CN107438480B - 催化剂模块及其应用 - Google Patents

Abstract

在一个方面，提供了催化剂模块和催化反应器，其在一些实施方式中减轻低效率和/或与流体流压力降低相关的问题。催化剂模块包括以褶状形式布置的结构催化剂体的层，结构催化剂体形成褶入口面和褶出口面，其中由结构催化剂体的内分隔壁限定的流体流动通道从褶入口面延伸到褶出口面。褶入口面与模块的入口面形成角度(δ)。

Description

催化剂模块及其应用

相关申请数据

依据35U.S.C.§5119(e)，本申请要求2014年7月29日提交的美国临时专利申请序列号62/030,427的优先权，通过引证将其整体并入本文。

技术领域

本发明涉及催化剂模块，并且具体地涉及采用呈褶状布置的结构催化剂体的催化剂模块。

背景技术

脱氮或选择性催化还原(SCR)技术通常应用于燃烧产生的烟道气，用于在通过催化反应器时除去氮氧化物。脱氮包括气体中的氮氧化物物质如一氧化氮(NO)或二氧化氮(NO₂)与含氮还原剂如氨或尿素的反应，导致产生双原子氮(N₂)和水。另外，使用各种吸收剂或捕获技术来除去未被催化分解的烟道气的其它化学物质。

术语催化反应器通常用于描述包含催化剂的容器。催化反应器通常包括含有废气流动路径的催化剂结构，其使得废气流和催化剂结构的催化活性组分之间能够接触。模块化催化反应器的催化剂结构通常由大量模块化部分组成。每个模块化部分包括金属支撑框架，其将多个催化剂体保持在位置上，其中如果需要，在催化剂体之间使用密封或填充材料，用于通过催化剂体的废气流的适当的流动分布。催化剂体含有催化组合物并且显示划定用于废气流过催化剂体的流动通道或通路的物理结构。

在许多情况下，流过催化反应器的模块化部分的废气流会经历压力降低。压力降低可以由结构、摩擦力和其他阻碍或阻止废气流的流动的因素引起。压力降低可能导致各种低效率并且在如发电的工业应用期间导致寄生功率损失。

发明内容

在一个方面，提供了催化剂模块和催化反应器，其在一些实施方式中减轻低效率和/或与流体流压力降低相关的问题。例如，本文描述的催化剂模块和/或催化反应器可以提供压力降低的减少，而不降低或基本上不降低选择性还原氮氧化物和/或其它催化反应中的催化性能。催化剂模块包括以褶状形式布置的结构催化剂体的层，该结构催化剂体形成褶入口面和褶出口面，其中由结构催化剂体的内分隔壁限定的流体流动通道从褶入口面延伸到褶出口面。褶入口面与模块的入口面形成角度(δ)。在一些实施方式中，该角度(δ)处于约6度至约85度的范围内。

另外，本文描述的催化反应器包括至少一个模块，其包括以褶状形式布置的结构催化剂体的层。结构催化剂体形成褶入口面和褶出口面，其中由结构催化剂体的内分隔壁限定的流体流动通道从褶入口面延伸到褶状物出口面。褶入口面与模块的入口面形成角度(δ)。在一些实施方式中，该角度(δ)为约5度至约85度的范围。

在下面的详细描述中进一步详细地描述这些和其它实施方式。

附图说明

图1示出了根据本文所述的一个实施方式的模块的结构催化剂体的褶状布置。

图2示出了现有的模块中结构催化剂体的布置。

图3示出了根据本文所述的一个实施方式的蜂窝状结构催化剂体。

图4示出了根据本文所述的一个实施方式的波状结构催化剂体的一部分的截面。

图5示出了根据本文所述的一个实施方式的模块的结构催化剂体的褶状布置的透视图。

具体实施方式

通过参考以下详细描述和实施例及其之前和之后的描述，可以更容易地理解本文描述的实施方式。然而，本文描述的元素和装置不限于详细描述中给出的具体实施方式。应当认识到，这些实施方式仅仅是本发明的原理的说明。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，许多修改和调整对于本领域技术人员将是显而易见的。

I.催化剂模块

本文所述的催化剂模块包括以褶状形式布置的结构催化剂体的层，结构催化剂体形成褶入口面和褶出口面，其中由结构催化剂体的内分隔壁限定的流体流动通道从褶入口面延伸到褶出口面。褶入口面与模块的入口面形成角度(δ)。δ可以经选择为具有与本发明的目的不矛盾的任何值。在一些实施方式中，δ选自于表I中提供的值。

表I-δ的值(度)

5-87
	55-87
60-85
	70-80

现在参考图1，示出了由结构催化剂体形成的褶状催化剂层的两个褶状部分。结构催化剂体可以布置成提供与本发明的目的不相矛盾的任何数量的褶。在形成褶状形式时，结构催化剂体(12)提供与模块(10)的入口面(14)形成角度(δ)的褶入口面(13)。由结构催化剂体(12)形成的单个褶入口面(13)具有宽度s，并且提供用于使流体通过催化剂层(11)的模块开放区(moa)。图1中的箭头(16)示出了流体流过由催化剂体(12)形成的褶入口面(13)。由于褶入口面(13)与催化剂模块(10)的入口面(14)成角度(δ)布置，流体流(16)必须从模块入口方向(17)转向以通过结构催化剂体(12)。如本文，流体经由从褶入口面(13)延伸到褶出口面(15)的内分隔壁限定的流动通道通过结构催化剂体(12)。在一些实施方式中，形成褶入口面(13)和出口面(15)的结构催化剂体(12)以接合剂或粘合剂彼此结合，形成整体的蜂窝结构。可替换地，形成褶入口面(13)和出口面(15)面的结构催化剂体(12)通过填充材料彼此分隔开。图5示出了根据本文所述的一个实施方式的模块的结构催化剂体的褶状布置的透视图。如图5所示，褶入口面(13)和出口面(15)由单独的蜂窝结构催化剂体(12)形成。

催化剂模块(10)可以具有与本发明的目的不相矛盾的任何开放区百分比。例如，在一些实施方式中，催化剂模块(10)具有选自表II的开放区百分比。

表II－催化剂模块开放区百分比

5-99
	20-95
60-95
	50-85
45-75

参考图1，催化剂模块的开放区百分比被定义为

此外，结构催化剂体(12)的端部具有在入口面(13)和出口面(15)之间延伸的深度d。深度d定义了其中阻挡流体通过的模块阻挡区(mba)。进入mba区域的流体被重新定向到褶入口面(13)并且流过结构催化剂体(12)。结构催化剂体(12)的褶状布置还具有深度D和褶宽度P，其中模块的总体宽度为W。

随着指定了前述参数，在一些实施方式中，催化剂模块满足等式(1)的条件：

其中如图1提供的，W是模块宽度，n是褶的数量，s是褶入口面的宽度。在一些实施方式中，

具有选自表III的值。

表III–

的值

0.001–0.99
	0.01-0.95
0.1-0.9
	0.3-0.8

通常，催化剂体压力降低(Δp_c)表现出直接与

成比例。然而，在该催化剂模块的最终设计中必须考虑由褶状布置产生的二次压力损失(Δp_m)。二次压力损失可以主要由管道中的自由流到模块的开放区的流动面积的收缩和从模块回到管道的自由流中的扩张引起。额外的二次损失可能与进入催化剂体的面入口平面和离开催化剂体出口的流体流所需的转向相关。二次压力损失可以通过选择适当的褶皱几何形状，包括δ、n和s来控制。对于给定的流体流处理应用，还必须考虑模块深度D_m并且必须处于实际的限度内。

此外，催化剂模块可以展现0.001至0.5范围内的d/s比。在一些实施方式中，d/s比在0.003至0.3的范围内。通过满足一个或多个前述条件，已经发现，具有结构催化剂体的褶状布置的催化剂层可以减少通过模块的压力降低，而不牺牲催化性能和/或不需要对模块的显着的结构修改以保持催化性能。

结构催化剂体的褶状布置与催化剂体在模块中的传统布置形成鲜明对比。图2示出了模块(20)中的结构催化剂体(24)的传统布置。图2示出了现有的催化剂模块(20)的入口侧的平面图。催化剂模块(20)包括用于支撑设置在其中的结构催化剂体(24)的开放金属框架(22)。结构催化剂体(24)并排布置，其中催化剂体的入口面垂直于气流的方向。与气流的方向垂直，催化剂体(24)的入口面与模块(20)入口面平行，导致模块和催化剂体入口面之间的角度为0度。图2中提供的催化剂模块(20)仅部分地填充有催化剂体(24)以示出框架(22)的开放性质。在催化剂体(24)之间提供填充材料，以防止流体流绕过催化体(24)。图2所示的模块的有效催化截面面积不超过模块框架(22)的截面面积。

用于本文所述的褶状层中的结构催化剂体包括流体流入口面、流体流出口面和由从入口面延伸到出口面的内分隔壁限定的流动通道。结构催化剂体可以展现各种流动通道结构。例如，结构催化剂体可以具有蜂窝设计，包括外周壁和布置在外周壁内的多个内分隔壁。图3示出了根据本文所述的一个实施方式的蜂窝状结构催化剂体。图3的结构催化剂体(30)包括外周壁(31)和多个内分隔壁(32)。内分隔壁(32)限定多个纵向延伸穿过蜂窝状结构催化剂体(30)的流动通道或孔(33)。内分隔壁(32)及其与外周壁(31)的接合部用作相邻的流动通道(33)的边界。由于图3所示的蜂窝状结构催化剂体的流动通道(33)的截面轮廓是正方形，所以内分隔壁(32)具有相等或基本相等的宽度。

流动通道的截面轮廓也可以是标称的多边形，例如三角形、正方形，矩形或六边形。在一些实施方式中，流动通道的截面轮廓可以是圆形或椭圆形或与多边的和弯曲的形状如环扇形的组合。此外，催化体的外周壁的外周的截面轮廓可以是正方形、矩形、圆形、椭圆形、圆扇形如扇区(pie slice)或四分之一圆(quadrant)，或便于给定应用的任何其他几何形状。

此外，波状结构催化剂体可用于本文所述的褶状布置中。图4示出了根据本文所述的一个实施方式的波状结构催化剂体的一部分的截面。结构催化剂体(40)的流动通道(41)由内隔壁(42,43)限定。内分隔壁(42,43)及其彼此的接合部或相交部用作相邻的流动通道(41)的边界。如图4所示，波状催化剂体(40)包括平面的内隔壁(43)，其具有由A和C之间的距离限定的宽度。波状催化剂体还具有弯曲的内分隔壁(42)，其具有由A和B之间的距离限定的宽度。此外，例如，内分隔壁(42,43)在点A、B和C处彼此的相交，提供中心柱结构(46)。

以本文所述的褶状形式布置的结构催化剂体可以具有任何期望的孔密度或流动通道密度。例如，结构催化剂体可以具有在50孔/平方英寸(cpsi)至900cpsi范围内的孔密度。另外，结构催化剂体可以由任何期望的组成形成。结构催化剂体的组成可以根据几个因素来选择，包括感兴趣的催化反应、催化表面积和结构催化剂体的尺寸要求。结构催化剂体可以表现出单功能或多功能催化活性。

在一些实施方式中，结构催化剂体适合于氮氧化物的选择性催化还原。在这种实施方式中，催化剂体可以由包含按重量计50-99.9％的无机氧化物组合物和至少按重量计0.1％的催化活性金属官能团的化学组合物形成。无机氧化物组合物可以包括但不限于二氧化钛(TiO₂)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化锆(ZrO₂)和/或它们的混合物。此外，在一些实施方式中，催化活性金属官能团包括但不限于金、铂、铱、钯、锇、铑、铼、钌、五氧化二钒(V₂O₅)、氧化钨(WO₃)、氧化钼(MoO₃)或其它贵金属或它们的混合物。在另外的实施方式中，化学组合物可以包含高达按重量计30％的其它氧化物例如二氧化硅(SiO₂)、增强剂如玻璃纤维和/或挤出助剂。此外，化学组成可以基本上均匀。

在一些实施方式中，用于本文所述的模块的结构催化剂体可以具有美国专利7,776,786、7,807,110、7,833,932和7,390,471中任一个中描述的结构，其中的每个均通过引证以其整体并入本文。另外，结构催化剂体可具有如美国专利申请公开2012/0087835中所述的结构，其通过引证以其整体并入本文。

在一些实施方式中，催化剂模块、褶状催化剂层和相关的结构催化剂体具有适合用于工业流体处理应用的设计和尺寸，该应用包括选择性催化还原由大型固定燃烧源(如发电厂)产生的氮氧化物。本文所述的催化剂模块可在HRSG或燃气涡轮机废气处理系统中获得应用。

II.催化反应器

在另一方面，提供了催化反应器。本文所述的催化反应器包括至少一个模块，其包括以褶状形式布置的结构催化剂体的层。结构催化剂体形成褶入口面和褶出口面，其中由结构催化剂体的内分隔壁限定的流体流动通道从褶入口面延伸到褶出口面。褶入口面与模块的入口面形成角度(δ)。在一些实施方式中，催化反应器包括多个模块，其包括以褶状形式布置的结构催化剂体的层。褶状形式和相关的结构催化剂体可以具有上述第I节中所述的任何性质、构造和/或设计。在一些实施方式中，催化反应器的模块使用不同褶状形式的催化剂层。例如，结构催化剂体的褶状形式可以适于催化反应器中模块的定位或位置特定的的流体流流动条件。

在一些实施方式中，采用包括以褶状形式布置的结构催化剂体的层的模块的催化反应器满足方程式(2)的关系：

其中，x为0.001-0.1，并且

dp为在现场测量的横贯催化反应器的静压差(in-H₂O)；

P为催化剂电势，其中P＝-ln(1-deNO_x)/裕度，其中deNO_x是催化反应器的NO_x去除效率，并且裕度是应用于去活和其他全尺寸系统因素的常规性能裕度(电势的增加)。对于SCR反应器，deNO_x通常在40-98％的范围内并且裕度通常指定为0.25-0.95的值；并且

u_inf是紧邻催化反应器上游的平均自由流速度。平均自由流速度可以通过在横贯催化反应器的入口面的各个位置进行测量来获得。通常，平均自由流速度范围为0.1m/s至30m/s。

在一些实施方式中，x<0.01。上述关系的满足使得催化反应器能够实现期望的压力降低值，同时保持高催化剂电势和催化活性而不显着增加模块深度。因此，本文所述的结构催化剂体的褶状布置可应用于现有的模块和催化反应器构造。可以变化几个参数，使催化反应器可以满足方程式(2)。这些参数包括通过布置催化剂体形成的褶的数量、褶角度、模块深度(D_m)和模块开放区(moa)。此外，方程式2的x的可接受范围可以根据以褶状形式布置的结构催化剂体的cpsi而变化。例如，表IV提供了等式2的参数的值以及所得到的相对于以褶状形式布置的催化剂体的几个cpsi值的x范围。

表IV－相对于cpsi的x的变化

使用表IV的cpsi值作为非限制性实例，因为催化剂体cpsi也可以小于85或大于900。

在一些实施方式中，采用包括以褶状形式布置的结构催化剂体层的模块的催化反应器满足方程式(3)的关系：

其中y小于0.72，并且结构催化剂体具有大于200cpsi，其中dp是在现场测量的横贯催化反应器的静压之差(in-H₂O)；

其中V_dot是烟道气的体积流速，单位Nm³/小时(校正到0℃的立方米/小时)，V是催化反应器以立方米计的催化剂体积，并且AP是每单位体积的浸湿表面积(whetted surface area)(m²/m³)；并且

u_inf是紧邻催化反应器上游的平均自由流速度。

在一些实施方式中，y具有选自表V的值。

表V－方程式3的y的值

<0.71
	<0.7
<0.65
	<0.6

本文所述的催化反应器可用于各种流体流处理应用中。在一些实施方式中，催化反应器可在选择性催化还原废气或烟道气流中的氮氧化物中获得应用。废气或烟道气流可以产生自工业固定燃烧源，包括发电厂和/或用于在制造过程中燃烧烃的设备。例如，废气或烟道气流以250lbs/小时至10,000,000lbs/小时范围的流速提供给本文所述的催化反应器和模块。在一些实施方式中，将废气或烟道气流以选自表VI的流速提供至本文所述的催化剂模块和催化反应器。

表VI－至催化剂反应器和模块的废气流流速

废气流流速(lbs/小时)
	≥9,000
≥50,000
	≥100,000
≥500,000
	≥900,000
50,000-5,000,000
	1,000-1,000,000

此外，催化反应器和相关联的模块以及结构催化剂体的褶状层可以在处理由移动源，包括中型柴油机(MDD)源和重型柴油机(HDD)源产生的废气流中获得应用。例如，本文所述的催化反应器和模块可以在处理道路、越野、海运和火车MDD和HDD源的废气流。

已经描述了本发明的各种实施方式以实现本发明的各种目的。应当认识到，这些实施方式仅仅是本发明的原理的说明。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，许多修改和调整对于本领域技术人员将是显而易见的。

Claims (27)

1.一种催化剂模块，包括：

以褶状形式布置的结构催化剂体的层，所述结构催化剂体形成褶入口面和褶出口面，其中由所述结构催化剂体的内分隔壁限定的流体流动通道从所述褶入口面延伸到所述褶出口面，并且所述褶入口面与所述模块的入口面形成在5度至85度范围内的角度δ，其中所述褶状形式具有n个褶，所述模块的宽度为W，并且所述褶入口面的宽度为s，所述模块满足以下条件：

2.根据权利要求1所述的催化剂模块，其中，所述层具有在20至99范围内的开放区百分比。

3.根据权利要求1所述的催化剂模块，其中，所述层具有在50至85范围内的开放区百分比。

4.根据权利要求1所述的催化剂模块，其中，所述结构催化剂体具有在所述褶入口面和所述褶出口面之间延伸的深度d。

5.根据权利要求4所述的催化剂模块，其中，比率d/s在0.001至0.5的范围内。

6.根据权利要求4所述的催化剂模块，其中，比率d/s在0.003至0.3的范围内。

7.根据权利要求1所述的催化剂模块，其中，δ在55度至87度的范围内。

8.根据权利要求1所述的催化剂模块，其中，所述结构催化剂体具有50孔/平方英寸至900孔/平方英寸的孔密度。

9.根据权利要求1所述的催化剂模块，其中，所述结构催化剂体是蜂窝催化剂体。

10.根据权利要求1所述的催化剂模块，其中，所述结构催化剂体是波状催化剂体。

11.根据权利要求1所述的催化剂模块，其中，所述结构催化剂体可操作用于选择性催化还原流体流中的氮氧化物。

12.一种催化反应器，包括：

至少一个模块，所述模块包括以褶状形式布置的结构催化剂体的层，所述结构催化剂体形成褶入口面和褶出口面，其中由所述结构催化剂体的内分隔壁限定的流体流动通道从所述褶入口面延伸到所述褶出口面，并且所述褶入口面与所述模块的入口面形成在5度至85度范围内的角度δ，其中所述模块满足以下条件：

其中W是模块宽度，n是褶的数量，并且所述褶入口面具有宽度s。

13.根据权利要求12所述的催化反应器，其中，所述层具有在50至85范围内的开放区百分比。

14.根据权利要求12所述的催化反应器，其中，所述催化反应器满足以下关系：

其中，x为0.001-0.1；dp为在现场测量的以in-H₂O计的横贯催化反应器的静压差；P为催化剂电势，其中P＝-ln(1-deNO_x)/裕度，其中deNO_x是所述催化反应器的NO_x去除效率，并且裕度是应用于去活和全尺寸系统因素的常规性能裕度；并且u_inf是紧邻所述催化反应器的上游的平均自由流速度。

15.根据权利要求14所述的催化反应器，其中，所述deNO_x为40-98％并且所述裕度为0.25-0.95。

16.根据权利要求14所述的催化反应器，其中，x在0.001至0.009范围内。

17.根据权利要求14所述的催化反应器，其中，x在0.002至0.06范围内。

18.根据权利要求17所述的催化反应器，其中，所述结构催化剂体具有至少70孔/平方英寸的孔密度。

19.根据权利要求17所述的催化反应器，其中，所述结构催化剂体具有72-325孔/平方英寸的孔密度。

20.根据权利要求12所述的催化反应器，其中，所述催化反应器满足以下关系：

其中y小于0.72，并且所述结构催化剂体具有大于200孔/平方英寸的孔密度，其中dp是在现场测量的以in-H₂O计的横贯所述催化反应器的静压差；

其中V_dot是以单位Nm³/小时计的烟道气的体积流速；V是以立方米计的所述催化反应器的催化剂体积，并且AP是每单位体积的浸湿表面积；并且u_inf是紧邻所述催化反应器上游的平均自由流速度。

21.根据权利要求20所述的催化反应器，其中，y小于0.6。

22.根据权利要求12所述的催化反应器，其中，所述结构催化剂体具有在所述褶入口面和所述褶出口面之间延伸的深度d。

23.根据权利要求22所述的催化反应器，其中，比率d/s在0.005至0.05范围内。

24.根据权利要求12所述的催化反应器，其中，所述催化反应器可操作用于选择性催化还原流体流中的氮氧化物。

25.根据权利要求24所述的催化反应器，其中，所述流体流由固定燃烧源提供。

26.根据权利要求25所述的催化反应器，其中，所述固定燃烧源是发电厂。

27.根据权利要求25所述的催化反应器，其中，所述流体流具有250lbs/小时至10,000,000lbs/小时的流速。

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