KR100373887B1 - 일체식열교환을사용하는개선된촉매구조물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 개선된 촉매구조물 및 촉매연소와 같은 고도의 발열과정에서의 그것의 사용이다. 이 개선된 촉매구조물은 촉매가 피복되거나(14) 아니면 촉매가 없는(16) 길이방향 배치된 인접반응통로 또는 채널의 배열로 일체식 열교환을 사용하는데, 여기서 촉매피복된 채널(14)의 구조는 무촉매채널(16)과 달라서 촉매연소와 같은 발열반응과정에 적용될 때 원하는 반응이 촉매채널(14)에서 촉진되고 무촉매채널(16)에서 실질적으로 제한되도록 되어 있다.

Description

일체식 열교환을 사용하는 개선된 촉매구조물
현대의 공업 실무에서는, 기체상 또는 증기상의 반응혼합물을 불균질 촉매와 접촉시킴으로써 촉진되는 여러가지 고도의 발열반응들이 알려져 있다. 어떤 경우에는 이들 발열반응은, 부분적으로는, 충분한 열전달을 얻을 수 없고 일정한 온도제한속에서 반응을 제어하는 것이 필요하기 때문에 외부적인 냉각이 공급되어야 하는 촉매함유 구조물 또는 용기에서 수행된다.
이들 경우에, 반응혼합물의 미반응부분이 촉매반응을 위한 냉각을 제공하는 모노리스식 촉매구조물을 사용하는 것은 실용적이라 생각되지 않는데, 현존하는 촉매구조물들은 원하지 않는 반응과 촉매과열이 회피되는 조건하에서 미반응된 반응혼합물과의 열교환을 통해 반응열을 재거하면서 원하는 반응을 최적화할 수 있는 환경을 제공하지 않기 때문이다. 이와 같이, 다양한 촉매작용된 발열반응에 모노리스식 촉매구조물을 적용한 가능성은, 반응구역환경과 그리고 반응혼합물의 반응부분과 미반응부분간의 열교환이 개선되는 모노리스식 촉매구조물이 개발될 수 있다면 명백히 향상될 수 있다.
또한, 원하는 촉매전환이 달성될 수 있는 작동조건의 범위를 넓히기 위해, 내연기관으로부터 연료의 연소 또는 부분연소 또는 배출물의 촉매처리와 같은 현재 사용되거나 또는 사용을 위해 제안되고 있는 영역들에서 모노리스식 촉매구조물의 작동성(operability)을 개선할 명백한 필요가 있다. 예를 들면, 촉매연소의 경우에 터빈에 촉매연소기를 장치함으로써 가스터빈으로부터 NOx 배출을 감소시키기 위해 사용할때 여러 작동 상황에 적합할 촉매시스템 또는 구조물에 대한 명백한 필요가 존재한다. 부하(load)를 구동하기 위한 동력원으로서 사용되는 가스터빈은 부하요구조건에 대한 파워출력을 조절하기 위해 속도와 부하의 범위에 걸쳐 작동되어야 한다. 이것은 연소기가 공기 및 연료유량의 범위에 걸쳐 작동해야 함을 의미한다. 만일 연소기 시스템이 연료를 연소하고 배출물을 제한하기 위해 촉매를 사용한다면, 이 촉매시스템은 넓은 범위의 공기유량, 연료/공기비율(F/A) 및 압력에 걸쳐 작동할 수 있어야 한다.
상세히는, 일정한 주파수에서 전력을 발생시킬 필요때문에 회전속도가 일정한 전력발생터빈의 경우에, 0% 내지 100%의 부하범위에 걸친 공기유랑이 대략 일정할 것이다. 그러나, 연료유랑은 요구되는 부하에 들어맞도록 달라질 것이며 따라서F/A가 달라질 것이다. 게다가, 파워출력이 증가되기 때문에 압력이 다소 증가할 것이다. 이것은 촉매연소기가 넓은 범위의 F/A와 압력범위에 걸쳐 작동해야 하나, 비교적 일정한 질량유량에서 작동해야 함을 의미한다. 또 다르게는, 공기유량의 가변적 부분을 연소기를 돌아서 우회시키거나 가스터빈으로부터 새어나오게 하여 공기유량을 감소시키고 더 일정한 F/A를 유지할 수 있다. 이것은 촉매에 걸쳐 더 좁은 범위의 F/A를 얻을 수 있으나 더 넓은 범위의 질량유량을 초래할 것이다.
또한, 가변적 속도터빈, 또는 다축터빈의 경우에 공기유량 및 압력은 작동범위에 걸쳐 크게 다양할 수 있다. 이것은 연소기에서 전체 질량유량 및 압력의 넓은 변동을 초래한다. 전력발생터빈에 대해 상기한 상황과 유사하게, 공기를 우회시키거나 새어나오게 하여 F/A범위를 조절하므로 질량유량의 범위에 걸쳐 작동해야하는 연소기를 얻을 수 있다.
상기한 상황은 넓은 질량유량범위, 압력범위 및 F/A범위에 걸쳐 작동할 수 있는 촉매설계에 대한 필요를 초래한다.
촉매연소가 유리할 수 있는 구체적인 이용분야는 매우 낮은 배출물을 달성하기 위해 차량에 적용되는 가스터빈이다. 일단 시동되면 이 엔진은 무부하에서 전부하까지 작동해야하며 이 전체범위에 걸쳐 낮은 배출물을 달성하여야 한다.
가스터빈이 배터리, 플라이휠 등과 같은 축전요소와 결합된 하이브리드 차량(hybrid vehicle) 설계에 사용될지라도, 엔진은 여전히 무부하와 전부하에서 작동해야 하며 이들 두 작동지점 사이를 통과해야 한다. 이것은 이들 조건 모두의 질량유랑 및 압력에서의 작동을 요한다.
본 발명은 유동반응혼합물의 통과를 위해 일련의 인접 배치된 촉매피복된 채널과 촉매없는 채널로 만들어진 촉매구조를 사용하는데, 여기서 촉매 및 무촉매채널은 촉매에서 발생된 반응열을 흩뜨리고 이로써 촉매의 온도를 조절 또는 제한하기 위해 사용될 수 있도록 공통 벽을 공유한다.
즉, 어떤 주어진 촉매 피복된 채널에서 촉매에서 생성된 열은 공통 벽을 통해 반대쪽 무촉매표면으로 흘러 인접한 촉매없는 채널에서 유동반응 혼합물에 방산하게 된다. 본 발명으로, 촉매채널의 구조는 유동채널의 비틀림(tortuosity)을 포함하는 한가지 이상의 중요한 측면에서 무촉매채널과는 달라서 촉매연소에 적용될때, 촉매작용에 의한 균질연소(homogeneous combustion)가 촉매채널내에서 촉진되고 열교환이 달리 최적화되면서 무촉매채널에서 촉진되지 않거나 실질적으로 제한되도록 된다. 이들 독특한 구조로 된 촉매구조물은 촉매연소 및/또는 부분연소 공정들에 대한 작동 파라미터의 폭을 실질적으로 넓힌다.
촉매 촉진된 연소 또는 부분연소에 일체식 열교환을 갖는 촉매지지체를 사용하는 것은 본분야에서 공지이다. 구체적으로, 일본공개 59-136,140(1984년 8월 4일 공개) 및 공개 61-259,013(1986년 11월 17일 공개)은 교호의 길이방향채널(또는 층)안에 촉매가 부착되어 있는 정사각 단면으로 된 세라믹 모노리스 촉매지지체 또는 지지체내에 교호의 환상공간이 촉매로 피복되어 있는 동심의 실린더로 만들어진 지지구조물에 일체식 열교환의 사용을 개시한다. 두경우 모두에 개시된 촉매구조물의 설계는 촉매피복된 채널과 촉매없는 채널의 구조가 촉매 및 무촉매 유동채널과 같고 각 경우에 그것들의 길이를 통해서 같은 단면적이고 본질적으로 직선으로 되어 있다.
두 일본공개공보와 매우 유사한 명세서가 Young등의 미국특허 No. 4,870,824에 나와 있는데 여기서는 사용되는 일체식 열교환이 촉매피복된 채널과 촉매없는 채널이 동일한 구조이고 그것들의 길이를 통해 일정한 정사각 단면적이고 본질적으로 직선이다.
더 최근에는, 연료의 부분연소는 일체식 열교환구조물에서 일어나고 후속 완전연소가 촉매를 따라서 일어나는 것들을 포함하는 여러가지 연소 또는 부분연소공정 또는 시스템들에서 일체식 열교환의 사용을 기술하는 미국특허 Nos. 5,183,401; 5,232,357, 5,248,251, 5,250,489, 5,259,754를 포함하는 일련의 미국특허가 Dalla Betta등에게 허여되었다.
이들 미국특허중에서, 미국특허 5,250,489가 가장 적절한 것 같다. 이것은 연소성기체의 통과를 위해 길이방향통로의 크기로 형성된 고온내성금속으로 만들어진 지지체에 관한 것이며, 일체식 열교환은 촉매피복된 통로에서 촉매표면으로부터 열을 제거하기 위해 촉매 및 무촉매통로로 적어도 부분적으로 피복된 통로들 사이에서 사용된다. 미국특허 5,250,489에서 개시된 촉매지지구조물은 교호의 촉매 및 무촉매채널의 크기가, 한 경우(제6A도)에서는 기체유랑의 80%는 촉매채널을 통과하게 하고 20%는 무촉매채널을 통과하게 하거나, 다른 경우(제6B도)에서는 기체유량의 20%를 촉매채널을 통과하게 하고 80%는 무촉매채널을 통과하게 하도록 연소성기체통로 또는 채널이 교호의 넓거나 좁은 골들이 있는 파형금속박으로 형성되어 있는 구조물(미국특허 5,250,489의 제6A도 및 제6B도)을 포함한다. 설계기준으로서다른 크기로 된 채널을 사용하며 이 특허는 5% 내지 95%사이의 어떤 수준으로도 연소성기체의 연소생성물로의 전환이 일체식 열교환을 포함하면서 달성될 수 있다는 것을 교시한다. 이 특허는 전환의 수준을 다양하게 하기 위해 다른 크기로된 촉매 및 무촉매채널들의 사용을 개시하고 있지만, 그것은 명백히, 촉매구조가 효과적으로 작동할 수 있는 공정조건의 범위를 넓히는 수단으로서 무촉매 채널에서의 균질한 연소를 실질적으로 제한하면서 촉매채널에서의 연소반응을 최적화하기 위해 촉매채널 대 무촉매채널에서의 다른 비틀림을 갖는 채널의 사용은 고려하고 있지 않다.
일체식 열교환 구조물이 연료의 촉매부분연소를 수행하고 이어서 촉매를 따라 완전연소를 행하기 위해 사용되는 경우에, 촉매는 연료의 일부를 태워 촉매를 따라 균질한 연소를 유발하기에 충분히 뜨거운 출구기체를 생성해야 한다. 게다가, 촉매는 너무 뜨겁게 되지 않는 것이 바람직한데, 이것은 촉매의 수명을 단축하게 되고 이 방법으로부터 얻게 되는 이점을 제한할 것이기 때문이다.
촉매의 작동조건은 변하기 때문에 상기 논의된 종래기술의 일체식 열교환 구조물로는 이러한 촉매의 작동폭이 제한되는 점이 주목된다. 즉, 기체속도 또는 질량유속은 촉매과열을 방지하기 위해 일정한 범위내에 있어야 한다는 점이다.
그러므로, 촉매연소 또는 부분연소와 같은 고도의 발열공정들에 촉매구조물이 사용될 수 있는 작동조건의 폭 또는 범위를 실질적으로 넓히게 될 일체식 열교환을 사용하는 개선된 촉매구조물이 존재하는 것이 필요함이 명백하다.
본 발명은, 이러한 촉매들에 대한 작동폭을 현저하게 넓히는 일체식 열교환구조물에서 촉매 및 무촉매통로 또는 채널의 구조에 있어서의 일정한 중요한 차이점들을 이용하고 있다.
발명의 개요
가장 넓은 관점에서, 본 발명은 적어도 부분적으로 촉매피복된 채널이 인접한 촉매없는 채널과 열교환관계에 있고 촉매피복된 채널은 촉매없는 채널에 의해 형성된 유동통로보다 반응혼합물에 대하여 더 비틀린 유동통로를 형성하는 구조를 갖는, 유동 반응혼합물의 통과를 위해 일련의 인접 배치된 촉매피복된 채널과 촉매없는 채널로 이루어진 신규한 촉매구조물을 제공한다.
여기서 편의상 본 발명의 촉매구조에서 "촉매피복된 채널"또는 "촉매채널"은 표면의 적어도 일부가 촉매피복되어 있는 단일의 채널들 또는 인접채널들의 그룹을 말하면, 실제에 있어서는 촉매로 피복될 수도 있고 피복되지 않을 수도 있는 촉매지지벽 또는 통과성 또는 비통과성 장벽에 의해 일련의 작은 채널들로 세분되는 더 큰 촉매채널을 말한다. 마찬가지로, "촉매없는 채널" 또는 "무촉매채널"은 모두 촉매로 피복되어 있지 않은 단일채널 또는 인접채널들의 그룹, 즉, 촉매로 피복되어 있지 않은 촉매지지벽 또는 통과성 또는 비통과성 장벽에 의해 일련의 작은 채널들로 세분되는 더 큰 촉매없는 채널이다. 이점에서, 촉매피복된 채널에 의해 형성된 유동통로의 증가된 비틀림은, 촉매피복된 채널로 들어가는 반응혼합물의 적어도 일부가 촉매없는 채널로 들어가는 반응혼합물의 유사한 일부보다 채널의 길이를 횡단함에 따라 유동방향이 더 변화되도록 촉매피복된 채널이 설계됨을 의미한다. 이상적으로, 촉매피복된 채널의 길이방향축이 채널의 입구에서 채널의 출구로 이어지는직선이라고 가정하면, 채널의 비틀림을 증가시키는 것은 축으로부터 더 많이 방향을 벗어남을 나타내는 반응 혼합물 유동통로를 초래할 것이며, 벗어남을 추적함으로써 이동되는 경로가 축선을 따르는 경로보다 더 길어지도록 증가되게 된다.
실제로, 촉매피복된 채널에서 유동통로의 증가된 비틀림은 길이방향축을 따르는 방향의 주기적 변경 및/또는 단면적의 변화를 포함하는 여러가지 채널에의 구조적 변형에 의해 달성될 수 있는 한편, 촉매없는 채널은 실질적으로 직선이고 단면적에 있어서 변경되지 아니한다. 바람직하게는 촉매피복된 채널의 비틀림은 채널에서의 반응혼합물 유동방향을 부분적으로 차단 및/또는 전환하기 위해 채널의 길이방향축을 따라 채널벽을 반복해서 안팎으로 굽힘을 통해서 또는 채널의 길이방향축을 따라 다수의 지점들에 플랩, 배플 또는 다른 방해물의 삽입을 통해 단면적을 다양하게 함으로써 증가된다.
바람직한 관점에서, 본 발명의 촉매구조물은 한가지 이상의 중도한 구조적인 한정요소들에 있어서 촉매없는 채널과 다른 촉매피복된 채널로 더 특징지을 수 있는데 이것은 차례로 촉매피복된 채널의 증가된 비틀림의 개념을 이용 및 확장한다.
구체적으로, 본 발명의 바람직한 촉매구조물은 전형적으로 촉매로 피복되지 않은 인접채널 또는 촉매없는 채널과 열교환관계이고, 내부표면의 적어도 일부에 촉매로 피복된 다수의 길이방향 배치된 채널, 즉, 촉매피복된 채널을 사용하는데, 여기서
(a) 촉매피복된 채널은 촉매없는 채널의 평균수력직경보다 낮은 평균수력직경(Dh)을 갖고 및/또는;
(b) 촉매피복된 채널은 촉매없는 채널보다 높은 막열전달계수(h)를 갖는다.
촉매구조에서 구체적인 유형의 모든 채널, 예를 들면, ( 촉매피복된 채널의 평균 단면적의 4배 ) ÷ ( 촉매구조에서 그 유형의 모든 채널의 평균침수주위 ) 로 정의되는 평균수력직경 또는 Dh는 촉매피복된 채널보다 더 큰 수력직경을 갖고 구조의 변화를 덜 가져오도록 촉매없는 채널이 가장 유리하게 설계된다는 발견을 반영한다.
막열전달계수 또는 h는 촉매구조에서 평균 측매없는 채널의 비틀림에 대한 평균 촉매피복된 채널의 비틀림과 관련하여 실험적으로 구한 값이다.
본 발명의 촉매구조의 더욱 최적화는 만약 상기 제시한 바와 같은 평균 Dh및/또는 h를 제어하는 것에다가 촉매피복된 채널과 촉매없는 채널간의 열전달표면적이 촉매피복된 채널과 촉매없는 채널간의 열전달표면적을 촉매구조내의 총채널부피로 나눈것이 약 0.5mm-1보다 크도록 조절하면 얻어진다.
본 발명의 촉매구조물은 기체 또는 증기형태의 연료를 전형적으로 촉매구조물에서 부분연소시키고 이어서 촉매의 하류에서 완전 균질 연소시키는 연소 또는 부분연소공정에서 사용하기 위해 적당한 촉매물질을 설치할 때 특히 유용하다.
본 발명에 따르는 촉매구조로, 일체식 열교환을 사용하는 것들을 포함하여 종래기술의 촉매구조물로 이제까지 가능했던 것보다 더 넓은 범위의 선형속도, 기체입구온도 및 압력에 걸쳐 무촉매채널에서의 최소 연소와 함께 촉매채널에서 연료의 더 완전한 연소를 얻는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명은 또한 연소성연료의 연소 또는 부분연소에서 사용을 위한 개선된 촉매구조물 뿐만아니라 본 발명의 촉매구조물을 사용하여 연소성연료 및 공기 또는 산소함유기체의 혼합물을 연소하는 방법을 포함한다.
본 발명은 촉매피복되거나 또는 촉매없는 길이방향으로 배치된 인접하는 반응통로 또는 채널의 배열로 일체식 열교환을 사용하는 촉매구조물에 관한 것이며, 또한 연소 또는 부분연소공정과 같은 고도의 발열공정에 촉매구조물을 사용하는 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로 본 발명은, 촉매채널 및 무촉매채널이 일정한 중요한 측면에서 서로 상이하여 이로써 무촉매채널에서의 바람직하지 아니한 발열반응은 억제되면서 촉매채널에서의 발열반응과 촉매채널과 무촉매채널간의 열교환이 최적화되는 일체식 열교환을 채용하는 촉매구조물에 관한 것이다.
제1도, 제2도, 제3도, 제3A도, 제3B도 및 제3C도는 일체식 열교환을 사용하는 촉매구조물의 종래의 형태를 나타내는 종래 기술의 구조의 개략도이며,
제4도, 제5도, 제6도, 제7도 및 제8도는 본 발명의 촉매구조물의 여러가지 구조를 나타낸다.
고도의 발열반응의 촉매에 적용할때, 본 발명의 촉매구조는 기체상 반응혼합물의 통과를 위해 다수의 인접 배치된 길이방향채널을 형성하는 다수의 공통 벽들로 구성된 내열지지물질로 이루어지는 전형적으로 모노리스형의 구조물인데, 여기서 채널의 적어도 일부는 내부표면의 적어도 일부에 반응혼합물의 촉매로 피복되어 있고 나머지는 내부표면에 촉매로 피복되어 있지 않아서 촉매피복된 채널의 내부표면이 인접한 촉매없는 채널의 내부표면과 열교환관계에 있도록 되어 있고 촉매피복된 채널은 촉매없는 채널과 구조가 다르게 되어 있어서 원하는 반응이 촉매채널에서는 촉진되고 무촉매채널에서는 억제되도록 되어 있다. 본 발명의 촉매구조물이 촉매연소 또는 부분연소공정에 사용되는 경우에, 촉매 대 무촉매채널의 설계에 있어서 중대한 차이는 넓은 범위의 선형속도, 입구기체온도 및 압력에 걸쳐 촉매채널에서 연료의 더 완전한 연소를 보장하고 무촉매채널에서 최소의 연소를 보장할 것이다.
가장 기본적인 용어들에 있어서, 본 발명의 촉매구조에 대한 촉매 대 무촉매채널의 설계의 증대한 차이는 촉매채널에 의해 규정되는 반응혼합물 유동통로는 무촉매채널에 의해 형성된 대응 유동통로에 걸쳐 더 높거나 또는 증가된 비틀림을 지닌다는 깃이다. 여기서 사용되는 비틀림의 개념은, 채널의 방향의 변화 및/또는 채널 단면적의 변화의 결과로서 채널에 의해 형성된 통로를 통해 주어진 반응혼합물의 일부가 이동하게 되는 경로의 길이와, 방향 또는 단면적의 변화없는 (즉, 일정 단면적의 직선인 ) 동일한 전체 길이의 채널에서 반응혼합물의 유사한 일부가 이동하게 되는 경로의 길이 사이의 차로서 정의된다. 물론 직선 또는 선형으로부터의 벗어남은 더 길고 더 비틀린 경로를 초래하고, 선형로부터 벗어남이 클수록 이동되는 경로는 더 길어질 것이다. 본 발명의 촉매구조물에 적용할 때, 촉매 및 무촉매채널간의 비틀림의 차이는 구조물에서 모든 촉매채널의 평균 비틀림을 구조물에서 모든 무촉매채널의 평균 비틀림과 비교함으로써 구해진다.
본 발명의 촉매구조물에서,여러가지 구조변경을 촉매로 피복된 채널에 가하여 무촉매채널에 비해 비틀림을 증가시킬 수 있다. 구체적으로, 촉매채널의 비틀림은 방항을 주기적으로 변화시킴으로써, 예를 들면, 지그재그 또는 파형의 구조를 갖는 채널을 사용함으로써 또는 채널벽들을 길이방항축을 따라 주기적으로 안팎으로 굽힘을 통해서 또는 플랩, 배플 또는 다른 방해물의 삽입을 통해서 단면적을 반복적으로 변화시킴으로써 증가되어 채널의 길이방향축을 따라 다수의 지점에서 반응혼합물 유동방향을 부분적으로 방해 또는 전환할 수 있다. 어떤 이용분야에서는, 비틀림의 최적차이를 달성하기 위해서 방향의 변화와 단면적의 변화의 조합을 사용하는 것이 바람직할 수도 있으나 모든 경우에 무촉매채널의 비틀림은 촉매채널의 비틀림보다 평균해서 더 적을 것이다.
바람직하게는, 촉매채널의 비틀림은 길이방향축을 따라 다수의 지점에서 단면적을 변화시킴으로써 증가된다. 더 상세히 논의되는 바와 같이, 촉매채널에 대한 비틀림의 이러한 변화를 달성하는 한 바람직한 방법은, 주어진 골진 시트의 한면의 적어도 일부가, 촉매로 피복되어 있는 다른 골진 시트를 향하여 쌓아져서, 오늬모양 패턴(harringhoue pattern)으로 골진 촉매지지물질의 골진 시트들을 포개어 끼워지지 않게 쌓아 올린 배열을 사용하여 문제의 쌓아 올려진 시트들이 다수의 촉매채널을 형성하도록 되어 있다.
골진 시트들을 포개어 끼워지지 않는 방식(non-nesting fashion)으로 함께 쌓아 올림으로써 쌓아올려진 시트에 의해 형성된 채널은 골진 시트들의 오늬모양 패턴에 의해 형성된 안팎으로 굽은 피크와 골로 인해 길이방향축을 따라 단면적이 교대로 팽창 및 수축한다. 촉매피복된 채널의 단면적을 변화시키는 다른 바람직한 방법은 길이방향축을 따라 채널의 교호의 면들에 플랩 또는 배플을 주기적으로 배치하거나 또는 촉매채널에 의해 형성된 유동통로에 스크린 또는 다른 부분적 방해물을 사용하는 것을 포함한다. 채널을 가로지르는 부당한 압력강하를 피하기 위해, 채널에 의해 형성된 유동통로에 놓인 어떤 방해물에 의해서도 총단면적의 약 40%이상이 감소되어서는 안된다.
앞서 주목한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 촉매구조물에서는, 촉매없는 채널의 평균수력직경보다 더 낮은 평균수력직경(Dh) 및/또는 촉매없는 채널보다 더 높은 막열전달계수(h)를 가짐으로써 촉매로 피복된 채널은 촉매없는 채널과 다르다.
더 바람직하게는, 촉매피복된 채널은 촉매없는 채널보다 더 낮은 Dh와 더 높은 h를 갖는다.
평균수력직경(average hydraulic diameter)은 Whitaker, Fundamental Principles of Heat Transfer, Krieger Publishing Company(1983), p 296에 다음식으로 정의되어 있다.
따라서, 발명의 촉매구조물에 대해,평균 Dh는 전체길이에 걸쳐 어떤 주어진 채널에 대한 평균 Dh를 계산한 다음 개개 채널에 대한 모든 계산된 Dh를 합계함으로써 촉매피복된 채널들에 대한 평균 Dh를 구함으로써 구조물에서 촉매피복된 채널들 모두에 대한 Dh를 먼저 알고 그 채널에 대한 단편적인 개방된 정면면적을 나타내는 계량인자를 곱합으로써 구해질 수 있다.
다음 과정에 따라, 구조물에서 촉매없는 채널에 대한 평균 Dh도 또한 구해질 수 있다.
상기 논의한 대로, 촉매피복된 채널이 촉매없는 채널보디-더 낮은 평균 Dh를 가장 유리하게 갖는다는 발견은 수력직경이 표면 대 부피비와 역관계를 지니기 때문에 촉매피복된 채널이 바람직하게는 촉매없는 채널보다 더높은 표면 대 부피비를 갖는다는 사실에 의해 부분적으로 설명될 수 있다. 또한, 본 발명의 촉매구조물에서, 촉매피복된 채널과 촉매없는 채널의 평균 Dh의 차이는 촉매없는 채널들이 평균해서 더 개방된 채널로 되어야 함을 교시하며 따라서 다시 부분적으로는 촉매피복된 채널의 표면 대 부피비가 더 높기 때문에 이들 채널을 통한 기체유량은 촉매피복된 채널보다 채널직경의 변화를 덜 초래한다. 바람직하게는, 촉매피복된 채널의 촉매없는 채널의 평균 Dh에 대한 수치, 즉, 촉매피복된 채널의 평균 Dh나누기 촉매없는 채널의 평균 Dh는 약 0.15내지 약 0.9이고 가장 바람직하게는 촉매피복된 채널의 촉매없는 채널에 대한 평균 Dh의 비율은 약 0.3 내지 0.8이다.
막열전단 계수(film heat transfer coefficient)(h)는 무차원 값이며, 이것은 명시된 채널기하학과 온도를 가지며 출구기체온도를 측정하는 적당한 시험구조물을 통해 주어진 입구온도에서 유동기체, 예를 들면, 공기 또는 공기/연료 혼합물에 의해 실험적으로 측정되며, h는 유동통로△x의 증분에 대해 열전달을 기술하는 다음식에서 실험적으로 구한값들을 사용하여 계산된다(Whitaker, 전게서, 식 1.3-29 및 1,3--31, 13 및 14패이지):
상기식에서
F는 기체유량이고,
CP는 기체의 열용량,
h는 열전달계수이고,
A는 단위채널길이당의 벽면적이며,
△T기체는 증분거리△x에 걸쳐 기류의 온도상승이며,
T맥은 x위치에서의 벽온도이고
T기체는 x위치에서의 기체온도이다.
시험구조물의 입구에서 출구까지 이 식을 적분하면 막열전달계수의 값을 구할 수 있게 되어 실험에 들어맞는 계산된 출구기체온도를 얻는다.
본 발명의 촉매구조물의 촉매 및 무촉매채널에서 기체조성, 유랑, 압력 및 온도는 매우 유사하기 때문에, 막열전달계수는 본 발명에 따르는 촉매구조물의 촉매없는 채널과 촉매피복된 채널을 구별하는 여러가지 유동채널구조에 의해 제공된 다른 유동기하배열을 특징짓는 유용한 수단을 제공한다.
이들 다른 유동기하배열은 다시 채널에 의해 형성된 유동통로의 비틀림과 관련되기 때문에, 막열전달계수가 발명의 촉매구조물에서 사용됨에 따라 어느 정도의 비틀림인지의 척도를 제공하게 된다. 본 분야 숙련자는 본 발명의 촉매구조물에서 h를 측정하거나 또는 달리 구하는 여러가지 방법을 생각할 수 있는데, 한가지 편리한 방법은 바람직한 채널형상을 시뮬레이션하기 위해, 그리고 벽온도가 입구에서 출구까지 본질적으로 일정하거나 입구에서 출구까지 다양하고 구조물에서 채널길이를 따라 몇군데 지점에서 측정되는 환경에서 시험하기 위해, 기계가공된 내부공간을 갖는 예를 들면, 고형의 두꺼운 금속구조물과 같은 실험적 시험구조물을 구성하는 것을 포함할 것이다.
제1도에 묘사된 직선채널구조물과 같은 모노리스에 대해 (이하 논의 참조),시험구조물은 단일 채널 또는 선형배열의 채널일 수 있다. 제2도에 나타낸 것과 같은 오늬모양 파형 모노리스에 대해 (이하 논의 참조), 시험구조물은 부작용을 최소화하기에 충분히 넓은 두개의 금속시트 사이에 포개어 끼우지 않는 오늬모양구조의 채널을 함유하는 선형영역의 부분일 것이다.
상기한 기술은 요구되는 시험구조물을 구성함으로써 여기 기술된 구조물의 어떤 것에도 적용될 수 있다. 촉매구조물이 몇가지 다른 채널구조의 조합일 경우에, 각 채널구조는 따로따로 시험할 수 있고 h(촉매)/h(무촉매)에 대한 수치비율은 촉매구조물의 각 채널형에 대한 h들(단편적인 개방된 정면면적을 나타내는 계량인자를 곱함)을 합계한 다음 촉매채널들에 대한 h의 합을 무촉매채널에 대한 h의 합으로 나눔으로써 구해질 수 있다.
본 발명의 촉매구조물에서 촉매피복된 채널과 촉매없는 채널의 구조의 차이를 특징짓는 h(촉매)/h(무촉매) 비율은 h(촉매)/h(무촉매)가 1보다 큰 경우에, 촉매피복된 채널에 대한 평균수력직경(Dh)을 촉매없는 채널에 대한 평균 Dh로 나눈 수치비율은 촉매피복된 채널의 개방된 정면면적을 촉매없는 채널의 개방된 정면면적으로 나눈 수치비율보다 더 작다. 여기서, 개방된 정면면적(open frontal area)은 문제의 촉매구조물에 걸쳐 평균내어진 주어진 유형(즉 촉매 또는 무촉매)의 채널의 단면적을 말하며; 이 단면적은 반응혼합물 유동방향에 수직으로 측정되는 채널내로의 반응혼합물 유동에 개방되는 면적이다.
개방된 정면면적을 토대로 한 이 수치비율의 도입은, 촉매채널과 무촉매채널을 통한 유량비율이 같은 기본구조의 다른 크기로 된 채널의 사용으로 조절되는 일체식 열교환을 사용하는 종래기술의 구조물과는 명백히 구별되는 촉매없는 채널에 걸친 비틀림의 충분한 증가를 본 발명의 촉매피복된 채널이 갖는다는 사실을 반영한다. 즉, 반응혼합물 유량이 이러한 종래기술의 구조물에서 촉매채널을 통해 50%미만인 경우에, 촉매채널은 무촉매채널보다 더 작은 평균 Dh를 가지며 h(촉매)/h(무촉매)의 비율은 1을 초파할 수 있다. 촉매채널에 대한 평균 Dh를 무촉매채널에 대한 평균 Dh로 나눈 수치비율이 촉매채널에 대한 개방된 정면면적을 무촉매채널에 대한 개방된 정면면적으로 나눈 수치비율보다 더 작아야 한다는 개념을 도입함으로써 본 발명의 촉매구조물은 종래기술의 구조물과 명백히 구별될 수 있다.
또 다르게는, 본 발명의 촉매구조물은, 크기가 다르나 같은 기본구조인 촉매채널과 무촉매채널을 사용하는 종래기술의 구조물의 특징과는, 무촉매채널에 비하여 촉매채널에 대해 더 높은 막열전달계수(h)를 사용한다는 것으로 구별될 수 있다.
개방된 정면면적의 20%를 나타내는 촉매채널과 개방된 정면면적의 80%를 나타내는 무촉매채널을 갖는 종래기술의 직선채널구조물에서는, 촉매채널의 열전달계수는 무촉매채널의 열전달계수의 대략 1.5배 일것이다. 본 발명의 구조물은 무촉매채널의 열전달계수의 1.5배 보다 실질적으로 더 큰 촉매채널의 열전달계수를 가질 것이다. 더 상세히는, 촉매채널과 무촉매채널간의 여러 반응 유동 분포를 갖는 촉매구조물에 대해, 다음의 표는 본 발명의 촉매구조물을 규정한다.
어떤 경우든, h(촉매)/h(무촉매)의 비율이 1보다 크면, 즉, 촉매피복된 채널에 대한 h가 촉매없는 채널에 대한 h보다 더 높으면, 그때 촉매구조물은 본 발명의 범위내에 있다. 바람직하게는 본 발명의 촉매구조물은 약 1.1 내지 악 7의 범위의 h(촉매)/h(무촉매)비율을 가지며 가장 바람직하게는 비율은 약 1.3 내지 약 4이다.
앞서 주목한 바와 같이, 본 발명의 촉매구조물의 성능은 또한 촉매피복된 채널과 촉매없는 채널간의 열전달 표면적을 촉매구조물의 전체 채널부피로 나눈 것이 약 0.5mm-1보다 더 크도록 구성되면 최적화될 수 있다. 본 발명의 바람직한 촉매구조물에서, 촉매피복된 채널과 촉매없는 채널간의 열전달면적을 촉매구조물의 전체 채널부피로 나눈 비율 또는 R은 약 0.5mm-1내지 2mm-1이고 약 0.5mm-1내지 약 1.5mm-1의 범위의 R이 가장 바람직하다. 이들 높은 열전달 표면 대 전체부피비율 또는 R로, 유동반응혼합물로 방산되기 위해 채널벽의 촉매로부터 무촉매쪽으로 열이 이동하는 것이 최적화된다. 이 일체식 열교환에 의한 촉매표면으로부터의 열의 최적제거로, 촉매의 과열을 일으키지 않고 더욱 가혹한 조건하에서 촉매를 작동시키는 것이 가능하다. 이것은 촉매가 작동될 수 있는 조건의 범위를 넓히는데 기여하기 때문에 유리하다.
본 발명의 촉매구조물은 촉매채널과 무촉매채널간의 반응혼합물 유동분포에 걸쳐 작동하도록 설계될 수 있다. 촉매구조물에서 무촉매채널에 대한 촉매채널의 크기와 수를 조절함으로써 촉매작용시키는 반응의 발열성질과 원하는 전환 정도에 따라 총유랑의 악 10% 내지 약 90%가 촉매채널을 통하도록 향하게 할 수 있다.
바람직하게는, 연료의 연소 또는 부분연소와 같은 고도의 발열공정에서, 촉매구조물을 통한 반응혼합물 유량의 비율은 유랑의 35%내지 약 70%가 촉매채널을 통하도록 조절되며, 가장 바람직한 촉매구조물은 유량의 약 50%가 촉매채널을 통한다. 본 발명의 촉매구조물이 무촉매채널보다 더 작은 평균 Dh를 갖는 촉매채널의 존재만이 특징인 경우에, 반응혼합물 유동분포는 촉매채널의 개방된 정면면적이 전체 개방된 정면면적의 약 20% 내지 약 80%를 나타내도록 조절되는 한편, 촉매채널 및 무촉매채널은 무촉매채널의 평균 Dh에 대한 촉매채널의 평균 Dh의 비율이 무촉매채널의 개방된 정면면적에 대한 촉매채널의 개방된 정면면적의 비율보다 작도록 구성된다. 위에서 사용한 바와 같이, 개방된 정면면적은 문제의 촉매구조물에 걸치 평균내어진 주어진 유형(즉, 촉매 또는 무촉매)의 채널의 단면적을 말하며, 이 단면적은 반응혼합물 유동에 수직으로 측정된 채널에서 반응혼합물에 개방되는 면적이다.
무촉매채널보다 더 높은 h를 갖는 촉매채널의 존재만이 특징인 본 발명의 촉매구조물에 대해서는 촉매채널이 촉매구조물의 전체 개방된 정면면적의 약 20%내지80%를 나타낼때 h(촉매)/h(무촉매)비율이 약 1.5보다 너 큰것이 바람직하다. 이 유형의 바람직한 촉매구조물은 약 1.5내지 약 7의 범위의 h(촉매)/h(무촉매) 비율을 갖는다.
바람직한 관점에서, 본 발명은 연료의 촉매연소 또는 부분연소에 특히 유용한 촉매구조물에 관한 것이다. 이들 촉매구조물은 본질상 전형적으로 모노리스식이고 공기와 같은 산소함유기체와 혼합된 기체 또는 증기형태의 연소성혼합물, 예를 들면 연료의 통과를 위해 다수의 인접 배치된 길이방향 채널을 형성하는 다수의 공통 벽으로 구성되는 내열 지지물질로 이루어진다. 인접 배치된 채널들은 채널의 적어도 일부가 열소성혼합물을 산화시키기에 적합한 촉매, 즉, 촉매피복된 패널로 내부표면의 적어도 일부에 피복되고 즉, 촉매피복된 채널, 나머지 채널들은 내부표면에 촉매로 피복되지 않도록, 즉, 촉매없는 채널로 설계되어, 촉매피복된 채널의 내부표면이 인접 촉매없는 채닐과 열교환 관계에 있도록 되어 있다. 본 발명의 이 바람직한 관점에서, 상기 촉매구조물은 원하는 연소 또는 산화반응이 무촉매채널에서는 실질적으로 억제되면서 촉매채널에서는 촉진되도록 상기한 중대한 측면의 한가지 이상에서 촉매없는 채널 또는 무촉매채널과는 구조가 다른 촉매피복된 채널 또는 촉매채널이 존재한다는 것를 특징으로 한다. 얻어지는 향상된 열전달과 결합되는 반응의 이 여분의 제어요소는, 촉매연소과정이 선형속도, 입구기체온도 및 압력과 같은 넓은 작동파라미터 범위에 걸쳐 작동하도록 한다.
본 발명의 바람직한 관점에서, 촉매구조물은 알맞게는 세라믹 또는 금속모노리스상의 백금족 금속기제로 된 촉매이다. 모노리스지지체는 촉매채널 및 무촉매채널이 지지체의 한 단부에서 다른 단부로 길이방향으로 연장되도록 조립되어 따라서 연소성 기체가 채널의 길이를 통해 단부에서 단부로 흐를수 있도록 조립된다.
내부표면의 적어도 일부에 피복된 촉매를 갖는 촉매채널은 전체길이를 따라 피복될 필요가 없다. 또한, 촉매 또는 무촉매채널로 피복되지 않은 채널은 내벽에 촉매가 없거나, 벽에 비활성 또는 매우 저활성의 피복을 갖는다.
촉매구조물에서 알맞게 사용되는 지지물질은 세라믹, 내열성무기산화물, 금속간물질(intermetallic material), 탄화물, 질화물 또는 금속물질과 같은 어떤 종래의 내열성 비활성물질이 될 수 있다. 바람직한 지지체는 고온내성의 금속간 또는 금속물질이다. 이들 물질은 강하나 여전히 전성이 있고 주위 구조물에 더 쉽게 장착, 부착되며 세라믹 지지체에서 쉽게 얻을 수 있는 것보다 더 얇은 벽으로 인해 단위 단면적당 더 많은 유동용량을 제공한다. 바람직한 금속간 물질은 니켈알루미나이드 및 티탄알루미나이드와 같은 금속알루미나이드를 포함하는 한편, 알맞은 금속지지 물질은 알루미늄, 고온합금, 스테인레스강, 알루미늄함유강 및 알루미늄함유 합금을 포함한다. 고온합금은 니켈 또는 코발트 합금 일수도 있고 또는 요구되는 온도에 대한 등급이 있는 다른 합금일 수도 있다.
만일 내열성 무기 산화물이 지지물질로서 사용된다면, 실리카, 알루미나, 마그네시아, 지르코니아 및 이들 물질의 혼합물로부터 알맞게 선택된다.
비람직한 물질은 Aggen 등의 미국특허 NO. 4,414,023, Chapman등의 미국특허 No. 4, 331,631, 및 Cairnt등의 미국특허 No. 3,969,082에서 발견되는 것들과 같은 알루미늄함유강이다. 이들 강과 또한 Kawasaki Steel Corporation (River Lite 2-5-SR), Vereinigte Deutchse Metallwerke AG(Alumchrom I RE), 및 Allegheny Ludium Steel(Alfa-IV)에 의해 판매되는 것들은 충분한 용해된 알루미늄을 함유하므로, 산화될때 알루미늄은 알루미나 위스커, 결정 또는 강표면상의 층을 형성하여 촉때의 더 좋은 부착 또는 촉매에 대한 애벌피복의 더 좋은 부착을 위해 거칠고 화학적으로 반응성인 표면을 제공한다.
본 발명의 이 바람직한 관점에서의 촉매구조물에 대해, 지지물질, 바람직하게는 금속 또는 금속간물질은 상기 제시된 설계기준에 따라 유동채널을 제공하기 위해 설계되는 인접길이방향채널의 존재를 허용하는 편평하거나 다른 구조일 수도 있고 기둥모양 또는 다른 구조일 수도 있는 시트들로 종종 사이사이 층을 이룬 골진 시트의 벌집구조, 나선상 롤 또는 쌓아올린 패턴을 형성하기 위해 종래의 기술을 사용하여 제작될 수 있다.
만일 금속간 또는 금속박 또는 골진 시트가 사용되면, 촉매는 시트 또는 박의 단지 한쪽에 가해질 것이며, 또는 어떤 경우에는 박 또는 시트가 선택된 촉매구조 설계에 따라 피복하지 않고 남을 것이다. 촉매를 박 또는 시트의 어느 한쪽에 가한 다음 이것을 촉매구조물로 제작하는 것은 일체식 열교환 개념을 이용하여 촉매에서 생성된 열이 맞은편의 무촉매 벽에서 유동기체와 접촉하여 구조물벽을 통해 흐르도록 허용하고 이로써 촉매로부터 열의 제거를 용이하게 하고 촉매온도를 완전한 단열반응을 위한 온도 아래로 유지시킨다. 이점에서, 단열연소온도는 반응혼합물이 완전히 반응하고 기체혼합물로부터 열이 손실되지 않는다면 기체혼합물의 온도이다.
많은 경우에, 연소공정에서 사용되는 촉매구조물에 대하여, 촉매의 안정성과 성능을 개선하기 위해 촉매를 부착하기 전에 지지벽에 애벌피복을 가하는 것이 유용할 수도 있다. 알맞게는 이 애벌피복은 본 분야에서 기술된 것과 같은 방법, 예를 들면, 감마-알루미나, 지르코니아, 실리카 또는 티타니아물질(바람직하게는 졸) 또는 알루미늄, 규소, 티탄, 지르코늄과, 바륨, 세륨, 란탄, 크롬 또는 다양한 다른 성분들과 같은 첨가제를 함유하는 적어도 두가지 산화물의 혼합된 졸의 도포를 사용하여 가해질 수 있다. 애벌피복의 더 양호한 부착을 위해, Chapman 등의 미국특허 No. 4,279,782에 기술된 것과 같은 슈도베마이트 알루미나의 묽은 현탁액과 같은 함수 산화물을 함유하는 프라이머층이 가해질 수 있다. 프라이머층이 가해진 표면은 감마-알루미나 현탁액으로 피복되고 건조 및 하소시켜 금속표면에 높은 표면적의 부착성 산화물층을 형성시킬수 있다. 그러나, 가장 바람직하게는, 애벌피복과 같은 지르코니아졸 또는 현탁액의 사용이다.
실리카 및 티타니아와 같은 다른 내화산화물도 적당하다.
일부 백금족금속, 현저히는 팔라듐에 대해 가장 바람직한 것은 혼합된 지르코니아/실리카 졸인데 이경우 지지체에 도포에 앞서 두가지를 혼합한다.
애벌피복은 표면에 페인트를 도포하는 것과 같은 방식으로, 예를 들면, 분무, 직접도포, 애벌핍복물질에의 지지체의 침지 등에 의해 가해질 수 있다.
알루미늄 구조물은 또한 본 발명에서 사용하기에 적합하고 본질적으로 같은 방법으로 처리 또는 피복될 수도 있다. 알루미늄 합금은 다소 더 유연하고 공정의 엔벨로프를 작동하는 온도에서 용융하기도 한다. 결과적으로 그것들은 덜 바람직한지지체이나 온도기준이 충족되면 사용될 수도 있다.
알루미늄을 함유하는 철 금속에 대해서는, 다음 층들의 부착을 증가시키거나 또는 촉매의 직접도포를 위한 증가된 표면적을 제공하는 표면에서의 위스커를 증가시키기 위하여 시트를 공기중에서 열처리할 수도 있다.
그다음, 실리카, 알루미나, 지르코니아, 티타니아 또는 내화금속산화를 애벌피복은 금속박에 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아 및 내화금속산화물로부터 선택된 한가지 이상의 물질의 용액현탁액, 또는 다른 혼합물을 분무하고, 건조 및 하소하여 높은 표면적 애벌피복을 형성함으로써 도포될 수도 있다. 그다음 촉매를 다시 금속스트립의 애벌피복에 촉매성분들의 용액, 현탁액, 또는 혼합물을 분무, 침지 또는 피복함으로써 도포할 수 있다.
촉매물질은 또한 또는 다르게 애벌피복물질에 포함될 수도 있고 지지체상에 피복되어 이로써 별도의 촉매포함단계를 부분적으로 제거할 수도 있다.
촉매연소 이용분야에서, 연소의 실질적인 부분이 기체가 촉매에서 나간 다음 수행되는 경우, 촉매구조물은 촉매를 나가는 기체온도를 1000℃이하, 바람직하게는 700℃내지 950℃범위로 달성하도록 크기가 정해질 수도 있다.
바람직한 온도는 연료, 압력 및 특정연소기 설계에 의존한다. 촉매는 미국특허 No. 5,232,357에 기술된 것과 같은 촉매물질상의 무촉매 확산 장벽층을 포함할 수 있다.
복합체, 즉, 촉매구조물의 촉매금속함량은 전형적으로 아주 작아서, 예를 들면, 0.01중량% 내지 약 15중량%이고 바람직하게는 0.01중량% 내지 약 10중량%이다.
많은 산화촉매들이 이 이용분야에 적합하나, VIII족 귀금속 또는 백금족금속 (팔라듐, 루테늄, 로듐, 백금, 오스뮴 및 이리듐)이 바람직하다. 더 바람직한 것은 팔라듐(자체적으로 연소온도를 제한하는 능력때문) 및 백금이다. 금속은 단독으로 또는 혼합물로 사용될 수 있다. 팔라듐과 백금의 혼합물은 그것들이 다른 제한온도이기는 하나 팔라듐의 온도제한능력을 갖는 촉매를 만들기 때문에 바람직하고 혼합물은 연료에서 불순물과의 반응에 의하거나 또는 촉매지지체와의 반응에 의한 불활성화에 덜 민감하다.
백금족 금속 또는 원소들은 금속의 귀금속 착체, 화합물, 또는 분산액을 사용하는 다양한 다른 방법들에 의해 본 발명의 촉매구조물에서 사용되는 지지체에 포함될 수 있다. 화합물 또는 착체는 탄화수소 용해성의 물일수도 있다.
금속은 용액으로부터 침전될 수도 있다. 액체담체는 일반적으로 지지체상에 분산된 형태로 금속을 남기면서 휘발 또는 분해에 의해 촉매담체로부터 제거가능한 것만이 필요하다.
알맞는 백금족 금속 화합물은, 예를 들면, 클로로백금산, 칼륨백금 클로라이드, 암모늄 백금 티오시아네이트, 백금 테트라암민히드록시드, 백금족 금속 클로라이드, 산화물, 황화물, 및 질산염, 백금 테트라암민 클로라이드, 백금 암모늄 나이트라이트, 팔라듐 테트라암민클로라이드, 팔라듐 암모늄 나이트라이트, 로듐클로라이드, 및 헥사민 이리듐 클로라이드이다. 만일 금속의 혼합물을 원한다면, 그것들은 예를 들면 아민히드록사이드와 같은 수용성형태일 수도 있고 또는 그것들은 본 발명의 촉매를 제조하는데 사용할때 클로로백금산 및 질산팔라듐과 같은 형태로 존재할 수도 있다.
백금족 금속은 예를 들면 산화물 또는 황화물과 같은 원소상 또는 조합된 형태로 촉매조성물에 존재할 수도. 있다. 하소와 같은 후속처리의 동안에 또는 사용시에, 본질적으로 모든 백금족 금속은 원소상형태로 전환된다.
추가로, 더 확성의 촉매, 바람직하게는 팔라듐을 연소성 기체와 먼저 접촉하는 촉매구조의 부분에 놓음으로써, 촉매는 더 쉽게 "소화(light off)"할 것이며 구조물의 나중 영역에서의 "고온스풋(hot spots)"을 아직 일으키지 않을 것이다. 선도부는 더 높은 촉매부하, 더 높은 표면적 등 때문에 더 활성일수도 있다.
촉매염소 이용분야에서, 본 발명의 촉매구조물은 촉매구조물의 길이방향채널을 통한 기체의 평균선형속도가 촉매구조물을 통해서 약 0.02m/초보다 더 크고 약 80m/초 이하인 크기 및 구조로 만들어져야 한다. 하한은 350℃에서 공기중에서 메탄에 대한 플레임 전방속도보다 크고 상한은 현재 시중구입되는 지지체의 유형의 실용상이 상한이다. 이들 평균속력은 메탄이외의 연료에 대해 다소 다를수도 있다. 더 느리게 연소하는 연료는 더 낮은 최저 및 최대 공간속도의 사용을 허용할 수도 있다.
촉매구조물에서 사용되는 채널의 평균크기는 반응혼합물의 성질에 의존하여 크게 다양할 수 있다. 촉매연소를 위해, 적합한 촉매구조물은 제곱인치당 악 50 내지 약 600개의 채널을 함유한다. 바람직하게는, 촉매구조물은 제곱인치당 약 150내지 악 450개의 채널을 함유할 것이다.
본 발명의 촉매구조물을 사용하는 본 발명의 촉매연소공정은 다양한 연료로사용될 수 있고 넓은 범위의 공정조건들에서 사용될 수 있다.
보통 기체상 탄화수소, 예를 들면, 메탄, 에탄 및 프로판은 공정을 위한 연료원으로서 크게 바람직하며, 이하 논의된 공정온도에서 기화될 수 있는 대부분의 연료들이 적합하다. 예를 들면, 연료는 실온 및 압력에서 액체 또는 기체상일 수도 있다.
예로는 상기 언급한 저분자량 탄화수소, 또한 부탄, 펜탄, 헥센, 헵텐, 옥탄, 가솔린, 방향족 탄화수소, 예를 들면, 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 크실렌, 나프타, 디젤연료, 등유, 제트연료, 다른 중간증류물, 헤비증류물연료(바람직하게는 질소 및 황화합물을 제거하기 위해 수처리됨), 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 부탄올 등을 포함하는 알코올과 같은 산소함유연료; 디에틸에테르, 에틸페닐에테르, MTSE등과 같은 에테르를 포함한다.
도시가스 또는 합성가스와 같은 낮은 BTU가스들도 또한 연료로서 사용된다.
연료는 전형적으로 본 발명의 방법에서 사용되는 촉매에 존재하는 촉매 또는 기체상 온도보다 더 큰 이론 단열연소온도 또는 T단열을 갖는 혼합물을 생성하기 위한 양으로 연소공기에 혼합된다. 바람직하게는, 단열연소온도는 900℃위, 더 바람직하게는 1000℃위이다. 비기체상 연료는 초기 촉매지대와 접촉하기에 앞서 기화되어야 한다. 연소공기는 500psig 이상의 압력으로 압축될 수도 있다. 정지기체터빈은 종종 150psig 근처의 압력에서 종종 작동한다.
본 발명의 방법은 본 발명의 촉매구조물을 사용하여 단일 촉매반응지대에서또는 각 촉매단계에 대해 특이적으로 설계된 촉매구조를 사용하여 다수의 촉매반응지대, 보통 2 또는 3개지대에서 수행될 수 있다. 대부분의 경우에 촉매반응지대는 균질한 연소지대가 이어지는데 여기서 초기 촉매연소지대로부터 나오는 기체가 무촉매, 무플레임 조건하에서 연소되어 더 높은 기체온도, 예를 들면, 가스터빈에 요구되는 1000∼1500℃ 범위의 온도를 제공한다.
균질한 연소지대는 실질적으로 완전한 연소를 달성하고 일산화탄소 수준을 원하는 농도로 감소시키기 위한 크기로 되어있다. 촉매후반응지대에서 기체체류시간은 2 내지 100ms, 바람직하게는 10 내지 50ms이다.
이제 도면을 참조하면, 제1도 및 제2도는 일체식 열교환을 사용하는 두 종래의 촉매구조물의 반복단위의 단부면도(端部面圖)를 묘사한다. 나타낸 반복단위는 완전촉매구조물에서 층으로 쌓인 패턴으로 나타날 것이다. 제1도에서 지지체는 하나(10)는 물결모양 또는 파형패턴을 갖고 다른 하나(12)는 편평한 두개의 금속시트 또는 스트림으로 만들어진다. 골에 의해 형성된 크레스트와 골은 시트의 폭에 걸쳐 길이방항으로 연장되며 골진시트위와 아래에 편평한 시트에 대해 포개어 끼워져 층으로 쌓이거나 포개어 끼워진 시트의 폭에 걸쳐 연장되는 직선의 길이방향채널(14 및 16)을 형성한다. 여기서 나타낸 물결모양 또는 사인파 모양의 골진 패턴은 단지 대표직인 것이다. 골은 사인파모양, 삼각형 또는 어떤 다른 종래의 구조물일 수 있다. 파형시트(10)의 바닥쪽과 편평한 시트(12)의 상부쪽은 촉매 또는 애벌피복 더하기 촉매(18)로 피복하여 시트를 나타낸 것과 같이 함께 쌓았을때 촉매(14)로 피복된 채널이 촉매(16)로 피복되지 않은 채널과 일체식 열교환하도록 되어있다. 상기한 바와 같이, 형성된 촉매채널(14)과 무촉매채널(16)은 본질적으로 직선이고 변경되지 않은 단면적으로 되어 있다. 이 구조물은 촉매채널의 평균 Dh의 무촉매채널의 평균 Dh에 대한 비율이 1이고 h(촉매)/h(무촉매) 비율이 또한 1인 촉매채널과 무촉매채널을 제공한다.
제2도에 나타낸 반복단위는 시트의 길이에 걸쳐 길이방향으로 연장되는 오늬모앙 파형패턴을 갖는 두개의 골진 금속시트(20 및 22)로 이루어진다. 골진 시트(22)의 하나는 상부쪽에 촉매(24)로 피복되는 한편 다른 골진 시트는 바닥쪽에 촉매로 피복되어 시트를 포개어 끼워지지 않는 식으로 함께 쌓아올릴때 촉매피복된 채널(26)은 촉매없는 채널(28)과 일체식 열교환으로 형성되도록 되어 있다.
제3도는 촉매채널에 비틀림을 유발하도록 오늬모양 파형이 사용될때 상기 제2도에 나타낸 구조물에서 또는 본 발명의 구조물에서 적절하게 채택되는 오늬모양 파형패턴을 갖는 금속시트의 상세를 나타낸다. 제3도에 나타낸 측면도와 평면도로부터 알수 있는 바와 같이 시트는 파형을 이뤄 피크(30)와 골(32)을 형성하고 이것은 차례로 시트의 폭을 따라 오늬모양패턴을 형성한다. 제2도와 제3도에 나타낸 삼각형 파형패턴은 단지 대표적인 것이다. 파형은 삼각형, 사인파 또는 본 분야에서 생각할 수 있는 어떤 다른 골진 구조물일 수 있다.
골진 시트의 포개어 끼워지지 않는 성질과 오늬모양 파형패턴의 취지를 제2도에 나타내며 길이를 따라 여러지점에서의 촉매채널과 무촉매채널의 형태를 또한 제3A도, 제3B도 및 제3C도에 예시한다. 이들 도면은 단부면도(端部面圖)로부터 취한 반복단위의 단면도(斷面圖)를 나타내며(제3A도-이것은 제2도와 같음) 채널의 길이방향 축상의 증가되는 지점들에서 취한 반복단위의 단면도를 나타내는데 (제3B도 및 제3C도) 여기서 쌓이올려진 오늬모양 파형의 서로 다른 방향의 배향은, 각 시트에서의 파형에 의해 형성된 피크와 골의 위치가, 반복단위내에서 그 바로 위와 아래의 골진 시트의 피크에 대하여 변화되도록 한다. 제3A도에서, 촉매채널(26)과 무촉매채널(28) 모두는 반복되는 V-형상단면을 가지며 여기서 제3B도는 인접 오늬모양괘턴의 파형의 피크외 골에서 다른 방향의 배향으로 말미암은 채널벽 배향의 변화는 단면적이 직사각형인 채널(26 및 28)을 초래한다. 최종적으로, 제3C도에서, 주어전 시트의 오늬모양 파힝패턴을 규정하는 피크와 골이 문제의 시트 바로위와 아래의 시트의 오늬모양 패턴으로 된 파형의 각각의 골 및 피크와 접촉해 있는 점에서, 즉 인접시트상의 오늬모양파형이 서로 교차하는 점에서 촉매채널(26)과 무촉매채널(28)은 다이아몬드 형상의 단면적을 갖는다. 물론, 채널의 단면적 형상을 변화시키는 이 패턴은 그 자체가 포개어 끼워지지 않는 오늬모양 파형에 의해 규정되는 채널의 전체길이에 걸쳐 되풀이 하여 반복될 것이다. 이 경우에, 포개어 끼워지지 않은 오늬모양 패턴으로 된 파형은 채널의 길이를 따라 가변적 단면적을 갖는 채널을 초래하더라도, 촉매채널 및 무촉매채널은 그것들의 길이를 따라 동일한 변화를 나타낸다. 결과적으로, 제2도에 니타낸 구조는 촉매채널의 평균 Dh가 무촉매채널의 평균 Dh와 같으며 h(촉매)/h(무촉매)비율이 1과 같은 촉매채널 및 무촉매채널을 제공한다.
제4도는 여러 구조의 일련의 금속시트가 본 발명에 따르는 무촉매채널과는 구조가 다른 촉매채널을 제공하기 위해 쌓아올려진 패턴에 사용되는 본 발명의 촉매구조물의 반복단위의 단면도를 나타낸다. 이 반복단위는 두 편평한 시트(40), 직선의 파형패턴이 직선채널을 형성하는 한 골진 시트(42) 및 오늬모양 파형패턴을 갖는 두 골진 시트(44)의 조합으로 만들어진다. 촉매채널(46)과 무촉매채널(48)은 두 편평한 시트의 한쪽과 골진 시트중 하나의 한쪽을 촉매(50)로 선택적으로 피복함으로써 형성된다. 도면으로부터 볼수 있는 바와 같이, 무촉매채널은 편평한 시트를 직선채널시트로 쌓아올려서 형성되어 크게 개방된 채널을 제공한다. 반대로, 촉매채널은 비틀린 유동통로와 더 작은 Dh를 갖는 채널들이 구조에 의해 제공되도록 두 편평한 시트들 사이에 포개어 끼워지지 않는 방식으로 쌓아올려진 오늬모양 파형박 또는 시트로부터 형성된다. 이하 실시예 2에 주어진 치수를 갖는 이 구조는 촉매패널의 평균 Dh의 무촉매채널의 평균 Dh에 대한 비율이 0.66이고 h(촉매)/h(무촉매) 비율이 2.53인 촉매채널과 무촉매채널을 제공한다. 이 경우에, 촉매피복된 채널과 촉매없는 채널을 주조물의 전체채널부피로 나눈것이 0.30mm-1이다.
제5도는 촉매구조물을 형성하기 위해 쌓아올려진 반복단위의 단면도에 의해 본 발명에 따르는 바람직한 촉매구조물을 묘사한다. 이 반복단위는 세가지 다른 유형의 골진 금속시트(52, 54a 및 54b)로 만들어진다. 골진 시트(52)의 이 유형은 본질적으로 연장된 편평한 영역이 직선 파형패턴을 형성하는 박을 가로질러 곧게 연장되는 피크이룬 파형을 갖는 예리한 피크의 파형에 의해 주기적으로 분리되는 편평한 시트이다. 골진 시트(54a 및 54b)의 두번째 유형은 오늬모양패턴의 일련의 파형으로 만들어진다. 나타낸 반복단위에 있어서, 오늬모양의 골진 시트중 두개가, 예리하게 피크이룬 파형에 의해 분리된 편평한 시트의 넓은 영역을 갖는 시트의 상부에 포개어 끼워지지 않는 방식으로 쌓아 올려진다. 게다가, 예리한 피크로 된 파형의 제2의 편평한 시트는 포개어 끼워지지 않는 골진 오늬모양 패턴더미에서 상부 골진 시트의 상부에 쌓아올려진다. 촉매(56)는 예리한 피크로 된 파형을 갖는 편평한 시트의 각각의 바닥에와 바닥이 골진 오늬모양 패턴시트의 상부에 피복되어 이로써 작은 수력직경을 갖는 촉매패널(58a 및 58b)과 비틀린 유동채널과 그리고 실질적으로 직선의 구조이 더 큰 더 개방된 채널인 무촉매채널(60)을 형성한다.
이하 제3도에 주어진 치수를 갖도록 구성된 이 바람직한 촉매구조로, 촉매채널의 평균 Dh의 무촉매채널의 평균 Dh에 대한 비율은 0.41인 한편, h(촉매)/h(무촉매) 비율은 1.36이다. 또한, 실시예 3에 주어진 치수를 갖는 이 바람직한 구조물에서 촉매채널과 무촉매채널 간의 열전달면적의 비율을 전체채널부피로 나눈 것은 0.74이다.
제5도에 묘사된 바람직한 구조물은 예리한 피크로 된 파형으로 두 편평한 시트사이에 오늬모양 파형패턴을 갖는 추가의 골진 시트를 삽입함으로써 쉽게 수정하여 촉매채널의 수 및 비틀림을 증가시킬수 있다. 만일 추가의 골진 시트들이 반복단위(도면에 나타낸 두 시트로 포개어 끼워지지 않는 방식으로 쌓아 올려짐)에 삽입된다면 그것들은 원하는 촉매구조물에 따라 다른 것의 한쪽에 피복되거나 피복되지 않고 남을 수있다.
제6도는 입구단부에서 발명의 또다른 촉매구조물의 반복단위를 예시한다. 묘사한 바와 같이, 지지체는 두 본질적으로 편평한 금속시트(62)로 만들어지고 수평의 편평한 영역들이 수직한 스트립에 의해 주기적으로 나뉘어 큰 개방된 영역들과 두 본질적으로 편평한 시트사이에 포개어 끼워지지 않는 방식으로 쌓아 올리지는 오늬모양 파형패턴(64, 66 및 68)을 갖는 세개의 골진 금속시트를 형성한다. 이들 세개의 골진 시트들은 파형의 엄격성, 즉, 단위폭당 파형의 수에 있어서 다르며 상부 및 중간 골진 시트들(64 및 66)은 바닥이 골진 시트(68)보다 더 엄격한 파형패턴을 갖는다.
촉매(70)는 두 본질적으로 편평한 시트(62)의 바닥에와 상부가 골진 시트(64)의 바닥과 바닥이 골진 시트(68)의 상부에 피복되고 결과는 구조가 본질적으로 직선인 큰 개방된 무촉매채널(72)과 매우 작은 평균 Dh들과 비틀린 유동통로를 조장하는 구조를 갖는 3개의 촉매채널(74, 76, 및 78)로서이다. 시트(62)가 1.6mm의 높이와 3.3mm의 편평한 영역을 가지며; 시트(68)가 0.41mm의 높이와 0.66mm의 피크-대-피크 주기를 가지며; 시트(66)는 1.1mm의 높이와 0.33mm의 피크-대-피크 주기를 가지며; 시트(64)는 0.69mm의 높이와 0.31mm의 피크-대-피크 주기를 갖는 이 구조물에 대해 촉매채널의 평균 Dh의 무촉매채널의 평균 Dh에 대한 비율이 0.15이고 h(촉매)/h(무촉매) 비율은 2.72이다.
이 경우에, 촉매피복된 채널과 무촉매채널 간의 열전달을 구조물의 전체 채널부피로 나눈 비율은 0.91mm-1이다.
상기 제시된 설계기준을 토대로, 당업자는 본 발명의 범위내에 있는 다양한 촉매구조물을 구성할 수 있을 것이다. 다른 가능한 구조물을 제7도 및 제8도에 나타내었고 구조물의 반복단위 단부면도(端部面圖)를 묘사하고 있다. 제7도에서, 오늬모양 피형패턴을 갖는 골진 금속시트(80및 82)가 시트의 길이에 걸쳐 길이방향 직선향으로 연장되는 크레스트와 골을 갖는 골진 금속시트(84)들 사이에 포개어 끼워지지 않는 방식으로 쌓아올려진다. 촉매(86)는 상부 골진 시트(110)의 바닥부와 바닥부 골진 시트(82)의 상부에 피복되어 작은 평균 Dh와 충분한 비틀림의 촉매채널(88)이 본질적으로 직선유동채널을 제공하는 더 큰 더 개방된 촉매없는 채널(90)과 일체식 열교환으로 형성되도록 되어 있다.
제8도에서, 오늬모앙 파형패턴을 갖는 3개의 골진 금속시트(92, 94 및 96)는 제7도의 구조에 사용된 골진 시트와 유사한 구조의 직선채널 골진 금속시트(28)들 사이에 포개어 끼워지지 않는 방식으로 쌓아올려진다. 촉매(100)는 상부 골진 시트(92)의 바닥부와 바닥부 골진 시트(96)의 상부에 피복되어 작은 평균 Dh와 비틀린 유동통로를 갖는 촉매피복된 채널(102)이 본질적으로 직선인 유동통로를 갖는 더 큰 개방된 촉매없는 채널(104)과 열교환관계로 형성되어 있다.
다음의 실시예들은 일체식 열교환을 사용하는 종래의 촉매구조물과 비교하여 본 발명 촉매구조물의 사용에 의해 달성되는 어떤 이점들을 증명한다.
실시예 1
제2도에 나타낸 종래의 촉매구조를 사용하여 촉매를 제조하고 가솔린 형 연료의 연소에서 다음과 같이 시험하였다:
20.8g의 테트라에틸오르토실리케이트를 4.57cc의 2mM 질산 및 12.7g의 에탄올과 먼저 혼합함으로써 SiO2/ZrO2분말을 제조하였다.
혼합물을 100m2/gm와 비표면을 갖는 지르코니아 분말 100g에 가하였다.
결과된 고체를 약 1일 동안 밀봉한 유리용기에서 묵혔다. 일부를 1000℃에서 공기중 하소(calcine)시키고 또다른 부분을 1000℃에서 공기중 하소시킨다.
1000℃에서 하소된 SiO2/ZrO2분말 15.2g과 500℃에서 하소된 SiO2/ZrO2분말 15.2g을 3.93g의 98% H2SO4와 3IOcc의 증류수와 혼합함으로써 졸을 제조하였다. 이 혼합물을 ZrO2분쇄매체를 사용하여 8시간동안 분쇄하여 SiO2/ZrO3졸을 만들었다.
76mm 폭의 Fe/Cr/Al 합금(Fe/20%Cr/5%Al)박스트립을 오늬모양패턴으로 1.20mm의 파형높이와 2mm의 피크 대 피크주기로 골이 졌고 오늬모양패턴은 20mm의채널길이와 6° 의 채널각을 가졌고 약 185셀/제곱인치를 갖는 모노리스구조를 형성한다. 이박을 900℃에서 공기중 열처리하여 거친 산화물 피복된 표면을 형성시켰다.
SiO2/ZrO2졸을 오늬모양의 골진 박의 한쪽에 약 40마이크로미터의 두께로 분무하고 피복된 박을 950℃에서 공기중 하소하였다. Pd(NH3)2(NO2)2와 Pt(NH3)2(NO2)2를 물과 과량의 질산에 용해시켜 약 0.1g Pd/㎖ 및 6의 Pd/Pt 비율을 함유하는 용액을 형성시켰다. 이 용액을 SiO2/ZrO2피복된 골진 박에 분무하여 약 0.25g Pd/g의 SiO2/ZrO2의 최종 Pd 로딩을 형성하고 950℃에서 공기중 하소하였다.
상기 박의 스트립을 접어서 박의 촉매처리된 쪽끼리 향하게 놓고 구조물을 말아서 50mm 직경의 나선상 모노리스구조물을 형성시켰다. 이 촉매(50mm 직경을 갖는 나선상으로 감긴 구조물로 말은것)를 상기한 시험장비에 설치하였다.
기판온도를 측정하고 촉매하류의 기체의 온도를 측정하기 위해 열전쌍을 설치하였다. 게다가, 촉매의 하류 25cm 위치에서 기류의 조성을 측정하기 위해 수냉각된 기체 샘플링 프로브를 반응기예 설치하였다.
시험순서는 다음과 같았다:
1. 공기유동을 가스터빈 무부하 상태와 일치하는 것으로 설정.
2. 공기온도를 무부하에서의 가스터빈 사이클에 대한 공기온도의 범위의 값으로 설정.
3. 1200℃의 단열연소온도에 필요한 유량으로 연료를 증가시킴.
4. 촉매의 과열에 의해 구하는 촉매작동의 상한을 알기 위해 공기온도를 증가시킴.
이 시험과정에서, 촉매작동온도의 상한을 1050℃ 기질온도에서 취함.
5. 마찬가지로, 표적값 위로 배출물의 증가에 의해 구하는 촉매작동의 하한을 알때까지 공기온도를 감소시킴.
이 시험과정에서, 하한은 촉매후 25cm에서의 CO 배출이 부피로(건조) 5ppm을 초과한 때의 입구공기온도로 취해졌다.
6. 전부하 상태에서 작동된 가스터빈의 전형적인 공기유량으로 단계 1 내지 5의 과정을 반복하였다.
스페시피케이션 인돌린 클리어(Specificatiou Indolene Clear) 가솔린을 연료로서 사용하였다. 이것은 배출물 제한을 위해 사용된 표준 무연(無鉛) 정규 가솔런이다. 연료를 분무노즐을 통해 가열된 공기의 주 유동에 주입하고 정지믹서를 통과시키기에 앞서 기화시켜 촉매입구에서 균질한 연료/공기 혼합물을 형성시켰다. 연료 및 공기유량을 진정한 시간에 연속 측정하고 자동 피드백 제어를 통해 조절하였다.
사용한 시험조건을 포함하는 촉매구조물의 시험결과를 이하 표 1에 나타내었다.
표 1
요약: 무부하 상태에서, 이 촉매는 230 내지 400℃의 입구온도범위에 걸쳐 1150℃의 단열연소온도와 동등한 F/A 비율에서 작동할 것이다. 1200℃ T단열에서 이 입구온도범위는 220-260℃로 좁아졌고 1250℃에서 촉매는 과열없이는 작동하지 않을 것이다.
전부하 상태에서, 이 촉매시스템은 1200℃ T단열에서 540 내지 >620℃, 그리고 1300℃에서 420 내지 570℃의 작동범위로 합리적으로 잘 작동한다.
이 촉매시스템은 무부하에서 넓은 작동범위를 갖지 않으며 연료/공기비율이 매우 넓은 범위로 조절되지 않으면 무부하에서 전부하까지 작동해야 하는 터빈에서 사용될 수 없다.
실시예 2
낮은 공기유량속도에서 무촉매채널에서 연료의 연소를 최소화하기 위해, 제4도에 나타낸 촉매구조물을 실시예 1에 사용된 것과 같은 연료를 사용하여 평가하였다. 직선채널파형은 1.65mm의 파형높이를 가졌고 3.90mm의 피크-대-피크 주기를 갖는 대략 삼각형이었다. 오늬모양 파형박은 실시예 1에 기술된 것과 유사하였으나, 박은 두개의 박에 대해 0.76mm및 0.91mm의 높이와 1.84 및 2.45의 피크-대-피크 주기를 가졌다. 촉매코팅(Pd-Pt/SiO2/ZrO2)을 제조하고 실시예 1에 기술된 것과 같이 도포하였다. 실시예 1에 기술된 같은 과정을 사용하여 이 촉매구조물의 성능을 표 2에 나타내었다.
표 2
요약: 이 장치는 실시예 1의 촉매보다 무부하시 실질적으로 더 좋은 성능을 가졌다. 이들 매우 낮은 공기유량에서, 촉매기질은 그렇게 쉽게 과열되지 않는다. 그러나 전부하에서의 작동폭은 감소되었고 장치는 최적성능에 요추되는 1200 및 1300℃ T단열에서의 입구온도작동범위를 제공하지 않는다. 명백히, 개방된 큰 무촉매채널의 사용을 촉매가 매우 낮은 질량속도에서 더 잘 작동하도록 허용하나 이 특정설계는 촉매채널과 무촉매채널간의 제한된 열교환을 갖는 것으로 나타난다.
이것은 높은 질량유량애서 촉매로부터 낮은 출구기체온도와 전부하상태에서의 최적성능보다 더 적은 성능을 가져온다.
실시예 3
제5도의 촉매구조물을 실시예 1에 기술된 방법에 따라 제조하고 시험하였다.
시험한 촉매구조에서, 오늬모양 파형박은 실시예 1에 기술된 것과 유사하나, 박은 두개의 오늬모양박에 대해 0.76mm 및 1.2mm의 높이와 1.84 및 2.90의 피치를 가졌고 Che-vron 각이 6° 이었으며 직선의 파형피크로 된 박은 1.63mm의 높이, 4.52mm의 피크-대-피크 주기 및 3.7mm의 편평한 영역길이를 가졌다. 다시, 촉매는 실시예 1에 따라 제조된 Pd-Pt/SiO2/ZrO2이었고 이것을 제5도에 나타낸 것과 같이 도포하였다.
인돌린 클리어 가솔린을 사용한 작동폭 상태와 시험결과를 이하 표 3에 나타내었다.
표 3
요약: 촉매구조물은 무부하 및 전부하상테 모두에서 매우 넓은 작동 폭을 가졌다.
무부하에서, 이 촉매는 1200℃ T단열에서 160℃ 그리고 1300℃ T단열에서 210℃의 입구온도범위에 결치 작동할 수 있다. 전부하에서 범위는 1200℃에서 >50℃이다. 이들 작동폭은 충분할 T단열이고 1200℃ T단열에서 >50℃이고 1300℃에서 >150℃이다.
이들 작동 폭은 이 촉매시스템을 실제 가스터빈에 사용을 위해 존속할 수 있게 하기에 충분하다. 실시예 1의 종래기술의 비교는 실시예 3의 촉매가 무부하와 전부하에서 1200 내지 1300℃ T단열범위에서 작동할 수 있는 한편 실시예 1의 종래의 촉매는 무부하에서 1150℃ 내지 1200℃ T단열에서와 단지 매우 좁은 촉매입구온도에 걸쳐서만 작동할 수 있다. 게다가, 실시예 1의 종래의 기술은 매우 어렵고 비용이 드는 매우 좁은 연료/공기비율의 제어를 요할 것이다. 실시예 3의 기술은 훨씬 더 넓은 작동 폭을 가지며 더 용이한 실제용도를 허용할 것이다.
전부하에서의 작동범위는 실시예 1과 비교하여 거의 실시예 3의 촉매에 대한 만큼 넓었다.
본 발명은 직접설명과 실시예로 나타내었다. 실시예들은 발명을 제한하는 것을 뜻하지 않으며 단지 예이고 특허청구범위에서 청구하는 범위로 제한될 것이다. 게다가, 당업자는 이들 청구범위에 기술된 발명을 실시하기 위한 균등한 방법들을 인식할 수 있을 것이다. 이들 균등한 방법들은 본 발명의 특허청구범위의 범위내인 것으로 생각된다.

Claims (74)

  1. 유동기체 반응혼합물의 통과를 위해 다수의 인접 배치된 길이방향 채널을 형성하는 다수의 공통 벽으로 구성된 내열성 지지물질로 이루어지는 촉매구조물로서, 채널의 일부 내지 전부의 내부표면의 일부 내지 전부는 촉매로 피복되고 나머지 채널의 내부표면은 촉매로 피복되지 않아서 촉매피복된 채널의 내부표면은 인접한 촉매없는 채널의 내부표면과 열교환관계에 있도록 되어 있고 촉매피복된 채널은 촉매없는 채널에 의해 형성된 유동통로보다 반응혼합물에 대하여 더 비틀린 유동통로를 형성하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  2. 제1항에 있어서, 촉매피복된 채널은 단면적의 변화, 채널의 길이방향축을 따르는 방향의 변화 또는 단면적과 길이방향축을 따르는 방향 모두를 변화시킨 조합을 통해 주기적으로 변경되어, 기체상 반응혼합물이 촉매피복된 채널은 통과함에 따라 촉매피복된 채널에서의 기체상 반응혼합물의 일부 내지 진부의 유동방향이 다수의 지점에서 변화되는 한편, 촉매없는 채널은 길이방향축을 따라 변경되지 않은 단면적을 가지며 실질적으로 직선이어서 촉매없는 채널을 통한 기체상 반응혼합물의 유동방향은 실질적으로 변경되지 않는 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  3. 제2항에 있어서, 촉매피복된 채널은 채널의 길이방향축을 따라 촉매피복된 채널의 벽의 안팎으로 반복된 굽힘을 통해서 또는 채널의 길이방향축을 따라 다수의 지점에 놓이는 플랩, 배플 또는 방해물의 사용을 통해서 단면적이 변화되어, 기체상 반응혼합물의 유동방향의 일부를 방해하는 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  4. 제3항에 있어서, 촉매피복된 채널은 촉매피복된 채널의 벽의 안팎으로 반복된 굽힘에 의해 단면적이 변화되며, 이는 포개어 끼워지지 않는 방식으로 쌓아올려진 골진시트를 사용하여 오늬모양패턴으로 골진 촉매피복된 채널로 달성되는 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  5. 제4항에 있어서, 촉매피복된 채널과 촉매없는 채널은 반복되는 3층구조로 형성되는 데, 편평한 영역에 의해 분리되는 길이방향 피크를 갖는 골진시트의 제1층이 제2층에 쌓아올려지고, 제2층은 제2층을 만드는 시트의 길이를 따라 오늬모양패턴을 형성하는 인접한 길이방향 리지와 골로서 파형이 형성되는 골진시트로 구성되는 한편, 제2층은 제3층을 만드는 시트의 길이를 따라 오늬모양패턴을 형성하는 인접한 길이방향 리지와 골로서 파형이 형성되는 골진금속시트로 구성되는 제3층 위에 포개어 끼워지지 않는 식으로 쌓아올려지며, 반응혼합물을 위한 촉매는 제1층의 바닥부 쪽과 제3층의 상부쪽에 피복되어 있어서, 반복되는 구조의 제1층이 다음의 인접하는 반복되는 3층구조의 제3층 아래에 쌓아올려지는 방식으로 설치될 때 촉매없는 채널이 형성되고, 반복되는 3층구조의 제1층의 바닥부 및 제2층의 상부사이와 제2층의 바닥부와 제3층의 상부사이에 촉매피복된 채널이 형성되는 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  6. 기체 반응혼합물의 통과를 위해 다수의 인접 배치된 길이방향 채널을 형성하는 다수의 공통 벽으로 구성된 내열성 지지물질로 이루어지는 촉매구조물로서, 채널의 일부 내지 전부의 내부표면의 일부 내지 전부는 촉매로 피복되고 나머지 채널의 내부표면은 촉매로 피복되지 않아서 촉매피복된 채널의 내부표면은 인접한 촉매없는 채널의 내부 표면과 열교환관계에 있도록 되어 있고,
    (a) 촉매피복된 채널은 촉매없는 채널보다 더 작은 평균수력직경(Dh)을 가지며,
    (b) 촉매피복된 채널은 촉매없는 채널보다 더 높은 막열전달계수(h)를 가지며,
    (c) 촉매피복된 채널은 촉매없는 채널에 의해 형성된 유동통로보다 반응혼합물에 대하여 더 비틀린 유동경로를 형성하는 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  7. 제6항에 있어서, 촉매피복된 채널에 대한 평균 Dh를 촉매없는 채널의 평균 Dh로 나눈 수치비율은 0.15 내지 0.9인 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  8. 제7항에 있어서, 촉매피복된 채널에 대한 평균 Dh를 촉매없는 채널의 평균 Dh로 나눈 것은 0.3 내지 0.8인 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  9. 제6항에 있어서, 촉매피복된 채널에 대한 막열전달계수(h)를 촉매없는 채널에 대한 막열전달계수(h)로 나눈 비율 또는 h(촉매)/h(무촉매)는 1.1 내지 7인 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  10. 제9항에 있어서, h(촉매)/h(무촉매)는 1.3 내지 4인 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  11. 제6항에 있어서, 촉매피복된 채널과 촉매없는 채널간의 열전달 표면적을 구조물의 전체채널부피로 나눈 것은 0.5mm-1보다 큰 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  12. 제11항에 있어서, 촉매피복된 채널과 촉매없는 채널간의 열전달 표면적을 전체채널 부피로 나눈 것은 0.5 내지 2mm-1의 범위인 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  13. 제12항에 있어서, 촉매피복된 채널과 촉매없는 채널간의 열전달 표면적을 전체채널 부피로 나눈 것은 0.5 내지 1.5mm-1의 범위인 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  14. 제11항, 제12항, 제13항중 어느 한항에 있어서, h(촉매)/h(무촉매) 비율은1.1 내지 7이고 촉매피복된 채널의 평균 Dh를 촉매없는 채널의 평균 Dh로 나눈 비율이 0.15 내지 0.9인 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  15. 제11항, 제12항, 제13항중 어느 한항에 있어서, h(촉매)/h(무촉매) 비율은 1.3 내지 4이고 촉매피복된 채널의 평균 Dh를 촉매없는 채널의 평균 Dh로 나눈 비율이 0.3 내지 0.8인 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  16. 기체 반응혼합물의 통과를 위해 다수의 인접 배치된 길이방향 채널을 형성하는 다수의 공통 벽으로 구성된 내열성 지지물질로 이루어지는 촉매구조물로서, 채널의 일부 내지 전부의 내부표면의 일부 내지 전부는 촉매로 피복되고 나머지 채널의 내부표면은 촉매로 피복되지 않아서 촉매피복된 채널의 내부표면은 인접한 촉매없는 채널의 내부 표면과 열교환관계에 있도록 되어 있고 촉매피복된 채널은 촉매없는 채널의 h보다 적어도 1.5배 더 큰 막열전달계수(h)를 가지며 촉매피복된 채널은 촉매구조물의 전체 개방된 정면면적의 20% 내지 80%를 나타내고 촉매피복된 채널은 촉매없는 채널에 의해 성형된 유동통로보다 반응혼합물에 대하여 더 비틀린 유동통로를 헝성하는 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  17. 제16항에 있어서, 촉매피복된 채널에 대한 h를 촉매없는 채널에 대한 h로 나눈 것은1.5 내지 7인 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  18. 기체 반응혼합물의 통과를 위해 다수의 인접 배치된 길이방향 채널을 형성하는 다수의 공통 벽으로 구성된 내열성 지지물질로 이루어지는 촉매구조물로서, 채널의 일부 내지 전부의 내부표면의 일부 내지 전부는 촉매로 피복되고 나머지 채널의 내부표면은 촉매로 피복되지 않아서 촉매피복된 채널의 내부표면은 인접한 촉매없는 채널의 내부 표면과 열교환관계에 있도록 되어 있고, 촉매피복된 채널은 촉매없는 채널보다 너 낮은 평균수력직경(Dh)을 가지며 촉매피복된 채널에 대한 평균 Dh를 촉매없는 채널에 대한 편균 Dh로 나눈 수치비율은 촉매피복된 채널의 개방된 정면면적을 촉매없는 채널의 개방된 정면면적으로 나눈 수치비율보다 더 작은 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  19. 제18항에 있어서, 촉매피복된 채널의 개방된 정면면적은 촉매구조물의 전체 개방된 정면면적의 20% 내지 80%를 나타내는 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  20. 제1항 또는 제6항에 있어서, 촉매없는 채널의 크기 및 수와 비교한 촉매피복된 채널의 크기 및 수는 반응혼합물 유랑과 접하는 채널부피의 35%내지 70%가 촉매피복된 채널내에 있도록 하는 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  21. 제20항에 있어서, 반응혼합물 유랑과 접하는 채널부피의 악 50%가 촉매피복된 채널내에 있도록 하는 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  22. 반응혼합물의 통과를 위해 다수의 인접 배치된 길이방향 채널을 형성하는 다수의 공통 벽으로 구성된 내열성 지지물질로 이루어지는 촉매구조물로서, 채널의 일부 내지 전부의 내부표면의 일부 내지 전부는 촉매로 피복되고 나머지 채널의 내부표면은 촉매로 피복되지 않아서 촉매피복된 채널의 내부표변은 인접한 촉매없는 채널의 내부표면과 열교환관계에 있도록 되어 있고,
    (a) 촉매피복된 채널은 촉매없는 채널보다 더 높은 막열전달계수(h)를 가지며,
    (b) 촉매피복된 채널은 촉매없는 채널보다 더 작은 평균수력직경(Dh)을 가지며,
    (c) 촉매피복된 채널에 대한 평균 Dh를 촉매없는 채널에 대한 평균 Dh로 나눈 수치비율은 촉매피복된 채널의 개방된 정면면적을 촉매없는 채널의 개방된 정면면적으로 나눈 수치비율보다 더 작은 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  23. 제22항에 있어서, 촉매피복된 채널에 대한 평균 Dh를 촉매없는 채널의 평균 Dh로 나눈 수치비율은 0.15 내지 0.9인 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  24. 제23항에 있어서, 촉매피복된 채널에 대한 평균 Dh를 촉매없는 채널의 평균 Dh로 나눈 것은 0.3 내지 0.8인 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  25. 제22항에 있어서, 촉매피복된 채널에 대한 막열전달계수(h)를 촉매없는 채널에 대한 막열전말계수(h)로 나눈 비율 또는 h(촉매)/h(무촉매)는 1.1 내지 7인 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  26. 제25항에 있어서, h(촉매)/h(무촉매)는 1.3 내지 4인 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  27. 제22항에 있어서, 촉매피복된 채널과 촉매없는 채널간의 열전달 표면적을 구조물의전체채널부피로 나눈 것은 0.5mm-1보다 큰 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  28. 제27항에 있어서, 촉매피복된 채널과 촉매없는 채널간의 열전달 표면적을 전체채널부피로 나눈 것은 0.5 내지 2mm-1의 범위인 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  29. 제28항에 있어서, 촉매피복된 채널과 촉매없는 채널간의 열전달 표면적을 전체채널부피로 나눈 것은 0.5내지 1.5mm-1의 범위인 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  30. 제27항, 제28항, 제29항중 어느 한항에 있어서, h(촉매)/h(무촉매) 비율은 1.1 내지 7이고 촉매피복된 채널의 평균 Dh를 촉매없는 채널의 평균 Dh로 나눈 비율이 0.15 내지 0.9인 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  31. 제27항, 제28항, 제29항중 어느 한항에 있어서, h(촉매)/h(무촉매) 비율은 1.3 내지 4이고 촉매피복된 채널의 평균 Dh를 촉매없는 채널의 평균 Dh로 나눈 비율이 0.3 내지 0.8인 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  32. 제22항 또는 제27항에 있어서, 촉매없는 채널의 크기 및 수와 비교한 촉매피복된 채널의 크기 및 수는 반응혼합물 유량과 접하는 채널부피의 35% 내지 70%가 촉매피복된 채널내에 있도록 하는 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  33. 제32항에 있어서, 반응혼합물 유량과 접하는 채널부피의 약 50%가 촉매피복된 채널내에 있도록 하는 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  34. 기체 반응혼합물의 통과를 위해 다수의 인접 배치된 길이방향 채널을 형성하는 다수의 공통 벽으로 구성된 내열성 지지물질로 이루어지는 촉매구조물로서, 채널의 일부 내지 전부의 내부표면의 일부 내지 전부는 촉매로 피복되고 나머지 채널의 내부표면은 촉매로 피복되지 않아서 촉매피복된 채널의 내부표면은 인접한 촉매없는 채널의 내부표면과 열교환관계에 있도록 되어 있고,
    (a) 촉매피복된 채널은 촉매없는 채널보다 더 높은 막열전달계수(h)를 가지며
    (b) 전체 반응혼합물 유량의 50%이사이 촉매피복된 채널을 통하며
    (c) 촉매피복된 채널은 촉매없는 채널에 의해 형성된 유동통로보다 반응혼합물에 대하여 더 비틀린 유동통로를 형성하는 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  35. 기체 반응혼합물의 통과를 위해 다수의 인접 배치된 길이방향 채널을 형성하는 다수의 공통 벽으로 구성된 내열성 지지물질로 이루어지는 촉매구조물로서, 채널의 일부 내지 전부의 내부표면의 일부 내지 전부는 촉매로 피복되고 나머지 채널의 내부표면은 촉매로 피복되지 않아서 촉매피복된 채널의 내부표면은 인접한 촉매없는 채널의 내부표면과 열교환관계에 있도록 되어 있고,
    (a) 촉매피복된 채널은 촉매없는 채널보다 1.2보다 더 큰 인자만큼 더 높은 막열전달계수(h)를 가지며
    (b) 전체 반응혼합물 유량의 40%이상 50%미만이 촉매피복된 채널을 통하며
    (c) 촉매피복된 채널은 촉매없는 채널에 의해 형성된 유동통로보다 반응혼합물에 대하여 더 비틀린 유동통로를 형성하는 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  36. 기체 반응혼합물의 통과를 위해 다수의 인접 배치된 길이방향 채널을 형성하는 다수의 공통 벽으로 구성된 내열성 지지물질로 이루어지는 촉매구조물로서, 채널의 일부 내지 전부의 내부표면의 일부 내지 전부는 촉매로 피복되고 나머지 채널의 내부표면은 촉매로 피복되지 않아서 촉매피복된 채널의 내부표면은 인접한 촉매없는 채널의 내부표면과 열교환관계에 있도록 되어 있고,
    (a) 촉매피복된 채널은 촉매없는 채널보다 1.3보다 더 큰 인자만큼 더 높은 막열전달계수(h)를 가지며
    (b) 전체 반응혼합물 유량의 30%이상 40%미만이 촉매피복된 채널을 통하며
    (c) 촉매피복된 채널은 촉매없는 채널에 의해 형성된 유동통로보다 반응혼합물에 대하여 더 비틀린 유동통로를 형성하는 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  37. 기체 반응혼합물의 통과를 위해 다수의 인접 배치된 길이방향 채널을 형성하는 다수의 공통 벽으로 구성된 내열성 지지물질로 이루어지는 촉매구조물로서, 채널의 일부 내지 전부의 내부표면의 일부 내지 전부는 촉매로 피복되고 나머지 채널의 내부표면은 촉매로 피복되지 않아서 촉매피복된 채널의 내부표면은 인접한 촉매없는 채널의 내부표면과 열교환관계에 있도록 되어 있고,
    (a) 촉매피복된 채널은 촉매없는 채널보다 1.5보다 더 큰 인자만큼 더 높은 막열전달계수(h)를 가지며
    (b) 전체 반응혼합물 유량의 20%이상 30%미만이 촉매피복된 채널을 통하는 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  38. 기체 반응혼합물의 통과를 위해 다수의 인접 배치된 길이방향 채널을 형성하는 다수의 공통 벽으로 구성된 내열성 지지물질로 이루어지는 촉매구조물로서, 채널의 일부 내지 전부의 내부표면의 일부 내지 전부는 촉매로 피복되고 나머지 채널의 내부표면은 촉매로 피복되지 않아서 촉매피복된 채널의 내부표면은 인접한 촉매없는 채널의 내부표면과 열교환관계에 있도록 되어 있고,
    (a) 촉매피복된 채널은 촉매없는 채널보다 2.0보다 더 큰 인자만큼 더 높은 막열전달계수(h)를 가지며
    (b) 전체 반응혼합물 유량의 10%이상 20%미만이 촉매피복된 채널을 통하며,
    (c) 촉매피복된 채널은 촉매없는 채널에 의해 형성된 유동통로보다 반응혼합물에 대하여 더 비틀린 유동통로를 형성하는 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  39. 제34항, 제35항, 제36항, 제37항, 제38항중 어느 한항에 있어서, 촉매피복된 채널은 촉매없는 채널보다 더 작은 평균수력직경(Dh)을 갖는 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  40. 연소성혼합물의 통과를 위해 다수의 인접 배치된 길이방향 채널을 형성하는 다수의 공통 벽으로 구성된 내열성 지지물질로 이루어지는 촉매구조물로서, 채널의 일부 내지 전부의 내부표면의 일부 내지 전부는 촉매로 피복되고 나머지 채널의 내부표면은 촉매로 피복되지 않아서 촉매피복된 채널의 내부표면은 인접한 촉매없는채널의 내부표면과 열교환관계에 있도록 되어 있고,
    (a) 촉매피복된 채널은 촉매없는 채널보다 더 높은 막열전달계수(h)를 가지며,
    (b) 촉매피복된 채널은 촉매없는 채널보다 더 작은 평균수력직경(Dh)을 가지며,
    (c) 촉매피복된 채널은 촉매없는 채널에 의해 형성된 유동통로보다 반응혼합물에 대하여 더 비틀린 유동통로를 형성하는 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  41. 연소성혼합물의 통과를 위해 다수의 인접 배치된 길이방향 채널을 형성하는 다수의 공통 벽으로 구성된 내열성 지지물질로 이루어지는 촉매구조물로서, 채널의 일부 내지 전부는 내부표면의 일부 내지 전부는 촉매로 피복되고 나머지 채널의 내부표면은 촉매로 피복되지 않아서 촉매피복된 채널의 내부표면은 인접한 촉매없는 채널의 내부 표면과 열교환관계에 있도록 되어 있고,
    (a) 촉매피복된 채널은 촉매없는 채널보다 더 높은 막열전달계수(h)를 가지며,
    (b) 촉매피복된 채널은 촉매없는 채널보다 더 작은 평균수력직경(Dh)을 가지며,
    (c) 촉매피복된 채널에 대한 평균 Dh를 촉매없는 채널에 대한 평균 Dh로 나눈 수치 비율은 촉매피복된 채널의 개방된 정면면적을 촉매없는 채널의 개방된 정면면적으로 나눈 수치비율보다 더 작은 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  42. 제40항 또는 제41항에 있어서, 전체 연소성혼합물 유랑의 35% 내지 70%가 촉매피복된 채널을 통하는 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  43. 제40항 또는 제41항에 있어서, 전체 연소성혼합물 유량의 약 50%가 촉매피복된 패널을 통하는 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  44. 제40항 또는 제41항에 있어서, 촉매피복된 채널과 촉매없는 채널간의 열전달표면적을 구조물의 전체채널부피로 나눈 것은 0.5mm-1보다 큰 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  45. 제44항에 있어서, 촉매피복된 채널의 평균 Dh를 촉매없는 채널의 평균 Dh로 나눈 비율이 0.15 내지 0.9인 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  46. 제45항에 있어서, 촉매피복된 채널의 평균 Dh를 촉매없는 채널의 평균 Dh로 나눈 비율이 0.3 내지 0.8인 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  47. 제45항에 있어서, 촉매피복된 채널에 대한 h를 촉매없는 채널에 대한 h로 나는 비율은 1.1 내지 7인 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  48. 제46항에 있어서, 촉매피복된 채널에 대한 h를 촉매없는 채널에 대한 h로 나눈 비율은 1.3 내지 4인 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  49. 제42항에 있어서, 지지물질은 세라믹물질, 내열성 무기산화물, 금속간물질, 탄화물, 질화물 및 금속물질로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  50. 제49항에 있어서, 무기산화물은 실리카, 마그네시아, 알루미나, 티타니아, 지르코니아및 그의 혼합물로부터 선택되며 금속물질은 알루미늄, 고온금속합금, 스테인레스강 및 알루미늄함유강 및 알루미늄함유 합금으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 촉매구 조물.
  51. 제49항에 있어서, 촉매는 백금족 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매구 조물.
  52. 제51항에 있어서, 촉매는 팔라듐 또는 팔라듐과 백금의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  53. 제51항에 있어서, 지지물질은 지지체의 일부 내지 전부에 지르코니아, 티타니아, 알루미나, 실리카 또는 다른 내화금속산화물의 애벌피복을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  54. 제53항에 있어서, 애벌피복은 알루미나, 실리카 또는 알루미나와 실리카의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  55. 제53항에 있어서, 애벌피복은 지르코니아로 이루어지는 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  56. 제53항에 있어서, 촉매는 애벌피복상의 팔라듐 또는 팔라듐과 백금의 혼합물인 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  57. (a) 연료와 산소함유기체를 혼합하여 연소성혼합물을 형성하는 단계,
    (b) 연소성혼합물의 통과를 위해 다수의 인접 배치된 길이방항 채널을 형성하는 다수의 공통 벽으로 구성된 내열성 지지물질로 이루어지는 촉매구조물로서, 채널의 일부 내지 전부의 내부표면의 일부 내지 전부는 촉매로 피복되고 나머지 채널의 내부표면은 촉매로 피복되지 않아서 촉매피복된 채널의 내부표면은 인접한 촉매없는 채널의 내부 표면과 열교환관계에 있도록 되어 있고,
    (i) 촉매피복된 채널은 촉매없는 채널보다 더 높은 막열전달계수(h)를 가지며,
    (ii) 촉매피복된 채널은 촉매없는 채널보다 더 작은 평균 Dh를 가지며,
    (iii) 촉매피복된 채널은 촉매없는 채널에 의해 형성된 유동통로보다 반응혼합물에 대하여 더 비틀린 유동통로를 형성하는 촉매구조물과 혼합물을 접촉시키는 단계로 이루어지는 연소성혼합물의 연소방법.
  58. (a) 연료와 산소함유기체를 혼합하여 연소성혼합물을 형성하는 단계,
    (b) 연소성혼합물의 통과를 위해 다수의 인접 배치된 길이방향 채널을 형성하는 다수의 공통 벽으로 구성된 내열성 지지물질로 이루어지는 촉매구조물로서, 채널의 일부 내지 전부의 내부표면의 일부 내지 전부는 촉매로 피복되고 나머지 채널의 내부표면은 촉매로 피복되지 않아서 촉매피복된 채널의 내부표면은 인접한 촉매없는 채널의 내부표면과 열교환관계에 있도록 되어 있고,
    (i) 촉매피복된 채널은 촉매없는 채널보다 더 높은 막열전달계수(h)를 가지며,
    (ii) 촉매피복된 채널은 촉매없는 채널보다 더 작은 평균 Dh를 가지며,
    (iii) 촉매피복된 채널에 대한 평균 Dh를 촉매없는 채널에 대한 Dh로 나눈 수치비율은 촉매피복된 채널의 개방된 정면면적을 촉매없는 채널의 개방된 정면면적으로 나눈 수치비율보다 더 작은 촉매구조물과 혼합물을 접촉시키는 단계로 이루어지는 연소성혼합물의 연소방법.
  59. 제57항 또는 제58항에 있어서, 촉매피복된 채널과 촉매없는 채널간의 열전달 표면적을 구조물의 전체채널부피로 나눈 것은 0.5mm-1보다 큰 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  60. 제59항에 있어서, 촉매지지체를 통한 연소성혼합물 유량의 분포는 연소성혼합물의 35% 내지 70%가 촉매피복된 채널을 통과하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  61. 제60항에 있어서, 연소성혼합물의 약 50%가 촉매피복된 채널을 통과하는 것을 특징으로 하는 방법.
  62. 제57항 또는 제58항에 있어서, 촉매지지체는 세라믹물질, 내열무기산화물, 금속간물질, 탄화물, 질화물 또는 금속물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  63. 제62항에 있어서, 촉매지지체는 알루미늄, 고온합금, 스테인레스강, 알루미늄을 함유하는 합금 및 알루미늄을 함유하는 철합금으로 구성되는 부류로부터 선택되는 금속물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  64. 제63항에 있어서, 촉매지지체는 알루미늄을 함유하는 철 또는 비철합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  65. 제64항에 있어서, 촉매지지체는 지지체의 일부 내지 전부에 지르코니아, 티타니아, 알루미나, 실리카 또는 내화금속산화물의 애벌피복을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  66. 제65항에 있어서, 금속촉매지지체는 지지체의 일부 내지 전부에 지르코니아의 애벌피복을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  67. 제66항에 있어서, 촉매물질은 백금족 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  68. 제67항에 있어서, 촉매물질은 팔라듐으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  69. 제68항에 있어서, 연소성혼합물은 900℃이상의 이론 단열연소온도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  70. 제57항 또는 제58항에 있어서, 연소성혼합물은 촉매구조물과 접촉하여 부분적으로 연소되며 연소혼합물이 촉매구조물을 통과한 후 균질한 연소지대에서 연소가 완결되는 것을 특징으로 하는 방법.
  71. 제14항에 있어서, 촉매없는 채널의 크기 및 수와 비교한 촉매피복된 채널의 크기 및수는 반응혼합물 유량과 접하는 채널부피의 35% 내지 70%가 촉매피복된 채널내에 있도록 하는 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  72. 제15항에 있어서, 촉매없는 채널의 크기 및 수와 비교한 촉매피복된 채널의 크기 및수는 반응혼합물 유랑과 접하는 채널부피의 35% 내지 70%가 촉매피복된 채널내에 있도록 하는 것을 특징으로 하는 촉매구조물.
  73. 제59항에 있어서, 촉매지지체는 세라믹물질, 내열무기산화물, 금속간물질, 탄화물, 질화물 또는 금속물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  74. 제60항에 있어서, 촉매지지체는 세라믹물질, 내열무기산화물, 금속간물질, 탄화물, 질화물 또는 금속물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
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