專利名稱:使氣體混合物中氫氣和/或一氧化碳與氧氣催化復(fù)合的復(fù)合裝置和方法
本發(fā)明涉及使氫氣和/或一氧化碳與氧氣復(fù)合的復(fù)合裝置和方法，其中至少包括一催化劑系統(tǒng)，所述催化劑系統(tǒng)配置在小室工作時(shí)氣體混合物可流過(guò)該小室，尤其是在核電廠。
同樣的題材是同時(shí)遞交的申請(qǐng)?zhí)枮?99 14 823.6的德國(guó)申請(qǐng)，標(biāo)題為“使氫氣和/或一氧化碳與氧復(fù)合的催化裝置”，該申請(qǐng)包括這些公開(kāi)的內(nèi)容。
在核電廠中，在冷卻劑損失的故障后，大量的氫氣和一氧化碳會(huì)釋放進(jìn)入核電廠的安全容器(安全殼)內(nèi)。如果不采取相應(yīng)的措施，安全殼的氣氛內(nèi)的氫氣富集量會(huì)大大增加，從而形成易爆混合氣。之后偶然的點(diǎn)火，會(huì)因大量氫氣的燃燒而危及安全容器的完整性。
為了阻止在安全容器內(nèi)形成這類爆炸性氣體混合物，人們探討各種裝置，其中例如有催化復(fù)合器、催化和電驅(qū)動(dòng)點(diǎn)火裝置或上述兩種裝置的組合。例如由電化學(xué)工藝技術(shù)已知道催化復(fù)合的工作原理，例如在“Elektrochemische Verfahrenstechnik”，DECHEMA Monographien，1970-1992，第97卷，第363-376頁(yè)，Tagung der Fachgruppe angewandteElektrochemie)，Verlag Chanie中對(duì)此作出了解釋。
為了消除由安全容器內(nèi)的氣氛(Containment氣氛)中逸出的氫氣和一氧化碳，應(yīng)特別注意使氫氣和/或一氧化碳提前并且無(wú)火焰地與氧氣復(fù)合。此時(shí)，應(yīng)避免因致命的氫氣燃燒而呈現(xiàn)的過(guò)高壓力。在德國(guó)專利申請(qǐng)DE196 36557A1中提出了一種適合早期啟動(dòng)的復(fù)合裝置，該裝置即便在上述安全容器氣氛中使用更長(zhǎng)的時(shí)間也基本上不會(huì)失去有效性，并且在低的外部溫度下被動(dòng)啟動(dòng)。采用這樣一種復(fù)合裝置，有可能例如在有蒸汽的安全容器氣氛時(shí)能“平緩”地復(fù)合氫氣從而避免自燃。
在EP0 527 968 B1中公開(kāi)了一種復(fù)合裝置，這種裝置中具有若干平板型催化劑系統(tǒng)，板的兩側(cè)涂以催化劑材料，例如鉑和/或鈀。這種裝置特別適合于減少核電廠的安全容器內(nèi)氣氛中的氫氣。各催化劑系統(tǒng)包括一特種鋼的載板，板的兩側(cè)各有一薄層，特別是鉑和/或鈀的薄層，其厚度在微米的范圍內(nèi)。多個(gè)這種涂層的單板安裝在一設(shè)計(jì)成模塊的殼體內(nèi)。受監(jiān)控的氣流從下面流入該殼體，并從上部通過(guò)側(cè)面的出口流出殼體。
由EP 0 436 942A1已知一種帶有一殼體保護(hù)裝置的復(fù)合器系統(tǒng)，該殼體保護(hù)裝置根據(jù)外部溫度而自動(dòng)打開(kāi)。在該復(fù)合器系統(tǒng)運(yùn)行準(zhǔn)備階段時(shí)，該殼體保護(hù)裝置閉合，從而避免所述復(fù)合器的催化活性表面被污染。
在由EP 0 416 140A1公開(kāi)的復(fù)合器裝置中配置了過(guò)濾劑，這些過(guò)濾劑截住來(lái)自外部大氣中的有害物質(zhì)，例如塵埃，并因此保護(hù)所述復(fù)合器裝置的催化劑免遭污染。
此外，由德國(guó)專利申請(qǐng)DE 37 25 290已知一種貴金屬合金，這種貴金屬合金可吸收或釋放載板或金屬絲網(wǎng)上在復(fù)合時(shí)所產(chǎn)生的反應(yīng)熱，從而避免著火氣體混合物。
由EP 0 388 955 A1已知一種復(fù)合器裝置，該裝置附加配置一點(diǎn)火裝置，用于觸發(fā)一受控氫氣燃燒過(guò)程。
各已知復(fù)合器系統(tǒng)是在特別小的零部件尺寸條件下有特別高的復(fù)合器功率以及高的耐污染性。此外，在采用一復(fù)合裝置以復(fù)合核電廠氣體混合物中的氫氣而言，還必須要確保不會(huì)給核電廠的安全造成負(fù)面影響。應(yīng)該考慮到，一種用于復(fù)合所述氫氣的復(fù)合裝置的催化劑系統(tǒng)通常會(huì)因復(fù)合而變熱并且由于其溫度升高而促成在核電廠安全容器氣氛內(nèi)的氣體混合物以無(wú)意方式點(diǎn)燃。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種使氣體混合物中，尤其是核電廠安全容器氣氛中的氫氣和/或一氧化碳與氧氣的催化復(fù)合的復(fù)合裝置，從而特別可靠地避免工作時(shí)氣體混合物無(wú)意點(diǎn)燃。還提供了一種催化復(fù)合方法。
使氣體混合物中的氫氣和/或一氧化碳與氧氣復(fù)合的裝置至少包括一催化劑系統(tǒng)，所述催化劑系統(tǒng)安置在殼體內(nèi)，工作時(shí)氣體混合物可流經(jīng)殼體，并且該催化劑系統(tǒng)在氣體混合物的流動(dòng)方向上被分成若干分區(qū)(Teilbereiche)，本發(fā)明的上述目的是通常以下方式實(shí)現(xiàn)的，在第一分區(qū)的流動(dòng)方向有一圍有用于阻止流入和/或流出反應(yīng)氣體擴(kuò)散的阻擋層的催化劑體，并且跟隨第一分區(qū)后的第二分區(qū)至少有一可使反應(yīng)氣體直接進(jìn)入的催化劑體。在此種情況下，復(fù)合裝置中第一分區(qū)和第二分區(qū)的特點(diǎn)優(yōu)選是相繼地被使用。因此，在配置若干分區(qū)的催化劑系統(tǒng)中可進(jìn)行多級(jí)催化氧化。不同分區(qū)的設(shè)置應(yīng)考慮到沿著氣體混合物流動(dòng)方向上有不同的反應(yīng)條件。特別是流入?yún)^(qū)域內(nèi)的第一分區(qū)應(yīng)有特別阻燃的設(shè)計(jì)以針對(duì)高爆炸性氣體混合物流入該區(qū)。而位于流動(dòng)區(qū)域內(nèi)上游的分區(qū)因部分氣體混合物已經(jīng)被純化而具有特別高的催化活性，因此反應(yīng)氣體的濃度已明顯低于導(dǎo)致點(diǎn)燃的濃度即H2濃度高于8％(體積)。另外，也可順著氣體混合物的流動(dòng)方向交替地設(shè)置各種類型的分區(qū)。
最好在第二分區(qū)中優(yōu)選一種催化劑體，其催化活性比第一分區(qū)中催化劑體的活性大。例如可選擇一種活性中心(Aktivitaetszentren)密度更大的催化劑，即催化活性材料的含量更大，由此增強(qiáng)催化活性，從而促進(jìn)所述分區(qū)中的催化反應(yīng)。根據(jù)催化活性的強(qiáng)度，第二分區(qū)可另外由火焰阻擋裝置包圍?；鹧孀钃跹b置的縫隙寬度最大為0.7毫米，優(yōu)選小于0.3毫米。通過(guò)直接在第二分區(qū)設(shè)置火焰阻擋裝置以及另外延伸火焰阻擋裝置到特別阻止擴(kuò)散的第一分區(qū)，使第二分區(qū)的第二反應(yīng)區(qū)的熱量能特別順利地傳遞給第一分區(qū)的第一反應(yīng)區(qū)，并且還能快速啟動(dòng)第一反應(yīng)區(qū)中的催化反應(yīng)。
催化劑體可由多種單一部分構(gòu)成，例如壓制或燒結(jié)的纖維構(gòu)成。有利地，第二分區(qū)的催化劑體包括一載板，該載板上涂有催化劑材料。載板例如由一種不銹鋼構(gòu)成。載板的板厚小于或等于0.2毫米。催化劑體還可包括作為機(jī)械載體用的平板、穿孔板或球粒。根據(jù)催化復(fù)合的作用和類型，用金屬或陶瓷材料制作機(jī)械載體。在用陶瓷制作時(shí)，例如可采用修補(bǔ)基面涂層(washcoat)(Al2O3)。
為了特別有效地復(fù)合氣體混合物中產(chǎn)生的氫氣，催化劑材料包括一種貴金屬催化劑，尤其是鉑或鈀。鉑特別耐熱并且能抗催化劑中毒。此外，用鉑作為催化活性材料，除了能復(fù)合氫氣外還能復(fù)合一氧化碳。因其特性鈀特別是在較低的外部溫度下就起作用而特別適用。因此，在第一分區(qū)中例如最好選擇一種貴金屬，該貴金屬的防毒性要比第二分區(qū)貴金屬的防毒性優(yōu)異。催化劑材料優(yōu)選藉助于一粘附介質(zhì)層和/或一中間層而涂層在機(jī)械載體上。
在一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施方案中，所用的阻擋層(Drosselschicht)在含有催化劑體的第一分區(qū)中特別是設(shè)計(jì)成多孔的由松散材料構(gòu)成，因而一部分的氣體混合物氣流流過(guò)置于松散材料內(nèi)的催化劑體(流過(guò)方式)。第二分區(qū)的催化劑體是與第一分區(qū)的催化劑體分開(kāi)安置的。例如兩種催化劑體先后地位于氣體混合物的流動(dòng)方向中。松散材料的孔大小應(yīng)這樣，要使如呈現(xiàn)在流入?yún)^(qū)域內(nèi)的特別易爆的氣體混合物中具有高于10％(體積)的H2濃度時(shí)，則在第一分區(qū)的流出區(qū)內(nèi)的H2濃度已降至低于6％(體積)。為了補(bǔ)償流經(jīng)殼體中氣體混合物的壓力損耗，流入積面應(yīng)擴(kuò)大2-5倍。在殼體的高度達(dá)0.2-2米時(shí)，在催化劑系統(tǒng)中的氣體混合物的流速優(yōu)選為0.1-1米/秒。
在另一優(yōu)選的實(shí)施方案中，第一分區(qū)中的阻擋層是以多孔的覆蓋層形式涂層在催化劑體上的。在這種稱作環(huán)流方式的催化劑系統(tǒng)中，第一分區(qū)和第二分區(qū)中的催化劑體被設(shè)計(jì)為連續(xù)體，即這種連續(xù)體延伸遍及第一分區(qū)以及第二分區(qū)中。因此，催化劑體的周圍都是流動(dòng)的氣體混合物。設(shè)置在第一分區(qū)上的阻擋層使其能在流入?yún)^(qū)域內(nèi)阻擋流入和/或流出反應(yīng)氣體的擴(kuò)散。由此制約反應(yīng)氣體的催化復(fù)合，這不僅限制了反應(yīng)溫度，而且限制了H2濃度過(guò)高。同樣有利的方式是通過(guò)改變殼體的幾何結(jié)構(gòu)可以調(diào)節(jié)對(duì)催化反應(yīng)有影響的環(huán)流的或流過(guò)的氣體混合物的流速。在殼體的高度設(shè)計(jì)成0.2-2米時(shí)，在催化劑系統(tǒng)區(qū)域中的氣體混合物的流過(guò)流速可調(diào)到0.1-2米/秒。
對(duì)于反應(yīng)轉(zhuǎn)化率特別高的情況，應(yīng)相應(yīng)地安排若干個(gè)相互平行的類型相同的催化劑系統(tǒng)。在氣體環(huán)流方式中，例如相鄰的催化劑系統(tǒng)與每一相應(yīng)的第一分區(qū)和第二分區(qū)彼此平行。此時(shí)，第一分區(qū)中的各催化劑系統(tǒng)都具有相關(guān)的阻擋層。在催化劑系統(tǒng)的流過(guò)方式中，例如若干個(gè)同類的第一分區(qū)彼此平行地排列并被一共同的阻擋層包圍。相應(yīng)的第二分區(qū)與第一分區(qū)分開(kāi)設(shè)置并且同樣是彼此平行的。另外，各種不同類型的催化劑系統(tǒng)交替地排列。通過(guò)催化劑系統(tǒng)與第一分區(qū)和第二分區(qū)或若干個(gè)分區(qū)的組合排列(此時(shí)在一特定分區(qū)中發(fā)生非阻擋的反應(yīng)，而在另一分區(qū)中發(fā)生擴(kuò)散阻擋的反應(yīng))，可以特別可靠地進(jìn)行多級(jí)活化催化復(fù)合。通過(guò)這種多級(jí)復(fù)合，可特別可靠地防止點(diǎn)燃或燃燒氣體混合物并具有高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，甚至對(duì)單一分區(qū)或流動(dòng)管道具有少量易爆氣體混合物。
較為理想地是將催化劑系統(tǒng)設(shè)計(jì)成板狀，其總厚度最高達(dá)1厘米，優(yōu)選約0.3毫米，相對(duì)間距低于20毫米。
為了保證即便在以特高流速流入氣體混合物的所謂上升流也能均勻地復(fù)合，尤其是進(jìn)行多級(jí)氧化，在催化劑系統(tǒng)氣體混合物的入流方向前提供一上升氣流保護(hù)措施。上升氣流保護(hù)措施包括所述催化劑體的一部分。特別優(yōu)選地是，將復(fù)合裝置的入口橫截面擴(kuò)大1-5倍。結(jié)果特別簡(jiǎn)單地限制了氣體混合物的流入。這必將造成連續(xù)地輸送氣體混合物，從而可靠地避免了反應(yīng)區(qū)的偏移。為了降低和必要時(shí)補(bǔ)償殼體中出現(xiàn)的壓力損耗，殼體的高度最好為0.2-2米。
為了在復(fù)合裝置內(nèi)可能出現(xiàn)的，由所謂下沖情況引起的流向變化時(shí)達(dá)到特別可靠地進(jìn)行工作，在催化劑系統(tǒng)的一端氣體混合物的流出方向上安置下沖保護(hù)措施。對(duì)于改變流動(dòng)方向特別嚴(yán)重的流動(dòng)狀況，可在流出區(qū)域內(nèi)另外安置覆蓋部分反應(yīng)面，這一措施如同上升氣流保護(hù)措施一樣起擴(kuò)大表面的作用。
根據(jù)另一優(yōu)選的實(shí)施方案，至少向第一分區(qū)的流動(dòng)區(qū)域內(nèi)的阻擋層上提供一聚四氟乙烯涂層。由于這種局部有限的聚四氟乙烯涂層使催化劑體呈局部疏水特性，從而改善了早期啟動(dòng)能力，尤其是在潮濕的外部條件下。定量地限制聚四氟乙烯涂層可以避免多孔層或阻擋層內(nèi)吸收反應(yīng)有關(guān)的水份，并因此改善早期啟動(dòng)能力(被動(dòng)的啟動(dòng)反應(yīng))。
至于本發(fā)明上述目的中使氣體混合物中的氫氣和/或一氧化碳與氧氣催化復(fù)合的方法是通過(guò)如下的方式實(shí)現(xiàn)的，包括在第一分區(qū)的流動(dòng)方向上在一被阻擋層包圍的催化劑體上進(jìn)行復(fù)合，并在接著的第二分區(qū)中在氣體混合物可直接進(jìn)入的催化劑體上進(jìn)行復(fù)合。兩個(gè)分區(qū)，即第一分區(qū)和第二分區(qū)優(yōu)選具有不同的催化活性。這又引起反應(yīng)氣體多級(jí)催化氧化。
對(duì)于流過(guò)的方式，氣體混合物是優(yōu)選通過(guò)阻擋層而輸送到第一分區(qū)中的。此時(shí)，一部分不純的氣體混合物的氣流流過(guò)第一分區(qū)并被純化。這種經(jīng)純化的氣體混合物隨后在接在催化劑體后面的混合區(qū)中與不純的氣體混合物混合，由此降低易爆反應(yīng)氣體，特別是H2的濃度。這種混合的，并低濃度的氣體混合物隨后進(jìn)入未被阻擋層覆蓋的第二分區(qū)進(jìn)行進(jìn)一步的催化氧化。這樣在催化劑體的第二分區(qū)中氣體混合物可直接進(jìn)入含有催化活性特別高的材料的催化劑體中，由此在第二分區(qū)中有更高的催化轉(zhuǎn)化率，通過(guò)具有較高催化活性的催化劑材料又能進(jìn)一步地提高催化轉(zhuǎn)化率。
對(duì)于催化劑系統(tǒng)的環(huán)流方式，氣體混合物最好全部順著阻擋層輸送到第一分區(qū)中。在這種情況下，順著催化劑系統(tǒng)即順著第一分區(qū)和第二分區(qū)的氫氣濃度是下降的。
在第一分區(qū)中，即便考慮到最差的工作條件(“最惡劣的情況”)，氣體混合物的氫氣的濃度經(jīng)氧化后降至低于5％(體積)。因此流入第二分區(qū)的氣體混合物的濃度低于相應(yīng)反應(yīng)氣體的著火濃度。這就使得即便在催化劑材料的活性較高時(shí)也可取消第二分區(qū)中阻止擴(kuò)散和阻擋火焰的阻擋層。
第一分區(qū)的反應(yīng)溫度最好比第二分區(qū)的反應(yīng)溫度低。特別是第一分區(qū)的反應(yīng)溫度應(yīng)低于反應(yīng)氣體的著火溫度。第一分區(qū)的反應(yīng)溫度即便在“最惡劣的情況”下也低于560℃。因此，該反應(yīng)溫度低于氫氣的著火溫度。在第二分區(qū)是基于第一分區(qū)已有的結(jié)果。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是借助于至少兩種類型不同的催化劑系統(tǒng)的分區(qū)可以特別可靠、并對(duì)高易爆氣體混合物(H2濃度高達(dá)15％(體積))具有特高活性的催化復(fù)合，特別是沒(méi)有著火并少量易爆氣體混合物(H2濃度低至約1％(體積))。
下面參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作更詳細(xì)的說(shuō)明，附圖中
圖1示出了采用催化劑系統(tǒng)使氣體混合物中的氫氣和/或一氧化碳與氧氣催化復(fù)合的復(fù)合裝置；圖2是圖1裝置截面II的剖面圖；圖3示出了濃度和反應(yīng)溫度隨著沿催化劑系統(tǒng)流動(dòng)方式而變的函數(shù)曲線。
圖4示出了采用催化劑系統(tǒng)使氣體混合物中的氫氣和/或一氧化碳與氧氣催化復(fù)合的另一復(fù)合裝置；和圖5是圖4裝置截面V的剖面圖。
在所有附圖中用相同的標(biāo)記表示同樣的部件。
圖1所示復(fù)合裝置1和圖4所示復(fù)合裝置1′都設(shè)計(jì)成用于使氣體混合物，即在未示出的核電廠發(fā)生故障時(shí)的安全容器氣氛中的氣體混合物中的氫氣和/或一氧化碳與氧氣的催化復(fù)合。
所述復(fù)合裝置1包括若干個(gè)接近平行安裝的催化劑系統(tǒng)2，它們相互間的間距最大為20毫米。根據(jù)復(fù)合裝置1的類型和作用，也可配置單一的催化劑系統(tǒng)2。此外，還可配置若干個(gè)類型相同或不同的催化劑系統(tǒng)2。
所述催化劑系統(tǒng)2被安裝在一殼體4中。該殼體4的設(shè)計(jì)是要使得所述復(fù)合器1、1′在工作狀況下允許氣體混合物以自由對(duì)流方式流動(dòng)。為此，該殼體4基本上是垂直的、由箭頭5所示的優(yōu)選方向所形成一井筒。由于在催化劑系統(tǒng)2區(qū)域內(nèi)的氣體混合物復(fù)合時(shí)所產(chǎn)生的熱量造成的上升流引起，在復(fù)合裝置1、1′工作時(shí)會(huì)過(guò)度補(bǔ)償氣體混合物的壓降，由于該井筒狀結(jié)構(gòu)的殼體4的煙囪效應(yīng)，氣體混合物無(wú)需借助外力或驅(qū)動(dòng)手段流過(guò)復(fù)合裝置1、1′。所述井筒狀結(jié)構(gòu)的殼體4部分具有的高度在0.2-2米之間，以補(bǔ)償已產(chǎn)生的壓力損耗。此外，合乎目的的是，該殼體4具有的高度/深度比在0.3-10范圍內(nèi)，以獲得特別有利的對(duì)流形態(tài)。
這樣來(lái)構(gòu)造復(fù)合裝置1、1′，使得即便在那些因在催化劑系統(tǒng)2區(qū)域內(nèi)氫氣復(fù)合時(shí)的熱量釋放而出現(xiàn)的高溫條件下，也能可靠地避免在復(fù)合裝置1、1′之外區(qū)域內(nèi)使具有著火能力的氣體混合物點(diǎn)燃。對(duì)此，氣體混合物流動(dòng)方向上的各催化劑系統(tǒng)2至少具有兩個(gè)分區(qū)，即第一分區(qū)T1和第二分區(qū)T2。根據(jù)復(fù)合裝置1、1′的類型和作用，也可配置多于兩個(gè)分區(qū)以上的分區(qū)。
對(duì)于催化復(fù)合而言，位于第一分區(qū)T1或第二分區(qū)T2中的各催化劑系統(tǒng)2都可包括一催化劑體6，該催化劑體包含適合于復(fù)合的催化活性材料。這里，可作為催化活性材料使用的特別包括一種貴金屬、貴金屬的混合物或貴金屬箔的組合體。貴金屬特別是指鉑和/或鈀。
為了避免點(diǎn)燃流動(dòng)區(qū)域內(nèi)極易爆的氣體混合物，在第一分區(qū)T1的催化劑體6的外部包圍一層阻擋層8，以防止流入和/或流出反應(yīng)氣體的擴(kuò)散。在第二分區(qū)T2中，反應(yīng)氣體可立即進(jìn)入催化劑體6。此時(shí)，氣體混合物順著阻擋層8進(jìn)入第一分區(qū)T1并順著催化劑體6進(jìn)入第二分區(qū)T2。
由于包圍催化劑體6的阻擋層8的存在，阻止了位于氣體混合物流動(dòng)方向上的第一分區(qū)T1中的氣體混合物的催化復(fù)合。也就是說(shuō)，最好將流入的反應(yīng)氣體例如CO、H2、O2、CO2阻擋在第一分區(qū)中，使其僅部分氧化。這又削弱了催化復(fù)合能力并由此使得反應(yīng)溫度較低，特別是低于560℃。分區(qū)T1的長(zhǎng)度主要由流入反應(yīng)氣體的濃度確定。特別是通過(guò)催化氧化使得第一分區(qū)T1內(nèi)由氣體混合物中的氫氣的濃度降至低于5％(體積)。
于是，反應(yīng)氣體的濃度低于著火濃度的氣體混合物流入下一個(gè)催化區(qū)，即第二分區(qū)T2。結(jié)果第二分區(qū)T2中的氣體混合物可直接進(jìn)入催化劑體6中。此時(shí)第二分區(qū)T2的催化活性高于第一分區(qū)T1的催化活性，第二分區(qū)T2中的催化劑體6包含更高催化活性的材料。因此，第二分區(qū)T2的反應(yīng)溫度高于560℃。如上所述，兩個(gè)分區(qū)，即第一分區(qū)T1和第二分區(qū)T2可代表催化類型不同的區(qū)，由此可進(jìn)行反應(yīng)氣體的多級(jí)催化氧化。根據(jù)催化活性的強(qiáng)度，第二分區(qū)T2可另外被未示出的火焰阻擋裝置包圍。
為了保證使即便在以特別高速流入氣體混合物的所謂上升氣流時(shí)也能均勻地復(fù)合，尤其是進(jìn)行多級(jí)氧化，在進(jìn)入催化劑系統(tǒng)2的氣體混合物的流動(dòng)方向上提供一上升氣流保護(hù)措施10。特別優(yōu)選地是，該上升氣流保護(hù)措施10將復(fù)合裝置1的入口橫截面擴(kuò)大1-5倍。
為了在復(fù)合裝置1、1′中可能出現(xiàn)的下沖，即所謂的流動(dòng)方向改變的情況下特別可靠地進(jìn)行工作，在殼體4的上端在氣體混合物的流出方向上采取氣流下沖保護(hù)措施12。氣流下沖保護(hù)措施12同時(shí)起殼體蓋的作用，用作復(fù)合裝置1、1′的防滴擋板。因此即便在復(fù)合裝置1、1′上方的一噴霧系統(tǒng)工作時(shí)，也可避免液滴直接進(jìn)入復(fù)合裝置1、1′。
此外，復(fù)合裝置1、1′在氣體混合物的流動(dòng)方向上在下沖保護(hù)措施12的下方設(shè)有一過(guò)濾器14。安置在殼體4內(nèi)催化劑系統(tǒng)2之后的這種過(guò)濾器14過(guò)濾掉粗顆粒。例如，該過(guò)濾器14由一細(xì)金屬絲網(wǎng)制成。根據(jù)復(fù)合裝置1、1′的壓力損耗和所必需的分離效率選擇金屬絲網(wǎng)的篩孔尺寸小于800微米。此外，確定篩孔大小的另一設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是催化劑中毒在過(guò)濾器14上不應(yīng)有諸如塵?；蚰z粒的沉積。具體而言是這樣來(lái)確定該過(guò)濾器14的尺寸，使得塵埃或膠?？啥康睾蛶缀鯖](méi)有沉積損耗地穿透過(guò)去。由此可靠地避免因塵埃或膠粒的沉積而出現(xiàn)的堵塞危險(xiǎn)。
此外，殼體4另外具有一絕緣套16。例如，該絕緣包套16以一個(gè)具有空氣間隙的雙層套結(jié)構(gòu)。另外，也可設(shè)置一安裝在兩套層之間的耐溫且耐輻射的絕緣材料。由此可靠地避免輻射線通過(guò)絕緣套16而射出。由于絕緣套16的這一結(jié)構(gòu)，十分有效地阻止了在高于500℃的溫度范圍內(nèi)的相關(guān)熱量的傳遞。由此可靠地避免了因高殼體溫度所造成包圍該殼體4的氣體混合物(安全殼內(nèi)氣氛)的著火。
圖2示出了有一催化劑體6的圖1的催化劑系統(tǒng)2。該催化劑系統(tǒng)2呈板狀，并且其總厚度為1厘米，特別是在由陶瓷材料制成時(shí)。優(yōu)選的總厚度約為0.3毫米。第一分區(qū)T1包括一包圍催化劑體6的阻擋層8。此處，阻擋層8是多孔的覆蓋層，覆蓋在催化劑體6上。阻擋層8的孔隙造成流入的反應(yīng)氣體結(jié)合并因此在第一分區(qū)T1中每單位面積上僅發(fā)生少量有限的催化反應(yīng)。此外，第二分區(qū)T2聚集了活性特別高的催化材料，例如以層18的形式涂覆在催化劑體6上。這種局部有限的催化活性材料的聚集促成了催化劑系統(tǒng)2的起始作用。此時(shí)的層18特別含有鉑或鈀。另外，催化活性材料也可安置在催化劑體6的表面上。
根據(jù)另一優(yōu)選的實(shí)施方案，至少在第一分區(qū)T1的流動(dòng)區(qū)域內(nèi)在阻擋層8上涂覆一聚四氟乙烯層20，涂層的目的僅僅是稍微阻止反應(yīng)氣體的流入。由于這種局部有限的聚四氟乙烯層20可以避免多孔層或阻擋層8內(nèi)的反應(yīng)有關(guān)的水的吸收，因此改善早期啟動(dòng)能力(被動(dòng)啟動(dòng)的反應(yīng))。
圖3示出了H2濃度K和反應(yīng)溫度T隨著所述“惡劣情況下”氣體混合物沿反應(yīng)劑系統(tǒng)2流動(dòng)方式而變的函數(shù)曲線。在催化劑系統(tǒng)2工作時(shí)，第一分區(qū)T1中明顯高于10％(體積)的H2濃度因催化氧化降低到至少5％(體積)，此時(shí)第一分區(qū)T1中的反應(yīng)溫度T低于560℃，因此未超出催化劑系統(tǒng)2中反應(yīng)氣體的著火溫度。
在第二分區(qū)T2中因較高的催化活性使反應(yīng)溫度T升高，尤其是超出560℃的著火溫度。但是，因?yàn)榈诙謪^(qū)T2中的濃度K明顯低于5％(體積)以上的著火濃度，所以可靠地避免了氣體混合物的著火。圖3所示的函數(shù)曲線不僅反映了圖1復(fù)合裝置1的特點(diǎn)，而且反映了圖4復(fù)合裝置1′的特點(diǎn)。
圖4示出了另一催化劑系統(tǒng)2的復(fù)合裝置1′。在該方案中，第一分區(qū)T1和第二分區(qū)T2是分開(kāi)設(shè)置的。第一分區(qū)T1包括多個(gè)相互平行設(shè)置的完全被阻擋層8包圍的催化劑體6。阻擋層8裝有松散材料，松散材料中裝有催化劑體6。如圖4所示，根據(jù)復(fù)合裝置1′的類型和作用可在氣體混合物的流動(dòng)方向上彼此是平行地設(shè)置幾個(gè)類型相同的第一分區(qū)T1，并留有一間隙22。另外，也可交替地設(shè)置類型不同的分區(qū)T1、T2。
第二分區(qū)T2同樣包括多個(gè)催化劑體6，所述催化劑體位于第一分區(qū)T1之后。催化劑體6在氣體混合物的流動(dòng)方向上相互間是平行安置。根據(jù)復(fù)合裝置1′的類型和作用，考慮到第一分區(qū)T1和第二分區(qū)T2催化劑體6的催化活性，采用相同的催化劑。但是，第一分區(qū)T1和/或第二分區(qū)T2內(nèi)的催化劑體6也可通過(guò)采用不同的催化材料而改變其催化活性。
一方面，氣體混合物流過(guò)用于復(fù)合的兩個(gè)第一分區(qū)T1并以較低的H2濃度進(jìn)入中間空間22。另一方面，不純的氣體混合物同時(shí)通過(guò)位于兩個(gè)第一分區(qū)T1之間的輸送通道24而進(jìn)入中間空間22。在中間空間22中，不純的氣體混合物與已經(jīng)純化的氣體混合物混合，由此調(diào)節(jié)中間空間22輸出端中的H2濃度，優(yōu)選使其低于5％(體積)的著火濃度。從中間空間22流出的氣體混合物接著沿著催化劑體6進(jìn)入第二分區(qū)T2，以進(jìn)一步進(jìn)行催化氧化。
在輸入通道24中安裝一柵格26，它限制不純氣體混合物的流入。一金屬絲網(wǎng)用作柵格26。但是，也可將多片金屬絲網(wǎng)或金屬柵格一片接一片地安排，使其間隙寬度特別窄，最大達(dá)100微米，優(yōu)選約2微米。由此使諸如催化劑中毒物尤其是塵埃類的細(xì)顆粒定量穿透過(guò)。
圖5示出了根據(jù)圖4的阻擋層8的松散材料。該松散材料的阻擋層8的顆粒大小優(yōu)選為1-10毫米，特別優(yōu)選1-5毫米。此時(shí)，在氣體混合物的流動(dòng)方向中(箭頭28所指方向)流入?yún)^(qū)域E內(nèi)阻擋層8的粒度大于流出區(qū)域A內(nèi)阻擋層的粒度。因此阻擋層8具有阻止擴(kuò)散和阻擋火焰的作用。
權(quán)利要求
1.使氣體混合物中的氫氣和/或一氧化碳與氧氣催化復(fù)合的復(fù)合裝置(1、1′)，至少包括一催化劑系統(tǒng)(2)，所述催化劑系統(tǒng)配置了在工作時(shí)允許氣體混合物流過(guò)的殼體(4)，其中催化劑系統(tǒng)(2)在氣體混合物的流動(dòng)方向分成多個(gè)分區(qū)(T1、T2)，其特征在于在第一分區(qū)(T1)的流動(dòng)方向上的催化劑體(6)包括一圍有阻擋層(8)的催化劑體(6)，用于阻止流入和/或流出反應(yīng)氣體的擴(kuò)散，和一個(gè)位于第一分區(qū)(T1)之后的第二分區(qū)(T2)，它至少包括一可使反應(yīng)氣體直接進(jìn)入的催化劑體(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1的復(fù)合裝置(1、1′)，其特征在于第二分區(qū)(T2)中的催化劑體(6)的活性高于第一分區(qū)(T1)中的催化劑體(6)的活性。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1或2的復(fù)合裝置(1、1′)，其特征在于第二分區(qū)(T2)中的催化劑體(6)包括一涂覆有催化劑材料的板狀載板。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3的復(fù)合裝置(1、1′)，其特征在于催化劑材料含有貴金屬催化劑，尤其是鉑或鈀。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1-4任一項(xiàng)的復(fù)合裝置(1′)，其特征在于位于第一分區(qū)(T1)中的阻擋層(8)是由松散材料構(gòu)成的多孔層，所述松散材料內(nèi)設(shè)置有催化劑體(6)。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1-4任一項(xiàng)的復(fù)合裝置(1)，其特征在于在第一分區(qū)(T1)中的催化劑體(6)上涂覆一阻擋層(8)作為多孔覆蓋層。
7.根據(jù)權(quán)利要求
1-6任一項(xiàng)的復(fù)合裝置(1)，其特征在于幾個(gè)類型相同的催化劑系統(tǒng)(2)相互平行地設(shè)置。
8.根據(jù)權(quán)利要求
7的復(fù)合裝置(1)，其特征在于催化劑系統(tǒng)(2)呈板狀，每塊板的總厚度最大為1厘米，優(yōu)選0.3毫米，并排設(shè)置間的間距小于20毫米。
9.根據(jù)權(quán)利要求
1-8任一項(xiàng)的復(fù)合裝置(1、1＇)其特征在于在氣體混合物的流動(dòng)方向中在催化劑系統(tǒng)(2)的前端配有一上升氣流保護(hù)措施(10)。
10.根據(jù)權(quán)利要求
1-9任一項(xiàng)的復(fù)合裝置(1、1′)，其特征在于在氣體混合物的流出方向，在催化劑系統(tǒng)(2)的一端配有氣流下沖保護(hù)措施(12)。
11.使氣體混合物中的氫氣和/或一氧化碳與氧氣催化復(fù)合的方法，其特征在于在第一分區(qū)(T1)的流動(dòng)方向上在被一阻擋層(8)包圍的催化劑體(6)上進(jìn)行復(fù)合并在接著的第二分區(qū)(T2)中在氣體混合物可直接進(jìn)入的催化劑體(6)上進(jìn)行復(fù)合。
12.根據(jù)權(quán)利要求
11的方法，其特征在于所有的氣體混合物都通過(guò)阻擋層(8)進(jìn)入第一分區(qū)(T1)。
13.根據(jù)權(quán)利要求
11的方法，其特征在于所有的氣體混合物沿著阻擋層(8)進(jìn)入第一分區(qū)(T1)。
14.根據(jù)權(quán)利要求
11-13任一項(xiàng)的方法，其特征在于第一分區(qū)(T1)中的氣體混合物中的氫氣含量經(jīng)氧化被降至低于5％(體積)。
15.根據(jù)權(quán)利要求
11-14任一項(xiàng)的方法，其特征在于第一分區(qū)(T1)的反應(yīng)溫度(T)低于第二分區(qū)(T2)的反應(yīng)溫度。
16.根據(jù)權(quán)利要求
11-15任一項(xiàng)的方法，其特征在于第一分區(qū)(T1)的反應(yīng)溫度低于560℃。
17.根據(jù)權(quán)利要求
11-16任一項(xiàng)的方法，其特征在于第二分區(qū)(T2)的反應(yīng)溫度(T)高于560℃。
專利摘要
使氣體混合物中的氫氣和/或一氧化碳與氧氣催化復(fù)合的復(fù)合裝置(1、1′)包括至少一個(gè)催化劑系統(tǒng)(2),該催化劑系統(tǒng)被安裝在一工作時(shí)供所述氣體混合物以自由對(duì)流方式流動(dòng)的殼體(4)中。本發(fā)明的催化劑系統(tǒng)(2)在氣體混合物的流動(dòng)方向上分成多個(gè)分區(qū)(T1、T2),其中在第一分區(qū)(T1)的流動(dòng)方向上包括一被阻擋層(8)包圍的用于阻止流入和/或流出反應(yīng)氣體擴(kuò)散的催化劑體(6),并且接在第一分區(qū)(T1)后面的第二分區(qū)(T2)至少包括一反應(yīng)氣體可直接進(jìn)入的催化劑體(6)。
文檔編號(hào)G21C9/06GKCN1345451SQ00805710
公開(kāi)日2002年4月17日 申請(qǐng)日期2000年3月15日
發(fā)明者伯恩德·?？ㄌ? 阿克塞爾·希爾 申請(qǐng)人:費(fèi)羅馬托姆Anp有限責(zé)任公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan