專(zhuān)利名稱(chēng)：固定式燃?xì)廨啓C(jī)的被動(dòng)冷卻催化燃燒器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固定式燃?xì)廨啓C(jī)，更具體地說(shuō)，涉及一種催化燃燒器，這種燃燒器采用了催化和非催化基底通道組成的一種結(jié)構(gòu)以便實(shí)現(xiàn)催化燃燒器的被動(dòng)冷卻。
一般燃?xì)廨啓C(jī)工作時(shí)，大氣中的空氣由于一個(gè)多葉片壓縮機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)而被壓縮和加熱，並流過(guò)多個(gè)燃燒器組件，在那里燃料與壓縮空氣混合並且形成的混合物被點(diǎn)火和燃燒。這樣釋放出的熱能流入燃?xì)庵?，到達(dá)透平組件，在那里轉(zhuǎn)變成驅(qū)動(dòng)如發(fā)電機(jī)或推動(dòng)工業(yè)過(guò)程的設(shè)備等的轉(zhuǎn)動(dòng)能量。
已經(jīng)對(duì)在上述場(chǎng)合使用燃?xì)廨啓C(jī)，而又不超過(guò)NOX排放標(biāo)準(zhǔn)的各種方案進(jìn)行了探索。采用催化燃燒是一種可行的辦法，因?yàn)樗稍诖蠹s2300至2500°F的溫度下進(jìn)行，從而產(chǎn)生適合于燃?xì)廨啓C(jī)效率的高透平進(jìn)口溫度，而又不會(huì)出現(xiàn)氮和氧發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生明顯的NO這種副作用，產(chǎn)生NOX反應(yīng)的溫度高于3000°F。而一般火焰燃燒溫度約為4500°F，結(jié)果產(chǎn)生NOX，這樣就會(huì)超過(guò)如加利福尼亞這樣的對(duì)此有嚴(yán)格限制的地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)。
在典型的催化燃燒器中，如美國(guó)專(zhuān)利4，413，470和加拿大專(zhuān)利1，169，257中所公開(kāi)的，常用的催化劑被支持(即包復(fù))在各種基底上(如陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu))，這樣當(dāng)采用合適的燃料和空氣的混合物時(shí)，就能作為點(diǎn)燃和穩(wěn)定燃燒過(guò)程的一種有效手段。這些燃燒催化劑有幾個(gè)理想的特性能減少NO產(chǎn)生，並改進(jìn)特性系數(shù)。然而，它們的局限性之一是，它們的最高工作溫度只能勉勉強(qiáng)強(qiáng)地被接受為透平入口溫度。
這一局限性是催化燃燒器所固有的。催化劑在其表面並在低于正常點(diǎn)火溫度的溫度下引起燃燒反應(yīng)。然而，一旦反應(yīng)開(kāi)始，就在氣流中繼續(xù)並且以復(fù)燒的形式越過(guò)催化劑。同時(shí)，催化劑基體溫度增加，使反應(yīng)加速，這樣使催化劑中的反應(yīng)區(qū)向上游運(yùn)動(dòng)。這樣，如果燃料/空氣比給出一個(gè)過(guò)高的催化劑出口溫度的話，就會(huì)造成催化劑和(或)催化劑基底被破壞的后果。現(xiàn)有的催化劑的擴(kuò)展工作能力約為2289°F(1527°K)。然而，透平入口溫度約為2500°F(1650°K)時(shí)比較理想。因此，上述的催化劑溫度極限使得催化劑不能提供這一透平入口溫度。
本發(fā)明的主要目的是提供一種滿足透平入口溫度要求而又不損壞催化劑的技術(shù)。
為此目的，本發(fā)明歸屬于固定式燃?xì)廨啓C(jī)的催化燃燒器單元，它包括(a)一個(gè)由多個(gè)基本平行的，兩端開(kāi)口並暴露于從中通過(guò)的熱燃料和空氣混合物的通路組成的基底;特征在于，只在一些經(jīng)過(guò)選擇的通道上復(fù)蓋催化劑，而其他通路上不復(fù)蓋催化劑，以形成一種由催化通道和非催化通道組成的結(jié)構(gòu)，在催化通道中混合物被催化反應(yīng)，在非催化通道中混合物基本上不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而是為該基底提供冷卻，從該非催化通道來(lái)的混合物與來(lái)自催化通道的氣體混合以在由催化通道和為被動(dòng)冷卻催化燃燒器用的非催化通道組成的該催化燃燒器單元的下游處直接燃燒，它允許催化劑在比其他情況下較高的反應(yīng)溫度下工作，並且使催化燃燒器能在燃燒速度較高的燃?xì)廨啓C(jī)上使用。在催化基底平行通道的一部分壁上復(fù)蓋催化劑，未復(fù)蓋催化劑的通道用來(lái)冷卻暴露于復(fù)蓋催化劑的通道中的反應(yīng)氣流的共有的壁。本發(fā)明另外的應(yīng)用包括使催化劑反應(yīng)能力適合燃料準(zhǔn)備區(qū)特性和(或)透平入口特性參數(shù)要求。
基底最好由確定了排成行列的平行通道的交叉的壁組成。這些壁接近並確定了有關(guān)的通道。每個(gè)壁段都有一對(duì)背向的表面區(qū)域，其中一個(gè)暴露于兩個(gè)相鄰的通道中的一個(gè)，另一個(gè)暴露于兩相鄰?fù)ǖ乐械牧硪粋€(gè)。
還有，在暴露于某些通道的某些壁表面區(qū)復(fù)蓋催化劑，而在另一些上不復(fù)蓋催化劑，這樣，基底具有一種由催化通道和非催化通道組成的結(jié)構(gòu)，在催化通道中混合物被催化反應(yīng)，在非催化通道中，混合物基本上不反應(yīng)，而使基底被動(dòng)冷卻。還有，復(fù)蓋催化劑的表面區(qū)和不復(fù)蓋催化劑的表面區(qū)有共同的壁段，以便在接近催化表面區(qū)的通道中發(fā)生催化反應(yīng)，同時(shí)在相鄰的接近非催化表面區(qū)域的通道中發(fā)生冷卻。
催化和非催化通道的其他組合是可能的。一種方案，其催化通道和非催化通道之比為1∶1。另一種方案中，其比則為3∶1。
通過(guò)對(duì)附圖所示的本發(fā)明實(shí)施例的下列說(shuō)明，本發(fā)明將變得更加清楚。


圖1是一般的固定式燃?xì)廨啓C(jī)的局部剖開(kāi)的側(cè)視圖。
圖2是經(jīng)過(guò)修改以安裝按本發(fā)明原理構(gòu)造的催化燃燒器的圖1所示的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器的局部剖開(kāi)的放大圖。
圖3是圖2所示的催化燃燒器的局部剖開(kāi)的放大圖，還顯示出燃燒器的下游端和過(guò)渡通道的上游端，二者均與催化燃燒器流體相通。
圖4顯示了催化燃燒器基底一部分的縱向剖視圖，顯示了其中加襯和不加襯的通道。
圖5是催化燃燒器基底的端視圖，顯示出加襯和不加襯通道的一種1∶1的布置。
圖6也是催化燃燒器基底的一個(gè)端視圖，其中加襯和不加襯的通道的比為3∶1。
圖1詳細(xì)顯示了用于驅(qū)動(dòng)設(shè)備(未示出)以發(fā)電或推動(dòng)工業(yè)過(guò)程的燃?xì)廨啓C(jī)10，所示的這種專(zhuān)門(mén)的燃?xì)廨啓C(jī)是西屋W501D型，92兆瓦燃?xì)廨啓C(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)基本上包括一個(gè)多葉片壓縮器組件12和一個(gè)多葉片透平組件14。壓縮器和透平組件都有相對(duì)的進(jìn)口和出口端16、18和20、22，並且都安裝在同一個(gè)轉(zhuǎn)軸24上，這個(gè)轉(zhuǎn)軸確定了燃?xì)廨啓C(jī)10的旋轉(zhuǎn)軸線A。
燃?xì)廨啓C(jī)10還包括多個(gè)中空的細(xì)長(zhǎng)的燃燒器組件26，例如16個(gè)，它們有間隔地圓周地圍繞燃燒器組件12的出口端18并且徑向偏離燃?xì)廨啓C(jī)的縱軸線A。燃燒器組件26被包容在一個(gè)包圍壓縮器組件出口端18的大的圓柱形殼體28中。殼體28使得壓縮器組件出口端18和燃燒器組件26的上游端部32的進(jìn)入孔30之間流體聯(lián)通。每個(gè)燃燒器組件26的下游端34通過(guò)一個(gè)中空的過(guò)渡通道36與燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口端20流體相通。
同時(shí)參照?qǐng)D2，一個(gè)初級(jí)燃料噴咀38和一個(gè)點(diǎn)火器(未示出)，它能產(chǎn)生一個(gè)小的火焰(未示出)，與由每個(gè)燃燒器組件26的上游端32的內(nèi)部確定的初級(jí)燃燒器40流體相通。燃燒器組件26的進(jìn)入孔30中最前面的那些使殼體28的內(nèi)部與初級(jí)燃燒區(qū)40流體相通。此外，沿著每個(gè)燃燒器組件20并對(duì)準(zhǔn)進(jìn)入孔30中最后的那些孔和初級(jí)燃燒區(qū)40下游處的燃料準(zhǔn)備區(qū)44、設(shè)置了許多二級(jí)燃料噴咀42。在燃料準(zhǔn)備區(qū)44和過(guò)渡通道36之間設(shè)置了一個(gè)由一對(duì)串聯(lián)式催化元件48、50組成的催化燃燒器單元46。
燃?xì)廨啓C(jī)10的一般操作中，大氣中的空氣被通過(guò)入口端16吸入壓縮器組件12，然后在其中被公共軸24上繞軸線A轉(zhuǎn)動(dòng)的葉片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)壓縮和加熱。使被壓縮和加熱的空氣沿圖1中箭頭所示方向流過(guò)壓縮器組件12和殼體28，并通過(guò)燃燒器組件26上游端32的進(jìn)入孔30進(jìn)入多個(gè)燃燒器26。
來(lái)自初級(jí)噴咀38的炭燃料流進(jìn)初級(jí)燃燒區(qū)40，在那里與被加熱和被壓縮的空氣混合，然后點(diǎn)燃和燃燒混合物，產(chǎn)生熱燃?xì)饬?。在燃料?zhǔn)備區(qū)44，來(lái)自二級(jí)燃料噴咀42的更多的炭燃料被吸入熱氣流并在其中燃燒。然后熱氣流進(jìn)入催化燃燒器單元46產(chǎn)生催化燃燒。釋放出的熱能被燃?xì)饬鲾y帶通過(guò)透平組件14的進(jìn)口端20，轉(zhuǎn)變成驅(qū)動(dòng)其它設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)能，如發(fā)電設(shè)備、及轉(zhuǎn)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)10的壓縮器組件12等。最后，燃?xì)鈴耐钙浇M件14的出口端22被排回大氣。
如圖3所示，催化燃燒器單元46包括一個(gè)外套，內(nèi)部支持著基本上相同的元件48、50形式的整體蜂窩式的催化結(jié)構(gòu)。催化特性為DXE-422催化劑數(shù)據(jù)Ⅰ.基底尺寸(5Cm+5Cm)長(zhǎng)-6.3mm兩元件間間隙材料鋯制品松裝密度 0.51-0.54Kg/m5孔形波紋正弦數(shù)量 40孔/厘米2水力學(xué)直徑0.97Cm腹板厚度0.254mm有效篩孔面積65.5%熔點(diǎn)1675℃Ⅱ.催化劑激活元素鈀經(jīng)洗層穩(wěn)定化鋁土如一般所知，催化外套52裝在一個(gè)蚌殼式殼體54內(nèi)。在外套52內(nèi)，有一個(gè)層56包圍整體催化元件48、50，以吸收外來(lái)震動(dòng)。過(guò)渡通道36和燃燒器組件26通過(guò)催化單元46的殼體54相連。結(jié)果，熱氣體沿著基本密封的路徑從燃料準(zhǔn)備區(qū)44，通過(guò)催化元件48、50(當(dāng)熱氣含有燃料-空氣混合物時(shí)，其中發(fā)生催化燃燒)，最后通過(guò)過(guò)渡通道36到達(dá)透平組件14的入口端。把催化單元46安裝到燃燒器組件26和過(guò)渡通道36的安裝方法和催化元件48、50在外套52內(nèi)的安裝方法在前面所列舉的美國(guó)專(zhuān)利4，413，470中已有詳細(xì)敘述。因?yàn)檫@些安裝方式不構(gòu)成本發(fā)明的內(nèi)容，所以在此不再重復(fù)。
參照?qǐng)D4-6，本發(fā)明涉及到用在催化元件48、50的蜂窩結(jié)構(gòu)上的催化劑復(fù)層58的構(gòu)形。在優(yōu)選實(shí)施例中，每個(gè)元件48、50的蜂窩結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是由確定了許多基本平行的通道64的許多交叉的壁62組成的一般的圓柱形整體基底60，其橫截面基本為矩形，成排成列地對(duì)準(zhǔn)、并且在它們的上游端和下游端66、68之間延伸，并在這些端處開(kāi)口。
如圖4-6所示，壁62的連續(xù)設(shè)置的段70接近并確定了有關(guān)的通道64。每一壁段70為兩個(gè)相鄰的通道64所共有，并且有一對(duì)反向相對(duì)的表面70A、70B，其中一個(gè)面臨兩相鄰?fù)ǖ?4中的一個(gè)，另一個(gè)則面臨兩相鄰?fù)ǖ乐械牧硪粋€(gè)。
在面臨某些特定通道64A的有選擇的壁表面70A、70B上有催化劑復(fù)層，而面臨其他通道64B的其他壁面70A、70B上則沒(méi)有催化劑復(fù)層。以這樣的方式，使基底60上的催化通道64A(混合物在其中催化反應(yīng))和非催化通道64B(混合物在其中基本不發(fā)生反應(yīng)，而代之以使基底60被動(dòng)冷卻)具有理想的排列。
有催化劑復(fù)層58的壁表面70A、70B和沒(méi)有催化劑復(fù)層的其他的壁表面70A、70B可以在共同的壁段上，這樣在有催化表面的通道64A中發(fā)生催化反應(yīng)的同時(shí)，在那些相鄰的沒(méi)有催化表面的通道64B中進(jìn)行冷卻，可以任意布置催化和非催化通道，圖5所示的一種方案中，催化通道64A和非催化通道64B之比為1∶1。圖6所示的另一種元素中，催化通道與非催化通道之比為3∶1。
這樣配備了這種被動(dòng)基底冷卻的催化燃燒器單元46可以用較濃的燃料和空氣混合物(即較高點(diǎn)火速率)在較低的速度下工作，而不使催化劑或催化劑基底過(guò)熱和損壞。這實(shí)際上提高了催化劑的最高溫度。本發(fā)明這種方案的另一優(yōu)點(diǎn)是這些反應(yīng)通道為不反應(yīng)的混合物的平衡提供了穩(wěn)定、高溫、連續(xù)和均勻的點(diǎn)火源，這些混合物將正好在催化燃燒器單元的下游處在理想的高溫下燃燒。實(shí)際上，這個(gè)單元是催化燃燒器和火焰穩(wěn)定器的組合。
已經(jīng)肯定，任何熱的表面都在某種程度上象一種催化劑，因此，甚至非催化通道64B也有某些產(chǎn)生表面燃燒的傾向。將用選擇具有最小催化特性的陶瓷基材料來(lái)縮小這種效應(yīng)。還可能控制邊界層、減小表面面積、減少停留時(shí)間，甚至提供一個(gè)連鎖中斷或點(diǎn)火延遲表面，如P2O5。
利用本發(fā)明，能夠把催化元件設(shè)計(jì)成能提供最好地適合于燃料準(zhǔn)備區(qū)特性或燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口特性參數(shù)的單元的反應(yīng)能力。
權(quán)利要求
1.固定式燃?xì)廨啓C(jī)(10)的催化燃燒器單元(46)，包括一個(gè)由多個(gè)大體平行的在相對(duì)端(66、68)處開(kāi)口并向從中通過(guò)的燃料和空氣混合物的加熱流暴露的通道(64)組成的基底(60)，其特征在于，只在那些被選擇好的通道(64A)內(nèi)覆蓋了催化劑(58)，而其他通道(64B)則沒(méi)有覆蓋催化劑，以便使該基底(60)具有一種由催化通道(64A)和非催化通道(64B)組成的結(jié)構(gòu)，在催化通道中該混合物發(fā)生催化反應(yīng)，在非催化通道中該混合物基本上不發(fā)生反應(yīng)而使該基底(60)冷卻，從該非催化通道來(lái)的混合物與從該催化通道來(lái)的混合物混合以隨即在該催化燃燒器單元的下游處燃燒。
2.如權(quán)利要求1所述的單元(46)，其特征在于，該基底(60)包括多個(gè)交叉的壁(62)，它們確定了該通道(64A、64B)，并且有用該催化劑(58)覆蓋或不用它覆蓋的相應(yīng)的表面區(qū)域(70A、70B)。
3.如權(quán)利要求1所述的單元(46)，其特征在于，該基底包括多個(gè)壁(62)，其中每一個(gè)壁有接近并確定有關(guān)通道(64)的段(70)，每個(gè)壁段(70)為兩相鄰的通道(64)所共有，并有一對(duì)互相背對(duì)的表面區(qū)域(70A、70B)，其中之一暴露于兩個(gè)相鄰的通道之一，而另一個(gè)則暴露于該兩個(gè)相鄰的通道(64)中的另一個(gè)。
4.如權(quán)利要求3所述的單元(46)，其特征在于，該壁段(70)的該表面區(qū)域中的一些被選擇用催化劑(58)覆蓋，而該壁段(70)的表面區(qū)域(70A、70B)中的另一些不用催化劑(58)覆蓋，以便在共同壁段(70)的有催化表面區(qū)域(70A、70B)的通道(64A)中能發(fā)生催化反應(yīng)，同時(shí)在該同一共同壁段(70)的對(duì)面的非催化表面區(qū)域(70A、70B)上發(fā)生冷卻。
5.如權(quán)利要求1到4中任一項(xiàng)所述的單元(46)，其特征在于，該催化通道和非催化通道之比為1∶1。
6.如權(quán)利要求1到4中任一項(xiàng)所述的單元，其特征在于，該催化通道與非催化通道之比為3∶1。
全文摘要
固定式燃?xì)廨啓C(jī)的催化燃燒器單元，包括一個(gè)基底(60)，它具有多個(gè)平行的、接受燃料和空氣混合物加熱流的通道，通道(64)中的一些(64A)上有催化劑覆蓋層，而另一些通道(64B)上則沒(méi)有催化劑復(fù)層，這樣，混合物在催化通道中發(fā)生催化反應(yīng)，而在非催化通道中的混合物則用來(lái)冷卻基底，但當(dāng)從這些通道排出并與熱的催化反應(yīng)過(guò)的氣體混合后，也被燃燒。
文檔編號(hào)F23R3/40GK1031878SQ8810618
公開(kāi)日1989年3月22日 申請(qǐng)日期1988年8月23日 優(yōu)先權(quán)日1987年8月24日
發(fā)明者威廉·E·揚(yáng), 丹·E·卡爾 申請(qǐng)人:西屋電氣公司