催化剂用的支承结构 【发明领域】
本发明涉及用于将高温反应如催化燃烧中使用的整体性催化剂结构固定在反应室或反应器内的改进的支承结构。此外，本发明针对一种在高温催化方法如燃气涡轮动力厂用的催化燃烧的高温催化方法中使用该改进的支承结构的方法。
【发明背景】
已知许多种高温方法(过程)，它们使用整体性催化剂结构来促进所要的反应，例如废气排放控制用的部分氧化碳氢化合物和完全氧化碳氢化合物，汔车废气排放控制中的催化剂回气管，以及供燃气轮机、炉子之类进一步使用的燃料的催化燃烧。此种催化系统的典型是在燃气轮机地热燃烧装置中使用的催化剂，以便提供低的废气排放和高的燃烧效率。为了获得高的涡轮效率，需要高的气体温度。这当然给使用的催化剂整体施加一个高的热应力，这种催化剂整体通常是一种单件的或结合的金属或陶瓷结构，做成具有多个沿纵向设置的通道，用于通过燃烧气体混合物，至少一部分通道在其内表面上涂有一层燃烧催化剂。
除了高热应力以外，作为燃气轮机中燃烧装置特征的高的气流速率对催化剂结构施加一个沿气流方向推动的显著的轴向载荷或力，这种轴向载荷是由于对催化剂结构的沿纵向设置的通道内的气流的阻力即摩擦而产生的。例如，如果使用如Dalla Betta等人在美国专利No.5,183,401中描述的多级整体性催化剂结构作为催化剂燃烧反应器中的20英寸直径的催化剂，其中空气/燃料混合物的流动速率为约50 lbs/秒而通过该催化剂的压力降为4psi，那么对该催化剂的总的轴向载荷将为约1,260 lbs。
在高温(如接近和甚至超过1000℃的温度，此时金属整体开始丧失强度)和上述大的轴向载荷(从高的气流速度得来)两者的结合作用下，可以产生催化剂支承件的显著移动或变形。事实上，在使用一个波纹状金属箔催化剂整体的情况下，其中该波纹状箔以非套叠形式卷绕在一起以形成一个圆柱形螺旋结构，内中这些金属箔并不粘合在一起，高温和从高气流产生的大轴向载荷的结合可能使整个结构沿气流方向发生套叠，特别当轴向力超过该卷绕结构中箔对箔的滑动阻力时。因此，需要为催化剂结构提供一种支承，以便利用一个支承结构来固定该催化剂结构使其不沿气流方向的轴向发生移动和/或变形，这种支承结构将在高温下提供必要的支承而不干扰作为燃气涡轮原动力的催化燃烧的效率和效益。
在Dalla Betta等人于1993年12月10日提出的共同待审的美国专利申请顺序号No.08/165,966(代理人备审文件号No.P-1065)中，描述了在催化剂结构的出口处使用内冷支柱或支杆作为支承该催化剂的机构。该方法的优点是，这些支柱由空气或其它热传递介质冷却，因此这些支柱即使在极高温度下也能够具有抵抗轴向载荷的高强度。但是，该方法的缺点是，这些支柱需要一个冷却空气源而这会导致燃烧系统设计更复杂，或者要求使用高压空气而这在燃气涡轮机中可能不能使用。一个附加的缺点是，空气冷却的支柱比较宽地安置在催化剂的表面上。这造成高的局部接触力或应力。在催化剂设计的某些部分中，这些接触力可能超过薄催化剂箔的屈服强度，导致箔的变形。这显然不是希望的结果，并有损于在高的轴向载荷应用中使用空气冷却的支柱。
箔变形问题的一种可能的解决方案是提供更多的冷却支杆，以便减小在催化剂出口表面处的接触应力。但是，因为空气冷却支杆比较厚，所以在催化剂出口处使用大量的支杆会增大对气流的阻塞并增大燃烧系统中的总压力降，这是不希望有的。同时，空气冷却支杆的间隔必须非常接近，以便减小与催化剂箔的接触应力。
另一种可能的方法是使用一种不冷却的金属支承。这将允许支杆的截面细得多，并减小总截面积和最终压力降。但是，这也有一个概念问题，就是惯常的想法是，在这些系统的高操作温度下，大多数金属的强度大大减小，不使用非常粗的材料就不可能支承轴向载荷，因而导致严重阻塞气流。
发明概述
令人惊奇的是，现在已经发现，用耐高温金属或陶瓷制成的不冷却的支承结构可以用作将一个整体性催化剂结构固定在反应器中的优越机构，该整体性催化剂结构包括多个沿纵向设置的通道，以便通过流动气体混合物，该反应器设计用于高温反应和高的气体流速或流量，这种支承结构不会产生不适当的压力降或以别的方式干扰催化反应。这种独特的高效支承结构包括一个整体性蜂窝状或开孔网格式支承结构，其网格式开孔至少像催化剂结构中的通道一样大，所述网格式开孔与催化剂结构的通道存在流体连通，并用耐高温金属或陶瓷的薄带或肋板制成，它们结合在一起，形成一个单件结构，紧靠催化剂结构的整个出口端面并在其上面延伸，支承结构的周边这样固定在反应器壁上，使得任何施加在开孔网格式支承结构上的轴向力将被传递到反应器壁上。
不管其开孔网格的外形如何，本发明的整体性蜂窝状或开孔网格式(蜂槽式)支承结构当固定于反应器壁时具有足够的强度，能够承受在高温和高的气体流速下操作的催化剂结构施加给支承结构的轴向载荷或力，因而尽可能减小了催化剂结构的任何轴向移动或变形。其次，该开孔网格式结构的固有强度使得能够在该结构框架中使用较薄的金属或陶瓷薄带或肋板，这一点与使用至少像催化反应器通道开孔一样大的开孔网格相结合，使本发明的支承结构能够有利地用于有待避免通过支承结构的压力降的高气体流速用途中，如随后用于燃气涡轮的燃料/空气混合物的催化燃烧。最后，本发明的以承结构的蜂窝状或开孔网格式特性提供多个紧靠催化剂结构的整个端面或截面的支承带或肋板，因此，催化剂结构的轴向载荷更均匀地分散在整个整体性支承结构上，而避免了催化剂结构中的局部变形。
虽然本发明的整体性开孔网格式支承结构最适合于安置在催化剂结构的出口端或出口侧，以便固定催化剂结构防止沿通过该催化剂结构的气流方向的轴向移动，但它们对通过支承结构的气流的阻力极低，这使它们也有吸引力地用于支承催化剂结构的入口侧，以防止在突然的气流倒转情况下出现任何向后移动。其次，在使用如上述Dalla Betta等人的美国专利No.5,183,401中公开的多级催化剂系统的情况下，本发明的支承结构可以安置在一个或多个催化剂级的出口端部处，并因而起释放后继催化剂级上轴向力的中间级支承的作用。
因此，本发明的一个方面针对一种用于将一个催化剂结构固定在反应室内的支承结构，该催化剂结构做成具有多个带入口和出口端部的沿纵向设置的通道，这些通道用于通过流动的气体混合物，所述支承结构由一种整体性开孔网格式结构组成，其中网格的壁用耐高温的金属或陶瓷材料的带制成，以提供网格式开孔，其尺寸至少像催化剂结构的通道在其入口和出口端部处形成的开孔一样大，所述整体性开孔网格式结构：
(a)安置在催化剂结构的出口端部处或催化剂结构的入口端部处或催化剂结构的入口端部和出口端部两处；
(b)定位和构形成紧靠催化剂结构的一端并沿垂直于催化剂结构纵轴的方向延伸，以基本上盖住催化剂结构的端面，该整体性开孔网格式结构的网格式开孔与催化剂结构的通道存在流体连通；以及
(c)以其周边固定在反应室壁上，使得施加在该整体性开孔网格式结构上的轴向载荷被传递到该反应室壁上，由此限制所述催化剂结构平行于其纵轴的轴向移动。
本发明的另一方面致力于一种供催化燃烧或部分燃烧一种燃料用的改进的方法，该燃料特别适用于燃气涡轮用途，其中使用本发明的整体性开孔网格式支承结构而将该燃烧催化剂结构固定在燃烧器或反应室内。该方法包括下列步骤：
(a)形成一种带有含氧气体的燃料混合物；和
(b)使该含氧气体和燃料混合物作为流动气流流过位于反应室中的整体性催化剂结构，所述催化剂结构做成具有多个沿纵向设置的通道，用于通过所述流动气流，所述催化剂结构在所述反应室内是利用一个整体性开孔网格式结构来稳定的，在该结构中网格的壁是用耐高温的金属或陶瓷材料带制成的，以提供网格式开孔，该开孔至少像催化剂结构的通道在其入口和出口端部处形成的开孔一样大，所述整体性开孔网格式结构：
(ⅰ)安置在催化剂结构的出口端部处或催化剂结构的入口端部处或催化剂结构的入口端部和出口端部两处；
(ⅱ)定位和构形成紧靠催化剂结构的一端并沿垂直于催化剂结构纵轴的方向延伸，以基本上盖住催化剂结构的端面，该整体性开孔网格式结构的网格式开孔与催化剂结构的通道存在流体连通；以及
(ⅲ)以其周边固定在反应室壁上，由此限制所述催化剂结构平行于其纵轴的轴向移动。
本发明的其它方面包括一种利用本发明的整体性开孔网格式结构将整体性催化剂结构固定在反应室内的方法，以及用作供使用整体性催化剂的多级催化方法用的中间级支承的根据本发明的支承结构。
附图简述
图1是一种燃气涡轮燃烧器中的催化燃烧反应器的侧视图。
图2A和2B表示一种整体性催化剂结构的制造，它可以利用本发明的整体性支承结构有效地固定在反应器内。
图3A和3B表示本发明支承结构的组成部件和一部分截面。
图4A至4E表示本发明的催化剂支承结构的各种构型的端视图。
图5、6、7、8是根据本发明的催化剂反应器的示意图。
图9A和9B示意表示由于通过催化剂结构的高气流而产生的轴向载荷对本发明支承结构的影响。
发明详述
本发明包括一个不冷却的支承结构，用于将一个整体性催化剂结构的位置固定在反应室或反应器内，在那里催化剂结构受到由于通过催化剂的高速气流而产生的高温和大的轴向载荷。此外，本发明还涉及一种将该支承件应用于催化燃烧方法的方法。更具体地说，本发明针对这样一种支承结构，它能限制燃烧反应器内的一种相当挠性的整体性催化剂结构的轴向移动。除了限制催化剂结构的轴向移动外，该支承结构增大催化剂的对抗由通过催化剂的气流施加的力的强度。
图1示出一种典型的催化燃烧反应器。如该图中所示，一种催化剂结构(10)安置在燃烧反应器(1)中预燃烧器(4)的下游，并垂直于含氧气流(通常为空气和燃料混合物)，该燃料经过燃料喷射器(5)引入整体性催化剂结构。催化剂结构应被安置成可获得一个通过该催化剂的均匀的空气/燃料混合物气流，并允许该混合物流过沿纵向穿过催化剂结构的通道。为了使催化剂结构在燃烧反应器内保持在稳定的位置中，必须使用某种类型的支承机构或结构来将催化剂结构固定在燃烧反应器上，包括(作为一种可能性)一种紧靠催化剂结构的出口侧(9)的支承结构。如此处所用，催化剂结构的“出口侧”(9)是部分或完全燃烧的空气/燃料混合物流出催化剂结构的一侧。因此，催化剂结构的“入口侧”是未燃烧的空气/燃料混合物初始引入催化剂结构的一侧。
该催化剂结构可以按照任何已知设计来制造，特别是包括至少部分涂有催化剂的多个平行纵向管道或通道的整体式催化剂结构。典型的催化剂结构公开于许多已出版的参考文件中，包括Dalla Betta等人的美国专利No.5,183,401；No.5,232,351；No.5,248,251；No.5,250,489和No.5,259,754中，以及Young等人的美国专利No.4,870,824。该催化剂结构可以从蜂窝状、波纹板螺旋卷、柱状(或“稻草束”)或其它具有纵向管道或通道的构型的金属或陶瓷衬底(基片)制成，这些纵向管道或通道允许高的气体空间速度并具有跨越催化剂结构的最小压力降。例如，可以合适地使用如图2A和2B中所示的螺旋形催化剂结构。这种结构的制造方法是，将一张金属箔(20)弯曲成具有凹槽(21)和凸棱(22)的波纹或波浪形，然后将其与一张平面金属箔(片)(24)一起卷绕成具有交替的波纹状箔(20)和平面形箔(24)的大的螺卷(25)，作为一个圆柱形单元。为了制备该催化剂结构，在一起卷绕成螺旋形催化剂结构之前，该波纹状箔和/或平面形箔通常在其一面或两面上涂敷一种铂族金属，最好是钯和/或铂。虽然例示的催化剂结构涉及一种与平面形箔结合的直槽形波纹状结构的金属箔，但其它合适的螺旋形催化剂结构包括当两个或更多个具有平直状或人字状波纹图形的波纹状箔以非套叠方式卷绕在一起时得到的结构。本发明的催化剂结构支承件在金属螺旋形催化剂结构的情况下特别有利，因为当它们暴露于充分高的温度，如1000℃或更高下的高速气流中而使金属结构软化或以其它方式弱化时，它们具有沿气流方向伸缩或变形的倾向。
支承结构
本发明的支承结构由整体性开孔网格式或蜂窝状结构组成，它们用耐高温金属或陶瓷的薄带或肋板制成，该支承结构紧靠催化剂结构的一端，并沿垂直于催化剂结构纵轴的方向延伸，基本上盖住催化剂结构的一个端面(在入口端或出口端或两端处)，使该支承结构的周边固定在反应器壁上。制成该支承结构的薄带或肋板结合在一起，形成一个具有网格式开孔的单件结构，网格式开孔至少像催化剂结构的通道开孔一样大。该支承结构的网格式开孔同时安置成与催化剂结构的通道存在流体连通，从而使从催化剂结构来的基本上未变换的气流通过该支承结构。
虽然没有预期本发明的支承结构的开孔网格式性能能导致高强度(特别在高温环境下)，但本发明的支承结构令人惊奇地显示高度的结构完整性和抵抗轴向力的强度，这种轴向力是由催化剂结构的沿通过催化剂结构的气流方向的移动或变形倾向而施加到支承结构上的。如前面为直径较大的燃烧催化剂如直径10至25英寸的催化剂所指示的，一个典型的通过催化剂的4psi的压力降可以沿气流方向形成一个约600至约1600 lbs的轴向载荷或力。在上述范围中的轴向力下和在约1000℃或更高的温度下，本发明的支承结构仅显示非常小的挠曲或弯折，而由于制成开孔网格式支承整体的多个薄带或肋板提供的支承件的均匀性能，催化剂结构的任何局部变形都基本上消除。因此，本发明的支承结构具有双重优点，即，既能支承一较大的轴向载荷，又具有十分敞开的结构，对通过该结构的气流的阻力非常小。
本发明的整体性开孔网格式支承结构可以是陶瓷的或金属的，也可以是任何设计来在高温和高载荷下提供显著的结构整体性和强度的任何其它结构材料。在本发明的支承结构中可以有利使用的耐高温金属材料包括耐高温合金钢如镍合金、钴合金或铬合金或能满足所需温度要求的其它合金，以及金属间材料和金属陶瓷复合材料。当然，可以使用不同的材料，这取决于支承结构的位置与它受到的温度和轴向力。例如，在催化剂结构(或多级催化剂系统的前面几级中)的入口端部处使用的支承结构将不会受到与施加在最后催化剂级的出口端部上相同的温度和力，因此结构材料可以不同。优选的金属结构材料包括Fe Cr Al合金，它们通常包含约20％Cr和约5％Al及余量的Fe，例如可从Allegheny Ludlum公司(美国宾夕法尼亚州匹兹堡市)买到的Alfa Ⅳ、可从川崎钢铁公司(Kawasakisteel，日本神户)买到的Riverlite R20-5SR和可从VDM公司(德国Werdohl市)买到的Aluchrom Y。其它优选的金属合金为Ni Cr Al合金，是含约20％Cr和约5％Al而余量为Ni的镍基超合金，例如可从Haymes国际公司(美国印地安那州Kokomo市)买到的Haynes 214。合适的陶瓷材料包括从康宁玻璃公司(美国纽约州Corning市)买到的Celcor堇青石和可从NGK Locke公司(美国密歇根州Southfield市)买到的堇青石整体性衬底(基片)。
本发明的支承结构可以用任何形成整体式蜂窝状结构的常规技术构成或制造，用陶瓷或金属材料的带片或肋板(肋材)制成，它们结合在一起而形成一个单体结构。例如，该结构可以在适当的模具中铸成单个单元，或者该结构可以通过将一系列带片或肋板结合在一起而制成，这些带片或肋板已预先模制或弯曲，以便当它们结合在一起时可提供所要的网格式开孔构型。在这方面，图3A和3B例示根据本发明的一部分支承结构的制造，其中该结构为具有六角形网格式开孔的金属整件。该支承结构用金属薄带(30)制成，这些金属薄带已制成具有平面的凸棱(31)和凹槽(32)的波纹带。这些波纹薄带安置在一起而形成图3B中示出的六角形或蜂窝状结构，其中接触的薄带平面部分用焊接或钎焊(33)结合在一起而形成单件的或整体式结构。当形成一个完整的支承结构时，例示的蜂窝状结构可以在其周边上围绕一个圆形金属带(未示出)，圆形金属带结合在蜂窝周边部分上的方式与制成蜂窝的波纹带的结合方式相同。一个圆形的金属带或金属框架用于使支承结构具有圆形截面，该圆形截面与圆筒形催化剂结构的截面沿垂直于通过催化剂结构的气流的方向是基本上具有相同的外延的。在用金属带制成支承结构的情况下，最好使用钎焊技术来使这些薄带互相结合，因为这能给出比使用焊接技术更强更整体性的结构，但是并不排除使用焊接作为将这些薄带结合在一起的方法。焊接和钎焊也可以组合使用，作为将薄带结合在一起的方法。
本发明的支承结构中的网格式开孔可以有各种形状，只要它们的截面积适当均匀并允许那些形成网格式开孔边缘的相邻薄带或肋板之间充分接触，以便能够产生薄带或肋板之间的强烈结合。适当地，开孔式网格结构的网格形状可以是多边形、椭圆形或圆形，多边形网格优选梯形、三角形、矩形、方形或六角形。从易于制造和在相邻的薄带或肋板之间可以产生的结合强度的观点看，最好选用六角形的网格开孔。在这方面，图4A至4E例示几种不同开孔网格构型的端视图，它们可以有利地用于如图2B中所示圆筒形催化剂结构用的本发明的支承结构中。图4A表示具有由作为支承结构框架的圆形带(41)包围并结合的六角形网格开孔(40)的支承结构的截面，而图4B表示一个具有由圆形框架(43)包围的方形网格开孔(42)的支承结构的类似截面。图4C例示根据本发明的一种支承结构的截面，其中网格式开孔在圆形框架(45)中也是圆形的。最后，图4D和4E表示本发明的支承结构具有梯形网格式开孔(46)或三角形网格式开孔(48)，每种情况下由圆形框架(47)和(49)围绕。
如上面指出的，关键的是，不管其具体形状如何，本发明的支承结构中的网格式开孔的尺寸是这样的，就是它们的截面积至少与构成催化剂结构的各个纵向通道的截面积一样大。最好是，网格式开孔为催化剂结构开孔的1.1倍至200倍大，催化剂结构开孔与网格式开孔流体连通，以便尽可能减小压力降或其它破坏流通问题。对于催化燃烧方法中使用的典型的整体性催化剂结构，本发明的支承结构的开孔网格子或网格式开孔将具有从约0.03平方英寸到约2.0平方英寸的平均网格尺寸或截面积，平均网格尺寸最好在约0.05平方英寸到约0.2平方英寸的范围内。
制造本发明的支承结构的带片或肋板的厚度(定义为任何单个带片沿垂直于气流方向测得的截面尺寸)和制造本发明支承结构的带片或肋板的宽度(定义为带片沿气流方向纵向测得的尺寸)将由许多因素决定，这些因素涉及反应室和催化剂结构的尺寸与使用支承结构的方法参数。例如，金属带或陶瓷带的厚度将取决于可以容忍的气流阻塞(压力降)、待支承的轴向载荷、催化剂结构的直径、开孔网格结构的网格尺寸和使用中遇到的预期温度。同样，根据本发明的支承结构的宽度将取决于如下因素，如待支承的轴向载荷、催化剂结构的尺寸，将要遇到的预期温度和反应室中对支承结构的允许空间。为了避免不适当的压力降和补偿通常遇到的其它方法变量，制造支承结构的带片或肋板的厚度应当是催化剂结构的沿纵向设置的通道壁厚度的约0.5至约20倍。对于金属结构，带片厚度最好在催化剂通道壁厚度的约1倍至约10倍之间，而对于陶瓷结构，带片或肋板的厚度在催化剂结构的通道壁厚度的约2倍至约20倍之间。在催化燃烧中通常使用的催化剂结构的情况下，本发明的金属支承结构的带片厚度适宜范围为约0.0001英寸至约0.10英寸，金属带厚度的优选范围为约0.002英寸至约0.03英寸，最优选范围为约0.005英寸至约0.02英寸。对于催化燃烧中通常遇到的轴向载荷，最好在本发明的支承结构中使用宽度为约0.25英寸至约3英寸的金属带，如果使用陶瓷支承结构，带片或肋板的宽度最好在约0.75英寸和约4英寸之间。但是，在每种情况下，选定的具体宽度和厚度在一定程度上将取决于所选定的结构材料的局部应力与实际的屈服和蠕变强度。
制造本发明支承结构的带片或肋板的厚度与结构中网格密度或网格开孔尺寸的结合，能直接影响气流进出受支承结构阻塞的催化剂结构的程度。适宜的是，这些因素这样受到控制，使得根据本发明的任何单个支承结构所产生的气流阻塞小于约25％。最好是，气流阻塞在约5％到15％之间，使得不会不适当地破坏气体反应混合物的气体流动性能。此外，支承结构中的气流通道最好是具有相当光滑的壁的平直管道，以便尽可能减小气流中的紊流和得到对气流的最低阻抗。
图5、6、7示出催化反应器中本发明的支承结构的典型应用。图5示出一种如催化燃烧系统中使用的单级催化反应器，气体反应混合物(50)流入催化反应器，后者有一个由反应器壁(51)限定的反应室并包含一个催化剂结构(52)，反应器壁(51)在催化燃烧器的情况下将是燃烧器衬壁，而催化剂结构(52)包括多个平行的纵向通道，用于通过气体反应混合物。该催化剂结构利用本发明的整体性开孔网格支承结构(53)固定在反应室内，该支承结构(53)利用凸缘或凸棱(54)固定在反应器壁上，该凸棱(54)附接在反应器壁上或是反应器壁的一部分，并沿向内方向伸出而形成一个凸耳，其上安置支承结构的外缘或周边。以这种方式，由气流通过催化剂结构作用在支承结构上的轴向载荷从该支承结构转移到反应器壁上。
图6示出一类似的反应系统，但使用一个两级催化反应器。在此种情况下，气体反应混合物(60)也流入一个具有由反应器壁(61)限定的反应室的催化反应器，但在此情况下有两个整体性催化剂结构(62)和(63)，它们由第一级和第二级催化反应系统组成，在每种情况下，该催化剂结构利用本发明的支承结构(64)和(65)固定在反应室内，支承结构(64)和(65)安置成紧靠两个催化剂结构的每一个的出口端部或出口面。示出的两个支承结构利用向内伸出的凸缘或凸棱(66)和(67)固定在反应器壁上，使得催化剂结构上的轴向载荷被传递到支承结构上，然后支承结构将该载荷传递到反应器壁上。
最后，图7表示一种没有级间支承的两级催化反应器，但在反应器的入口侧和出口侧处利用本发明的支承结构来固定。在此同样，气体反应混合物(70)流入一催化反应器，该反应器具有由反应器壁(71)限定的反应室并包含由两个整体性催化剂(72)和(73)组成的多级催化剂，它们彼此紧靠，每个有多个平行的纵向通道，这些通道与另一催化剂级中的通道流体连通。这两级催化剂结构利用本发明的支承结构固定在反应室内，支承结构安置在第二级催化剂结构的出口端部(74)和第一级催化剂结构的入口端部(75)处，以基本上将催化剂结构夹在反应室内使它不能沿任一轴向移动。在两级系统的出口端部处的支承结构和入口端部处的支承结构两者用凸缘或凸棱(76)和(77)固定，后者从反应壁向内伸出，因而用于将任何轴向力传递到反应器壁上。
使用将本发明支承结构安置在其上面的反应器壁上的向内伸出的凸缘或凸棱，比起(例如)实际上利用焊接或其它方法将支承结构的边缘固定和定位在反应器壁上来，具有明显的操作优点。这是因为该凸棱或凸缘可以容纳支承结构而支承结构并不一直延伸到反应器壁，从而提供一个自由空间来容纳支承结构与热气流接触时可能产生的热膨胀。最好是，本发明的支承结构的尺寸和使用的凸棱或凸缘是这样的，使得支承结构可以沿周边方向膨胀到其直径的2％而不会紧靠或接触反应器壁。在一优选实施例中，如图5、6、7中所示的在反应器壁上安置支承结构的下游或出口侧的凸缘或凸棱可以在支承结构的入口侧或表面紧前方的一个位置上复制，而有效地形成一个槽，在槽中可以安置支承结构而仍然具有适应热膨胀的自由度。有了这种将支承结构固定在反应器壁上的优选方法，任何对支承结构的突然的反压力将不会造成支承结构的错位。
另一种将本发明的支承结构固定在反应器壁上的优选方法示于图8，图中例示一个单级催化反应器，其中气体反应混合物(80)流入一催化反应器，后者有一个由反应器壁(81)限定的反应室，并包含一个利用本发明的开孔网格式支承结构牢固地固定在反应器中的催化剂结构(82)。在本发明的该优选实施例中，并不一直延伸到反应器壁的支承结构利用铆钉(84)连接在反应器壁上，这些铆钉通过反应器壁伸入支承结构的一系列空腔中，这些空腔的深度足以允许支承结构在暴露于热反应气体时产生的热膨胀。也就是，铆钉穿入支承结构一个足够的长度，以便牢固地固定支承结构，而同时在铆钉端部处留下足够的开孔区，允许支承结构的温差热膨胀。
如上所述，本发明的支承结构的一个重要而令人惊奇的优点是，当遇到高的轴向载荷或力时它呈现出优越的强度，这种载荷或力是由高的气流通过支承结构所支承的整体性催化剂结构而产生的。也就是，当一个高的轴向载荷置于支承结构上时，支承结构将显示沿施加轴向力的同一方向挠曲或弯折的倾向，而在本发明的支承结构的情况下，即使当该结构在高的轴向载荷之外还受到高的热应力时，也能观察到对此种弯折或变形的令人惊奇的弹性。对于本发明的支承结构，这由表示催化反应器的图9A和9B示出，其中催化剂结构(90)利用其出口侧处的本发明支承结构(92)固定在反应室壁(91)内，该支承结构转过来又利用向内伸入反应室的凸缘或凸棱(93)固定在反应器壁上。在此种情况下，通过催化剂结构的气流(94)使作用在支承结构上的轴向力导致支承结构沿气流方向的偏移或弯曲(图9B中以夸大形式示出)。对于本发明的目的，该偏移可以表达和量化为对任何给定的支承结构的变形指数，其中“变形指数”的定义是在一个从轴向气流对催化剂的标准的或典型的载荷即4psi下出现的支承结构的偏移或弯曲除以支承结构的直径(或非圆形支承结构的近似直径)的长度的比值(数值)，该4psi的载荷对催化燃烧应用是典型的。该偏移或弯曲如图9B中所示地测得，是在未加应力状态下支承结构的变曲与在标准轴向载荷即4psi下出现的弯曲之差。对于本发明的支承结构，该变形指数适当地位于约0.00001至约0.05之间，最好在约0.001至约0.02之间。这个极低的变形指数(它甚至对暴露于约1000℃的范围中的温度下的本发明的支承结构也仍然保持)，表明根据本发明的支承结构当遭受高轴向载荷时的优越强度，这种高轴向载荷是在极高气流速率下操作的催化燃烧之类方法的特征。
方法
如上所述，本发明的支承结构可以用于碳氢燃料或其它燃料如甲烷、乙烷、H2或CO/H2混合物的催化燃烧。在该方法中，一种含氧气体如空气与碳氢燃料混合而形成可燃的氧/燃料混合物。该氧/燃料混合物作为流动气体流过置于反应室内的整体性催化剂结构，以燃烧该氧/燃料混合物并形成一种部分或完全燃烧的热气体产物。
在该方法中可以使用各种催化剂。例如，在本发明中可以使用在题为“具有整体热交换的催化剂结构”的美国专利No.5,250,489中描述的具有整体热交换表面的催化剂结构，或题为“分级的含钯部分燃烧催化剂和使用该催化剂的方法”的美国专利No.5,248,251和No.5,258,349两专利中描述的分级含钯部分燃烧方法催化剂。此外，该方法可以涉及完全燃烧燃料或部分燃烧燃料，如题为“燃烧可燃混合物的方法”的美国顺序号No.08/088,614的共同待审申请中描述的。其次，该方法可以是一个多级方法，其中利用各个阶段中的专用催化剂和催化剂结构来分步燃烧燃料，如题为“在加热阶段中利用氧化物催化剂燃烧燃料混合物的多级方法”的美国专利No.5,232,357中所描述的。上述六个专利和一个专利申请均参考结合于此。
该方法也涉及稳定反应室中催化剂结构的位置，以便防止催化剂结构沿轴向移动。该催化剂结构在反应室中利用一整体性开孔网格式结构来稳定，其中网格的壁用耐高温的金属或陶瓷材料和薄带来制成，以提供网格式开孔，其尺寸至少像催化剂结构的通道在其入口和出口端部处形成的开孔一样大，该整体性开孔网格式结构为：
(a)安置在催化剂结构的出口端部处或催化剂结构的入口端部处或催化剂结构的入口端部和出口端部两处；
(b)定位和将其形状做成紧靠催化剂结构的一端并沿垂直于催化剂结构的纵轴方向延伸，以基本上盖住催化剂结构的端面，该整体性开孔网格式结构的网格式开孔与催化剂结构的通道存在流体连通；以及
(c)将其周边固定在反应室壁上，由此限制所述催化剂结构平行于其纵轴的轴向移动。
应当明白，该技术的普通专业人员可以对后随权利要求书中叙述的装置想象等同方案，而这些等同方案将处在本发明权利要求书的范围和精神实质中。