选择性催化还原反应器用的催化剂钛的载体基材

摘要

用来在氨存在条件下选择性还原废气中氮的氧化物的轻型催化剂块，它包含沉积在金属钛或其合金催化剂载体基材上的催化活性金属氧化物。合适的催化活性氧化物如TiO2、V2O5、WO3、MoO3和它们的混合物可以作为糊料或浆料通过修补基面涂覆沉积在基材上或施涂在基材上。在一个实施方案中，所述基材呈为有贯穿其中一些通孔的板的形式。

说明书

技术领域

本发明涉及催化剂用的载体基材，更具体的说，涉及选择性催化还原(SCR)反应器用的催化剂载体基材。

技术背景

SCR系统用来净化锅炉和炉子废气中的杂质，尤其是降低NOx排放物。在催化剂存在下，将氨注入锅炉废气流中。氨就和废气发生反应，除去废气中大部分的NOx，并将其转化为水和元素氮。所述SCR反应在最佳温度范围内发生。多数反应可以在450-840°F(232-499℃)操作，但是最佳是在675-840°F(357-499℃)之间。在此推荐温度范围之外，许多催化剂材料的效率变得较低。用来除去NOx的SCR系统的其它细节可见Steam/its generation and use的第35章，第40版，Stultz和kitto，Eds.，版权1992，The Babcock & Wilcox，Company，其内容参考结合于此。

大多数的现代SCR系统使用块型催化剂，制成平行板或蜂窝状的结构。在民用发电站中为有效还原NOx所需的催化床的尺寸很大。为了方便地搬运和安装，这些块制成较大的块件。例如，由The Babcock & Wilcox，Company建造并改制成675MW的燃煤发电站的SCR系统，包括Babcock-Hitachi提供的31,664立方英尺(897立方米)的0.25英寸(6毫米)板型催化剂。所述催化剂排列成四段或四层，各段以12×12的形式排列了总共144块。连同其所要求的相关安装和系统改建，这种大型催化装置建造相当昂贵。

在本说明书唯一的附图中，显示了上述装置的截面侧视图。这一常规构造的SCR系统100，其SCR反应器20中有若干催化剂层30。废气从SCR反应器20排入一空气加热器60中。SCR系统100设计成在氨注入栅格10用的向上流动的管道系统和混合之后，废气是向下流动的。这就使得垂直反应器处于装置中高的部位。因此，结构费用占了SCR系统尤其是改制系统总成本的很大一部分。由于涉及设备结构的费用占SCR改制系统的资本费用多达50％，因此结构的合适程度是设计中降低成本的重要考虑因素。虽然可以使用现有的结构钢50，但是，图中显示为了承载SCR系统以及相关的上游和下游管道系统的重量，需要大量的新结构钢40。SCR系统的基础和所用的结构钢也必须考虑进去，且可能需要对改制装置作出修改。

典型的SCR脱硝催化剂如二氧化钛(TiO₂)、五氧化二钒(V₂O₅)、三氧化钨(WO₃)和三氧化钼(MoO₃)较贵。为了降低所用催化剂化合物的量，通常将它们涂覆在金属载体基材或者陶瓷蜂窝体上。图中所示系统的板型SCR催化剂承载在不锈钢基材上。虽然已知使用二氧化钛(TiO₂)作为SCR脱硝催化剂，但是在有些用途中，并没有使用二氧化钛作为催化剂，而是使用陶瓷结构整体来承载另外不同的SCR脱硝催化剂。

虽然已知有一些催化剂用的金属基材和陶瓷二氧化钛(TiO₂)基材，但是上述参考文献没有一个讲述或提出了SCR系统中由钛金属或其合金制成的催化剂基材的特殊优点，尤其是没有讲述或提出使用钛，这种昂贵的材料作为催化剂基材也可以降低SCR系统的总成本。

发明内容

本发明涉及一种SCR催化剂块，其中所述催化剂载体基材由金属钛或其合金制成。钛具有高的强度/重量比值，由此可以使催化剂载体的重量降至不锈钢载体的大约1/2，同时保持同样的强度。

因此，本发明一个方面/目的涉及重量轻的SCR催化剂块。

本发明另一方面/目的涉及容易制造、装运和组装的SCR催化剂块。

本发明另一方面/目的涉及需要较少用来承受系统重量的结构钢的SCR催化剂块。

本发明另一方面/目的涉及提供能更快速地从冷条件升温，以及能更迅速地瞬时适应废气温度改变的SCR催化剂块。

因此，提供用来在氨存在条件下选择性还原废气中氮的氧化物的催化剂块，它由沉积在许多选自钛金属或其合金的基材上的催化活性金属氧化物组成。

在另一实施方案中，在氨存在条件下催化除去废气中氮的氧化物的方法，包括提供选自钛金属或其合金的基材，然后将催化活性金属氧化物沉积在此载体基材上。

在另一实施方案中，在氨存在条件下催化除去废气中氮的氧化物的方法，包括提供基本上是钛的载体基材，然后将选自TiO₂、V₂O₅、WO₃和MoO₃的催化活性金属氧化物沉积在基材上。

在所附的并是本公开一个构成部分的权利要求中，具体指出了表征本发明新颖性的各个特征。为了更好地理解本发明以及使用本发明获得的操作上的优点，可以参阅作为本公开构成部分的附图和说明性材料，在其中说明了本发明的一个优选

实施方案。

附图说明

在作为本说明书构成部分的附图中，数字表示类似或相应的部分：

此唯一的附图是可以实施本发明的一个SCR系统的截面侧视图。

具体实施方式

根据级别的不同，不锈钢的密度约为8.03克/厘米³。与此不同，钛的密度约为4.505克/厘米³。由于钛的密度低，而且强度高，改变催化剂装置使用合适级别的钛，例如级别11(一种与级别1的钛类似的广泛使用的钛钯合金)来代替不锈钢，可以降低SCR催化剂重量大约44％。

虽然钛的价格大约是不锈钢的2倍，但是与不锈钢制成的基材相比，催化剂用的钛基材，其重量可以大约降低至1/2。由于钛是以单位重量购买的，钛基材的成本大致等于不锈钢基材的成本，而却能提供不锈钢基材不能有的一些优点。

钛基材所实现的重量降低显著降低了承载SCR系统重量所需的结构钢的量，由此降低了购买结构钢的成本。此外，使用钛板基材在制造和安装过程中容易进行搬运，例如，在安装过程中可以使用较低负载的起重机，或者在预定或非预定的停机过程中提供更加灵活的调整，由此节省搬运和操作成本。而且，整个SCR系统将能更加迅速地升温和降温，可以从冷条件更加快速的开机，以及对瞬时条件的改变能更加快速的响应。由于NOx催化除去反应效率最高的温度范围相当高且很窄，这一点尤其重要。另一优点是，若催化剂破裂或碎裂，会使钛基材暴露在废气中的氧中，此时钛会氧化成二氧化钛，对NOx的选择性还原也有催化作用，虽然相比起初施加到钛基材上的活性较高的催化剂，其效率较低。

通过已知的技术，例如修补基面涂覆可将SCR NOx去除催化剂如TiO₂、V₂O₅、WO₃和MoO₃以及它们的混合物涂覆到钛基材上。常规的修补基面涂覆通常能形成高表面积氧化物如氧化铝连同一种或多种催化剂的涂层。可以以与在表面上施涂涂料相同的方式，例如喷涂、直接涂覆或者将基材蘸到修补基面涂料中来施涂修补基面涂层。最初，修补基面涂覆是用于催化NOx排放物控制而在汽车工业中发展出来的。在汽车废气转化器中，通常所用的催化剂是贵金属，如钯和铑。这些贵金属以其前体化合物形式涂覆在蜂窝载体上，连同涂覆的有高表面积载体金属氧化物或者涂覆在这些表面积载体金属氧化物的表面上，所述金属氧化物例如为氧化铝、二氧化铈和氧化钛，它们作为氧化物、前体化合物或者混合物加入到修补基面涂料中。美国专利4,762,567(授权给W.R.Grace & Co.)说明了通过氧化铝修补基面涂层将铂催化剂加涂到金属基材上的方法，如本文所述参考结合于此。

在美国专利5,151,256和5,166,122中分别说明了将脱硝催化剂作为糊料或浆料施涂到不锈钢板条基材上的已知方法。这两个专利均授权给Babcock-Hitachi，并且如本文所述参考结合于此。

虽然上面已经列出并说明了本发明具体的实施方案和/或细节来说明本发明的应用原则，但是应当理解，在不背离这种原则的条件下，本发明可以如权利要求书中更加全面所述的或者其它本领域技术人员已知的(包括任何所有的等价内容)其他方法来实现。例如，在一个可用的实施方式中，可以使用含铝的钛合金，如广泛使用的Ti-6Al-4Vα-β合金作为催化剂基材。可以将合金中的铝在基材上有意氧化形成氧化铝层，由此提高催化剂对载体基材的附着力，而不是进行修补基面涂覆。