CN1828137B - 气体燃料催化燃烧器 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种气体燃料催化燃烧器,具体涉及一种用于供暖或加热(热风)***的催化燃烧器。本发明的预混室(1)内布置有空气导流管(2)与旋风导流面(3),使燃气与空气在很小的空间内迅速混合均匀;催化燃烧室由两个催化燃烧室组成,将催化燃烧区域分为富燃区和贫燃区,在两个催化燃烧室之间设有一个二次燃气或空气混合室(10),室内设有四个切向的燃气或空气喷嘴(11),形成旋流,使二次燃气或空气与燃气充分混合。预混室与第一催化燃烧室之间设有一个金属多孔板(4),防止该装置点火时出现回火现象。本发明实现了气体燃料(天然气、煤气或液化石油气)高效低排放的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于供暖或加热(热风)***的催化燃烧器,它的燃料为天然气,煤气或液化石油气,属于能源利用领域。
背景技术
气体燃烧方式有扩散燃烧和预混燃烧,两者均为火焰燃烧。现代科学研究证明,火焰燃烧有两大致命的缺点:(1)火焰燃烧是燃烧物质在自由基参与下的氧化反应,涉及到自由基(特别是氧自由基)的气相引发,不可避免地生成部分电子激发态产物,以可见光的形式释放能量。这部分能量无法利用而损失掉,造成能量利用率低。(2)自由基的气相引发使空气中的氮气参与燃烧反应而形成毒性污染物NOx,低的燃烧效率产生可观的未完全燃烧的HC和CO,排入大气会造成环境污染。
解决火焰燃烧的低效和高排放的有效途径之一是催化燃烧,具有燃烧效率高(CO和未完全燃烧的HC排放低)、燃烧温度低(<1200℃,因此NOX排放低)、燃烧过程稳定可控(通过控制催化反应)等优点。催化燃烧是低碳烃在催化剂表面进行的氧化反应,是一种以无焰燃烧为主的燃烧方式。
催化燃烧技术应用的关键是设计、研究和开发出高效催化燃烧器,目前,市场上没有类似的催化燃烧器,而一般常规的气体燃烧器存在NOx排放高的问题。利用催化燃烧技术的炉灶,难以在工业领域和作为供热***得燃烧器使用。
发明内容
本发明的目的是解决现有燃烧器存在的NOx排放高的问题以及催化燃烧炉灶应用范围小等问题,为将催化燃烧技术应用到工业加热烘干和供热领域,提出一种可实现高效低排放的气体燃料催化燃烧器。
本发明所采用的具体技术方案参见图1~图9。本发明主要由预混室1和催化燃烧室组成,预混室1内设有两个气流流动方向相反的由两个1/4圆弧的圆形管组成的空气导流管2,还设有旋风导流面3,旋风导流面3由四个1/4圆弧的圆柱面组成,旋风导流面中心位置的两个1/4圆弧半径为外侧的两个1/4圆弧半径的1/6~1/3,圆弧柱面之间光滑连接。这种结构使空气在预混室内形成两个旋转方向相反的涡流,两个气体涡流相切之处设有燃气进气喷嘴,在气体涡流中燃气与空气得到充分的混合。催化燃烧室由第一催化燃烧室5和第二催化燃烧室9两个催化燃烧室组成,第一催化燃烧室5设置在预混室1的上部,二者通过法兰连接,第一催化燃烧室5上部是二次燃气或空气混合室10,二者通过法兰连接,二次燃气或空气混合室10上部是第二催化燃烧室9,二者通过法兰连接;第一催化燃烧室5下部设有点火器6,第一催化燃烧室内安装2~3层催化燃烧催化剂层7、其中第一层催化剂为Pt/CeO2/Al2O3/陶瓷蜂窝催化剂或Pd/CeO2/Al2O3/陶瓷蜂窝催化剂,第二层和第三层催化剂为CeO2/Mn基六铝酸盐/蜂窝催化剂.预混室1与催化燃烧室之间设有一个孔径为0.5~5mm的金属多孔板4,可增加燃气流速,使其大于火焰传播速度,防止该装置点火时出现回火现象.第二催化燃烧室内安装有另一催化燃烧催化剂层12,分为2~3层,催化剂均为CeO2/Mn基六铝酸盐/蜂窝催化剂。蜂窝载体的材料是堇箐石、莫来石或金属蜂窝,蜂窝孔可以为方形、平行四边形或圆形,蜂窝孔的截面积为1~9mm2。每一层催化燃烧催化剂层之间设有陶瓷支撑环8。在第一催化燃烧室5和第二催化燃烧室9之间设有一个二次燃气或空气混合室10,将催化燃烧室分为两个燃烧区域,在第一催化燃烧室和第二催化燃烧室内可分别实现富燃和贫燃燃烧,达到控制燃烧过程,减少排放的目的。二次燃气或空气混合室室内设有四个切向的燃气或空气喷嘴11,形成旋流,使二次燃气或空气与燃气充分混合。第一催化燃烧室5和第二催化燃烧室9的中心位置设有热电偶套管17,可以分别测量每一催化床层上端面的温度,并与自控单元和燃气比例阀配合达到可控催化燃烧的目的。在作为供暖设备应用时,该装置第二催化燃烧室(9)的顶部设有列管式换热器13,如果不安装列管式换热器,通过该设备可以提供温度为800~1200℃的热空气,可以应用于工业烘干等设备。
本发明的设计原理为:催化燃烧是在催化剂表面上的无焰燃烧,可以降低燃烧器的最高燃烧温度,从而减少NOx的产生。由于催化燃烧催化剂为蜂窝状,燃气与空气进入催化剂之前必须充分混合均匀,此外,催化燃烧过程应稳定可控。因此,本发明设计了(a)切向涡流预混装置,使燃气与空气在很小的空间内迅速混合均匀;(2)将燃烧区域分为两段,并在两段燃烧区域之间设计了具有四个二次燃气(空气)切向进气喷嘴的二次燃气(空气)混合室,此项设计可以将催化燃烧区域分为富燃区和贫燃区,或分两阶段燃烧(或称为二次喷射分层燃烧),控制和调整主燃气和二次燃气及空气(或二次空气)的量,可以实现燃气的均匀可靠稳定的燃烧,并将最高燃烧温度控制在小于1200℃,使该设备的NOx排放小于5ppm。
本发明实现了气体燃料(天然气、煤气或液化石油气)高效低排放的目的。
附图说明
图1气体燃料催化燃烧器的组装示意图;
图2气体燃料催化燃烧器结构图;
图3燃气预混室俯视图;
图4燃气预混室结构图;
图5多孔板的结构图;
图6催化剂床层结构图;
图7二次燃气(空气)混合室结构图;
图8列管式换热器结构图;
图9气体燃料催化燃烧器燃烧过程控制流程图。
1、燃气预混室,2、空气导流管,3、旋风导流面,4、金属多孔板,5、第一催化燃烧室,6、点火器,7、催化燃烧催化剂层,8、陶瓷支撑环,9、第二催化燃烧室,10、二次燃气或空气混合室,11、燃气或空气喷嘴,12、另一催化燃烧催化剂层,13、列管式换热器,14、燃气喷嘴,15、电子控制单元,16、进气口,17、热电偶套管。
具体实施方式
现参照附图对本发明的优选实施例来进行具体描述。
参照图1和图2,该催化燃烧炉包括:燃气预混室1、第一催化燃烧室5、第二催化燃烧室9、二次燃气或空气混合室10、列管式换热器13五个主要部分。
预混室1内的空气导流管2由两个1/4圆弧的圆形管组成,旋风导流面3由四个1/4圆弧的圆柱面组成,旋风导流面中心位置的两个1/4圆弧半径为外侧的两个1/4圆弧半径的1/5。催化燃烧室由第一催化燃烧室5和第二催化燃烧室9两个催化燃烧室组成,第一催化燃烧室5下部设有点火器6,第一催化燃烧室内安装2层催化燃烧催化剂层7、其中第一层催化剂为Pt/CeO2/Al2O3/陶瓷蜂窝催化剂或Pd/CeO2/Al2O3/陶瓷蜂窝催化剂,第二层催化剂为CeO2/Mn基六铝酸盐/陶瓷蜂窝催化剂。第二催化燃烧室内安装有另一催化燃烧催化剂层12,分为2层,催化剂均为CeO2/Mn基六铝酸盐/陶瓷蜂窝催化剂。蜂窝载体的材料是莫来石,蜂窝孔可以为方形,蜂窝孔的截面积为4mm2。每一层催化燃烧催化剂层之间设有陶瓷支撑环8。在第一催化燃烧室5和第二催化燃烧室9之间设有一个二次燃气或空气混合室10,室内设有四个切向的燃气或空气喷嘴11,形成旋流,使二次燃气或空气与燃气充分混合。第一催化燃烧室5和第二催化燃烧室9的中心位置设有热电偶套管17,可以分别测量每一催化床层上端面的温度,并与自控单元和燃气比例阀配合达到可控催化燃烧的目的。
在启动该燃烧器时,少量燃气和空气通过比例调节阀(未示出)从进气口16喷入燃气预混室中,其中空气从两个1/4圆弧形的空气导流管2中喷出,在旋风导流面3的作用下形成两个旋转方向相反的涡流,燃气在两个旋转涡流的相切处由燃气进口14喷出,在燃气预混室内空气混合均匀,参加图3和图4,然后,混合燃气通过多孔金属板4,参见图5,形成平流进入第一催化燃烧室,多孔金属板孔径为1.5mm,使燃气流速度大于火焰传播速度,防止该装置点火时出现回火现象。然后,混合燃气在多孔金属板上端被点燃,加热第一催化燃烧室中的催化剂,当第一层催化剂7上表面温度达到燃气在催化剂上的起燃温度时,电子控制单元15将空气和燃气阀关闭0.5秒钟,使第一催化燃烧室中的明火消失,燃气直接与催化剂层7和催化剂层12表面接触,进行催化燃烧。然后,根据各催化床层12的温度和预定的功率调节主燃气和空气以及二次燃气和空气的流量,调节量和频率根据催化剂床层12温升而确定,此时可以实现富燃和贫燃的双区域催化燃烧。二次燃气或空气混合室10内设有四个切向的燃气(空气)喷嘴11,使二次空气(燃气)与主燃气混合均匀,参见图7。通过该设备可以提供温度为800~1200℃的热空气,可以应用于工业烘干等设备,如加装上本发明所述的列管式换热器13,参见图8,该设备即可应用于供热***。本发明实例装置的功率为12-48kw/h。
Claims (9)
1.一种气体燃料催化燃烧器,包括预混室(1)和催化燃烧室,其特征在于:沿预混室(1)内壁面相对位置布置有空气导流管(2)与旋风导流面(3),均为对称结构;空气导流管(2)由两个1/4圆弧的圆形管组成,空气的进气口设在空气导流管的中心位置,旋风导流面(3)由四个1/4圆弧的圆柱面组成,旋风导流面中心位置的两个1/4圆弧半径小于外侧的两个1/4圆弧半径,圆弧柱面之间光滑连接;催化燃烧室由第一催化燃烧室(5)和第二催化燃烧室(9)两个催化燃烧室组成,第一催化燃烧室(5)设置在预混室(1)的上部,二者通过法兰连接,第一催化燃烧室(5)上部是二次燃气或空气混合室(10),二者通过法兰连接,二次燃气或空气混合室(10)上部是第二催化燃烧室(9),二者通过法兰连接;第一催化燃烧室(5)下部设有点火器(6),第一催化燃烧室内安装催化燃烧催化剂层(7),第二催化燃烧室内安装有另一催化燃烧催化剂层(12),二次燃气或空气混合室(10)的室内设有四个切向的燃气或空气喷嘴(11)。
2.根据权利要求1所述的气体燃料催化燃烧器,其特征在于:所述的预混室(1)中旋风导流面(3)的中心位置的两个1/4圆弧半径为外侧的两个1/4圆弧半径的1/6~1/3,预混室的中心位置设有燃气喷嘴(14)。
3.根据权利要求1所述的气体燃料催化燃烧器,其特征在于:预混室(1)与第一催化燃烧室(5)之间设有一个金属多孔板(4),孔径为0.5~5mm。
4.根据权利要求1所述的气体燃料催化燃烧器,其特征在于:所述的第一催化燃烧室内的催化燃烧催化剂层(7)分为2~3层,其中第一层催化剂为Pt/CeO2/Al2O3/陶瓷蜂窝催化剂或Pd/CeO2/Al2O3/陶瓷蜂窝催化剂,第二层和第三层催化剂为CeO2/Mn基六铝酸盐/蜂窝载体催化剂。
5.根据权利要求1所述的气体燃料催化燃烧器,其特征在于:所述的第二催化燃烧室内的催化燃烧催化剂层(12)分为2~3层,每层催化剂均为CeO2/Mn基六铝酸盐/蜂窝载体催化剂。
6.根据权利要求1或4或5所述的气体燃料催化燃烧器,其特征在于:每一层催化燃烧催化剂层之间设有陶瓷支撑环(8)。
7.根据权利要求4或5所述的气体燃料催化燃烧器,其特征在于:蜂窝载体的材料是堇箐石、或莫来石或金属蜂窝,蜂窝孔为方形、平行四边形或圆形中的任一种,蜂窝孔的截面积为1~9mm2。
8.根据权利要求1所述的气体燃料催化燃烧器,其特征在于:所述的第一催化燃烧室(5)和第二催化燃烧室(9)的中心位置设有热电偶套管(17)。
9.根据权利要求1所述的气体燃料催化燃烧器,其特征在于:第二催化燃烧室(9)的顶部安装列管式换热器(13)或不安装。
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