쉽게 전도된다. 와시코트(10)와 금속(14)의 비교적 열적 고활동도 덕분에, 열은 통로(A) 및 통로(B)를 따라 똑같이 전도되고 흐르는 가스류(16) 및 가스류(18)에 똑같이 반응열이 분산된다. 이 일체식 열교환구조물은 기판 또는 식(1)에 의해 주어진 벽온도를 가질 것이다.This zone can be operated adiabatic with the heat generated from the partial combustion of the fuel resulting in an increase in gas temperature. No air or fuel was added between the first and second catalyst zones. The catalyst structure in this zone is preferably similar to that used in the first catalyst zone, except that the catalyst is carried out on at least part of only one side of the surface that forms the walls of the monolithic catalyst support structure. A portion cut out of a second A or high surface area metal oxide washcoat 10 is shown. The active metal catalyst 12 is applied to one side of the metal substrate 14. In this structure, the heat of reaction generated in the catalyst is easily conducted through the contact surface between the washcoat layer 10 and the gas stream 16 in FIG. 2B. Thanks to the relatively high thermal activity of the washcoat 10 and the metal 14, heat is equally reacted to the gas stream 16 and the gas stream 18 conducting and flowing equally along the passages A and B. This is distributed. This integral heat exchange structure will have a substrate or wall temperature given by equation (1).

벽온도 상승은 도입온도와 이론적으로 단열적 연소온도 간의 차이의 약 절반과 같을 것이다. 촉매로 한쪽 면이 피복된 그리고 비촉매로 다른 면이 피복된 금속시트는 가스류에 대해 낮은 저항을 일으키는 긴 개환 채널구조를 형성할 때까지 제3A도 내지 제3C도에 보여진 것처럼 주름진 시트(20)와 평평한 시트(22)를 결합한 도금된 또는 층을 이룬 구조를 형성할 수도 있다. 촉매(32)의 한쪽 면에 피복된 주름진 금속스트립(30)은 제4a도에 보여진 구조를 형성할 때까지 촉매 피복이 되지 않은 분리기 스트립(34)과 결합할 수도 있다. 선택적으로, 촉매구조물 조립에 우선하여 한면이 촉매로 피복된 주름진 스트립(36) 및 평평한 스트립(38)은 둘다 제4b도에 나타낸 것처럼 결합할 수도 있다. 이 구조물은 촉매벽(제4a도의 40 및 제4b도의 42)이 있는 채널 및 비촉매 벽(제4a도의 44 및 제4b도의 46)이 있는 채널을 형성한다. 촉매채널 및 분리된 비-촉매채널(제한된 일체식 열교환 구조 "L-IHE")이 있는 방법으로 배열된 촉매구조물은 같이 소송계속중인 출원(대리인 소송사건 일람표 PA-0097)에서 설명되었다. 이런 구조물은 촉매기판온도 및 출구가스온도를 제어하는 유사한 가능이 있다. 촉매로 한쪽면이 피복된 주름진 시트(42) 및 평평한 시트(44)는 각각의 시트의 촉매 표면이 다른 채널로 나타난 제5도에 따라 배열될 수도 있어서 모든 채널은 피복된 이것의 벽들의 촉매의 일부분을 가지고 그리고 모든 벽들은 한쪽이 촉매로 피복되고 그리고 반대면이 비촉매로 피복되었다. 제5도 구조는 제4a도 및 제4b도 구조와 다르게 작용할 것이다. 제5도 구조의 벽은 일체식 열교환을 형성한다. 그러나 모든 채널이 촉매를 함유하기 때문에 모든 연료가 촉매에 의해서 연소될 가능성이 있다. 연소가 촉매표면에서 일어날때, 촉매 및 지지체의 온도가 상승할 것이며 열이 촉매면 및 비-촉매면상에서 전도되어 가스류도 소산될 것이다. 이것은 촉매기판의 온도를 제한하는데 도움이 될 것이며 벽온도를 1공기압에서 750℃ 내지 800℃ 또는 10공기압에서 약 930℃에서 유지하도록 팔라듐 온도가 제한하는데 도움이 될 것이다. 충분히 긴 촉매 또는 낮은 가스속도에 대해서 1 공기압에서 대략 800℃ 이상 또는 10공기압에서 약 930℃ 이상의 단열 연소온도로 어떤 연료/공기 비에 대해서도 750℃ 내지 800℃의 일정한 배출구 가스온도가 얻어질 것이다.The rise in wall temperature will be about half of the difference between the inlet temperature and theoretically the adiabatic combustion temperature. A sheet of metal coated on one side with a catalyst and coated on the other side with a non-catalyst may form a corrugated sheet 20 as shown in FIGS. 3A to 3C until a long ring opening channel structure is formed which causes low resistance to gas flow. ) Or a flat sheet 22 may be formed to form a plated or layered structure. The corrugated metal strip 30 coated on one side of the catalyst 32 may be combined with the separator strip 34 which is not coated with catalyst until the structure shown in FIG. 4A is formed. Alternatively, corrugated strips 36 and flat strips 38 coated on one side of the catalyst prior to assembly of the catalyst structure may be combined as shown in FIG. 4B. The structure forms channels with catalyst walls (40 in FIG. 4A and 42 in FIG. 4B) and channels with noncatalytic walls (44 in FIG. 4A and 46 in FIG. 4B). Catalyst structures arranged in such a way as to have a catalyst channel and a separate non-catalyst channel (limited integral heat exchange structure "L-IHE") have been described in the same pending application (agent litigation table PA-0097). This structure has a similar possibility of controlling the catalyst substrate temperature and the outlet gas temperature. The corrugated sheet 42 and the flat sheet 44 coated with one side of the catalyst may be arranged according to FIG. 5 in which the catalyst surface of each sheet is represented by a different channel so that all channels of the catalyst of the walls thereof are coated. In part and all the walls were coated with catalyst on one side and noncatalyst on the opposite side. The FIG. 5 structure will act differently from FIGS. 4A and 4B. The wall of FIG. 5 structure forms an integral heat exchange. However, since all channels contain a catalyst, there is a possibility that all the fuel is burned by the catalyst. When combustion takes place on the catalyst surface, the temperature of the catalyst and support will rise and heat will conduct on the catalyst and non-catalyst surfaces so that the gas stream will dissipate. This will help to limit the temperature of the catalyst substrate and will help to limit the palladium temperature to maintain the wall temperature at 750 ° C. to 800 ° C. at 1 air pressure or about 930 ° C. at 10 air pressures. A constant outlet gas temperature of 750 ° C. to 800 ° C. will be obtained for any fuel / air ratio with an adiabatic combustion temperature of at least about 800 ° C. at 1 pneumatic pressure or at least about 930 ° C. at 10 pneumatic pressures for sufficiently long catalyst or low gas velocities.

제4a도 및 제4b도에서 보여지는 구조는 촉매 채널 및 비-촉매 채널의 각각을 통하는 동일한 가스류를 가진다. 이 구조로 최대 가스온도 상승은 유입구 연료의 50% 연소에 의하여 생성되는 것일 것이다.The structures shown in FIGS. 4A and 4B have the same gas flow through each of the catalytic and non-catalyst channels. With this structure, the maximum gas temperature rise will be produced by 50% combustion of the inlet fuel.

제4a도 및 제4b도에서 보여지는 구조는 촉매 및 비-촉매 채널을 통하여 흐르는 연료 및 산소혼합물 부분을 변화시킴으로써 반응된 연료 및 산소의 부분을 조절하도록 변경될 수 있다. 제6A또는 주름진 박편이 협(50) 및 광(52) 주름이 교대로 있는 구조를 가지는 구조물을 나타낸다. 이 주름진 박편을 한쪽면에 피복하면 대촉매 채널(54) 및 소 비-촉매 채널(56)로 된다. 이 구조에서는 가스류의 대략 80% 가 촉매 채널을 통하여 흐르고 20% 가 비-촉매 채널을 통하여 흐를 것이다. 최대 출구가스 온또는 가스가 단열 연소온도로 가면 기대되는 온도 상승의 약 80%일 것이다. 반대로, 단지 박편의 다른쪽 면을 피복하면(제6B도)단열 연소온도 상승의 20%의 최대 출구 가스온도 증가 및 촉매 채널(58)을 통한 가스류의 단지 20%를 갖는 구조로 된다. 파형모양 및 크기의 적당한 디자인은 일체식 열교환을 포함하면서 5% 내지 95%의 어떤 전환수준을 얻을 수 있다. 최대 출구 가스온또는 하기의 식(2)에 의하여 계산할 수 있다;The structure shown in FIGS. 4A and 4B can be modified to control the fraction of fuel and oxygen reacted by changing the fraction of fuel and oxygen mixture flowing through the catalyst and non-catalyst channels. 6A or the corrugated flakes represent a structure having a structure in which the narrow 50 and light 52 corrugations alternate. The corrugated flakes are coated on one side to form the large catalyst channel 54 and the non-catalyst channel 56. In this structure approximately 80% of the gas stream will flow through the catalyst channel and 20% will flow through the non-catalyst channel. If the maximum outlet gas temperature or gas goes to the adiabatic combustion temperature, it will be about 80% of the expected temperature rise. Conversely, covering only the other side of the flakes (Fig. 6B) results in a structure having a maximum outlet gas temperature increase of 20% of the rise in thermal combustion temperature and only 20% of the gas flow through the catalyst channel 58. Appropriate designs of corrugation and size can achieve any conversion level of 5% to 95%, including integral heat exchange. It can calculate by the maximum outlet gas temperature or following formula (2);

이 일체식 열교환 구역의 공정을 설명하기 위하여 제1촉매 구역으로 부터 부분 연소된 가스나 촉매 채널을 통한 가스류가 전체 플로우의 50%인 제4a도 구조물 속으로 흐른다고 가정한다.To illustrate the process of this integrated heat exchange zone, it is assumed that gas 4 through the catalytic channel or gas stream partially from the first catalyst zone flows into structure 4a, which is 50% of the total flow.

가스류의 대략 1/2은 촉매벽(42)을 갖는 채널을 통해서 흐를 것이며 비-촉매벽(46)을 갖는 채널을 통해서 흐를 것이다. 연료연소는 촉매표면에서 일어날 것이고 열은 촉매 및 비-촉매 채널에서 흐르는 가스로 소산될 것이다. 구역(1)의 가스나 500℃이고 연료/공기비가 1300℃의 이론상의 단열 연소온도에 해당하면 촉매 채널에서 연료의 연소는 흐르는 모든 가스의 온도를 상승시킬 것이다. 열은 촉매 및 비-촉매 채널에서 흐르는 가스로 소산된다.Approximately half of the gas stream will flow through the channel with catalyst wall 42 and through the channel with non-catalyst wall 46. Fuel combustion will occur at the catalyst surface and heat will dissipate into the gas flowing in the catalyst and non-catalyst channels. If the gas in zone (1) or 500 ° C and the fuel / air ratio corresponds to the theoretical adiabatic combustion temperature of 1300 ° C, combustion of the fuel in the catalyst channel will raise the temperature of all flowing gas. Heat is dissipated to the gas flowing in the catalyst and non-catalyst channels.

계산된 L-IHE 벽온또는 하기와 같다 :The calculated L-IHE wall temperature or as follows:

계산된 최대 가스온또는 하기와 같다:The calculated maximum gas temperature or is as follows:

그러나 1공기압에서 팔라듐은 벽온도를 750℃ 내지 800℃로 제한할 것이며 최대 출구 가스 온또는 약 <800℃일 것이다. 이 경우에 볼수 있는 것처럼 팔라듐 제어는 최대 출구가스온도를 조절하고 벽온도를 제한하는 것이다.However, at one air pressure, palladium will limit the wall temperature to 750 ° C. to 800 ° C. and will be the maximum outlet gas on or about <800 ° C. As can be seen in this case, palladium control controls the maximum outlet gas temperature and limits the wall temperature.

10공기압에서는 상황이 다르다. 팔라듐 제어온또는 약 930℃이다. 벽은 L-IHE 구조에 의하여 900℃로 제한될 것이다. 이 경우에 L-IHE 구조는 벽과 가스온도를 제한한다.At 10 pneumatics the situation is different. Palladium controlled temperature or about 930 ° C. The wall will be limited to 900 ° C. by the L-IHE structure. In this case the L-IHE structure limits the wall and gas temperature.

이 구역에서 촉매구조물은 제1구역 구조물 처럼 촉매를 가지는 그러한 표면상에 동일한 근사 촉매로딩을 가져야만 한다. 그것은 제1구역과 동일한 평균 선속도로 프로우를 유지하도록 크기를 가져야만 하고 제3촉매 단계를 원한다면 전체 출구온도가 단지 800℃, 바람직하게는 600℃ 내지 800℃의 범위내 및 가장 바람직하게는 700℃ 와 800℃사이에 도달하도록 크기를 가져야 한다. 촉매는 제1촉매 구역에 대해 기술된 것과 같은 비-촉매 확산벽층을 포함할 수 있다.The catalyst structure in this zone must have the same approximate catalyst loading on that surface with the catalyst as the first zone structure. It should be sized to maintain the prow at the same average linear velocity as the first zone and if a third catalyst step is desired the total outlet temperature is only in the range of 800 ° C., preferably 600 ° C. to 800 ° C. and most preferably It must be sized to reach between 700 ° C and 800 ° C. The catalyst may comprise a non-catalyst diffusion barrier layer as described for the first catalyst zone.

고안물로서 단지 두가지 별개의 촉매 구조물을 이용하는 공정을 원하면, 구역에서 배출되는 가스의 전체온도가 그것의 자연발화온도이상(균질적인 연소구역을 원한다면)이 되도록 제2촉매 구역이 고안되어야 한다.If a process using only two separate catalyst structures as a design is desired, the second catalyst zone should be designed such that the total temperature of the gases leaving the zone is above its spontaneous ignition temperature (if a homogeneous combustion zone is desired).

지지체 및 촉매온또는 촉매 및 비-촉매 채널의 상대적 크기, 유입구온도, 이론적인 단열 연소온도, 및 제2구역 길이에 의하여 조절되는 조정온도에서 유지된다. 제2 촉매 구역의 가스선속또는 제1구역의 것과 동일하다.It is maintained at an adjustment temperature controlled by the support and catalyst temperatures or the relative size of the catalyst and non-catalyst channels, the inlet temperature, the theoretical adiabatic combustion temperature, and the second zone length. Same as the gas flux of the second catalyst zone or of the first zone.

[제3촉매구역][3rd catalyst zone]

이용할때 공정의 제3구역은 제2구역으로 부터 부분 연소된 가스를 받아들이고, 일체식 열교환력을 가지고 바람직하게는 금속-산소 촉매물질로 포함하거나 또는 촉매물질로서 백금을 포함하는 촉매구조물의 존재하에 더욱 조절되는 연소가 일어나게 한다. 금속-산소물질은 바람직하게는 멘델레프 족(VIII) 및 족(I) 에서 발견되는 것에서 선택되는 하나 이상의 금속을 포함한다. 이 물질들은 보다 높은 온도에서의 반응 안정성 때문에 바람직하다. 팔라듐, 로듐, 오스뮴, 이리듐 등의 다른 연소촉매가 백금 대신에 또는 백금과 함께 사용될 수 있다. 이 구역은 공정에서 본질적으로 단열일 수 있으며 적어도 연료 일부의 촉매연소에 의하여 균질적인 연소가 일어날 수 있는 또는 가스나 직접 노 또는 터빈에 사용될 수 있는 온도로 가스온도를 더욱 상승시킨다.In use, the third zone of the process receives the partially combusted gas from the second zone, has an integral heat exchange force and is preferably in the presence of a catalyst structure comprising as a metal-oxygen catalyst material or comprising platinum as catalyst material. More controlled combustion occurs. The metal-oxygen material preferably comprises at least one metal selected from those found in Mendelev Group (VIII) and Group (I). These materials are preferred because of their reaction stability at higher temperatures. Other combustion catalysts such as palladium, rhodium, osmium, iridium and the like may be used instead of or in combination with platinum. This zone may be essentially adiabatic in the process and further raises the gas temperature to a temperature at which homogeneous combustion may occur by catalytic combustion of at least a portion of the fuel or may be used in gas or direct furnaces or turbines.

이 구역에서 촉매 구조물은 제2구역에서 이용된 것과 동일할 수 있다. 상기에서 지적한 것처럼 이 구역에서 사용된 촉매는 바람직하게는 금속-산소촉매물질 또는 백금을 포함한다. 적합한 금속-산소촉매물질은 멘델레프 족(V) (특히 Nb 또는 V), 족(VI)(특히 Cr), 족(VIII 전이)(특히 Fe, Co, Ni), 및 제1란탄계열(특히 Ce, Pr, Nd, Sa, Tb, La)금속산화물 또는 혼합산화물로 부터 선택된 것들을 포함한다. 부가적으로 촉매물질은 ABO3형태의 페로브스카이트-형 물질에서 선택될 수 있는데, 여기서 A는 족(IIA) 또는 (IA) 금속(Ca, Ba, Sr, Mg, Be, K, Rb, Na, 또는 Cs)에서 선택되고, B는 족(VIII) 전이금속, 족(VIB), 또는 족(IB) (특히 Fe, Co, Ni, Mn, Cr, Cu)로 부터 선택된다.The catalyst structure in this zone may be the same as used in the second zone. As indicated above, the catalyst used in this zone preferably comprises a metal-oxygen catalyst or platinum. Suitable metal-oxygen catalysts include the Mendelev group (V) (particularly Nb or V), group (VI) (particularly Cr), group (VIII transition) (particularly Fe, Co, Ni), and primary lanthanides (particularly Ce, Pr, Nd, Sa, Tb, La) metal oxides or mixed oxides. Additionally, the catalytic material may be selected from perovskite-type materials in the form of ABO 3 , where A is a group (IIA) or (IA) metal (Ca, Ba, Sr, Mg, Be, K, Rb, Na, or Cs), and B is selected from group (VIII) transition metals, group (VIB), or group (IB) (especially Fe, Co, Ni, Mn, Cr, Cu).

본 출원인은 이 물질들이 조제되는 방법이 중요하다는 것은 아직 발견하지 못하였다. 문헌에서 제안된 것처럼 원하는 금속 또는 금속들의 염 또는 착물용액으로 지지체를 포화시키고 하소단계를 수행하는 것이 적당하다.Applicant has not yet found the importance of how these materials are prepared. As suggested in the literature, it is suitable to saturate the support with the desired metal or salt or complex solution of metals and carry out the calcination step.

이 물질들은 전형적으로 단지 650℃ 이상의 온도에서 연소촉매로서 활성이 있지만 그 범위에서 상당히 안정성을 나타낸다. 이 물질들은 팔라듐처럼 온도제한 양태를 보이지 않는다; 촉매기판은 사전대책이 없으면 800℃ 이상의 온도로 상승될 수 있다.These materials are typically active as combustion catalysts at temperatures of just above 650 ° C. but show considerable stability in that range. These materials do not exhibit the same temperature limiting behavior as palladium; The catalyst substrate may be raised to a temperature higher than 800 ° C. without prior measures.

제6도의 L-IHE 촉매 구조물이 촉매채널(3)을 통한 가스류의 50% 및 비-촉매채널(4)을 통한 것의 50%를 가지고 연소가 촉매 채널에서 완결되면, 제3구역의 배출구 가스 온도가 상기에서 기술한 대로 단열 연소온도 및 유입구온도의 평균일 것이다. 벽온도 및 가스온또는 상기에서 주어진 식(1) 및 (2)로 제한될 것이다. 촉매채널에서 불완전 반응은 보다 낮은 출구 가스온도로 될 것이다.When the L-IHE catalyst structure of FIG. 6 has 50% of the gas flow through the catalyst channel 3 and 50% of that through the non-catalyst channel 4 and the combustion is completed in the catalyst channel, the outlet gas of the third zone The temperature will be the average of the adiabatic combustion temperature and the inlet temperature as described above. Wall temperature and gas temperature or will be limited to equations (1) and (2) given above. Incomplete reactions in the catalyst channel will result in lower outlet gas temperatures.

제2구역으로 부터의 배기가스는 약 800℃ 또는 그 이상의 온도이고 연료/공기 혼합물은 1300℃의 이론적인 단열 연소온도를 가지고 가스혼합물의 50%가 촉매채널에서 완전연소되면, 제3구역으로 부터의 온또는 1050℃(즉 800℃와 1300℃의 평균)일 것이다. 이 배출가스온또는 빠른 균질적인 연소를 일으킬 것이다.If exhaust gas from zone 2 is at or above 800 ° C and the fuel / air mixture has a theoretical adiabatic combustion temperature of 1300 ° C and 50% of the gas mixture is completely burned in the catalyst channel, Will be at or 1050 ° C. (ie an average of 800 ° C. and 1300 ° C.). This will cause flue gas temperatures or rapid homogeneous combustion.

제3구역의 구조체는 많은 형태를 취할 수 있고 촉매를 다양한 방식으로 적용하여 제3구역에 유입되는 연료의 적어도 부분연소를 이룰 수 있다. 하나의 실례로서 제6A도 및 제6B도에 대해 상기에서 기술한 구조물을 사용하면 각각 제3구역에 유입되는 가스혼합물의 80% 또는 20%가 전환될 것이다. 제3구역으로 부터의 출구 가스온또는 촉매 지지체 디자인에 의하여 조정될 수 있다.The structure of the third zone can take many forms and can at least partially burn the fuel entering the third zone by applying the catalyst in various ways. As an example, using the structures described above for FIGS. 6A and 6B will convert 80% or 20% of the gas mixture entering the third zone, respectively. It can be adjusted by the outlet gas temperature from the third zone or by the catalyst support design.

그러므로 고안물로서 제3구역은 제3구역에서 배출되는 가스의 전체온도가 그것의 자연발화온도이상(제4구역 균질연소구역을 원한다면) 이도록 고안되어야 한다. 지지체 및 촉매온또는 촉매 및 비-촉매채널의 상대적 크기, 유입구온도, 이론적인 단열 연소온도, 및 제3구역의 길이에 의하여 조절되는 조정온도에서 유지된다. 제3촉매구역에서 가스의 선속또는 보다 높은 온도 때문에 명백하게 더 높지만 제1 및 제2구역의 것과 동일한 범위에 있다.Therefore, as a design, Zone 3 shall be designed such that the total temperature of the gases discharged from Zone 3 is above its spontaneous ignition temperature (if Zone 4 homogeneous combustion zones are desired). It is maintained at an adjustment temperature controlled by the support and catalyst temperatures or the relative size of the catalyst and non-catalyst channels, the inlet temperature, the theoretical adiabatic combustion temperature, and the length of the third zone. It is obviously higher because of the flux or higher temperature of the gas in the third catalyst zone but in the same range as in the first and second zones.

[균질적인 연소구역]Homogeneous combustion zone

앞의 연소구역에서 배출된 가스는 온도가 정확하다면 다음에 사용하는데 적합한 조건에 있을 수 있다; 가스는 본질적으로 NOx 를 포함하지 않으며 촉매 및 촉매지지체가 그것의 장기간 안정성을 허용하는 온도에서 유지된다. 그러나 여러번 사용하기 위해서는 보다 높은 온도가 필요하다. 예컨대 약 1260℃의 유입구 온도를 위해 많은 가스터빈이 고안되었다. 결과적으로 균질적인 연소구역은 적당한 첨가물일 수 있다.The gases emitted from the previous combustion zone may be in suitable conditions for subsequent use if the temperature is correct; The gas is essentially free of NOx and is maintained at a temperature at which the catalyst and catalyst support allow for its long term stability. However, higher temperatures are required for multiple use. Many gas turbines have been designed, for example, for inlet temperatures of about 1260 ° C. As a result, the homogeneous combustion zone may be a suitable additive.

균질적인 연소구역은 클 필요가 없다. 구역내의 가스체류 시간은 본질적으로 완전연소(즉 일산화탄소가<10ppm)를 이루기 위해서는 그리고 단열 연소온도를 이루기 위해서는 정상적으로 약 11 또는 12밀리세컨드 이상 이어서는 안된다. 하기표는 연료-(메탄)/공기비, 제3촉매구역을 빠져나가는 전체 가스의 온도 및 압력의 함수로서, 거의 완전한 연소의 달성 뿐만아니라 다양한 단열 연소온도(연료/공기비의 함수)를 달성하기 위한 계산된 체류시간을 보여준다. 이들 반응시간은 키이등(kee et al.)이 기술한 균질한 연소모델과 운동속도 상수를 사용하여 계산하였다(Sandia Natlonal Laboratory Report No. SAND 80-8003).Homogeneous combustion zones need not be large. The gas residence time in the zone is essentially no more than about 11 or 12 milliseconds to achieve complete combustion (ie carbon monoxide <10 ppm) and to achieve adiabatic combustion temperatures. The following table is a function of the fuel- (methane) / air ratio, temperature and pressure of the total gas exiting the third catalyst zone, to achieve almost complete combustion as well as to achieve various adiabatic combustion temperatures (function of fuel / air ratio). The calculated residence time is shown. These reaction times were calculated using the homogeneous combustion model described by kee et al. And the kinetic rate constants (Sandia Natlonal Laboratory Report No. SAND 80-8003).

명백하게도, 가스터빈을 유지하는데 사용되는 공정에 있어서(예를 들면 촉매구역가스 전체 배출온도=900℃, F/A 비=0.043, 압력=공기 10기압), 단열 연소온도와 완전한 연소에 이르기 위한 체류시간은 5밀리세컨드 미만이다.Obviously, in the process used to maintain the gas turbine (e.g. total catalyst zone gas discharge temperature = 900 ° C, F / A ratio = 0.043, pressure = 10 atm air pressure), to achieve adiabatic combustion temperature and complete combustion The residence time is less than 5 milliseconds.

40m/초 미만의 전체 성형가스 속또는(촉매 단계에 관해서 앞에서 논의한 것처럼)길이가 0.2m 미만인 균질한 연소구역을 초래할 것이다. 요약하면 본 공정은 실질적으로 NOx 를 함유하지 않고 통상의 연소공정에 견줄만한 온도에 있는 작업가스를 생성하기 위해 다수의 주의깊게 만들어진 촉매구조물과 촉매적 방법을 사용한다. 그러나 촉매 및 그 지지체는 그러한 촉매 및 지지체를 손상시키거나 그것들의 유용한 수명을 단축시킬 수도 있는 고온에 노출되지 않는다.This will result in an overall combustion gas of less than 40 m / sec or a homogeneous combustion zone of less than 0.2 m in length (as discussed above with respect to the catalyst stage). In summary, the process uses a number of carefully crafted catalyst structures and catalytic methods to produce working gases that are substantially free of NOx and at temperatures comparable to conventional combustion processes. However, the catalyst and its support are not exposed to high temperatures that may damage such catalyst and support or shorten their useful life.

[실시예1]Example 1

이 실시예는 3단계 촉매 시스템의 어셈블리를 나타낸다.This example shows an assembly of a three stage catalyst system.

[1단계][Stage 1]

제1단계를 다음과 같이 제조하였다: 3% 팔라듐/ZrO2졸을 제조하였다. 표면적이 45㎡/㎎인 ZrO2분말 145g의 샘플을 0.83g 팔라듐/㎖를 함유한 HNO3에 Pd(HN3)2(NO2)2를 용해시켜 제조한 팔라듐 용액 45㎖로 함침시켰다. 이 고체를 건조시키고 500℃의 공기중에서 하소시키고, 230㎖ H2O, 2.0㎖ 진한 HNO3및 원통형 지르코니아 매질을 함유한 중합체로 정렬된 볼밀에 넣었다. 혼합물을 8시간 동안 밀링하였다.The first step was prepared as follows: A 3% palladium / ZrO 2 sol was prepared. A sample of 145 g of ZrO 2 powder having a surface area of 45 m 2 / mg was impregnated with 45 ml of a palladium solution prepared by dissolving Pd (HN 3 ) 2 (NO 2 ) 2 in HNO 3 containing 0.83 g palladium / ml. This solid was dried and calcined in air at 500 ° C. and placed in a ball mill lined with a polymer containing 230 ml H 2 O, 2.0 ml concentrated HNO 3 and a cylindrical zirconia medium. The mixture was milled for 8 hours.

이 졸( 약 35중량% 의 고형분 함유) 50cc에 팔라듐 용액 36㎖를 첨가하였다. pH를 약 9로 조절하고 히드라진 1.0㎖를 첨가하였다. 실온에서 교반하여 팔라듐을 환원시켰다. 최종 팔라듐 농또는 20중량% 팔라듐/ZrO2였다.To 50 cc of this sol (containing about 35% by weight of solids), 36 ml of a palladium solution was added. The pH was adjusted to about 9 and 1.0 ml of hydrazine was added. Stir at room temperature to reduce palladium. Final palladium concentration or 20% by weight palladium / ZrO 2 .

제곱인치당 100개의 정방형 셀을 가진 코오디어라이트 모놀리드 세라믹 벌집 구조물을 팔라듐/ZrO2졸에 침지시키고 과량의 졸을 채널로 부터 날려버렸다. 모놀리드를 건조시키고 850℃에서 하소하였다. 이 모놀리드는 6.1%의 ZrO2와 1.5%의 팔라듐을 함유하였다. 이 모놀리드를 다시 동일 팔라듐/ZrO2졸에 단지 10mm의 깊이까지 침지한 다음 제거하고, 취출하여 건조시킨 다음 하소하였다. 최종 촉매는 유입구 10.0mm 부위에 25% ZrO2와 6.2% 팔라듐을 가졌다.Cordierite monolithic ceramic honeycomb structures with 100 square cells per square inch were immersed in palladium / ZrO 2 sol and excess sol was blown from the channel. The monolith was dried and calcined at 850 ° C. This monolith contained 6.1% ZrO 2 and 1.5% palladium. This monolith was again immersed in the same palladium / ZrO 2 sol to a depth of only 10 mm, then removed, taken out, dried and calcined. The final catalyst had 25% ZrO 2 and 6.2% palladium at the 10.0 mm inlet.

[2단계][Step 2]

제2단계 촉매를 다음과 같이 제조하였다.A second stage catalyst was prepared as follows.

ZrO2콜로이드성 졸을 제조하였다. 약 66g의 지르코늄 이소프로폭사이드를 75cc 물로 가수분해한 다음 표면적이 100㎡/gm 인 ZrO2분말 100g 및 추가의 물 56㎖와 혼합하였다. 이 슬러리를 ZrO2원통형 매질을 사용하여 8시간 동안 중합체로 정렬된 볼밀에서 볼밀링하였다. 이 콜로이드성 졸에 물을 더하여 15중량% ZrO2농도로 희석하였다.ZrO 2 colloidal sol was prepared. About 66 g of zirconium isopropoxide was hydrolyzed with 75 cc water and then mixed with 100 g of ZrO 2 powder having a surface area of 100 m 2 / gm and 56 ml of additional water. This slurry was ball milled in a ball mill aligned with the polymer for 8 hours using a ZrO 2 cylindrical medium. To this colloidal sol was added water and diluted to a concentration of 15% by weight ZrO 2 .

Fe/Cr/Al 합금 호일을 헤링본 패턴으로 주름을 잡은 다음 공기중에서 900℃에서 산화하여 호일표면상에 알루미나 휘스커를 형성하였다. ZrO2졸을 주름진 호일상에 분사하였다. 피복된 호일을 건조시키고 850℃에서 하소하였다. 최종 호일은 호일표면 ㎠당 12㎎의 ZrO2를 함유하였다. 팔라듐 2-에틸헥산산을 0.1g 팔라듐/㎖의 농도로 톨루엔에 용해시켰다. 이 용액을 ZrO2로 피복된 금속 호일 쪽에만 분사하고 호일을 건조시키고 공기중에서 850℃에서 하소하였다. 최종 호일은 호일표면 ㎠당 약 0.5㎎ 팔라듐을 함유하였다.The Fe / Cr / Al alloy foil was corrugated in a herringbone pattern and then oxidized at 900 ° C. in air to form alumina whiskers on the foil surface. ZrO 2 sol was sprayed onto the corrugated foil. The coated foil was dried and calcined at 850 ° C. The final foil contained 12 mg of ZrO 2 per cm 2 of foil surface. Palladium 2-ethylhexanoic acid was dissolved in toluene at a concentration of 0.1 g palladium / ml. This solution was sprayed only onto the metal foil coated with ZrO 2 and the foil was dried and calcined at 850 ° C. in air. The final foil contained about 0.5 mg palladium per cm 2 of foil surface.

주름진 호일을 주름이 맞물리지 않도록하여 구조물의 축방향으로 뻗어 있는 세로방향의 채널을 지니고 제곱인치당 약 150개의 셀을 함유한, 직경이 2인치이고 길이가 2인치인 최종 금속 구조물을 형성하였다. 호일은 한쪽 표면상에만 팔라듐/ZrO2촉매를 가졌으며 각 채널은 제3A도에서 보는 바와 같이 촉매 피복표면과 비-촉매 표면으로 이루어졌다.The corrugated foil was formed to have a longitudinal channel extending in the axial direction of the structure, containing about 150 cells per square inch, with a length of 2 inches in diameter and 2 inches in length to prevent the corrugated foil from interlocking. The foil had a palladium / ZrO 2 catalyst on only one surface and each channel consisted of a catalyst coating surface and a non-catalyst surface as shown in Figure 3A.

[3단계][Step 3]

제3단계 촉매를 다음과 같이 제조하였다.A third stage catalyst was prepared as follows.

알루미나졸을 제조하였다. 표면적이 180㎡/g인 감마알루미나 약 125g과 진한 질산 21㎖ 및 물 165㎖를 원통형 알루미나 그라인딩 매질을 가진 1/2 갤론 볼밀에 넣고 24시간 동안 밀링하였다. 이 졸을 20%의 고체 농도로 희석하였다.Alumina sol was prepared. About 125 g of gamma alumina having a surface area of 180 m 2 / g, 21 ml of concentrated nitric acid, and 165 ml of water were placed in a 1/2 gallon ball mill with a cylindrical alumina grinding medium and milled for 24 hours. This sol was diluted to 20% solids concentration.

Fe/Cr/Al 합금 호일을 주름지게하여 호일 스트립에 균일한 직선상의 채널을 형성하였다. 평평한 호일 스트립과 함께 롤링했을때 나선형 구조는 직선상의 채널이 있는 벌집형 구조를 형성하였다. 주름진 스트립에 먼저 5% 클로이드성 뵈에마이트(boehmite) 졸을 분사한 다음 앞에서 제조한 알루미나졸을 분사하였다. 평평한 금속 호일 스트립을 유사한 방법으로 분사하였다. 각 호일의 한쪽면만을 이 방법으로 피복하였다. 그런 후에 호일을 건조시키고 1100℃에서 하소하였다. Pt(NH3)2(NO2)2를 질산에 용해시켜 0.13g 백금/㎖의 용액을 얻었다. 이 용액을 피복된 호일에 분사하고 호일을 기체 H2S로 처리하고 건조시킨 다음 1100℃에서 하소하였다. 금속 호일상의 알루미나 피복의 "두께"는 평평한 호일표면 ㎠당 약 4㎎이었다. 백금 부하량은 알루미나의 약 20%였다.The Fe / Cr / Al alloy foil was corrugated to form uniform straight channels in the foil strip. When rolled together with a flat foil strip, the helical structure formed a honeycomb structure with straight channels. The corrugated strip was first sprayed with a 5% clavable boehmite sol followed by the alumina sol prepared previously. Flat metal foil strips were sprayed in a similar manner. Only one side of each foil was coated in this way. The foil was then dried and calcined at 1100 ° C. Pt (NH 3 ) 2 (NO 2 ) 2 was dissolved in nitric acid to give a solution of 0.13 g platinum / ml. This solution was sprayed onto the coated foil and the foil was treated with gas H 2 S, dried and calcined at 1100 ° C. The "thickness" of the alumina coating on the metal foil was about 4 mg per cm 2 of flat foil surface. Platinum loading was about 20% of alumina.

[3단계 촉매 시스템][3 stage catalyst system]

상기한 3개의 촉매를 제7도에 나타낸 것처럼 세라믹 실린더 내부에 배열하였다. 열전쌍을 이 시스템의 표시위치에 위치시켰다. 촉매부에 위치한 열전쌍은 세라믹 시멘트로 채널내부에 밀봉하여 촉매기판의 온도를 측정하였다. 가스열전쌍은 가스류에 현가하였다. 제7도의 절연된 촉매부를 직경 50mm인 가스 유로를 지닌 반응기에 설치하였다. 150SLPM의 공기를 전기히터, 정적가스 믹서를 통과시킨 다음 촉매 시스템을 통과시켰다. 67SLPM의 천연가스를 정적믹서의 상방에 첨가하였다. 전기히터에 전력을 증가시킴으로써 공기온도를 서서히 올렸다. 368℃에서 단계1, 2 및 3으로 부터의 배출가스온또는 제8도에 나타낸 것처럼 상승되기 시작하였다. 380℃의 예열온도 위에서는 단계 1의 가스온또는 약 530℃에서 일정하였고 가스배출단계 2는 약 780℃였고 가스배출 단계 3은 약 1020℃ 였다. 균질한 연소는 촉매가 약 1250℃의 가스온도를 제공한 후 일어났고 이온또는 이 연료/공기비의 단열 연소온도에 가까운 온도였다. 3단계에 대한 기판온또는 제9도에 나타내었다. 상기한 것처럼 단계 1 촉매는 저온에서 불이 꺼졌고 기판온또는 약 750℃에서 자기제어하였다. 이 촉매 셀밀도와 가스유속은 중간 가스온도를 540℃로 만들었다. 마찬가지로 단계 2는 기판온도를 780℃로 자기제어하고 가스온도를 750℃로 만들었다. 단계 3은 벽온도를 1100℃로 제한하였다.The three catalysts described above were arranged inside the ceramic cylinder as shown in FIG. The thermocouple was placed at the marked position of this system. The thermocouple located in the catalyst section was sealed in the channel with ceramic cement to measure the temperature of the catalyst substrate. Gas thermocouples were suspended in the gas stream. The insulated catalyst section of FIG. 7 was installed in a reactor with a gas flow path of 50 mm in diameter. 150 SLPM of air was passed through an electric heater, a static gas mixer, and then through a catalyst system. 67 SLPM of natural gas was added above the static mixer. The air temperature was gradually raised by increasing the power to the electric heater. At 368 ° C. the off-gas temperature from steps 1, 2 and 3 or as shown in FIG. 8 began to rise. Above the preheating temperature of 380 ° C., the gas temperature of step 1 was constant or about 530 ° C., the gas discharge step 2 was about 780 ° C. and the gas discharge step 3 was about 1020 ° C. Homogeneous combustion occurred after the catalyst provided a gas temperature of about 1250 ° C. and was close to the adiabatic combustion temperature of the ion or this fuel / air ratio. Substrate temperature for step 3 or shown in FIG. As mentioned above, the stage 1 catalyst was extinguished at low temperature and self-controlled at substrate temperature or about 750 ° C. This catalyst cell density and gas flow rate resulted in an intermediate gas temperature of 540 ° C. Step 2 likewise self controlled the substrate temperature to 780 ° C and the gas temperature to 750 ° C. Step 3 limited the wall temperature to 1100 ° C.

단계 1과 2에서 기판온도를 750℃ 내지 780℃로 제한하는 것은 뛰어난 장기간의 촉매 안정성을 제공하였다. 이 안정성은 제10도에 나타낸 것처럼 100시간 동안 입증 되었다. 유입공기온도를 400℃에 유지하고 메탄유속을 증가시켜 연료/공기비를 증가시킴으로써 이 촉매 시스템을 다시 점화하였다.Limiting the substrate temperature to 750 ° C. to 780 ° C. in steps 1 and 2 provided excellent long term catalyst stability. This stability was demonstrated for 100 hours as shown in FIG. The catalyst system was re-ignited by maintaining the inlet air temperature at 400 ° C. and increasing the methane flow rate to increase the fuel / air ratio.

이 개시과정은 제11도에 나타내었다. 단계 1은 540℃의 배출가스온도를 연료/공기=.033에서 달성하였고 이 온도를 .045 까지의 연료/공기비에서 유지하였다. 촉매후 영역에서의 완전한 균질한 연소는 .045의 연료/공기비에서 달성되었다.This initiation process is shown in FIG. Step 1 achieved an exhaust gas temperature of 540 ° C. at fuel / air = .033 and maintained this temperature at fuel / air ratios up to .045. Complete homogeneous combustion in the post-catalytic zone was achieved at a fuel / air ratio of .045.

본발명을 직접적인 설명과 예로써 나타내었다. 실시예들은 어떤 방법으로든 후에 청구되는 것처럼 본발명을 제한하려는 의또는 아니며 단지 예들이다.The invention is illustrated by direct explanation and examples. The embodiments are by way of example only and are not intended to limit the invention as claimed later in any way.

또한 본 분야에서 통상의 지식을 가진 전문가들은 이들 청구범위에 기재된 본발명을 실행하기 위한 동등한 방법을 인식할 수 있을 것이다. 그러한 동등물은 청구된 발명의 범위내에 든다고 여겨진다.Those skilled in the art will also recognize equivalent methods for carrying out the invention described in these claims. Such equivalents are considered to be within the scope of the claimed invention.

Claims (24)

가연혼합물의 연소공정으로서, (a) 연소시 소망하는 온도에 도달하는 것이 필요한 산소 함유가스 및 연료로 구성되는 가연혼합물을, 둘 이상의 촉매 단계로 이루어지는 촉매 구조물과 접촉시키고, 제1단계에서 팔라듐이 유일한 촉매 물질로서 존재하며, 이 촉매 물질은 가연혼합물의 일부가 촉매와 접촉하지 않도록 촉매 구조물내에 위치함으로써, 연료의 일부만이 촉매 구조물내에서 연소하며, 촉매 구조물을 벗어나는 부분적으로 연소된 가연혼합물의 온도가 소망하는 온도 이하가 되는 단계, 및 (b) 촉매 구조물 외부의 가연 혼합물내에 남은 잔류 연료를 연소시켜 소망하는 온도까지 승온시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 가연혼합물의 연소공정.A combustion process of a combustible mixture, comprising: (a) contacting a combustible mixture composed of an oxygen-containing gas and a fuel that needs to reach a desired temperature during combustion, with a catalyst structure consisting of two or more catalytic stages, wherein palladium is It exists as the only catalytic material, which is located in the catalyst structure such that a portion of the combustible mixture does not come into contact with the catalyst, so that only a portion of the fuel burns in the catalyst structure and the temperature of the partially burned combustible mixture outside the catalyst structure And (b) burning the residual fuel remaining in the combustible mixture outside the catalyst structure to raise the temperature to the desired temperature. 제1항에 있어서, 촉매 구조물은 3단계로 나누어지고, 제2단계 촉매는 팔라듐을 함유하는 것을 특징으로 하는 가연혼합물의 연소공정.The combustion process of claim 1, wherein the catalyst structure is divided into three stages, and the second stage catalyst contains palladium. 제2항에 있어서, 제1단계에서 방출되는 가연혼합물의 온또는 500℃ 내지 650℃이고, 제2단계에서 방출되는 것은 750℃ 내지 800℃이며, 제3단계에서 방출되는 것은 850℃ 내지 1050℃ 인것을 특징으로 하는 가연혼합물의 연소공정.The method according to claim 2, wherein the combustible mixture released in the first step is on or 500 ° C. to 650 ° C., and the second step is released to 750 ° C. to 800 ° C., and the third step is released to 850 ° C. to 1050 ° C. Combustion process of the combustible mixture, characterized in that. 제1항에 있어서, 연소후 소망하는 온또는 1050℃ 내지 1700℃ 인것을 특징으로 하는 가연혼합물의 연소공정.2. The process of claim 1 wherein the desired temperature after combustion is 1050 ° C to 1700 ° C. 제1항에 있어서, 가연혼합물의 일부가 촉매가 접촉하지 않도록 촉매물질이 위치하는 촉매 구조물은, 가연혼합물의 통과를 위한 다수의 세로 방향 통로를 구비한 촉매지지체로 구성되며, 촉매지지체의 통로의 일부에만 촉매물질이 위치하는 것을 특징으로 하는 가연혼합물의 연소공정.The catalyst structure of claim 1, wherein the catalyst structure is positioned so that a portion of the combustible mixture does not come into contact with the catalyst, and comprises a catalyst support having a plurality of longitudinal passages for the passage of the combustible mixture. Combustion process of a combustible mixture, characterized in that the catalytic material is located only in part. 제5항에 있어서, 촉매 지지체는 주름진 금속 구조물인 것을 특징으로하는 가연혼합물의 연소공정.6. The process of claim 5 wherein the catalyst support is a corrugated metal structure. 제1항에 있어서, 가연혼합물의 일부가 촉매가 접촉하지 않도록 촉매 물질이 위치하는 촉매 구조물은, 그 내부에 확산벽이 있는, 촉매를 가진 촉매 지지체로 구성되는 것을 특징으로 하는 가연혼합물의 연소공정.The combustion process of claim 1, wherein the catalyst structure in which the catalyst material is positioned so that a portion of the combustible mixture does not come into contact with the catalyst is composed of a catalyst support having a catalyst having a diffusion wall therein. . 제2항에 있어서, 제3단계 촉매는 백금을 함유하는 것을 특징으로 하는 가연혼합물의 연소공정.3. The process of claim 2, wherein the third stage catalyst contains platinum. 제8항에 있어서, 제1단계에서 방출되는 가연혼합물의 온또는 500℃내지 650℃이고, 제2단계에서 방출되는 것은 750℃ 내지 800℃이며, 제3단계에서 방출되는 것은 850℃ 내지 1050℃인것을 특징으로 하는 가연혼합물의 연소공정.The method according to claim 8, wherein the combustible mixture released in the first step is on or 500 ° C. to 650 ° C., and the second step is released from 750 ° C. to 800 ° C., and the third step is released from 850 ° C. to 1050 ° C. Combustion process of the combustible mixture, characterized in that. 제1항에 있어서, 촉매 구조물은 세 단계로 분할되고, 제3단계 촉매는 팔라듐, 로듐, 오스뮴, 이리듐 또는 백금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 가연혼합물의 연소공정.The process of claim 1 wherein the catalyst structure is divided into three stages and the third stage catalyst is comprised of palladium, rhodium, osmium, iridium or platinum. 제2항에 있어서, 제2단계를 벗어나는 가스의 전체 온도가 750℃-950℃인 것을 특징으로 하는 가연혼합물의 연소공정.3. The process of claim 2, wherein the total temperature of the gas leaving the second stage is between 750 ° C and 950 ° C. 제1항에 있어서, 산소함유가스는 공기이고, 최소한 4기압(게이지)까지 압축되는 것을 특징으로 하는 가연혼합물의 연소공정.2. The process of claim 1, wherein the oxygen-containing gas is air and is compressed to at least 4 atmospheres (gauge). 제1항에 있어서, 제1단계 촉매는 금속지지체상의 팔라듐으로 구성되는 것을 특징으로 하는 가연혼합물의 연소공정.The combustion process of claim 1, wherein the first stage catalyst consists of palladium on a metal support. 제13항에 있어서, 금속지지체상의 팔라듐으로 구성되는 제1단계 촉매는, 파라듐의 적어도 일부를 덮는 벽층으로 더 구성되는 것을 특징으로 하는 가연혼합물의 연소공정.15. The process of claim 13, wherein the first stage catalyst consisting of palladium on a metal support further comprises a wall layer covering at least a portion of the palladium. 제14항에 있어서, 벽층은 지르코니아로 구성되는 것을 특징으로 하는 가연혼합물의 연소공정.15. The process of claim 14 wherein the wall layer is comprised of zirconia. 제8항에 있어서, 제3단계에서 잔류하는 비연소 연료 일체를 연소시켜 제2단계를 벗어나는 가스의 온도보다 높고 약 1700℃보다 작은 온도를 가지는 가스를 발생시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가연혼합물의 연소공정.9. The method of claim 8, further comprising combusting the remaining non-combustion fuel in a third step to generate a gas having a temperature that is higher than the temperature of the gas leaving the second step and less than about 1700 ° C. Combustion process of combustible mixtures. 제2항에 있어서, 제2단계 촉매는, 각각의 시트의 촉매면이 다른 채널과 접하고, 모든 채널의 벽의 일부가 촉매로 코팅되고, 모든 벽의 한면은 촉매로 코팅되며 대향면은 비촉매면이 되도록, 촉매로 한쪽이 코팅된 주름진 혹은 평평한 시트의 지지체 구조물을 배열함으로써, 촉매면에서 연소 발생시 촉매및 지지체의 온도가 상승하고, 촉매 및 비촉매면의 양측 모두에서 가스 흐름내로 열이 전달되고 방산되는 것을 특징으로 하는 가연혼합물의 연소공정.3. The second stage catalyst of claim 2, wherein the catalyst surface of each sheet is in contact with another channel, a portion of the walls of all channels are coated with a catalyst, one side of all walls is coated with a catalyst and the opposite surface is a noncatalyst. By arranging the support structure of corrugated or flat sheet coated on one side with a catalyst so as to be a surface, the temperature of the catalyst and the support rises when combustion occurs on the catalyst surface, and heat is transferred into the gas flow on both sides of the catalyst and non-catalyst surface. Combustion process of the combustible mixture, characterized in that the dissipation. 제8항에 있어서, 제1 및/또는 제2단계 촉매는 추가로 하나이상의 IB족 금속 또는 VIII족 금속들을 포함하는 것을 특징으로 하는 가연혼합물의 연소공정.The combustion process of claim 8, wherein the first and / or second stage catalyst further comprises one or more Group IB metals or Group VIII metals. 제2항에 있어서, 제2단계 촉매구조물은 제한된 일체형의 열교환 구조인 것을 특징으로 하는 가연혼합물의 연소공정.3. The process of claim 2, wherein the second stage catalyst structure is a limited integral heat exchange structure. 제19항에 있어서, 제2단계를 벗어나는 가스의 전체 온또는 750℃-800℃인 것을 특징으로 하는 가연혼합물의 연소공정.20. The process of claim 19, wherein the temperature of the gas leaving the second stage is 750 deg. C-800 deg. 제8항에 있어서, 제3단계 촉매는 멘델레프 V족(특히 Nb), VI족(특히 Cr), VIII족 전이원소(특히, Fe, Co 또는 Ni)및 제1란탄계열(특히, Ce, Pr, Nd, Sa, Tb 또는 La) 금속산화물 또는 혼합산화물 또는 ABO3형태의 페로브스카이트형 물질(A는 IIA족 또는 IA족 금속(Ca, Ba, Sr, Mg, Be, K, Rb, Na또는 Cs)에서 선택되고, B는 VIII족 전이원소, VIB족, 또는 IB족(특히, Fe, Co, Ni, Mn, Cr 또는 Cu에서 선택된다.))에서 선택된 하나 또는 그 이상의 금속-산소 촉매물질인 것을 특징으로 하는 가연혼합물의 연소공정.The process of claim 8, wherein the third stage catalyst comprises Mendelev Group V (particularly Nb), Group VI (particularly Cr), Group VIII transition elements (particularly Fe, Co or Ni) and the first lanthanide series (particularly Ce, Pr, Nd, Sa, Tb or La) metal oxides or mixed oxides or perovskite-like materials in the form of ABO 3 (A is a Group IIA or Group IA metal (Ca, Ba, Sr, Mg, Be, K, Rb, Na) Or Cs), and B is one or more metal-oxygen catalysts selected from group VIII transition elements, group VIB, or group IB (in particular, selected from Fe, Co, Ni, Mn, Cr or Cu). Combustion process of combustible mixtures, characterized in that the substance. 제1항에 있어서, 산소 함유 가스는 공기이고, 0-35atm(게이지)의 기압까지 압축되는 것을 특징으로 하는 가연혼합물의 연소공정.The combustion process of a combustible mixture according to claim 1, wherein the oxygen-containing gas is air and is compressed to an air pressure of 0-35 atm (gauge). 제8항에 있어서, 제1 및/또는 제3단계 촉매는 일체형의 열교환면을 가진 지지체상에 있는 것을 특징으로 하는 가연혼합물의 연소공정.10. The process of claim 8 wherein the first and / or third stage catalyst is on a support having an integral heat exchange surface. 제2항에 있어서, 제4단계에서 잔류하는 비연소 연료일체를 연소시켜 제3단계를 벗어나는 가스의 온도보다 높고 약 1700℃보다 작은 온도를 가지는 가스를 발생시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가연혼합물의 연소공정.3. The method of claim 2, further comprising the step of burning the remaining non-combustion fuel in a fourth step to generate a gas having a temperature higher than the temperature of the gas leaving the third step and less than about 1700 ° C. Combustion process of combustible mixtures.
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