催化剂输送系统的制作方法

专利名称：催化剂输送系统的制作方法
催化剂输送系统
本发明提供一种产生气溶胶(其含有化学催化剂前体)的催化气溶胶输 送系统，从而将之直接输送到燃烧反应系统的火焰带中，或者将之直接输 送到入口空气或入口燃料或者燃料/空气的混合物中，或者将之直接输送到 该燃烧反应的热废气中，或者为上述三者的任意组合。本发明系统和组合 物能够降低来自该燃烧室的污染，并确保更高效和更清洁的燃烧。在大多 数应用中，本发明系统和组合物改善了燃料的经济性。
本领域已知用于产生喷雾气体(其含有催化剂颗粒)并将之输送到燃烧 系统火焰带中的输送系统。
Searles和Bertelsen已经回顾了能够满足EU和US废气排放规定(其用 于柴油机驱动的卡车以及其它商用车或者重型车辆)的现有技术(在Business Briefing: "Global Truck and Commercial Vehicle Technology", London'World Marketing Research Centre; 2000; p97— 102; EU Directive 1999/99EC)。这 些技术包括柴油机氧化催化剂，DeNOx催化剂和氧化氮(NOx)吸附剂，选择 性催化还原剂(SCR)以及柴油机颗粒过滤器(DPFs)，以及用于颗粒物质曲轴 箱排放控制的过滤器技术。
1974年，在美国，在客车中首次引入了催化转化器，目前，世界50亿 车辆中超过27.5亿的车辆以及世界范围内制造的所有新车的约90 %装备有 催化转化器。但是，用于柴油机驱动的重型车辆的废气排放控制技术仍然 没有得到相似和广泛的应用。
所涉及的另 一个方面为柴油机燃料的硫含量。由于硫在催化剂表面上 的吸附性很强，所以硫对催化剂性能具有严重的负面作用。因此，减少了 催化剂的表面积，结果降低了在氧化催化剂上形成的二氧化氮的量。对于 一些DPFs和NOx吸附剂而言，当其依赖二氧化氮进行再生时，这会带来 一些问题。此外，同NOx相比，硫同化学制品NOx捕获器反应得更为强烈， 从而降低了 NOx的储存容量并且需要更剧烈和更频繁的再生，因此增加了 燃料的消耗。
应该注意到的是柴油机氧化催化剂将一氧化碳和烃转化为二氧化碳和
水。因此，这些系统降低了颗粒物质排放的量，但是已经发现这些系统对 NOx的排放几乎没有作用。
柴油机氧化催化剂还可同NOx吸附剂、DeNOx催化剂、DPFs或SCR 一起使用，从而降低二氧化氮的水平，或者净化任意旁通注入的烃、尿素 或氨。
常规的汽车催化转化器基本上由蜂窝陶f;组成，废气通过其传送。用 铂或钯、铑和铈催化剂的薄层涂覆该催化转化器的内部。该催化剂的铂成 分将CO氧化为C02，以及将UHC，s氧化为C02和蒸汽，铑降低了所形成 的NOx的水平。
已知所述催化转化器随着时间和使用劣化。在德国，自1984年以来， 已将催化转化器装配在所有车辆上。结果，沿着高速公路已经检测到痕量 的柏和铑。
WO02/083281公开了 一种喷雾气体催化剂输送系统，其中催化剂混合 物容器包括空气入口和入口管、二级溅射室和气体出口。气体经由管道(其 在接近所述液体的底部具有出口)鼓入通过该容器中的液体，从而导致气体、 来自所述液体的蒸汽、液体飞溅物的混合，并且将催化剂导向燃烧区。但 是，根据该文献，不将液体蒸汽和液体催化剂飞溅物输送到燃烧区是很重 要的，因此，WO02/083281公开了 二级溅射室是必需的。所述室用于减少 液体催化剂飞濺进入容器和燃烧区之间的连接管道或在所述连接管道内凝 结的作用，因为这将降低所述系统的性能。WO02/083281中还说明不期望 这种飞'臧，因为其导致催化剂混合物的消耗率不可控制。这可导致不可预 知的燃烧和/或过高的催化剂消耗率。
美国专利No.6776606还公开了 一种催化剂输送系统，其包括连接到气 体入口的鼓泡管，通过该入口，将气体(通常为空气)经由管道(其在接近所 述液体底部具有出口)鼓入通过该催化剂混合物。该文献表明可以这种方式 使催化剂颗粒以非蒸发的方式流化，通过在液-气界面鼓泡由气流将之携 带到氣化火焰带中。然后由该气流将该催化剂颗粒经由输送管线带入到火 焰带中。
当使用鼓入气体而将催化剂或催化剂前体引入到燃烧系统中所产生的 一个问题是部分催化剂或催化剂前体会附着到气流所接触的表面上。因此， 现有技术中所使用的部分催化剂前体会附着到任意进料管线的表面上，离
开催化剂溶液容器的鼓入气体会在到达燃烧室之前流入到该进料管线中。 这样就会降低该系统的效率，并且会浪费掉昂贵的催化剂材料。
明中的气溶胶输送系统的工作方式与用于将稀溶液喷射到火焰中的方式(如 用于原子吸收光谱中的)相似。产生象细雾那样的气溶胶的工艺可以称之为 喷雾法或雾化法。通过吸收或泵送液体并且在湍流下将其与气体(通常为空 气)混合以及将其经过一个或多个小孔喷射出来，就可以产生气溶胶。空气 的加入取决于多种参数，包括气体和液体的流速。还可以通过单独将液体 在高压下经过一个或多个小孔喷射出来，由此形成气溶胶。还可以使用超 声装置产生细分散的气溶胶。在本发明中，当提及气溶胶时，术语"雾化" 和"喷雾"可以交替使用该气溶胶由输送到燃烧前区域和/或燃烧区和/或燃 烧后区域中的催化材料的细雾组成。气溶胶输送系统在本领域中是已知的， 但是至今这种系统还没有用于将催化材料输送到燃烧区中。
根据本发明的气溶胶的制造过程与喷射原理不同，后者涉及将化学惰 性气体鼓入通过液体的过程。在本发明中，通过在压力下将含有催化剂的 液体溶液与气体湍流混合、然后立刻将其经过细小喷嘴喷射出来，由此形
成气溶胶。用这种方式进行混合和喷雾可以稳定和持续地供应气溶胶，该 气溶胶含有痕量水平的催化剂。
本发明的 一 个目的在于克服现有技术系统的多种缺陷或改善其性能。 因此，本发明的一个目的在于提供一种气溶胶输送系统，其可以直接导入 到入口气体、燃烧区的 一个或多个中或导入燃烧系统的热废气中。
本发明进一步的目的在于提供一种气溶胶输送系统，与现有技术系统
相比，其可以明显地降低燃烧系统的CO、 NOx、 UHC，s和氧化硫排放物。 本发明进一步的目的在于提供一种气溶胶输送系统，其可以降低发生
在使用低NOx燃烧器的燃烧系统中的腐蚀，从而与现有技术系统相比，延
长了该燃烧系统的寿命。
本发明进一步的目的在于提供一种气溶胶输送系统，与现有技术系统
相比，其可以增加燃烧系统的燃烧效率。因此，本发明的一个目的在于保
持燃烧系统的火焰温度并且降低过量空气量，从而改善该燃烧系统的热效率。
还希望本发明的气溶胶输送系统降低沉积在输送系统内的碳和焦炭
(char)量。
更进一 步地，还希望本发明的气溶胶输送系统与现有技术系统相比能 降低因燃烧系统而产生的噪音和振动。
本发明进一步的目的在于提供一种气溶胶输送系统，与现有技术系统 相比，其可以用来再生无效的转化器，例如已经使用了一段时间的那些转 化器。
本发明进一步的目的在于提供一种气溶胶输送系统，其中该催化剂被 保留在燃烧系统中。
本发明进一步的目的在于提供一种气溶胶输送系统，其可以与煤中发 现的汞和其它可燃烧材料以及高温气流起作用，并且抑制或降低废气中的 释放量。
通过用气溶胶输送系统将催化剂或催化剂前体直接输送到燃烧位置或 其周围，申请人意外地发现这些或其它一些问题得到了解决。因此，本发 明可以满足部分或全部上述目的。
根据本发明的一个方面，其提供了与燃烧装置结合使用的气溶胶输送 系统，该系统包4舌
包括第一入口、第二入口以及雾化喷嘴的室，该第一入口用于将气体 源供入到室中，
该第二入口用于向该室中供入催化剂溶液，该催化剂溶液在溶剂中含 有 一种或多种无机金属盐，以及该雾化喷嘴用于以气溶胶形式由该室释放 流体；
其中该第一入口和第二入口以及雾化喷嘴如此设置从而使得当通过喷 嘴释放时室中的气体和流体混合和结合形成气溶胶；并且其中该喷嘴与燃 烧前区域、燃烧区和燃烧后区域中的一个或多个流体相通。
在一种实施方案中，所述喷嘴存在于所述燃烧区中。在另一种实施方 案中，所述喷嘴存在于燃烧前区域中，其中空气和燃料在燃烧之前混合。 在另一种实施方案中，所述喷嘴可位于其中仅存有燃料的燃烧前区域中， 和/或所述喷嘴可位于其中仅存有空气的燃烧前区域中，也就是位于这两种 成分混合之前。在另一种实施方案中，所述喷嘴可位于燃烧后区域中。因 此，该喷嘴将气溶胶供应到排气区中的燃烧产物中。所述喷嘴包括一个或 多个排放口，从而允许流体混合物以气溶胶的形式排放。自该喷嘴排放的
气溶胶排放物的形状取决于喷嘴中排放孔的大小、数量和排列。因此，可 以根据需要产生气溶胶的形状。优选喷嘴的形状大体上为圆锥形，因为， 其将导致圆锥形的气溶胶。
在另一种实施方案中，可存在多于一个的喷嘴。因此，喷嘴可独立地 将气溶胶供应到一个或多个上述区域中。在每一种情况下，催化溶液可相 同或不同。在其中存在多于一个的喷嘴的所有情况下，喷嘴形状和排放孔 的排列可相同或不同。
在本发明的一种实施方案中，气体和催化溶液到所述室的供应是连续 的，从而使得所述气溶胶自所述喷嘴连续喷射。作为选择，可中止气体或 溶液供应到所述室，从而使得所述气溶胶自所述喷嘴间歇性喷射。
不使用空气也可以产生气溶胶。如果所述催化剂前体溶液经受高压且 得以通过细小的喷嘴射出时，所述溶液作为气溶胶射出。因此，在上述应 用的一种选^r性实施方案中，其中公开了结合催化剂溶液，使用气体(例如
空气)产生气溶胶，那么这样的产生系统可由高压无气系统替代；其中不需 要供应加压气体。在压力下，足以简单地将催化剂溶液供应到喷嘴中。这 种实施方案可应用于通过混合气体和溶液来产生气溶胶的所有情况(如工业
燃烧器、锅炉以及SI和柴油机，即开放和封闭的火焰系统)中。
所述燃烧可发生在开放火焰或封闭火焰的应用中。开放火焰应用包括
燃烧煤、气和油的锅炉和炉子。封闭火焰应用包括汽油(petrol)和柴油内燃 机。在本发明的一种实施方案中，将气溶胶用在装配有催化转化器的车辆 中。
如在此使用的一样，燃烧区意味和包括这样的区域，其中发生燃料的 氧化且这个区域直接包围那个区域，例如为燃烧室。
催化剂溶液中的一种或多种金属盐为用于使消耗的燃料燃烧或者使燃 烧产物(废气)氧化或还原为无害或更干净产物的催化剂。所述催化剂可为简 单或二元化合物、络合金属盐或有机金属化合物。
优选本发明的催化剂溶液包括铂、4巴、铑、铼、钌、锇、铈、铱、铟、 镁、铝、钛、铜、锌、锂、钾、钠、铁、钼、锰、金或银的一种或多种无 机盐或有机金属盐化合物。优选本发明的溶液包括VIII族元素(即Fe、 Ru、 ()s、 Co、 Rh、 Ir、 Ni、 Pd、 Pt)、锰或铝的一种或多种化合物。更优选该化 合物为铂、铑、铼、镁或铝的化合物。如果仅使用一种化合物，则该溶液
必须含有铂或铑盐。
在一种实施方案中，所述化合物以0.1-2，0mg/ml的浓度存在于溶液中。 更优选地，所述浓度为0.2-1.0mg/ml。所述化合物的分子量可为200-2000， 更优选地，为200-750。
特别优选所述无机金属盐存在为H2PtCl6、 RhCl3、 HRe04、 MgCl2和 A1C13。在水中由这些无机金属盐形成的络合离子包括[PtCl6f、 [Rh(H20)6]3+ 和[Re04r。
在本发明的优选实施方案中，催化剂前体溶液浓缩物包括一种或多种 金属盐，其中所述金属选自铂、铑、铼或铝。在所述催化剂前体溶液浓缩 物中作为H2PtCl6'6H20的铂的浓度为0.2-1.Omg/ml,更优选为0.5-0.7mg/ml; 特别优选为0.6mg/ml的浓度。在所述催化剂前体溶液浓缩物中作为RhCI3 的铑的浓度优选为0.04-1.2mg/ml,更优选为0.06-0.09 ;特别优选为 0.07mg/ml。在所述催化剂前体溶液浓缩物中作为HRe04的铼的浓度优选为 0.05-1.5mg/ml;更优选为0.08-1.2mg/m；特别优选为1.0mg/ml。在所述催 化剂前体溶液浓缩物中作为AlCl3的铝的浓度优选为0.05-1.0mg/ml;更优选 为0.07mg/ml的浓度。
在本发明的另一种优选实施方案中，用镁如MgCl2取代本发明溶液中 的铝，其浓度为0.05-1.Omg/ml，更优选为0.07mg/ml的浓度。
在本发明的另一种优选实施方案中，仅仅部分的铝用镁取代，从而使 得所述催化剂前体溶液同时包含铝和镁。
在本发明的另一种优选实施方案中，其中铂和铑同时存在于催化剂溶 液中，铂和铑的比率约为8.6: 1;铂和铝的比率约为8.6: 1;铂和铼的比 率约为6: 1,当铝由镁取代时，4自和镁的比率约为8.6: 1。
但是，本发明的成分比率可变化得高于或低于这些限定。因此，优选 賴和铼比率为30: 1-1: 1;更优选为15: 1-2: 1。优选铂和铝或镁的比 率为30: 1-1: 1;更优选为15: 1-2: 1。优选铂和铑的比率为30: 1 - 4: 1;更优选为15: 1-4: 1。
在本发明另一种实施方案中，所述催化剂前体溶液仅含有铂和铑、铼、 镁或铝的 一种无机金属盐。
所述溶剂可为任意能够溶解所述一种或多种金属盐(催化剂)并且能够 形成稳定气溶胶的溶剂。理想地，在常温常压下，尽管所述溶剂不必太易
挥发，但是所述溶剂应具有足够的蒸汽压，否则所述催化剂将在进料管线 中过早地沉积和/或消耗地太快。在常温常压下最有效的溶剂具有80°C -
14(TC的沸点。所述溶剂优选为水。还可将醇(如曱醇或乙醇)或烃溶剂用作 溶剂。所述溶剂还可为适宜溶剂的混合物。由于水能够溶解许多无机金属 盐且其能够形成稳定的气溶胶，因此优选其为溶剂。
所述溶剂还可额外地含有防冻剂如乙二醇。根据需要还可含有其它添 加剂。
另一方面，本发明提供了一种用于催化燃料燃烧的方法，所述方法包 括以下步骤
a) 向室中提供催化剂溶液进料和加压气体进料，其中所述室包括喷嘴， 所述喷嘴与燃烧前区域、燃烧区和燃烧后区域中的 一个或多个流体相通，
b) 在所述室中混合所述溶液和气体，c) 促使(force)所述溶液和气体的混合物通过喷嘴，从而在燃料燃烧装置 的燃烧前区域、燃烧区或燃烧后区域中形成气溶胶。
可同时或分別将本发明的气溶胶和燃料引入到燃料喷射柴油机或汽油 发动机(fuel injection diesel or petrol engine)的燃烧区中。
在本发明的一种实施方案中，可将气溶胶从汽化器(carburetor)引入到具 有空气的发动机的燃烧区中。为了最小化将无机金属盐引入到燃烧系统的 点和所需要的使用点(即燃烧区)之间的距离，正好在所述气溶胶进入到所述 汽化器之前，将其引入到火花点火发动机的空气流中，从而使其同汽化的 燃料混合，然后该混合物进入到发动机中。对于柴油发动机而言，在气溶 胶经过空气过滤器之后将其引入到空气流中。
燃烧需要在火焰中和周围存在自由基，本发明系统引入到燃烧过程中 的催化剂材料如铂和/或铑显著改善了所述过程。通过能够产生更大量的自 由基、因此降低过量的氧(通常需要的)的量、从而节省燃料来实现这一点。 其还改善了排放物。
在一种实施方案中，本发明提供了一种通过将含有一种或多种无机金 属盐的气溶胶引入到燃烧系统最终热废气流(其排出该燃烧系统)中，来减少 燃烧系统有害排放物(特别是NOx)的方法。在所述燃烧区中、之前或正好在 其之后，这些系统可以使用或不使用排放减少系统或技术。优选将本发明 的气溶胶引入到内燃机(使用柴油、汽油、生物柴油和替代燃料等)、发电厂
或工作站的锅炉(process station boilers)、燃烧器和干燥器的热废气流中。
煤炭为一种得益于本发明燃烧技术的燃料。因此，本发明的一项主要 应用为多种NOx的降低技术(其用在煤炭燃烧中)。特别地，可将所述方法 应用到炉子和锅炉(其使用多种Nox降低装置和工序来减少灰份中的碳等) 中的煤炭燃烧中。
在燃烧过程中形成NOx的两个主要机理为热-NOx和燃料-NOx。当 燃料不含内在氮(如天然气)时，前者占优势，当燃料为煤炭或重燃油或类似 物时，后者占优势。燃烧改进技术目的在于在燃烧过程的早期限制NOx的 形成。我们的方法适合和可应用于这些方法。
优选将本发明的气溶胶直接或间接同氨或尿素混合以及根据需要同加 入的烃和空气一起引入到燃烧系统的热废气流中，从而获得需要的反应温 度。可将本发明的气溶胶同时或分别引入到热废气流或所述燃烧系统(其使 用氨/尿素/烃/空气系统来减少NOx、 CO和碳)、特别是燃煤和类似油或燃
它适宜位置中。
在空气分级方法来减少NOx的过程中，将燃烧空气分级，从而使用总 体富含燃料的化学计量法操作初级燃烧区，并将剩余的空气注入到下游。 将我们的方法应用到这种方法涉及在两级中，在适宜的点注入催化剂。设 计低NOx燃烧器来实现所述分级作用，其通过以这样的方式在所述燃烧器 内分离空气和燃料流，从而延迟燃烧，降低氧的有效性和降低火焰的最高 温度。所有这些因素有助于减少NOx。将我们的方法应用到这种方法中涉 及在所有点引入气溶胶催化剂，从而使得其能够额外增强自由基反应(其减 少进一步形成的NOx),因此提高了其效率和Nox减少的总效率，以及提高 了所述燃烧过程整体的效率。
还可通过烟气循环技术降低NOx的水平，其将稀释剂引入到所述燃烧 室中。将我们的方法应用到这种方法中涉及引入气溶胶催化剂并使之完全 同稀释剂混合。降低NOx的另一种方式为通过降低过量的空气水平。这可 减少NOx，但可导致不期望的问题如不稳定燃烧、降低停止燃烧(bumout)、 熔渣、污垢以及腐蚀。但是，使用本发明的气溶胶催化剂可最小化这些问 题，因为其能使所述燃烧过程正常进行。这是由于其在火焰中产生了额外 的自由基。还存在大量的燃烧后NOX控制技术。通常称之为烟道气处理，可将其
细分为(a)选择性催化还原(SCR)， (b)选择性非催化还原(SNCR)以及(c)非 选择性催化还原(NSCR)。
方法(b)将氨气、氨水或含水尿素注入到烟道气中。所发生的自由基反 应基本上将NOx转化为氧和氮，但是所述反应仅仅在有限的反应条件内发 生。根据本发明的另一个方面，将气溶胶催化剂引入到烟道气中(以与将所 述气溶胶催化剂引入到燃烧区或燃烧前区域相同的方式)将增强这些反应， 并扩展了工作温度的最佳工作范围(temperature window)。根据本发明方法， 将所述催化剂注入或同氨气、氨水或含水尿素和铵一起注入到烟道气中， 和/或根据需要将其它盐添加到烟道气中。
当SCR催化剂为铂基催化剂或含有其它已知的催化剂时，根据本发明
其寿命。进入催化剂网格系统(grid system)气流中的铂和铑均相催化剂将有 助于在催化剂上发生催化作用，并且附着和保留在所述催化剂(鉑基或其它 的)上的铂和铑将通过催化参与碳和焦炭氧化成二氧化碳气体的反应，而有 助于阻止碳和焦炭堆积在SCR催化剂上。
其中， 一个例子涉及使用SCR、 SNCR或NSCR技术来降低NOx的燃 烧器。部分NOx有可能且通常会仍然保留下来并且通过最终的烟道排放到 空气中而离开工厂。用来降低最终的烟道NOx的一种技术是使用最终烟道 喷射氨或尿素。如果温度不是足够高，则还可以使用引燃火焰(燃烧合适的 烃气体)而使排出的气体处于温度的最佳工作范围内。并且由此而使氨或尿 素与NOx发生反应。雾化的催化剂可以在进入到自由基反应区域之前而喷 射到引燃火焰中。这样可以产生铂和铑催化剂类型，并且还会降低温度的 最佳工作范围，由此而使自由基反应变得更加有效并且将降低引燃火焰所 需的气体量，由此而节省燃料。
本发明的工艺有多种用途。所产生的气溶胶或喷雾可以喷射到与燃料 混合并且进入到燃烧区中的空气流中。这种理念还可以扩大到所有涉及化 学和自由基机理的高温反应。因此，本发明还包括将气溶胶催化剂导入到 所有已知或者被认为发生气相自由基反应(由于在高温下产生的催化剂将增 加自由基的存在量)的情况中该工艺的这些应用并不限于涉及燃烧的那些 应用，其还包括涉及自由基的高温化学反应，特别是炼油工业中涉及均相
或多相催化剂的那些反应。炼油工业以及其它一些相关的工业在高温下使 用铂催化剂。这些催化剂将随着时间和使用而劣化，并且不得不进行清洗 和置换。本发明可以延长这类催化剂的寿命和效率。
本文中所述的本发明的技术还可以用于炼油工业，其原因在于本发明 的催化燃烧工艺会增加性能和产出，并且降低了维护。该领域中存在的一 个特殊问题是烟尘(SOOt)会不适宜地沉积在向石油蒸馏装置提供热能的锅炉 中，并且这些烟尘需要定期除去。本发明提供了解决这种问题的一种方案。
本发明的工艺还可以用于CO清除以及烟尘和焦炭的完全燃烧。所有这 些工艺还可以通过喷射催化剂气溶胶而得到提高，因为在每一种这些工艺 中均包括自由基反应。这些应用包括催化裂解、催化重整和其它精炼过程 以及流化床燃烧过程。
在本发明进一步的实施方案中，利用基于元素周期表中II族中元素化 合物的一种或多种添加剂，可以通过喷雾喷射气溶胶而实现硫的捕获。有 多种试剂和方法可用来由废气和烟道气中除去硫氧化物。据信将贵金属催 化剂与这些试剂一同喷入或者在这些试剂的上游喷入(如果气体温度太低以 至于不能产生这些金属)，可以改善硫的除去效率并且扩大所述反应的低温
限制(lower temperature limit)。
这种工艺还可以以类似的方式捕获汞。目前，人们需要一种由燃烧的 煤中除去汞的技术，但是这种技术不可靠或不完全可靠。汞很容易与包括 贵金属在内的绝大多数金属(但不包括铁)形成汞合金，并且人们相信其会附 着在涂覆了铂和铑的表面上，所述表面是在烧煤的锅炉中以及在相关的条 件下形成的。在目前所试验的汞除去技术中，还没有一种技术使用汞形成 汞合金的性能。
在一种实施方案中，得自用于本发明中的溶液的金属(催化剂)会保留在 燃烧室中或者附着在废气所经过的表面上，或者其被捕获在催化转化器的 蜂窝结构中。这一点是有利的，因为附着的金属(催化剂)随后会参与多相催
本发明的另 一个方面在于提供一种预处理燃料的方法，包括下列步骤
a) 向室中提供催化剂溶液进料和加压气体进料，其中该室包括与燃烧前 区域、燃烧区和燃烧后区域中的 一个或多个流体相通的喷嘴，
b) 在该室中混合该溶液和气体，迫使溶液和气体的混合物经过喷嘴而形
成气溶胶，其中将该气溶胶施加到固体燃料上，从而在燃烧前预处理该燃料。
优选地，该燃料是固体燃料。
本发明的实施方案可以包括在开放或封闭的燃烧应用中使用气溶胶催 化剂组合物和输送系统，所述应用例如为锅炉、发电厂或工作站锅炉、燃
烧器和干燥器、炉子、涡轮机、活塞式发动机、焚烧机(incinerator engines)、 明焰、火花点火发动机、天然气发动机、汽油发动机、旋转发动机、使用 柴油、汽油、生物柴油的内燃机、柴油或汽油发动机以及其它替代燃料等 或者其中燃料被氧化的系统。通常燃料的氧化涉及在空气或富氧的介质中 进行燃烧。氧化过程可以通过提供其它来源的氧而受到影响，所述的氧源 在燃烧条件下释放出氧。
本发明的气溶胶输送系统包括刚性容器，其对于所容纳的溶液来说是 不可透过的。该容器可以由任何适用于该气溶胶的材料制成。在本发明的 优选实施方案中，气溶胶的容器由陶瓷、金属或塑料或其组合制成。
该气溶胶输送系统的加压气体可以是任何适用于该气溶胶的气体，例 如正或负离子气体或中性气体，例如选自空气、蒸汽、氮、氩、氦、 一氧 化碳、二氧化碳及其组合。优选地，该加压气体是空气。在某些情况下， 该加压气体包括空气和附加的氧成分或氨气。
该气溶胶输送系统的气体优选地受到30-90psi的压力。更优选地，所 需要的压力范围为50-70psi。
该气溶胶输送系统的溶液经受压力。优选地，该溶液所经受的压力范 围为20-70psi,更优选地，该溶液受压范围为30-50psi。
有多种方法可以形成气溶胶。原则上任何一种可以产生气溶胶的系统 均可以用来产生该催化剂气溶胶，其选择取决于该气溶胶所期望的用途。
用于本发明的气溶胶输送系统中的催化剂前体溶液的pH应当可以阻 止随着后续形成胶体或细小的析出物而发生的劣化或分解，优选地低于5。 更优选地该催化剂前体溶液的pH为4-1;更优选地为3.0-1.4，特别优选地 为1.6-2.2。
在优选的实施方案中，在将催化剂前体直接或者通过入口空气导入到 火焰或废气中时，本发明会在火焰或废气中产生数种催化剂。这样就会增 加氧原子浓度以及自由基的产生量，从而改善燃烧速度以及停留期间的效 率。
可以认为某些无机金属盐和有机金属化合物在产生传统的燃烧元素的 热火焰或热尾气中分解为元素形式，这些元素会催化与氧以及在燃烧过程
中作为中间体而形成的分子和自由基的反应。在本发明中，钼、4巴、铑、 铼、钌、锇、铈、铱、铟、镁、铝、钛、铜、锌、锂、钾、钠、铁、钼、 锰、金或银中的至少一种的元素形式以ppm-ppb数量范围存在于火焰或热 废气中。优选地，铂和铑以ppm-ppb的数量范围存在于火焰或热废气中。 在导入到燃烧系统或热废气中的气溶胶中无机金属盐或有机金属化合物的 浓度取决于每一个燃烧系统的大小和特性。
本发明的气溶胶输送系统含有ppm-ppb数量级的无机金属盐或有机 金属化合物，该数量取决于燃烧系统的热功率和尺寸。优选地，以l-1000ppb 的浓度在溶液中存在一种或多种无机金属盐。更优选地，以50-100ppb的浓 度在溶液中存在一种或多种无机金属盐。已经发现较为有利的是只需要较 低量的无机金属盐作为催化剂。这样可以使ppb - ppm数量级的这些催化剂 前体被带入燃烧室中，例如带入烧煤或气的工业锅炉或火花点火及柴油发 动机的燃烧室中。因此，本发明的气溶胶可以有效地将无机金属盐或有机 金属化合物放在燃烧发生的区域中。
以本发明气溶胶形式的稀催化剂前体溶液的剂量率(dose rate)取决于所 需的用途。但是优选地，该剂量率在0.1-1美国加仑/小时的范围内。更优选 地，该剂量率为0.5美国加仑/小时。稀释的程度取决于燃料消耗的速度或 者由锅炉提供的热能的速度。
在本发明进一步的实施方案中，气溶胶与使用燃料的燃烧室结合在一 起使用，上述燃料例如是柴油燃料、汽油、2号燃料油、船用油、由原油提 炼的燃料油、压缩天然气、液化天然气、酒精汽油、烃、玉米油、植物油、 矿物油、煤、煤气、柏油蒸气(asphalt vapours)、可氧化的蒸气、木材、纸张、 草、生物燃料、可燃烧的废物及其组合。
适合与本发明的气溶胶结合使用的燃烧系统的操作温度优选地为 500-2000°C，优选地为900-1600°C、更优选地为1000-1500°C。
由本发明更进一步的方面可以看出其提供了适用于柴油或汽油发动机 的小型气溶胶输送系统。该气溶胶输送系统的尺寸取决于该气溶胶的所需 用途。由于该系统可以设置成不承受高温，例如与烧煤的装置有关的高温，
因此可以使用一种小型系统(采用超声发生器，如上所述)来产生细小的气溶胶。
优选地，本发明的小型气溶胶输送系统的宽度在10cm-2m范围内，其 取决于所需的用途。
本发明进一步的优点在于使用本发明的气溶胶输送装置和方法的发动 机的振动可以确保催化剂前体溶液完全混合。
本发明进一步的优点在于元素形式的催化剂盐或有机金属化合物，如 4白和铑附着在炉子的内部以及附着在由该催化剂气溶胶的组分形成并且附 着到炉子内部的其它化合物上，从而使催化活性持续超过将催化混合物喷 射到该系统中的时间段。
该气溶胶输送系统还可以有利地降低与内燃机有关的噪音和振动。举 例来说，铂的存在可以使火焰在较低的温度下在柴油发动机中燃烧并且不 会在活塞到达其行程端点之前熄灭。柴油发动机的一个特征在于他们的"卡 嗒卡嗒"声(更好地称之为谐波)。当膨胀的气体的能量减少到一定点以下(其 部分原因在于因绝热膨胀而导致温度下降)以及当火焰熄灭时就会发生这种 现象，当其发生时，活塞仍然有大约1/4的行程要走。此时活塞的移动会由 推而改变成拉的动作，从而产生卡嗒卡嗒声。当安装本发明的气溶胶输送 系统时，就可以大大降低这些谐波，因此发动机就会更加安静和平稳。在 正常的情况下，当燃烧开始时，所产生的膨胀会将气缸向下推。据信本发 明的含铂气溶胶系统会产生氧原子并且使火焰和膨胀进行更长时间。此外， 据信铂会使燃烧更快，从而维持该火焰并且有助于增加所经历功率水平。
用于操作火花点火发动机以使CO和NOx达到最小排放的最佳条件是 有些相反的。燃烧室的温度越高，所形成的CO的量越低，因此通过在尽可 能高的温度下操作该发动机可以使CO排放量达到最小。但是对于NOx的 形成来说，实际的情况却是相反的，为了使排放量达到最小，燃烧室的温 度应该尽可能的低。目前，发动机设计成靠近CO和NOx的形成曲线(作为 温度的函数并且结合催化转化器的效率)的跨接区域(crossover)。
本发明的气溶胶输送系统的独特优点在于不再需要将燃烧温度设计在 上述跨接温度周围，以使燃烧室尾气中的CO、 NOx和未燃烧的烃量达到最 小。因此较低的温度状况(regime)意味着所形成的NOx的量较小并且该数量 由于燃烧室中存在铑而得到进一步降低。另一个后果及优点在于催化转换
器上的工作负荷被大大降低，因此其效率和寿命获得了增加。
据信在本发明的催化剂浓缩物中包含铑有助于使发动机运行更平稳和 安静，因此其作用被认为是使火焰燃烧得更平稳且对于火焰形成平稳前锋
(smooth front)。
申请人已经惊人的发现本发明的气溶胶系统改善了燃料的燃烧特性， 因而只有少量的碳沉积在燃烧系统中。更进一步地，以后或之后，催化剂 的量可以降低。在某些情况下，本发明的气溶胶输送系统可以产生明亮的 蓝色火焰，其表明燃料燃烧得特别有效。这种技术的优点在于燃烧系统具 有更清洁的内部、更清洁的飞灰(fly ash)以及小而稳的催化剂喷射，从而不 会发生催化剂腐蚀或中毒。因此，本发明可以增加该燃烧系统的寿命。
下面将参照附图对本发明进行描述，其中


图1为显示根据本发明一个方面开放式火焰应用的示意图2为本发明气溶胶输送系统的侧视图3为图2中气溶胶输送系统的顶视图4为根据本发明另一种实施方案的另一气溶胶输送系统的侧视图。 在图1中，将空气1的进料供应到鼓风机2中，并且送入混合器3中， 在混合器3中将其与来自燃料源4的燃料混合。可以用氧来补充或代替该 空气，将空气和燃料的混合物5送入到燃烧室6中，在燃烧室6中发生燃 烧。燃烧产物7，即废气从燃烧室中排出并且流过排出区域8，后者包括热 交换器9。
参考字母a-i表示适合放入本发明气溶胶输送系统的喷射位置。因此 含有催化溶液的气溶胶喷雾可以在由字母a-i表示的任何一个位置输送。 在该装置中可以存在一个以上的所述位置。当存在一个以上的这种位置时， 所输送的催化剂溶液可以与相同应用中在另一个气溶胶输送位置送入的溶 液相同或不同。优选的位置是a、 c和d中的一个或多个，因为这会改善燃 烧并且降低燃料消耗。为了降低NOx水平，优选地在燃烧后区域中设置气 溶胶输送位置。因此，优选地在g、 h或i处进行输送。可以向这些区域中 添加氨或尿素(未示出)进行喷射，也可以不添加它们。
图2表示一个简单的喷射器，其中切向入口导管10向位于气溶胶输送 头12中的涡流室11中供入催化剂溶液。由导管13将压缩空气送入涡流室 11中。雾化喷嘴14包括小孔15，孔15的尺寸和结构设计成能产生气溶胶
细雾16。在所示的例子中，雾化喷嘴14通常是圆锥形形状，产生圆锥形气
溶胶雾16。在涡流室11中，由于气体导管13和导管IO在涡流室11中的 定位，气体和催化剂溶液在通过喷嘴14中的小孔15喷射之前发生完全混 合。
图3是图2中气溶胶输送装置的简化顶视图。排料孔15围绕雾化喷嘴 14以规则图案(regular pattern)设置。孔的图案受所需的雾状喷雾形状的控制。
图3显示圓锥形雾化喷嘴14，因为这会产生圓锥形气溶胶喷雾15,从 减少燃料消耗和改善NOx水平来说，其会导致最好的效果。
图4显示水冷式雾化器17，其穿过炉壁18和内保温陶乾砖衬19。雾 化器17由金属制成并且包括水夹套20，夹套20通过提供一个冷却水源21 而形成，冷却水源21经过雾化器17主体内的通道22。催化剂溶液23通过 通道24而送入到涡流室25中。加压气体26(在此情况下为空气)通过通道 27而送入到涡流室25中。催化剂溶液和空气在涡流室25中混合并且通过 雾化喷嘴28并形成气溶胶喷雾锥体29。下列实施例说明本发明的效果。
实施例1
锅炉(Johnston 800 hp,额定3300万BTU/小时)在制造蒸汽方面效率变 得越来越低，为了弥补这一点，增加了空气供应量。对该锅炉进行检查， 发现其空气供应存在缺陷，导致炉内发生不完全燃烧和碳沉积。对该锅炉 的空气供应系统进行修理并且安装本发明的气溶胶输送系统。随后的测量 显示在安装了本发明的气溶胶以后，噪音由107下降到97分贝。将该锅炉 在接近最大工作负荷的情况下用本发明的气溶胶输送系统操作运行1个月。
表明6.5周以后NOx水平下降了 26.8 % ,由149ppm下降到109ppm。用该 气溶胶输送系统操作13周以后，发现NOx水平总体上下降33%，达到 100ppm，燃料总节省约4%。 实施例2
将另 一个锅炉(Johnston 800 hp，额定3300万BTU/小时)在约25 %负荷 下运行。在测定基础NOx水平和氧过量百分比以后，安装本发明的气溶胶 输送系统并且运行3周，结果表明该锅炉可以维持在25%负荷下，过量氣 气减少45 % ，因此燃料下降约4 % 。该锅炉的NOx水平下降36 % ，由136ppm
下降为87ppm。公司锅炉工程师将该火焰描绘成他所看到的最蓝色的火焰， 接近纯烃火焰。
权利要求
1、一种同燃烧装置结合使用的气溶胶输送系统，该系统包括包括第一入口、第二入口以及雾化喷嘴的室，所述第一入口用于向该室供应气源，所述第二入口用于将在溶剂中含有一种或多种无机金属盐的催化剂溶液供应到该室，所述喷嘴用于从该室以气溶胶形式释放流体；其中如此配置所述第一入口、第二入口以及雾化喷嘴，从而当通过所述喷嘴释放时，使所述室中的气体和流体混合并结合形成气溶胶；并且其中所述喷嘴与燃烧前区域、燃烧区以及燃烧后区域中的一个或多个流体相通。
2、 如权利要求1所述的气溶胶输送系统，其中所述喷嘴位于燃烧区中。
3、 如权利要求1或2所述的气溶胶输送系统，其中所述喷嘴位于在燃 烧之前混合空气和燃料的燃烧前区域中。
4、 如权利要求1或2所述的气溶胶输送系统，其中所述喷嘴位于其中 仅存在燃料的燃烧前区域中，和/或所述喷嘴位于其中仅存在空气的燃烧前 区域中，也就是位于这两种成分混合之前。
5、 如权利要求1 、 2、 3或4所述的气溶胶输送系统，其中所述喷嘴 位于燃烧后区域中。
6、 如前述权利要求中任一所述的气溶胶输送系统，其中所述喷嘴为圆 锥形的。
7、 如前述权利要求中任一所述的气溶胶输送系统，其中存在多于一个 的喷嘴。
8、 如前述权利要求中任一所述的气溶胶输送系统，其中气体和催化剂 溶液向所述室中的供应是连续的，从而使得从所述喷嘴连续喷射气溶胶。
9、 如前述权利要求中任一所述的气溶胶输送系统，其中本发明的催化 剂溶液包括一种或多种化合物，所述化合物包含选自铂、钇、铑、铼、钌、 纟我、铈、凌衣、铟、4美、铝、4太、铜、锌、锂、钾、钠、4失、钼、锰、金和 银的金属。
10、 如前述权利要求中任一所述的气溶胶输送系统，其中所述化合物 以0.1-2.0mg/ml的浓度存在于溶液中。
11、 一种用于催化燃料的燃烧的方法，所述方法包括以下步骤 a) 向室中提供催化剂溶液进料和加压气体进料，其中所述室包括与燃烧 前区域、燃烧区和燃烧后区域中的 一 个或多个流体相通的喷嘴，b) 在所述室中混合所述溶液和气体，c) 促使所述溶液和气体的混合物通过所述喷嘴，从而在燃料燃烧装置的燃烧前区域、燃烧区或燃烧后区域中形成气溶胶。
12、 如权利要求11所述的用于催化燃料燃烧的方法，其中可同时或分 别将所述气溶胶和燃料引入到燃油喷射柴油机或汽油发动机的燃烧区中。
13、 如权利要求11或12所述的用于催化燃料燃烧的方法，其中将所述 气溶胶引入到燃烧系统的热废气流中。
14、 如权利要求ll、 12或13所述的用于催化燃料燃烧的方法，其中所 述加压气体选自空气、蒸汽、氮、氩、氦、 一氧化碳、二氧化碳及其组合。
15、 如权利要求ll、 12、 13或14所述的用于催化燃料燃烧的方法，其 中寸吏所述气体经受30-90psi的压力。
16、 如权利要求11-15中任一所述的用于催化燃料燃烧的方法，其中使 所述溶液经受20-70psi的压力。
17、 一种预处理燃料的方法，所述方法包括以下步骤a) 向室中供应催化剂溶液进料和加压气体进料，其中该室包括与燃烧前 区域、燃烧区和燃烧后区域中的一个或多个流体相通的喷嘴，b) 在该室中混合该溶液和气体，迫使溶液和气体的混合物经过喷嘴而形 成气溶胶，其中将该气溶胶施加到固体燃料上，从而在燃烧前预处理该燃 料。
18、 如权利要求n所述的方法，其中所述燃料为固体燃料。
全文摘要
本发明提供一种用于产生气溶胶(其含有化学催化剂前体)的催化气溶胶输送系统，从而将之直接输送到燃烧反应系统的火焰带中，或者将之直接输送到入口空气或入口燃料或者燃料/空气的混合物中，或者将之直接输送到该燃烧反应的热废气中，或者为上述三者的任意组合。本发明系统和组合物能够降低来自该燃烧室的污染，并确保更高效和更清洁的燃烧。在大多数应用中，本发明系统和组合物改善了燃料的经济性。
文档编号C10L10/02GK101107476SQ200580039125
公开日2008年1月16日 申请日期2005年9月27日 优先权日2004年10月1日
发明者B·M·吉布斯, R·C·伦丁, S·K·罗伊, 特雷弗·R·格里菲思 申请人:Lgr有限责任公司