TW202314115A - 催化耐火加熱器具 - Google Patents

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Abstract

本發明主要揭示一種催化耐火加熱器具，包括由碳化矽耐火材料形成的主體，該碳化矽耐火材料具有允許離子氧通過該耐火材料的孔隙率。該主體限定氣體流動通道。催化劑塗層被塗在該本體耐火材料的表面上，可使耐火材料成為具有催化能力的活性成分。譬如，當催化耐火加熱器具是火管時，可以直接吸收二氧化碳和硫化合物，或將一氧化碳還原為甲烷。

Description

催化耐火加熱器具
本發明係關於一種結合催化耐火材料的器具，尤指一種其中催化耐火材料可應用於火管和其他加熱器具中的器具。
術語“耐火”是指“對過程或刺激有抵抗力”。燃燒加熱裝置中耐火材料的目的是減少熱量損失並保護內部結構以免受燃燒化學物質的影響。有許多不同的化學成分，包括鈣矽、鈣和鎂的氧化物，例如，它們形成塊和結構，旨在長時間承受極端溫度而不會分解。
類似水泥的耐火材料塊排列在鍋爐和熔爐內部，其中燃料會被消耗並應用在工藝加熱方面。這些固體材料的主要目的是保護底層金屬結構在高溫下長時間運行期間不被擊穿。進一步設計這些材料的形狀可控制燃燒器的火焰錨定並引導燃燒氣體在設備內的流動方向。
有效的耐火材料具備一個能防止熱通量的特徵。使用一個高穩定度的與氮化物鍵合的碳化矽結構元件的組合來鑄造形成器具的結構，同時提供了耐火材料的實用性。施加在耐火材料上的催化塗層具備催化耐火功能，在器具內部可引起原本不會發生的所需化學反應。
現代車輛中的催化轉化器是一種使用陶瓷芯浸漬在稀土金屬形成催化劑的裝置。在溫度高時，催化劑與一氧化碳和氮氧化物發生反應，產生氮和二氧化碳。催化劑和物理轉換器的更換成本很高，但在減少汽車排放方面卻很有效。催化劑是能引起反應但在過程中不會被消耗的物質。
加熱器具內的耐火材料是一種具有重要用途的靜態物理物 體。由於材料是熱的，它提供了應用催化材料在耐火功能上的機會及在器具內部引發所需的化學反應。
本發明之主要目的在於提供一種催化耐火加熱器具，包括由碳化矽耐火材料形成的主體，該碳化矽耐火材料具有允許離子氧通過該耐火材料的孔隙率。主體限定氣體流動通道。催化劑塗層被塗在本體耐火材料的表面上，可使耐火材料成為具有催化能力的活性成分。
氮化物鍵合的碳化矽材料可承受極高溫，並且在暴露於氧氣時不會瓦解。由於燒製過程，所得碳化矽材料具有允許離子氧通過耐火材料的孔隙率。透過改變耐火材料的孔隙率並在耐火材料表面塗上催化劑，使耐火材料成為具有催化能力的活性成分。例如，在火管上可塗有金屬氧化物框架(MOF)催化劑，從而可以直接吸收二氧化碳和硫化合物，或將一氧化碳還原為甲烷。
在某方面，本發明公開描述了一種催化耐火加熱器具。該催化耐火加熱器具還包括由碳化矽耐火材料形成的主體，該材料具有允許離子氧通過該耐火材料的孔隙率，該主體限定了氣體流動通道；催化劑塗覆在本體耐火材料表面，使耐火材料成為具有催化能力的活性成分。
實施例包括以下一或多個技術特徵。一種催化耐火加熱器具，其中主體是管狀，可以是一根火管。本體由導電氮化物鍵合的碳化矽耐火材料製成。催化劑塗層是金屬氧化物框架催化劑。催化劑塗層是鈣和鎂氧化物層的金屬氧化物框架與鐵氧氣氧化途徑相互連接。催化劑塗層是白雲質石灰岩。金屬氣相塗層位於碳化矽耐火材料上。金屬氣相塗層與催化劑塗層結合。金屬氣相塗層由大部分硫化鉛和三氧化鉍組成。
在一個方面，本公開描述了一種催化耐火加熱器具。該催化耐火加熱器具還包括由導電氮化物鍵合的碳化矽耐火材料形成的主體，該主體具有允許離子氧通過該耐火材料的孔隙率，該主體是管狀的並且限定 了氣體流動通道；金屬氧化物框架催化劑塗覆在本體耐火材料表面，使耐火材料成為具有催化能力的活性成分。
實現可以包括以下特徵中的一個或多個。催化耐火加熱器具，其中金屬氧化物框架催化劑塗層是鈣和鎂氧化物層，其與氧的鐵氧化途徑互連。金屬蒸氣15塗層與金屬氧化物框架催化劑塗層結合。金屬氣相塗層由大部分硫化鉛和三氧化鉍組成。
實施例可以包括上述特徵的組合。
為了能夠更清楚地描述本發明所提出之一種催化耐火加熱器具，以下將配合圖式，詳盡說明本發明之較佳實施例，其中附圖僅用作闡明本發明的技術內容，其目的並非以任何方式限制本發明的範圍。
10:催化耐火材料
20:氮化物鍵合的碳化矽體
30:MOF催化劑
40:烴類燃料
50:催化耐火加熱裝置
60:二氧化碳
70:一氧化碳
80:金屬氣相塗層
第1圖是方解石的晶體結構的示意圖；
第2圖是白雲石的晶體結構示意圖；
第3圖是催化耐火材料的管狀體的透視圖；和
第4圖是圖3的管狀體併入催化耐火加熱器具的側視圖。
為了能夠更清楚地描述本發明所提出之一種催化耐火加熱器具，以下將配合圖式，詳盡說明本發明之較佳實施例。
請參閱第1圖至第4圖，圖中的本發明的催化耐火材料是由參考數字10表示。
零件的結構和關係
氮化物鍵合的碳化矽材料可承受極高溫，並且在暴露於氧氣時不會瓦解。由於燒製過程，所得碳化矽材料具有允許離子氧通過耐火材料的孔隙率。透過改變耐火材料的孔隙率並在耐火材料表面塗上催化劑，可使耐火材料成為具有催化能力的活性成分。例如：金屬氧化物框架(MOF)催化劑可塗在火管上，從而直接吸收二氧化碳和硫化合物，或將一氧化碳 還原為甲烷。
請參閱第1圖，典型的天然石灰石或碳酸鈣經煅燒形成方解石，它是一種耐火材料。隨著時間的推移，暴露於高鎂含量水中的天然石灰石沉積物形成稱為白雲質石灰岩的不同材料(如第2圖所示)。白雲石耐火材料主要成分為碳酸鈣鎂。通常，白雲石耐火材料是用於轉化爐和精煉爐。第2圖顯示出Ca(Mg，Fe)(CO3)2。
當在煅燒之前添加碳酸鐵以形成鈣和鎂的金屬氧化物框架氧化物層時，會產生白雲質石灰岩含有碳酸鈣鎂的變化，其與鐵氧化途徑相互連接。這種催化劑已被證明可以將高達80%的二氧化碳還原為一氧化碳，而氧氣則可以將鐵氧化。
請參閱第3圖，催化耐火材料10由氮化物鍵合的碳化矽材料的碳化矽體20組成，係為塗有白雲質石灰岩粉飾(MOF催化劑30)的MOF催化劑塗層，在700℃下煅燒20分鐘，然後冷卻20分鐘。如下文描述，催化耐火材料10是專為設計成限定用於二次熱回收以預熱燃燒空氣的氣體流動通道。使用這些耐火元素，在二次熱回收中可獲得最高效率。
請參閱第4圖，烴類燃料40被送入催化耐火加熱裝置50，並進入該已結合有催化耐火材料10的加熱裝置。當烴類燃料被點燃時，熱的二氧化碳60以類似於以下方式進入MOF催化劑30的孔隙空間，其中二氧化碳被樹上的葉子吸收。二氧化碳60分解成一氧化碳70和氧離子。當一氧化碳離開MOF催化劑30時，氧離子與鐵結合形成氧化鐵。
在加熱器具50關閉後，催化耐火材料10便開始冷卻。當MOF催化劑30冷卻時，它繼續從大氣中吸附二氧化碳，前提是濕度必要高於最小相對濕度(RH %)。塗有MOF催化劑30的催化耐火材料10的再生會在重新加熱器具過程中的每個循環發生。為了增加再生循環的數量並因此延長MOF催化劑30的壽命，還原氧化鐵所需的電子是由MOF和導電氮化物鍵合的碳化矽結構之間的金屬氣相塗層80提供。這種金屬氣相塗層由一種基材組成，在煅燒所施加的粉飾塗層之前，該基材由大部分硫化鉛和三氧化鉍 與白雲質石灰石和碳酸鐵結合而成。
說明書中描述的實施例提供了本技術各種可能及非限制性的實施例。在閱讀本說明書內容後，本領域普通技術人員將認識到可以對這裡描述的實施例進行改變而不脫離本技術的範圍。必須加以強調的是上述之詳細說明系針對本發明可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。
20:氮化物鍵合的碳化矽體
30:MOF催化劑
40:烴類燃料
50:催化耐火加熱裝置
60:二氧化碳
70:一氧化碳
80:金屬氣相塗層

Claims (14)

  1. 一種催化耐火加熱器具，包括：
    由碳化矽耐火材料形成的主體，其具有允許離子氧通過該耐火材料的孔隙率，該主體限定了氣體流動通道；和
    催化劑，塗覆在本體的耐火材料表面，使耐火材料成為具有催化能力的活性成分。
  2. 如請求項1所述之催化耐火加熱器具，其中該本體呈管狀。
  3. 如請求項2所述之催化耐火加熱器具，其中該本體是一根火管。
  4. 如請求項1所述之催化耐火加熱器具，其中該本體由導電氮化物鍵合的碳化矽耐火材料製成。
  5. 如請求項1所述之催化耐火加熱器具，其中該催化劑塗層為金屬氧化物框架催化劑。
  6. 如請求項1所述之催化耐火加熱器具，其中該催化劑塗層是與鐵氧化物相互連接之鈣和鎂氧化物層的金屬氧化物框架。
  7. 如請求項6所述之催化耐火加熱器具，其中該催化劑塗層是白雲質石灰岩粉飾。
  8. 如請求項1所述之催化耐火加熱器具，其中一金屬氣相塗層設置於碳化矽耐火材料上。
  9. 如請求項8所述之催化耐火加熱器具，其中該金屬氣相塗層與催化劑塗層結合。
  10. 如請求項所述9之催化耐火加熱器具，其中該金屬氣相塗層由大部分硫化鉛和三氧化鉍組成。
  11. 一種催化耐火加熱器具，包括：
    主體由導電氮化物鍵合的碳化矽耐火材料形成，該耐火材料具有允許離子氧通過該耐火材料的孔隙率，該主體是管狀並限定了氣體流動通道；和
    金屬氧化物框架催化劑塗覆在該主體的耐火材料表面，從而使耐火材料成為具有催化作用的活性成分。
  12. 如請求項11所述之催化耐火加熱器具，其中該金屬氧化物框架催化劑塗層是鈣和鎂的氧化物層，它們與鐵氧化途徑相互連接。
  13. 如請求項11所述之催化耐火加熱器具，其中金屬氣相塗層與金屬氧化物框架催化劑塗層結合。
  14. 如請求項13所述之催化耐火加熱器具，其中該金屬氣相塗層由大部分硫化鉛和三氧化鉍組成。
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