RU2160415C2 - Supporting construction (variants) for attachment of catalytic structure in reaction chamber, method of this structure attachment in chamber and method of fuel catalytic combustion - Google Patents
Supporting construction (variants) for attachment of catalytic structure in reaction chamber, method of this structure attachment in chamber and method of fuel catalytic combustion Download PDFInfo
- Publication number
- RU2160415C2 RU2160415C2 RU99100108A RU99100108A RU2160415C2 RU 2160415 C2 RU2160415 C2 RU 2160415C2 RU 99100108 A RU99100108 A RU 99100108A RU 99100108 A RU99100108 A RU 99100108A RU 2160415 C2 RU2160415 C2 RU 2160415C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- catalytic
- open cells
- catalytic structure
- monolithic
- monolithic honeycomb
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Catalysts (AREA)
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к новым опорным конструкциям для крепления монолитных каталитических структур, используемых при проведении в реакционной камере или реакторе высокотемпературных реакций, таких как каталитическое горение. В изобретении также предлагается способ использования новой опорной конструкции в высокотемпературных каталитических процессах типа процесса каталитического горения в газотурбинных энергетических установках. The present invention relates to new support structures for fastening monolithic catalytic structures used in carrying out high-temperature reactions in the reaction chamber or reactor, such as catalytic combustion. The invention also provides a method for using the new support structure in high temperature catalytic processes such as a catalytic combustion process in gas turbine power plants.
В настоящее время известно много высокотемпературных процессов, которые протекают с использованием монолитных каталитических структур, ускоряющих необходимые реакции, такие, например, как частичное окисление углеводородов, полное окисление углеводородов с целью уменьшения загрязнения атмосферы газообразными отходами, реакции, которые протекают в каталитических нейтрализаторах систем выпуска отработавших газов транспортных средств и которые позволяют снизить загрязнение атмосферы отработавшими газами, и каталитическое горение топлива с последующим использованием продуктов сгорания в газовых турбинах, печах и других аналогичных установках. Типичным примером таких каталитических структур являются катализаторы, используемые в камерах сгорания газовых турбин и предназначенные для снижения количества выбрасываемых в атмосферу загрязняющих веществ и повышения эффективности процесса сгорания топлива. Для повышения эффективности газовой турбины необходимо использовать газ с высокой температурой. При высокой температуре газа в монолитном катализаторе, который обычно представляет собой однородную или связанную металлическую или керамическую структуру с большим количеством вытянутых в продольном направлении каналов для прохода сгорающей газообразной смеси, по крайней мере часть которых покрыта изнутри катализатором горения, возникают значительные тепловые напряжения. Currently, many high-temperature processes are known that occur using monolithic catalytic structures that accelerate the necessary reactions, such as, for example, partial oxidation of hydrocarbons, complete oxidation of hydrocarbons in order to reduce atmospheric pollution by gaseous wastes, reactions that occur in catalytic converters of exhaust systems gases of vehicles and which allow to reduce atmospheric pollution by exhaust gases, and catalytic combustion Pliva followed using products of combustion in gas turbines, furnaces and other similar facilities. A typical example of such catalytic structures are catalysts used in the combustion chambers of gas turbines and designed to reduce the amount of pollutants emitted into the atmosphere and increase the efficiency of the fuel combustion process. To increase the efficiency of a gas turbine, it is necessary to use gas with a high temperature. At a high gas temperature in a monolithic catalyst, which usually consists of a homogeneous or bonded metal or ceramic structure with a large number of longitudinally elongated channels for the passage of a combustible gaseous mixture, at least part of which is coated from the inside with a combustion catalyst, significant thermal stresses arise.
Помимо высоких тепловых напряжений каталитические структуры, расположенные в камерах сгорания газовых турбин, подвержены воздействию большой осевой нагрузки, действующей в направлении течения газа и обусловленной высокими скоростями газа и гидравлическим сопротивлением, в частности трением, возникающим в ее вытянутых в продольном направлении каналах. Примером такой каталитической структуры является многоступенчатая монолитная каталитическая структура, которая описана в патенте США 5183401, выданном на имя Dalla Betta и др. и которая представляет собой расположенный в камере сгорания катализатор диаметром 20 дюймов, на который при скорости потока топливовоздушной смеси около 50 фунтов/см и перепаде давления на катализаторе порядка 4 фунтов на 1 дюйм2 действует осевая сила около 1260 фунтов.In addition to high thermal stresses, the catalytic structures located in the combustion chambers of gas turbines are subject to a large axial load acting in the direction of the gas flow and due to high gas velocities and hydraulic resistance, in particular friction, arising in its longitudinally elongated channels. An example of such a catalytic structure is a multi-stage monolithic catalytic structure, which is described in US Pat. No. 5,183,401 to Dalla Betta et al., And which is a 20-inch diameter catalyst located in the combustion chamber, for which, at an air-fuel mixture flow rate of about 50 psi and a pressure drop across the catalyst of the order of 4 pounds per 1 inch 2 , an axial force of about 1260 pounds is applied.
В условиях высоких температур, достигающих, а иногда и превышающих 1000oC, металлические монолитные структуры теряют свою прочность, а значительные осевые усилия (обусловленные большими скоростями газа) приводят к заметному перемещению или деформации носителя катализатора. При изготовлении монолитных катализаторов из гофрированной металлической фольги, спирально скрученной в цилиндрический рулон с упирающимися друг в друга выступами соседних не соединенных друг с другом слоев фольги, суммарное воздействие высокой температуры и значительной осевой нагрузки, обусловленной высокими скоростями газа, приводит к относительному (телескопическому) перемещению слоев фольги в направлении течения газа, и прежде всего в том случае, когда осевая нагрузка превышает сопротивление скольжения или силы трения между прилегающими друг к другу свернутыми в рулон слоями фольги. Именно этим и объясняется необходимость в создании соответствующей опоры для крепления каталитической структуры, препятствующей ее перемещению и/или деформации вдоль продольной оси в направлении течения газа и выполненной в виде опорной конструкции, ограничивающей перемещения и деформации катализатора при высоких температурах и не оказывающей при этом отрицательного влияния на полноту сгорания топлива и эффективность процесса каталитического горения, в процессе которого образуется газ, который приводит в действие газовую турбину.Under conditions of high temperatures reaching, and sometimes exceeding 1000 o C, monolithic metal structures lose their strength, and significant axial forces (due to high gas velocities) lead to a noticeable movement or deformation of the catalyst carrier. In the manufacture of monolithic catalysts from corrugated metal foil spirally twisted into a cylindrical roll with protrusions of adjacent non-connected foil layers abutting each other, the combined effect of high temperature and significant axial load due to high gas velocities leads to relative (telescopic) displacement layers of foil in the direction of gas flow, and especially in the case when the axial load exceeds the sliding resistance or friction between layers of foil adjacent to each other rolled into a roll. This explains the need to create an appropriate support for fixing the catalytic structure, which prevents its movement and / or deformation along the longitudinal axis in the direction of gas flow and is made in the form of a support structure that limits the displacement and deformation of the catalyst at high temperatures and does not have a negative effect the completeness of fuel combustion and the efficiency of the catalytic combustion process, during which a gas is formed that drives a gas turbine.
В совместно рассматриваемой заявке на патент США 08/165966, поданной на имя Dalla Betta и др. 10 декабря 1993 г. (номер дела патентного поверенного N P-1065), предложено использовать в качестве опоры катализатора расположенные на выходе из катализатора несущие стойки или стержни с внутренним охлаждением. Преимуществом таких несущих стоек, охлаждаемых воздухом или другой обеспечивающей необходимый отвод тепла средой, является их высокая прочность к воздействию осевых нагрузок даже при очень высоких температурах газа. Такая конструкция, однако, обладает и определенным недостатком, поскольку в ней для охлаждения несущих стоек требуется либо предусматривать отдельный источник воздуха, наличие которого усложняет конструкцию системы сгорания воздуха, либо использовать обычно отсутствующий в газотурбинной установке воздух высокого давления. Еще один недостаток такой конструкции заключается в том, что охлаждаемые воздухом стойки должны занимать достаточно большую часть поверхности катализатора. В результате этого в каталитической структуре возникают высокие местные контактные нагрузки или напряжения. В некоторых местах катализатора эти контактные напряжения могут превысить предел прочности фольги и привести к ее деформации. Очевидно, что вероятность такой деформации фольги является серьезным недостатком предложенной конструкции, исключающим возможность использования охлаждаемым воздухом несущих стоек в качестве опор каталитических структур, воспринимающих большие осевые нагрузки. U.S. Patent Application 08/165966, filed in the name of Dalla Betta et al. December 10, 1993 (Patent Attorney's Case Number N P-1065), proposes to use support columns or rods located at the outlet of the catalyst as catalyst support with internal cooling. The advantage of such load-bearing racks, cooled by air or another medium providing the necessary heat removal, is their high resistance to axial loads even at very high gas temperatures. This design, however, has a certain drawback, since it requires either a separate air source for cooling the load-bearing racks, the presence of which complicates the design of the air combustion system, or the use of high-pressure air, which is usually absent in a gas turbine installation. Another drawback of this design is that air-cooled racks should occupy a fairly large portion of the catalyst surface. As a result, high local contact loads or stresses occur in the catalytic structure. In some places of the catalyst, these contact stresses can exceed the tensile strength of the foil and lead to its deformation. Obviously, the likelihood of such a deformation of the foil is a serious drawback of the proposed design, which excludes the possibility of using supported racks cooled by air as supports of catalytic structures that accept large axial loads.
Одним из возможных способов решения проблемы, связанной с деформацией фольги, является увеличение количества охлаждаемых воздухом несущих стержней, приводящее к снижению контактных напряжений, возникающих на выходной поверхности катализатора. Однако, поскольку охлаждаемые воздухом несущие стержни имеют достаточную толщину, при большом их количестве происходит увеличение гидравлического сопротивления потоку выходящего из катализатора газа и возрастание суммарного падения давления газа в системе сгорания, что является нежелательным. Кроме того, для снижения контактных напряжений, возникающих в местах прилегания охлаждаемых воздухом несущих стержней к фольге катализатора, стержни необходимо располагать очень близко друг к другу. One of the possible ways to solve the problem associated with the deformation of the foil is to increase the number of carrier rods cooled by air, leading to a decrease in the contact stresses arising on the outlet surface of the catalyst. However, since the carrier rods cooled by air have a sufficient thickness, with a large number of them, there is an increase in hydraulic resistance to the flow of gas leaving the catalyst and an increase in the total drop in gas pressure in the combustion system, which is undesirable. In addition, in order to reduce the contact stresses arising at the contact points of the air-cooled supporting rods to the catalyst foil, the rods must be placed very close to each other.
Другим возможным способом решения указанной проблемы является использование для крепления катализатора неохлаждаемой металлической опоры. В этом случае, уменьшив толщину несущих стержней и суммарную площадь поперечного сечения, можно заметно снизить падение давления в системе сгорания. Такое решение, однако, связано с принципиальной проблемой, заключающейся в том, что из-за происходящего при высоких температурах существенного снижения прочности для восприятия возникающей осевой нагрузки приходится использовать несущие элементы, изготовленные из очень толстого материала, которые обладают высоким гидравлическим сопротивлением и препятствуют свободному прохождению через них потока образующегося газа. Another possible way to solve this problem is to use an uncooled metal support for fixing the catalyst. In this case, reducing the thickness of the bearing rods and the total cross-sectional area, you can significantly reduce the pressure drop in the combustion system. Such a solution, however, is associated with a fundamental problem, namely, due to a significant decrease in strength occurring at high temperatures, in order to perceive the resulting axial load, it is necessary to use load-bearing elements made of very thick material that have high hydraulic resistance and prevent free passage through them the flow of gas formed.
Краткое изложение сущности изобретения
В изобретении предлагается неохлаждаемая опорная конструкция, изготовленная из обладающего высокой термостойкостью металла или керамики, которую можно использовать в качестве эффективной опоры для крепления монолитной каталитической структуры, образующей большое количество вытянутых в продольном направлении каналов для прохода потока смеси газов внутри реактора, предназначенного для проведения высокотемпературных реакций с высокими скоростями газа, и использование которой не сопровождается повышенными потерями давления в реакторе и никак не влияет на протекающую в реакторе каталитическую реакцию. Предлагаемая в изобретении эффективная опорная конструкция представляет собой монолитную сотовую или состоящую из открытых ячеек несущую структуру, ячейки которой выполнены такими же или более крупными, чем каналы каталитической структуры, и сообщаются с ними, причем эта несущая ячеистая структура изготовлена из тонких полос или лент из обладающего высокой термостойкостью металла или керамики, которые соединены друг с другом и образуют единую ячеистую структуру, на которую по всей выходной поверхности опирается каталитическая структура и внешний край которой крепится к стенке реактора таким образом, что любая осевая нагрузка, воспринимаемая имеющей открытые ячейки опорной конструкцией, передается на стенку реактора.Summary of the invention
The invention proposes an uncooled support structure made of a metal or ceramic having high heat resistance, which can be used as an effective support for fastening a monolithic catalytic structure forming a large number of longitudinally elongated channels for the passage of a gas mixture flow inside a reactor designed for high-temperature reactions with high gas velocities, and the use of which is not accompanied by increased pressure losses in the reactor ore and does not affect the catalytic reaction in the reactor. The effective support structure proposed in the invention is a monolithic honeycomb or consisting of open cells supporting structure, the cells of which are made the same or larger than the channels of the catalytic structure, and communicate with them, moreover, this supporting cellular structure is made of thin strips or tapes of high heat resistance of metal or ceramics, which are connected to each other and form a single cellular structure, on which the catalytic structure rests on the entire output surface cheers and the outer edge of which is fastened to the wall of the reactor so that any axial load perceived having open cell support structure is transferred to the reactor wall.
Предлагаемая в изобретении монолитная сотовая или состоящая из открытых ячеек опорная конструкция, которая внешне воспринимается как недостаточно прочная, фактически обладает достаточно высокой прочностью и надежно выдерживает осевую силу или нагрузку, приложенную к ней со стороны каталитической структуры, работающей при высоких температурах и при высоких скоростях потока протекающего через нее газа, минимизируя при этом все осевые перемещения или деформации каталитической структуры. Высокая прочность, являющаяся характерной особенностью структуры, образованной открытыми ячейками, обеспечивает возможность использования для изготовления предлагаемой в изобретении опорной конструкции объединенных в один общий несущий каркас тонких полос или лент из металла или керамики, соединенных друг с другом в открытые ячейки, размеры которых равны или больше размеров открытых каналов каталитического реактора, и позволяет создать такую опорную конструкцию, которую с успехом можно использовать при высоких скоростях газа для создания опорной конструкции с минимальным перепадом давления, которая, в частности, может найти применение при каталитическом сгорании топливовоздушной смеси и получении газа, используемого в дальнейшем для привода газовой турбины. Кроме того, предлагаемая в изобретении сотовая или состоящая из открытых ячеек опорная конструкция позволяет образовать большое количество несущих полос или лент, в которые по всей своей торцевой поверхности или по всему поперечному сечению упирается каталитическая структура, и обеспечить равномерное распределение возникающей в каталитической структуре осевой нагрузки по всей площади монолитной опорной конструкции, избежав тем самым возникновения в каталитической структуре местных деформаций. The monolithic honeycomb or open cell structure of the invention, which is externally perceived as not strong enough, actually has a sufficiently high strength and reliably withstands axial force or load applied to it by the catalytic structure operating at high temperatures and high flow rates the gas flowing through it, while minimizing all axial displacements or deformations of the catalytic structure. High strength, which is a characteristic feature of the structure formed by open cells, makes it possible to use thin strips or tapes of metal or ceramic combined into one common supporting frame for manufacturing the support structure of the invention, connected to each other into open cells of equal or larger sizes dimensions of the open channels of the catalytic reactor, and allows you to create such a support structure that can be successfully used at high gas speeds for the support structure of the building with a minimum pressure drop, which in particular may find application in the catalytic combustion of the fuel-air mixture, and obtaining the gas used in the gas turbine further to drive. In addition, the support structure proposed in the invention of a honeycomb or consisting of open cells allows the formation of a large number of bearing strips or tapes, in which the catalytic structure abuts against its entire end surface or along its entire cross section and to ensure uniform distribution of the axial load arising in the catalytic structure along the entire area of the monolithic support structure, thereby avoiding the occurrence of local deformations in the catalytic structure.
Хотя предлагаемые в изобретении монолитные сотовые опорные конструкции с открытыми ячейками предпочтительно использовать в качестве опор, расположенных на выходном конце каталитической структуры и препятствующих осевому перемещению каталитической структуры в направлении движения потока протекающего через нее газа, они, тем не менее, из-за своего очень небольшого гидравлического сопротивления с успехом могут быть также использованы в качестве опоры, расположенной на входе в каталитическую структуру и ограничивающей все возможные при неожиданном изменении направления потока газа перемещения каталитической структуры в обратном направлении. Кроме того, предлагаемая в изобретении опорная конструкция может использоваться в многоступенчатой каталитической системе, описанной в упомянутом выше патенте США 5183401, выданном на имя Dalla Betta и др., путем установки ее на выходе одной или нескольких ступеней катализатора и создания промежуточной опоры, препятствующей передаче осевого усилия на расположенные за ней ступени катализатора. Although the monolithic open cell honeycomb structures proposed in the invention are preferably used as supports located at the output end of the catalyst structure and preventing axial movement of the catalyst structure in the direction of flow of the gas flowing through it, they are nevertheless due to their very small hydraulic resistance can also be successfully used as a support located at the entrance to the catalytic structure and limiting all possible and an unexpected change in the gas flow direction of movement of the catalyst structure in a reverse direction. In addition, the support structure of the invention can be used in the multi-stage catalyst system described in the aforementioned US Pat. No. 5,183,401 to Dalla Betta et al. By installing it at the exit of one or more catalyst stages and creating an intermediate support that prevents axial transmission efforts on the steps of the catalyst located behind it.
Таким образом, одним из объектов изобретения является опорная конструкция, которая предназначена для крепления в реакционной камере каталитической структуры, состоящей из большого количества вытянутых в продольном направлении каналов с входными и выходными концами, через которые протекает смесь газов, и которая содержит монолитную сотовую конструкцию с открытыми ячейками, стенки которых образованы полосами из обладающего высокой термостойкостью металла или керамики и размеры открытых концов которых равны или больше размеров отверстий входных и выходных концов каналов каталитической структуры, и эта монолитная сотовая конструкция с открытыми ячейками:
а) расположена на выходе или на входе или на входе и на выходе каталитической структуры,
б) установлена и выполнена таким образом, что в нее упирается один из концов каталитической структуры, при этом она проходит в направлении, перпендикулярном продольной оси каталитической структуры, по существу перекрывая всю торцовую поверхность каталитической структуры, а концы ее открытых ячеек сообщаются с каналами каталитической структуры, и
в) крепится по своему внешнему краю к стенке реакционной камеры таким образом, что осевая нагрузка, которая на нее действует, воспринимается стенкой реакционной камеры, что ограничивает осевое перемещение каталитической структуры в направлении, параллельном ее продольной оси.Thus, one of the objects of the invention is a support structure, which is intended for mounting in the reaction chamber a catalytic structure consisting of a large number of longitudinally elongated channels with inlet and outlet ends through which the gas mixture flows, and which contains a monolithic honeycomb structure with open cells whose walls are formed by strips of highly heat-resistant metal or ceramic and whose open ends are equal to or larger than the openings of the input and output ends of the channels of the catalytic structure, and this monolithic open cell design:
a) is located at the outlet or at the inlet or at the inlet and outlet of the catalytic structure,
b) is installed and made in such a way that one of the ends of the catalytic structure abuts against it, while it extends in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the catalytic structure, essentially overlapping the entire end surface of the catalytic structure, and the ends of its open cells communicate with the channels of the catalytic structure , and
c) is attached along its outer edge to the wall of the reaction chamber in such a way that the axial load that acts on it is perceived by the wall of the reaction chamber, which limits the axial movement of the catalytic structure in a direction parallel to its longitudinal axis.
Другим объектом изобретения является способ каталитического сгорания или частичного сгорания топлива, например, в газотурбинных установках, в котором предлагаемая в изобретении монолитная сотовая опорная конструкция с открытыми ячейками используется для крепления структуры, служащей катализатором горения внутри камеры сгорания или внутри реакционной камеры. Предлагаемый в изобретении способ включает следующие стадии:
а) образование смеси топлива с содержащим кислород газом,
б) пропускание потока газа, представляющего собой смесь содержащего кислород газа и топлива, через монолитную каталитическую структуру, которая расположена в реакционной камере, состоит из большого количества вытянутых в продольном направлении каналов для прохода потока газа и закреплена в реакционной камере с помощью монолитной сотовой конструкции с открытыми ячейками, стенки которых образованы полосами из обладающего высокой термостойкостью металла или керамики и размеры открытых концов которых равны или больше размеров отверстий входных и выходных концов каналов каталитической структуры, причем эта монолитная сотовая конструкция с открытыми ячейками:
1) расположена на выходе или на входе или на входе и на выходе каталитической структуры,
2) установлена и выполнена таким образом, что в нее упирается один из концов каталитической структуры, при этом она проходит в направлении, перпендикулярном продольной оси каталитической структуры, по существу перекрывая всю торцовую поверхность каталитической структуры, а концы ее открытых ячеек сообщаются с каналами каталитической структуры, и
3) крепится по своему внешнему краю к стенке реакционной камеры таким образом, что ограничивает осевое перемещение каталитической структуры в направлении, параллельном ее продольной оси.Another object of the invention is a method for catalytic combustion or partial combustion of fuel, for example, in gas turbine installations, in which the inventive monolithic open-cell honeycomb structure is used to attach a structure that serves as a combustion catalyst inside a combustion chamber or inside a reaction chamber. Proposed in the invention method includes the following stages:
a) the formation of a mixture of fuel with oxygen-containing gas,
b) passing a gas stream, which is a mixture of oxygen-containing gas and fuel, through a monolithic catalytic structure, which is located in the reaction chamber, consists of a large number of longitudinally elongated channels for gas flow and is fixed in the reaction chamber using a monolithic honeycomb structure with open cells, the walls of which are formed by strips of highly heat-resistant metal or ceramic and whose open ends are equal to or larger than the openings input and output ends of the channels of the catalyst structure, and this monolithic honeycomb structure with open cells:
1) located at the outlet or at the inlet or at the inlet and outlet of the catalytic structure,
2) it is installed and made in such a way that one of the ends of the catalytic structure abuts against it, while it extends in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the catalytic structure, essentially overlapping the entire end surface of the catalytic structure, and the ends of its open cells communicate with the channels of the catalytic structure , and
3) is attached along its outer edge to the wall of the reaction chamber in such a way that limits the axial movement of the catalytic structure in a direction parallel to its longitudinal axis.
В изобретении также предлагается способ крепления монолитной каталитической структуры в реакторе или в реакционной камере с помощью предлагаемой в изобретении монолитной сотовой конструкции с открытыми ячейками, а также выполненных в соответствии с изобретением опорных конструкций, используя их в качестве промежуточных опор для многоступенчатых каталитических процессов, в которых используются монолитные катализаторы. The invention also provides a method of attaching a monolithic catalytic structure in a reactor or in a reaction chamber using the monolithic open cell honeycomb proposed in the invention, as well as the support structures made in accordance with the invention, using them as intermediate supports for multi-stage catalytic processes in which monolithic catalysts are used.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - вид сбоку каталитического реактора, расположенного в камере сгорания газотурбинной установки.Brief Description of the Drawings
FIG. 1 is a side view of a catalytic reactor located in a combustion chamber of a gas turbine plant.
Фиг. 2А и 2Б - иллюстрация процесса изготовления монолитной каталитической структуры, для крепления которой в реакторе можно использовать предлагаемую в изобретении монолитную опорную конструкцию. FIG. 2A and 2B are an illustration of a manufacturing process of a monolithic catalyst structure, for fastening of which a monolithic support structure proposed in the invention can be used in the reactor.
Фиг. 3А и 3Б - изображение элементов опорной конструкции и ее поперечного сечения. FIG. 3A and 3B is an image of the elements of the supporting structure and its cross section.
Фиг. 4А-4Д - изображения торцов различных вариантов выполнения предлагаемой в изобретении опорной конструкции катализатора. FIG. 4A-4D are end views of various embodiments of the catalyst support structure of the invention.
Фиг. 5-8 - схемы каталитических реакторов по изобретению. FIG. 5-8 are schematic diagrams of the catalytic reactors of the invention.
Фиг. 9А и 9Б - схемы, иллюстрирующие эффекты, которые возникают в реакторе под действием осевой нагрузки, обусловленной высокой скоростью потока газа, протекающего через каталитическую структуру, опирающуюся на предлагаемую в изобретении опорную конструкцию. FIG. 9A and 9B are diagrams illustrating effects that occur in the reactor under the action of axial load due to the high gas flow rate flowing through the catalytic structure based on the support structure of the invention.
Подробное описание изобретения
В настоящем изобретении предлагается неохлаждаемая опорная конструкция, предназначенная для крепления внутри реакционной камеры или реактора монолитной каталитической структуры, которая подвержена воздействию высоких температур и больших осевых нагрузок, обусловленных высокими скоростями протекающего через катализатор газа. В изобретении также предлагается способ использования такой опорной конструкции в процессе каталитического горения. В частности, настоящее изобретение относится к опорной конструкции, которая ограничивает осевое перемещение сравнительно гибкой монолитной каталитической структуры, расположенной в камере сгорания. Помимо ограничения осевого перемещения каталитической структуры предлагаемая опорная конструкция увеличивает прочность катализатора к воздействию усилия, создаваемого потоком протекающего через него газа.DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention provides an uncooled support structure for fastening, within a reaction chamber or reactor, a monolithic catalyst structure that is exposed to high temperatures and high axial loads due to the high velocity of the gas flowing through the catalyst. The invention also provides a method of using such a support structure in a catalytic combustion process. In particular, the present invention relates to a support structure that limits axial movement of a relatively flexible monolithic catalyst structure located in a combustion chamber. In addition to limiting the axial movement of the catalytic structure, the proposed support structure increases the strength of the catalyst to the action of the force created by the flow of gas flowing through it.
Типичный реактор, в котором происходит каталитическое горение, показан на фиг. 1, где изображена каталитическая структура 10, которая расположена в основной камере 1 сгорания реактора за предварительной камерой 4 сгорания перпендикулярно потоку смеси из содержащего кислород газа, обычно воздуха, и топлива, которое подается в монолитную каталитическую структуру топливным инжектором 5. Расположение каталитической структуры обеспечивает однородный характер течения топливовоздушной смеси через катализатор и создает условия для прохождения смеси через его вытянутые в продольном направлении каналы. Для сохранения фиксированного положения каталитической структуры в камере сгорания необходимо использовать те или иные поддерживающие устройства или опорные конструкции, которыми каталитическая структура крепится к стенкам камеры сгорания и к числу которых относится, в частности, опорная конструкция, в которую своей "выходной стороной" 9 упирается каталитическая структура. "Выходной стороной" 9 каталитической структуры является та ее сторона, через которую из каталитической структуры выходит частично или полностью сгоревшая топливовоздушная смесь. При этом "входной стороной" каталитической структуры является соответственно та ее сторона, через которую в каталитическую структуру поступает несгоревшая топливовоздушная смесь. A typical reactor in which catalytic combustion occurs is shown in FIG. 1, which shows the catalytic structure 10, which is located in the main combustion chamber 1 of the reactor behind the preliminary combustion chamber 4, perpendicular to the flow of a mixture of oxygen-containing gas, usually air, and fuel, which is supplied to the monolithic catalyst structure by the fuel injector 5. The arrangement of the catalytic structure ensures a uniform the nature of the flow of the air-fuel mixture through the catalyst and creates the conditions for the passage of the mixture through its longitudinally elongated channels. To maintain a fixed position of the catalytic structure in the combustion chamber, it is necessary to use one or another supporting device or supporting structure with which the catalytic structure is attached to the walls of the combustion chamber and which include, in particular, the supporting structure, in which the catalytic structure abuts against its “output side” 9 structure. The "exit side" 9 of the catalytic structure is that side through which the partially or completely burnt air-fuel mixture leaves the catalytic structure. In this case, the "input side" of the catalytic structure is, respectively, the side through which the unburned air-fuel mixture enters the catalytic structure.
Каталитическая структура может иметь самую разную из хорошо известных конструкций, выполненных, в частности, в виде монолитных каталитических структур с большим количеством параллельных вытянутых в продольном направлении каналов или проходов, по крайней мере частично покрытых катализатором. Типичные каталитические структуры такого типа описаны во многих известных публикациях, к числу которых относятся патенты США 5183401, 5232351, 5248251, 5250489 и 5259754, выданные на имя Dalla Betta и др., а также патент США 4870824, выданный на имя Young и др. Каталитическую структуру можно изготовить из металла или керамического материала, имеющего сотовую структуру, форму рулона, согнутого из гофрированных листов, стержневую форму (или форму, напоминающую "пучок соломы") или другую конфигурацию с продольными каналами или проходами, через которые с минимальными потерями давления может проходить поток имеющего высокую скорость газа. Примером такой каталитической структуры является показанная на фиг. 2А и 2Б каталитическая структура, выполненная в виде спирально свернутого листового рулона. Такая структура изготавливается из листа металлической фольги 20, которому прессованием придается гофрированная или волнообразная форма с впадинами 21 и вершинами 22 и который свертывается вместе с плоским листом 24 металла в большой по размерам рулон 25, имеющий форму цилиндра и состоящий из чередующихся слоев гофрированного листа 20 и плоского листа 24. При изготовлении каталитической структуры гофрированный и/или плоский листы до совместного свертывания в рулон обычно покрывают с одной или обеих сторон слоем металла из платиновой группы, предпочтительно палладия и/или платины. Каталитическую структуру можно изготовить не только из гофрированной металлической фольги с показанными на фиг. 2А-Б каналами с плоскими стенками, объединенной с плоской фольгой, но и из двух или более листов гофрированной фольги с каналами с прямыми или наклонными стенками, после спирального свертывания которых в рулон выступы одного из слоев фольги не входят во впадины соседнего слоя фольги. Предлагаемую в изобретении опорную конструкцию предпочтительно использовать для крепления металлических свернутых в рулон каталитических структур, которые обладают склонностью к телескопическому перемещению соседних слов относительно друг друга или деформации в направлении движения потока газа, протекающего через нее с большой скоростью и имеющего высокую достигающую или превышающую 1000oС температуру, под действием которой металлическая структура размягчается или как-либо иначе теряет свою прочность.The catalytic structure may have the most varied of well-known structures, made in particular in the form of monolithic catalytic structures with a large number of parallel longitudinally elongated channels or passages at least partially coated with a catalyst. Typical catalytic structures of this type are described in many well-known publications, including US Pat. Nos. 5,183,401, 5,232,351, 5,248,251, 5,250,489 and 5,259,754 to Dalla Betta et al., And also U.S. Patent 4,870,824 to Young et al. Catalytic the structure can be made of metal or ceramic material having a honeycomb structure, the shape of a roll bent from corrugated sheets, a rod shape (or a shape resembling a "bundle of straw") or other configuration with longitudinal channels or passages through which with minimal loss and pressure can pass flow having a high gas velocity. An example of such a catalytic structure is shown in FIG. 2A and 2B, a catalytic structure made in the form of a spirally folded sheet roll. Such a structure is made of a sheet of
Опорная конструкция
Предлагаемая в изобретении опорная конструкция имеет монолитную сотовую структуру с открытыми ячейками, сформированную из тонких полос или лент из обладающего высокой термостойкостью металла или керамики, в которую упирается одним своим торцом каталитическая структура, при этом эта опорная конструкция вытянута в направлении, перпендикулярном продольной оси каталитической структуры, и по существу полностью перекрывает один из ее торцов (входной либо выходной или оба торца) и крепится по своему внешнему периметру к стенке реактора. Полосы или ленты, из которых изготовлена опорная конструкция, соединены друг с другом и образуют цельную конструкцию с открытыми ячейками, размеры отверстий которых равны или больше размеров отверстий каналов каталитической структуры. Отверстия ячеек опорной конструкции сообщаются с каналами каталитической структуры и не создают никаких помех потоку газа, выходящего из каталитической структуры и протекающего через опорную конструкцию.Supporting structure
The support structure proposed in the invention has a monolithic open-cell honeycomb structure formed of thin strips or tapes of metal or ceramic having high heat resistance, against which the catalytic structure abuts against one end, while this support structure is elongated in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the catalytic structure , and essentially completely overlaps one of its ends (inlet or outlet or both ends) and is attached along its outer perimeter to the wall of the reactor. The strips or tapes of which the support structure is made are connected to each other and form a solid structure with open cells, the opening sizes of which are equal to or larger than the opening sizes of the channels of the catalytic structure. The openings of the cells of the support structure communicate with the channels of the catalytic structure and do not interfere with the flow of gas exiting the catalyst structure and flowing through the support structure.
Хотя на первый взгляд и может создаваться впечатление, что состоящая из открытых ячеек опорная конструкция не должна обладать высокой прочностью, прежде всего в условиях высоких температур, однако фактически предлагаемая в изобретении опорная конструкция имеет высокую конструктивную целостность и обладает высоким механическим сопротивлением к воздействию на нее осевой нагрузки, приложенной к ней со стороны опирающейся на нее каталитической структуры, которая обладает склонностью к перемещению или деформации в направлении протекающего через нее потока газа. Как уже было отмечено выше, в крупных по размерам катализаторах горения, диаметр которых лежит в пределах от 10 до 25 дюймов, при перепаде давления на катализаторе, составляющем обычно около 4 фунтов на 1 дюйм2, создается действующая в направлении течения газа осевая нагрузка или осевое усилие от приблизительно 600 до приблизительно 1600 фунтов. При такой осевой нагрузке и при температуре около 1000oC или больше предлагаемая в изобретении опорная конструкция, образующая однородную по свойствам опору, изготовленную из большого количества полос или лент, формирующих монолитную сотовую структуру с открытыми ячейками, практически не изгибается (не прогибается) и позволяет существенно ограничить любые местные деформации каталитической структуры. Выполненная таким образом предлагаемая в изобретении опорная конструкция обладает двумя принципиальными преимуществами, одно из которых заключается в ее высокой несущей способности к воздействию большой осевой нагрузки, а другое состоит в том, что образующие ее относительно крупные ячейки оказывают очень небольшое сопротивление потоку протекающего через опорную конструкцию газа.Although at first glance it may seem that the supporting structure consisting of open cells should not have high strength, primarily at high temperatures, the support structure actually proposed in the invention has a high structural integrity and high mechanical resistance to axial impact on it the load applied to it from the side of the catalytic structure resting on it, which has a tendency to move or deform in the flowing direction him through her gas stream. As noted above, in large-sized combustion catalysts, the diameter of which ranges from 10 to 25 inches, with a pressure drop across the catalyst, usually about 4 pounds per 1 inch 2 , an axial load or axial load acting in the direction of gas flow is created effort from about 600 to about 1600 pounds. With this axial load and at a temperature of about 1000 o C or more, the support structure proposed in the invention, forming a support uniform in properties, made of a large number of strips or tapes forming a monolithic honeycomb structure with open cells, practically does not bend (does not bend) and allows significantly limit any local deformation of the catalytic structure. The support structure thus proposed according to the invention has two fundamental advantages, one of which is its high load-bearing capacity under the influence of a large axial load, and the other is that the relatively large cells that form it have very little resistance to the flow of gas flowing through the support structure .
Предлагаемую в изобретении монолитную сотовую опорную конструкцию с открытыми ячейками можно изготовить либо из керамики, либо из металла, а также из любого другого конструкционного материала, который позволяет придать ей необходимую структурную целостность и прочность при воздействии на нее высоких температур и высоких нагрузок. К обладающим высокой термостойкостью металлическим материалам, которые можно использовать для изготовления предлагаемых опорных конструкций, относятся стальные сплавы с высокой термостойкостью, такие, как сплавы никеля, кобальта или хрома, или другие сплавы, которые выдерживают высокие температуры, а также интерметаллические материалы и металлокерамика. Выбор материала для изготовления опорной конструкции зависит от места ее расположения и действующей на нее температуры и осевой нагрузки. Так, в частности, опорная конструкция, расположенная на входе в каталитическую структуру (или используемая для крепления первых каскадов катализатора в многоступенчатой каталитической системе), не испытывает такого же температурного и силового воздействия, как опорная конструкция, расположенная на выходе из последнего каскада катализатора, и поэтому для изготовления таких опорных конструкций можно использовать разные материалы. К числу предпочтительных металлических материалов, используемых для изготовления предлагаемых опорных конструкций, относятся FeCrAl-сплавы, в которых обычно помимо железа содержится около 20% Cr и около 5% A1, например сплав Alfa IV, выпускаемый фирмой Allegheny Ludlum (Pittsburgh, Pennsylvania), сплав Riverlite R20-5SR, выпускаемый фирмой Kawasaki Steel (Kobe, Japan), и сплав Aluchrom Y, выпускаемый фирмой VDM (Werdohl, Germany). К другим предпочтительным металлическим сплавам относятся NiCrAl-сплавы, в которых основу составляет никель и в которых обычно содержится около 20% Cr и около 5% Al, например сплав Haynes 214, выпускаемый фирмой Haynes International (Kokomo, Indiana). К пригодным для использования керамическим материалам относятся кордиерит Celcor, выпускаемый фирмой Corning Glass Works (Corning, New York), и кордиеритные монолитные подложки, выпускаемые фирмой NGK Locke, Inc. (Southfield, Michigan). The monolithic honeycomb support structure with open cells proposed in the invention can be made of either ceramic or metal, as well as any other structural material, which makes it possible to give it the necessary structural integrity and strength when exposed to high temperatures and high loads. High-temperature-resistant metal materials that can be used to fabricate the proposed support structures include high-temperature-resistant steel alloys, such as nickel, cobalt or chromium alloys, or other alloys that can withstand high temperatures, as well as intermetallic materials and cermets. The choice of material for the manufacture of the supporting structure depends on its location and the temperature and axial load acting on it. Thus, in particular, the support structure located at the entrance to the catalytic structure (or used to fasten the first stages of the catalyst in a multi-stage catalyst system) does not experience the same temperature and power effects as the support structure located at the outlet of the last catalyst stage, and therefore, different materials can be used to make such support structures. Preferred metal materials used to make the proposed support structures include FeCrAl alloys, which typically contain about 20% Cr and about 5% A1 in addition to iron, for example Alfa IV alloy manufactured by Allegheny Ludlum (Pittsburgh, PA), an alloy Riverlite R20-5SR manufactured by Kawasaki Steel (Kobe, Japan), and Aluchrom Y alloy manufactured by VDM (Werdohl, Germany). Other preferred metal alloys include NiCrAl alloys in which nickel is the base and which typically contain about 20% Cr and about 5% Al, for example, Haynes 214 alloy manufactured by Haynes International (Kokomo, Indiana). Suitable ceramic materials include Celcor cordierite manufactured by Corning Glass Works (Corning, New York), and cordierite monolithic substrates manufactured by NGK Locke, Inc. (Southfield, Michigan).
Предлагаемая в изобретении опорная конструкция может быть выполнена или изготовлена по любой обычной технологии изготовления монолитных сотовых структур из керамических или металлических полос или лент, соединенных друг с другом в одну цельную конструкцию. Предлагаемую в изобретении опорную конструкцию можно, например, изготовить в виде одной детали, отлитой в соответствующей форме, или из отлитых или согнутых полос или лент, которые после соединения друг с другом образуют ячеистую структуру с имеющими необходимую форму открытыми ячейками. Примером изготовления такой конструкции является участок металлической монолитной конструкции с ячейками шестиугольной формы по фиг. 3А и 3Б. Основными элементами, из которых изготовлена эта конструкция, являются тонкие гофрированные металлические полосы 30 с плоскими выступами 31 и впадинами 32. Уложенные друг на друга такие гофрированные полосы образуют показанную на фиг. 3Б сотовую или ячеистую (с ячейками шестиугольной формы) структуру с прилегающими друг к друг плоскими выступами и впадинами соседних полос, которые соединены между собой сваркой или пайкой 33 в цельную или монолитную конструкцию. Готовую опорную конструкцию, выполненную в виде цилиндра из соединенных друг с другом полос и имеющую показанную на фиг. 3Б сотовую структуру, можно поместить в цилиндрическую оболочку из металлического листа (не показан) и соединить ее аналогично тому, как соединены друг с другом образующие сотовую структуру гофрированные полосы, с расположенными на внешней поверхности выполненной в виде цилиндра опорной конструкции участками ячеек. Заключенная в цилиндрический кожух или несущую оболочку опорная конструкция имеет круглое поперечное сечение, совпадающее с поперечным сечением цилиндрической каталитической структуры в направлении, перпендикулярном направлению движения протекающего через каталитическую структуру газа. При изготовлении опорной конструкции из полос из металла эти полосы предпочтительно соединять друг с другом пайкой, которая по сравнению со сваркой позволяет придать конструкции большую прочность и жесткость; при этом, однако, вполне допустимо изготовление и сварных конструкций. В отдельных случаях для соединения друг с другом гофрированных полос можно использовать одновременно и пайку, и сварку. The support structure proposed in the invention can be made or manufactured by any conventional technology for the manufacture of monolithic honeycomb structures from ceramic or metal strips or tapes connected to each other in one integral structure. The support structure proposed in the invention can, for example, be made in the form of a single part, molded in the appropriate form, or from cast or bent strips or tapes, which, after connecting to each other, form a cellular structure with open cells having the desired shape. An example of the manufacture of such a structure is a section of a metal monolithic structure with hexagonal cells in FIG. 3A and 3B. The main elements of which this structure is made are thin corrugated metal strips 30 with
Открытые ячейки в предлагаемой опорной конструкции могут иметь самую различную форму с одинаковым у всех ячеек поперечным сечением и необходимой ограниченной краями ячеек площадью прилегания друг к другу соседних полос или лент, которая позволяет достаточно прочно соединить их между собой. К такого рода ячейкам относятся многоугольные, эллиптические или круглые по форме ячейки, при этом наиболее предпочтительными из многоугольных ячеек являются ячейки, имеющие форму трапеции, треугольника, прямоугольника, квадрата или шестиугольника. Предпочтительнее всего использовать ячейки шестиугольной формы, поскольку опорные конструкции с ячейками такой формы отличаются простотой изготовления и высокой прочностью соединения друг с другом соседних образующих сотовую структуру полос или лент. На фиг. 4А-4Д показаны торцы нескольких имеющих различные по форме открытые ячейки опорных конструкций, которые можно использовать в качестве опоры для цилиндрической каталитической структуры типа структуры, показанной на фиг. 2Б. На фиг. 4А показано поперечное сечение опорной конструкции с ячейками 40 шестиугольной формы, которая заключена в соединенный с ней цилиндрический кожух 41, образующий ее несущую оболочку, а на фиг. 4Б показано поперечное сечение заключенной в цилиндрическую несущую оболочку 43 опорной конструкции с ячейками 42 квадратной формы. На фиг. 4В показано поперечное сечение еще одного варианта предлагаемой в изобретении опорной конструкции, которая имеет ячейки 44 круглой формы и также заключена в несущую цилиндрическую оболочку 45. И, наконец, на фиг. 4Г и 4Д показаны предлагаемые в изобретении опорные конструкции с ячейками 46 трапециевидной формы или с ячейками 48 треугольной формы, которые также заключены в цилиндрические несущие оболочки 47 и 49 соответственно. Open cells in the proposed supporting structure can have a very different shape with the same cross-section for all cells and the necessary adjoining adjacent strips or tapes bounded by the edges of the cells, which allows them to be firmly connected together. Cells of this kind include polygonal, elliptical or round-shaped cells, while the most preferred of the polygonal cells are cells in the form of a trapezoid, triangle, rectangle, square or hexagon. It is preferable to use cells of a hexagonal shape, since the supporting structures with cells of this shape are distinguished by the simplicity of manufacture and the high strength of connection to each other adjacent forming a honeycomb structure of strips or tapes. In FIG. 4A-4D show the ends of several open-cell supports of various shapes that can be used as supports for a cylindrical catalytic structure such as the structure shown in FIG. 2B. In FIG. 4A shows a cross-section of a support structure with
Как уже было отмечено выше, очень существенным моментом является то, что размеры поперечного сечения отверстия ячеек предлагаемой в изобретении опорной конструкции независимо от их конкретной формы должны быть равны или больше размеров поперечного сечения отдельных вытянутых в продольном направлении каналов каталитической структуры. Для достижения минимальных потерь давления и во избежание возникновения в потоке газа тех или иных возмущений поперечное сечение отверстий ячеек опорной конструкции предпочтительно должно быть больше поперечного сечения сообщающихся с ними каналов каталитической структуры в 1,1-200 раз. При применении предлагаемой в изобретении опорной конструкции в качестве опоры типовой монолитной каталитической структуры, используемой в процессах каталитического горения, ее открытые ячейки или отверстия ячеек должны в среднем иметь размер или площадь поперечного сечения от приблизительно 0,03 до приблизительно 2,0 дюйма2, наиболее предпочтительно от приблизительно 0,05 до приблизительно 0,2 дюйма2.As noted above, a very significant point is that the cross-sectional dimensions of the openings of the cells of the support structure proposed in the invention, regardless of their specific shape, should be equal to or greater than the cross-sectional dimensions of the individual longitudinally elongated channels of the catalytic structure. In order to achieve minimal pressure loss and to avoid any disturbances in the gas flow, the cross section of the openings of the cells of the supporting structure should preferably be 1.1-200 times greater than the cross section of the channels of the catalytic structure communicating with them. When using the support structure proposed in the invention as a support for a typical monolithic catalytic structure used in catalytic combustion processes, its open cells or cell openings should have an average size or cross-sectional area of from about 0.03 to about 2.0 inches 2 , most preferably from about 0.05 to about 0.2 inches 2 .
Толщина полос или лент, из которых изготавливают предлагаемую в изобретении опорную конструкцию (определяемая как размер поперечного сечения любой отдельной полосы, измеренный в направлении, перпендикулярном направлению движения потока газа), и их ширина (определяемая как размер полосы, измеренный в направлении движения потока газа) зависят от целого ряда факторов, к которым относятся размеры реакционной камеры и каталитической структуры и параметры процесса, в котором используется опорная конструкция. Так, например, толщина полосы из металла или керамики зависит от допустимого гидравлического сопротивления системы (допустимого падения давления), осевой нагрузки, воспринимаемой опорой, диаметра каталитической структуры, размера открытых ячеек и действующей температуры. Аналогично этому и ширина полосы в предлагаемой опорной конструкции зависит от таких факторов, как воспринимаемая опорой осевая нагрузка, размер каталитической структуры, действующая температура и размер свободного пространства внутри реакционной камеры, в котором можно разместить опорную конструкцию. Во избежание недопустимого падения давления на опорной конструкции и с учетом различных обычно учитываемых в таких случаях параметров процесса отношение толщины полос или лент, из которых изготовлена опорная конструкция, к толщине стенок вытянутых в продольном направлении каналов каталитической структуры должно лежать в пределах от 0,5 до 20. При изготовлении опорной конструкции из полос из металла отношение толщины полосы к толщине стенки канала каталитической структуры должно предпочтительно лежать в пределах от 1 до 10, а при использовании полос из керамики - в пределах от 2 до 20. Применительно к каталитическим структурам, обычно используемым при каталитическом горении, толщина полосы металлических опорных конструкций должна лежать в пределах от приблизительно 0,0001 до приблизительно 0,1 дюйма с толщиной полосы из металла предпочтительно в пределах приблизительно от 0,002 и 0,03 дюйма и наиболее предпочтительно в пределах от приблизительно 0,005 до приблизительно 0,02 дюйма. Для восприятия осевых нагрузок, которые возникают при каталитическом горении, целесообразно использовать полосу из металла, из которой изготовлена предлагаемая опорная конструкция, с шириной приблизительно от 0,25 до 3 дюймов, а полосу из керамики - с шириной приблизительно от 0,75 до 4 дюймов. В каждом отдельном случае, однако, выбирая ширину и толщину полос, необходимо учитывать и то, что они соответствующим образом зависят и от местных напряжений, и от фактического значения предела прочности и предела ползучести материала полосы. The thickness of the strips or tapes from which the support structure of the invention is made (defined as the cross-sectional dimension of any individual strip, measured in the direction perpendicular to the direction of gas flow), and their width (defined as the size of the strip measured in the direction of gas flow) depend on a number of factors, which include the dimensions of the reaction chamber and the catalytic structure and the parameters of the process in which the support structure is used. For example, the thickness of a strip of metal or ceramic depends on the allowable hydraulic resistance of the system (allowable pressure drop), the axial load perceived by the support, the diameter of the catalytic structure, the size of the open cells and the actual temperature. Similarly, the strip width in the proposed support structure depends on such factors as the axial load perceived by the support, the size of the catalytic structure, the effective temperature, and the size of the free space inside the reaction chamber in which the support structure can be placed. In order to avoid an unacceptable pressure drop on the support structure and taking into account various process parameters usually taken into account in such cases, the ratio of the thickness of the strips or tapes of which the support structure is made to the wall thickness of the channels of the catalytic structure elongated in the longitudinal direction should be in the range from 0.5 to 20. In the manufacture of a support structure of metal strips, the ratio of the strip thickness to the wall thickness of the channel of the catalytic structure should preferably be in the range from 1 to 10, and when using for ceramic strips, ranging from 2 to 20. For catalytic structures commonly used in catalytic combustion, the thickness of the strip of metal support structures should range from about 0.0001 to about 0.1 inches with a thickness of the strip of metal preferably between about 0.002 and 0.03 inches, and most preferably between about 0.005 and about 0.02 inches. To absorb axial loads that occur during catalytic combustion, it is advisable to use a strip of metal from which the proposed support structure is made, with a width of approximately 0.25 to 3 inches, and a strip of ceramic with a width of approximately 0.75 to 4 inches . In each individual case, however, choosing the width and thickness of the strips, it is necessary to take into account the fact that they accordingly depend on local stresses and on the actual value of the tensile strength and creep limit of the strip material.
Толщина полос или лент, используемых для изготовления предлагаемой опорной конструкции, от которой зависит плотность ячеек или размер отверстия ячейки, непосредственно влияет на гидравлическое сопротивление потоку газа, которое создает опорная конструкция на входе или на выходе из каталитической структуры. Поэтому выбирать толщину полос или размеры ячеек в предлагаемой опорной конструкции следует таким образом, чтобы падение давления на каждой опорной конструкции не превышало приблизительно 25% от давления газа на входе в опору. Предпочтительно, чтобы это падение давления лежало в интервале приблизительно от 5 до 15% и не оказывало заметного влияния на характер течения газообразной реакционной смеси. Кроме того, ячейки опорной конструкции, через которые проходит газ, должны предпочтительно иметь форму прямых каналов с относительно гладкими стенками, что обеспечивает минимальный уровень возникающей в потоке газа турбулентности и позволяет свести к минимуму гидравлическое сопротивление ячеек. The thickness of the strips or tapes used for the manufacture of the proposed support structure, which determines the density of the cells or the size of the cell opening, directly affects the hydraulic resistance to gas flow, which creates a support structure at the inlet or outlet of the catalytic structure. Therefore, the choice of strip thickness or cell sizes in the proposed support structure should be such that the pressure drop on each support structure does not exceed approximately 25% of the gas pressure at the inlet of the support. Preferably, this pressure drop lies in the range from about 5 to 15% and does not have a noticeable effect on the flow pattern of the gaseous reaction mixture. In addition, the cells of the supporting structure through which the gas passes should preferably be in the form of straight channels with relatively smooth walls, which ensures the minimum level of turbulence in the gas flow and allows to minimize the hydraulic resistance of the cells.
Типичные примеры возможного применения в каталитических реакторах предлагаемой в изобретении опорной конструкции показаны на фиг. 5-7. На фиг. 5 показана схема одноступенчатого каталитического реактора, который используют, в частности, в системах каталитического горения и в котором газообразная реакционная смесь 50 проходит через реакционную камеру, образованную футерованной стенкой 51 реактора, внутри которой находится каталитическая структура 52, состоящая из большого количества параллельных вытянутых в продольном направлении каналов для прохода газообразной реакционной смеси. Расположенная внутри реакционной камеры каталитическая структура опирается на предлагаемую в изобретении монолитную сотовую опорную конструкцию 53 с открытыми ячейками, которая крепится к стенке реактора с помощью буртика или фланца 54, который соединен или выполнен за одно целое со стенкой реактора и выступает внутрь реакционной камеры, образуя упор, к которому прилегает или в который упирается своим внешним краем опорная конструкция. В таком реакторе вся осевая нагрузка, приложенная к опорной конструкции и создаваемая потоком газа, протекающего через каталитическую структуру, передается на стенку реактора. Typical examples of possible applications in the catalytic reactors of the inventive support structure are shown in FIG. 5-7. In FIG. 5 shows a diagram of a one-stage catalytic reactor, which is used, in particular, in catalytic combustion systems and in which the
На фиг. 6 показана аналогичная реакционная система, в которой в отличие от рассмотренной выше использован двухступенчатый каталитический реактор. В этой системе газообразная реакционная смесь 60 также поступает в каталитический реактор, имеющий образованную стенкой 61 реактора реакционную камеру, внутри которой расположены две монолитные каталитические структуры 62 и 63, образующие первую и вторую ступени каталитической реакционной системы; при этом каждая расположенная в реакционной камере каталитическая структура опирается своим выходным концом или торцом на соответствующую предлагаемую в изобретении опорную конструкцию 64 и 65. Обе показанные на фиг. 6 опорные конструкции опираются на выступающие внутрь реактора буртики или фланцы 66 и 67, через которые осевые нагрузки, возникающие в каталитических структурах и приложенные к опорным конструкциям, передаются на стенку реактора. In FIG. Figure 6 shows a similar reaction system in which, in contrast to the above, a two-stage catalytic reactor is used. In this system, the
Далее на фиг. 7 показан двухступенчатый каталитический реактор без промежуточной опоры, в котором крепление каталитической структуры осуществляется с помощью двух предлагаемых в изобретении опорных конструкций, расположенных на ее входе и выходе. В этой системе газообразная реакционная смесь 70 также поступает в образованную стенкой 71 реактора реакционную камеру, внутри которой расположен многоступенчатый катализатор, состоящий из двух упирающихся друг в друга монолитных каталитических структур 72 и 73, каждая из которых содержит большое количество параллельных вытянутых в продольном направлении каналов, сообщающихся с каналами соседней каталитической структуры. Двухступенчатая каталитическая структура крепится внутри реакционной камеры с помощью двух предлагаемых в изобретении опорных конструкций, одна из которых 74 расположена на выходе из второй ступени катализатора, а другая 75 установлена на входе в первую ступень катализатора; при этом весь катализатор оказывается расположенным по существу между двумя опорными конструкциями, которые ограничивают его осевые перемещения в любом направлении. Обе расположенные на выходе и на входе в катализатор опорные конструкции упираются соответственно в буртики или фланцы 76 и 77, которые выступают внутрь реактора и через которые любая осевая нагрузка передается на стенку реактора. Next, in FIG. 7 shows a two-stage catalytic reactor without an intermediate support, in which the catalytic structure is secured using two support structures of the invention located at its inlet and outlet. In this system, the
Использование внутреннего фланца или буртика, выполненного на стенке реактора, в качестве опоры, в которую опирается или к которой прилегает предлагаемая в изобретении опорная конструкция, позволяет создать реактор, обладающий целым рядом эксплуатационных преимуществ по сравнению с реактором, в котором для крепления опорной конструкции использована сварка или какой-либо иной возможный способ фиксации положения или крепления внешнего края опорной конструкции к стенке реактора. При опоре опорных конструкций на внутренний фланец или буртик стенки реактора между внешним краем опорной конструкции и стенкой остается свободное пространство, позволяющее компенсировать тепловое расширение опорной конструкции, подвергающейся воздействию протекающего через нее потока горячего газа. Размеры опорной конструкции и фланца или внутреннего буртика предпочтительно должны быть такими, чтобы при увеличении наружного диаметра опорной конструкции на 2% она не упиралась в стенку реактора или не касалась стенки реактора. В предпочтительном варианте изобретения, помимо фланца или внутреннего буртика стенки реактора, в который упирается или к которому прилегает нижний или выходной торец опорной конструкции, как показано на фиг. 5-7, предлагается использовать еще один такой же фланец или буртик, расположенный непосредственно на входе или у входного торца опорной конструкции и образующий вместе с первым буртиком кольцевой паз, в котором размещается опорная конструкция, между которой и стенкой реактора при этом остается диаметральный зазор, позволяющий компенсировать тепловые деформации опорной конструкции. Такой предпочтительный способ крепления опорной конструкции к стенке реактора ограничивает возможность ее перемещения при неожиданном возникновении в реакторе обратного давления, создающего обратное по направлению осевое усилие, приложенное к опорной конструкции. The use of an internal flange or flange made on the wall of the reactor as a support to which the support structure proposed in the invention rests or adjoins allows creating a reactor having a number of operational advantages compared to a reactor in which welding is used to fasten the support structure or any other possible way of fixing the position or attaching the outer edge of the support structure to the wall of the reactor. When the support structures are supported on the inner flange or flange of the reactor wall, there is free space between the outer edge of the support structure and the wall, which makes it possible to compensate for the thermal expansion of the support structure exposed to the flow of hot gas flowing through it. The dimensions of the support structure and the flange or inner flange should preferably be such that when the outer diameter of the support structure is increased by 2%, it does not abut against the wall of the reactor or touch the wall of the reactor. In a preferred embodiment of the invention, in addition to the flange or inner flange of the reactor wall, against which the lower or output end face of the support structure abuts or adjoins, as shown in FIG. 5-7, it is proposed to use another same flange or flange located directly at the inlet or at the input end of the support structure and forming, together with the first shoulder, an annular groove in which the support structure is placed, between which the reactor wall remains a diametrical gap, allowing to compensate for thermal deformations of the supporting structure. Such a preferred method of attaching the support structure to the wall of the reactor limits the possibility of its movement in the event of an unexpected occurrence of back pressure in the reactor, which creates an inverse axial force applied to the support structure.
Еще один предпочтительный способ крепления предлагаемой в изобретении опорной конструкции к стенке реактора показан на фиг. 8, на которой изображен одноступенчатый каталитический реактор, в котором газообразная реакционная смесь 80 поступает в реакционную камеру каталитического реактора, образованную его стенкой 81, внутри которой находится каталитическая структура 82, опорой которой служит предлагаемая в изобретении опорная конструкция 83 с открытыми ячейками. В этом предпочтительном варианте изобретения опорная конструкция не касается стенки реактора, а крепится к ней с помощью штифтов 84, которые проходят насквозь через стенку реактора и входят в выполненные в опорной конструкции отверстия, глубина которых достаточно велика для компенсации возможного теплового расширения опорной конструкции, нагреваемой потоком протекающего через нее горячего реакционного газа. Длина расположенных в отверстиях опорной конструкции концов штифтов обеспечивает надежное крепление опорной конструкции, но при этом между концом штифта и внутренним концом отверстия остается соответствующий зазор, позволяющий компенсировать любое возможное тепловое расширение опорной конструкции. Another preferred method of attaching the support structure of the invention to the wall of the reactor is shown in FIG. 8, which depicts a single-stage catalytic reactor, in which the
Как уже было отмечено выше, существенным и на первый взгляд неожиданным преимуществом предлагаемой в изобретении опорной конструкции является ее высокая прочность, позволяющая ей выдерживать значительные осевые нагрузки или усилия, которые возникают при прохождении потоков имеющего высокую скорость газа через опирающуюся на нее монолитную каталитическую структуру. При высокой осевой нагрузке, приложенной к опорной конструкции, последняя деформируется или изгибается в направлении действующей на нее осевой нагрузки, и в этом отношении предлагаемая в изобретении опорная конструкция отличается высоким сопротивлением к такому изгибу или деформации, даже будучи при этом подвержена воздействию высоких тепловых напряжений дополнительно к осевой нагрузке. На фиг. 9А и 9Б показана предлагаемая в изобретении опорная конструкция 92, которая расположена в каталитическом реакторе на выходе из каталитической структуры 90 и, опираясь на выступающий внутрь реакционной камеры фланец или буртик 93, используется для ее крепления к стенке 91 реактора. В таком реакторе поток 94 протекающего через каталитическую структуру газа создает осевое усилие, которое воспринимается опорной конструкцией, которая под действием этого усилия деформируется или прогибается (см. фиг. 9Б, на которой показана величина ее прогиба) в направлении движения потока газа. В настоящем изобретении прогиб той или иной опорной конструкции характеризуется и оценивается "показателем деформации", который определяется отношением (в числовом выражении) величины прогиба или изгиба опорной конструкции, нагруженной в осевом направлении стандартной или типовой для обычных реакторов каталитического горения нагрузкой, возникающей в катализаторе при давлении газа на входе в катализатор, равном 4 фунтам на 1 дюйм2, к ее диаметру (или величине, приближенно характеризующей диаметр некруглой опоры). Величина прогиба или изгиба измеряется, как показано на фиг. 9Б, разницей прогибов ненагруженной опоры и опоры, нагруженной стандартной осевой нагрузкой, т.е. нагрузкой, возникающей при давлении 4 фунта на 1 дюйм2. У предлагаемых в изобретении опорных конструкций показатель деформации обычно лежит в пределах от приблизительно 0,00001 до приблизительно 0,05 или, что более предпочтительно, от приблизительно 0,001 до приблизительно 0,02. Такие низкие показатели деформации, которыми обладают предлагаемые в изобретении опорные конструкции в условиях высоких температур, достигающих приблизительно 1000oC, свидетельствуют об их высокой прочности и возможности восприятия значительных осевых нагрузок, обусловленных особенностями процесса, в частности каталитического горения, который характеризуется очень высокими скоростями протекающего через катализатор газа.As noted above, a significant and at first glance unexpected advantage of the support structure proposed in the invention is its high strength, which allows it to withstand significant axial loads or forces that arise when high-velocity gas flows through a monolithic catalytic structure supported on it. With a high axial load applied to the support structure, the latter is deformed or bent in the direction of the axial load acting on it, and in this respect, the support structure proposed in the invention is characterized by high resistance to such bending or deformation, even though it is additionally subjected to high thermal stresses to axial load. In FIG. 9A and 9B show the
Способ
Как уже было отмечено выше, предлагаемую в изобретении опорную конструкцию можно использовать в процессе каталитического горения углеводородного или другого топлива, например метана, этана, H2 или смесей CO/H2. В таком процессе кислородсодержащий газ, в частности воздух, смешивается с углеводородным топливом с образованием горючей смеси кислорода и топлива. Состоящий из этой смеси кислорода и топлива поток газа проходит через находящуюся в реакционной камере монолитную каталитическую структуру, в которой в процессе частичного или полного сгорания образуется горячий газообразный продукт.Way
As already noted above, the support structure proposed in the invention can be used in the catalytic combustion of hydrocarbon or other fuels, for example methane, ethane, H 2 or CO / H 2 mixtures. In such a process, an oxygen-containing gas, in particular air, is mixed with hydrocarbon fuel to form a combustible mixture of oxygen and fuel. The gas stream consisting of this mixture of oxygen and fuel passes through a monolithic catalytic structure located in the reaction chamber, in which a hot gaseous product is formed in the process of partial or complete combustion.
В таком процессе можно использовать различные каталитические структуры. В предлагаемом в изобретении способе в качестве каталитической структуры можно, например, использовать каталитическую структуру с внутренним поверхностным теплообменом, описанную в патенте США 5250489, озаглавленном "Каталитическая структура с внутренним теплообменом", или используемый в процессе частичного сгорания топлива содержащий очищенный палладий катализатор, описанный в патентах США 5248251 и 5258349, озаглавленных "Содержащий очищенный палладий катализатор для процесса частичного сгорания топлива и способ его использования". Аналогом предлагаемого в изобретении способа может также служить способ полного или частичного сгорания топлива, описанный в совместно рассматриваемой заявке на патент США 08/088614, озаглавленной "Способ сжигания горючих смесей". Изобретение, кроме того, относится и к многоступенчатому процессу, в котором топливо сгорает постепенно в отдельных ступенях, в которых используются специальные катализаторы и каталитические структуры, и примером которого может служить способ, описанный в патенте США 5232357, озаглавленном "Многоступенчатый процесс сгорания топливных смесей с использованием окисных катализаторов на горячей стадии". Все шесть упомянутых выше патентов и одна заявка на патент включены в настоящую заявку в качестве ссылок. In this process, various catalytic structures can be used. In the process of the invention, for example, a catalytic structure with internal surface heat transfer described in US Pat. No. 5,250,489 entitled "Catalytic structure with internal heat transfer" or used in the process of partial combustion of a fuel containing purified palladium catalyst described in US patent 5248251 and 5258349, entitled "Containing purified palladium catalyst for the process of partial combustion of fuel and how to use it." An analogue of the method proposed in the invention may also be the method of complete or partial combustion of fuel described in co-pending application for US patent 08/088614, entitled "Method of burning combustible mixtures". The invention also relates to a multi-stage process in which the fuel burns out gradually in separate stages, in which special catalysts and catalytic structures are used, and an example of which is the method described in US Pat. No. 5,232,357, entitled "Multi-stage process of burning fuel mixtures with the use of oxide catalysts in the hot phase. " All six of the above patents and one patent application are incorporated into this application by reference.
Предлагаемый в изобретении способ предусматривает также стабилизацию положения каталитической структуры в реакционной камере, ограничивающую возможность ее осевого перемещения. Стабилизация положения каталитической структуры в реакционной камере осуществляется с помощью монолитной сотовой конструкции с открытыми ячейками, в которой стенки ячеек образованы полосами из обладающего высокой термостойкостью металла или керамики, а размеры отверстий ячеек равны или больше размеров отверстий, образованных входными или выходными концами каналов каталитической структуры, при этом такая монолитная сотовая конструкция с открытыми ячейками:
а) расположена на выходе или на входе или на входе и на выходе каталитической структуры,
б) установлена и выполнена таким образом, что в нее упирается один из концов каталитической структуры, при этом она проходит в направлении, перпендикулярном продольной оси каталитической структуры, по существу перекрывая всю торцовую поверхность каталитической структуры, а отверстия ее открытых ячеек сообщаются с каналами каталитической структуры, и
в) крепится по своему внешнему краю к стенке реакционной камеры и тем самым ограничивает осевое перемещение каталитической структуры в направлении, параллельном продольной оси каталитической структуры.Proposed in the invention method also provides stabilization of the position of the catalytic structure in the reaction chamber, limiting the possibility of its axial movement. The stabilization of the position of the catalytic structure in the reaction chamber is carried out using a monolithic honeycomb structure with open cells, in which the cell walls are formed by strips of highly heat-resistant metal or ceramic, and the cell openings are equal to or larger than the openings formed by the inlet or outlet ends of the channels of the catalytic structure, at the same time, such a monolithic cellular design with open cells:
a) is located at the outlet or at the inlet or at the inlet and outlet of the catalytic structure,
b) is installed and made in such a way that one of the ends of the catalytic structure abuts against it, while it extends in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the catalytic structure, essentially overlapping the entire end surface of the catalytic structure, and the openings of its open cells communicate with the channels of the catalytic structure , and
c) is attached along its outer edge to the wall of the reaction chamber and thereby limits the axial movement of the catalytic structure in a direction parallel to the longitudinal axis of the catalytic structure.
Следует подчеркнуть, что для специалиста в данной области техники очевидны различные конструкции устройств, эквивалентные устройствам, которые защищены приведенной ниже формулой изобретения, при этом, однако, все эти эквивалентные решения не должны выходить за объем предлагаемого изобретения, определяемого его формулой. It should be emphasized that for a person skilled in the art various constructions of devices are equivalent, equivalent to devices that are protected by the following claims, however, all these equivalent solutions should not go beyond the scope of the invention defined by its formula.
Claims (32)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99100108A RU2160415C2 (en) | 1996-06-10 | 1996-06-10 | Supporting construction (variants) for attachment of catalytic structure in reaction chamber, method of this structure attachment in chamber and method of fuel catalytic combustion |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99100108A RU2160415C2 (en) | 1996-06-10 | 1996-06-10 | Supporting construction (variants) for attachment of catalytic structure in reaction chamber, method of this structure attachment in chamber and method of fuel catalytic combustion |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2160415C2 true RU2160415C2 (en) | 2000-12-10 |
Family
ID=20214322
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU99100108A RU2160415C2 (en) | 1996-06-10 | 1996-06-10 | Supporting construction (variants) for attachment of catalytic structure in reaction chamber, method of this structure attachment in chamber and method of fuel catalytic combustion |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2160415C2 (en) |
-
1996
- 1996-06-10 RU RU99100108A patent/RU2160415C2/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| PCT WO/93/25852 A1, 23.12.1993. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6116014A (en) | Support structure for a catalyst in a combustion reaction chamber | |
| US6217832B1 (en) | Support structures for a catalyst | |
| US5518697A (en) | Process and catalyst structure employing intergal heat exchange with optional downstream flameholder | |
| US5202303A (en) | Combustion apparatus for high-temperature environment | |
| US5505910A (en) | Catalytic combustion apparatus | |
| US5437099A (en) | Method of making a combustion apparatus for high-temperature environment | |
| EP1205712B1 (en) | Catalytic combustor flow conditioner for providing a uniform gas velocity distribution | |
| US5374402A (en) | Metal-made honeycomb carrier body | |
| US5667875A (en) | Exhaust gas cleaning metallic substrate | |
| EP0687806B1 (en) | A metal carrier for a catalytic converter | |
| US5118477A (en) | Exhaust gas cleaning device | |
| WO1999057492A1 (en) | A device for thermally processing a gas stream, and method for same | |
| RU2160415C2 (en) | Supporting construction (variants) for attachment of catalytic structure in reaction chamber, method of this structure attachment in chamber and method of fuel catalytic combustion | |
| EP0745180B1 (en) | Improved process and catalyst structure employing integral heat exchange with optional downstream flameholder | |
| TW534945B (en) | Thermally tolerant support structure for a catalytic combustion catalyst | |
| US20040005250A1 (en) | Exhaust-gas catalytic converter and catalytic converter body, preferably for the purification of exhaust gases from internal combustion engines | |
| Takada et al. | Development of a Highly Heat-Resistant Metal Supported Catalyst | |
| JP2002512673A (en) | Support structure for catalyst | |
| CN1112539C (en) | Support structure for catalyst | |
| Chen | Highly exothermic process characteristics of catalytic reactors with integral heat exchange structures | |
| CA2257874A1 (en) | Support structure for a catalyst | |
| JPH05306808A (en) | Catalyic combustion device | |
| Lew et al. | Experimentally Determined Catalytic Reactor Behavior and Analysis for Gas Turbine Combustors | |
| GB2184226A (en) | Gas turbines | |
| Barbato et al. | ON THE PARTIAL CATALYST-COATING OF MONOLITHS FOR HIGH PRESSURE METHANE COMBUSTION: AN EXPERIMENTAL AND MODELING APPROACH |