CN101586807A

CN101586807A - 近零污染物排放的无焰催化燃烧冷凝锅炉

Info

Publication number: CN101586807A
Application number: CNA2009100796725A
Authority: CN
Inventors: 张世红; 张�杰; 李德英
Original assignee: Beijing University of Civil Engineering and Architecture
Current assignee: Beijing University of Civil Engineering and Architecture
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2009-03-16
Publication date: 2009-11-25

Abstract

本发明公开了属于环境保护的供热装置范围的一种近零污染物排放的无焰催化燃烧冷凝锅炉。催化燃烧冷凝锅炉由燃烧器腔体、燃烧器冷却装置、催化剂装载容器、一级换热器、二级冷凝换热器、排烟装置组成，在催化剂装载容器内的蜂窝状支撑物上镀铂或钯催化剂，以堇青石材料制成的蜂窝状支撑物。本发明达到了在蜂窝状支撑物横断面上无焰燃烧，达到高度混合和流速的高度均匀，而燃烧器中冷却装置有效的避免了由于高温辐射而引起燃烧器腔内混合气体的点燃；通过燃烧器内的换热器再通过二级冷凝换热器和一级换热器及换热器采用叉排结构，有效的利用能量。结构简单，体积小，操作和控制程度高、燃烧稳定，便于热交换和维护维修。

Description

近零污染物排放的无焰催化燃烧冷凝锅炉

技术领域

本发明专利属于环境保护的供热装置，特别涉及一种近零污染物排放的无焰催化燃烧冷凝锅炉。

背景技术

使用燃料燃烧加热的锅炉包括取暖、烧开水的热水锅炉，工业用的冶炼炉通称为普通有焰燃烧锅炉，在现代社会中有着极为广泛的应用。但也因此带来了一系列的问题。加热锅炉时的有焰燃烧会消耗大量的矿物燃料，同时释放的CO，NOx等会导致严重的环境污染。如何提高燃料的燃烧率，减少对环境的污染是当前倍受关注的课题。常规燃烧在空气中，NOx氮氧化物排放量达40～80ppm，CO大约为几百到上千ppm，即使是常规低氮燃烧，其产生的氮氧化物也在10ppm左右，CO大约为30ppm。一种采用新型的燃烧方式-催化燃烧的装置，具有燃料消耗量少，燃烧完全，污染小等一系列优点，具有节省天然气(贫燃)，排放的氮氧化物、CO大概在1～5ppm左右，对环境污染很低的特点，以近零污染物排放的催化燃烧方式，实现天然气催化燃烧锅炉新的结构还未见报导。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种近零污染物排放的无焰催化燃烧冷凝锅炉，催化燃烧冷凝锅炉由燃烧器腔体1、燃烧器冷却装置2、燃烧器头部的催化剂独石装载容器3、一级换热器5、二级冷凝换热器7、排烟装置11组成，在燃烧器头部的催化剂独石装载容器3内的蜂窝状独石支撑物上镀铂或钯催化剂，以堇青石材料制成的蜂窝状支撑物上的镀催化剂用量按其空间体积计算为每升1.2～2.5克；其特征在于，所述无焰催化燃烧冷凝锅炉具有侧烧式或下烧式催化燃烧冷凝结构，在燃烧器处，燃烧器冷却装置2固定在燃烧器腔体1上，燃烧器腔体1右侧紧接燃烧器头部的催化剂独石装载容器3，然后通过第一腔体4与一级换热器5连接，再通过第二腔体6连接到二级冷凝换热器7，排烟装置11周围设置冷凝水收集装置9，用来收集二级冷凝换热器7中的冷凝水，并通过螺栓8和二级冷凝换热器7固定在一起；烟囱12设置在排烟装置11上端；在燃烧器腔体安装有催化剂独石装载容器3，催化剂独石装载容器3内放置催化剂载体模块26，催化剂载体模块26包括镀催化剂独石和空白独石组成的蜂窝状独石支撑物组合体17，在蜂窝孔孔壁上涂覆有催化剂铂或钯。

所述燃烧器冷却装置的冷水管经过燃烧器冷却装置2后通过主供水管13再分为分支管路14，分支管路14与二级冷凝换热器7中的铜管10进口端连接；所述铜管10的出口端再通过分支管路14汇集成为主回水管15、主回水管15再经过一级换热器换热5后输出热水，供采暖或生活热水。

所述一级换热器5和二级冷凝换热器7均采用双回路系统，即主供水管先分成两个以上分支管路分别连接并列的两个以上二级冷凝换热器，然后由分支管路汇合成主回水管，接着再分成两个以上分支管路通入到两个以上并列的一级换热器中，最后经过换热后汇集到热水管，输出提供人们所需要的热水。

本发明的有益效果是通过在天然气和空气预混后的混合气通过长度为10-20mm的镀贵金属催化剂的蜂窝状独石支撑物通道，和调节燃气和空气的比例，达到蜂窝状独石支撑物横断面上无焰燃烧，使燃气在蜂窝状支撑物的催化燃烧装置横断面上达到高度混合和流速的高度均匀，而燃烧器中冷却装置有效的避免了由于高温辐射而引起燃烧器腔内混合气体的点燃。在理论和实验上解决了近零污染排放催化燃烧炉连续稳定运行的关键技术问题，实现了污染排放的氮氧化物和CO的排放量在1～5ppm左右，远低于《北京市锅炉污染物综合排放标准》中燃气锅炉NOx排放浓度低于97ppm的要求，并且使催化燃烧热水锅炉热效率达到92％左右，天然气达到燃烧效率近100％，排烟温度平均100℃左右。

附图说明

图1为催化燃烧锅炉结构示意图。

图2为催化燃烧锅炉换热器管路系统图。

图3为换热器结构平面图。

图4为催化剂独石的框架结构示意图。

图5为催化剂的活动单元模块示意图。

具体实施方式

本发明提供一种近零污染物排放的无焰催化燃烧冷凝锅炉。下面结合附图对本发明予以进一步说明。

图1所示为催化燃烧锅炉结构示意图，图中，催化燃烧冷凝锅炉由燃烧器腔体1、燃烧器冷却装置2、燃烧器头部的催化剂独石装载容器3、一级换热器5、二级冷凝换热器7、排烟装置11组成，在燃烧器头部的催化剂独石装载容器3内的蜂窝状独石支撑物上镀铂或钯催化剂，以堇青石材料制成的蜂窝状独石支撑物上的催化剂用量按其空间体积计算为每升1.2～2.5克；其特征在于，所述无焰催化燃烧冷凝锅炉具有侧烧式或下烧式催化燃烧冷凝结构，在燃烧器处，燃烧器冷却装置2固定在燃烧器腔体1上，燃烧器腔体1右侧紧接燃烧器头部的催化剂独石装载容器3，然后通过第一腔体4和一级换热器5连接，再通过第二腔体6连接到二级冷凝换热器7、排烟装置11周围设置冷凝水收集装置9，并通过螺栓8和二级冷凝换热器7固定在一起；烟囱12设置在排烟装置11上端；在燃烧器头部安装的催化剂独石装载容器3内放置催化剂载体模块26，催化剂载体模块26包括由镀催化剂独石和空白独石组成的蜂窝状独石支撑物组合体17，在蜂窝孔孔壁上涂覆有催化剂铂或钯。蜂窝状独石支撑物上的催化剂用量按其空间体积计算为每升1.2～2.5克；

所述燃烧器冷却装置的冷水管经过燃烧器冷却装置2后通过主供水管13再分为分支管路14，分支管路14与二级冷凝换热器7中的铜管10进口端连接；所述铜管10的出口端再通过分支管路汇集成为主回水管15、经过一级换热器换热5换热后主回水管15输出热水，供采暖或生活热水(如图2所示)。燃烧器腔内加装燃烧器冷却装置避免了燃烧器腔内由于催化剂的高温辐射而导致的燃烧器内混合燃气点燃，将系统中冷水首先通过燃烧器内冷却装置2再通过二级冷凝换热器7和一级换热器5，而且所有换热器采用叉排结构(如图1、2、3所示)，有效的利用能量。

所述一级换热器5和二级冷凝换热器7均采用双回路系统，即从冷却装置2出来的水通过主供水管道分成两个以上分支管路分别连接并列的两个以上二级冷凝换热器，然后由分支管路汇合成主回水管，接着再分成两个以上分支管路通入到两个以上并列的一级换热器中，最后经过换热后汇集到热水管，提供人们所需要的热水(如图1所示)。

本发明专利是针对现有技术的不足提供的一种近零污染物排放的无焰催化燃烧大功率锅炉，其中燃烧器采用的侧烧式，采用一级换热器5和冷凝式换热器7进行换热，天然气催化燃烧锅炉的热效率可以达到92％以上，在图1所示的催化燃烧锅炉的结构示意图中，天然气和空气混合物通过燃气管道和空气管道预混后进入混合燃气通道(由5％的混合气管道24和燃气管道28组成)然后均匀的进入燃烧器内，在独石催化剂上进行燃烧，燃烧后烟气通过燃烧器进入一级换热器5进行对流换热，同时一级换热器5接收燃烧表面的辐射，烟气接着进入连接一级换热器与冷凝式换热器之间的腔体6，通入到二级冷凝式换热器7，进行冷凝换热，最后进入到排烟腔体11通过烟囱12将烟气排出锅炉。而其中燃烧器与一级换热器，冷凝式换热器器的尺寸根据负荷大小及尺寸要求可以进行调整。

通过采用双回路系统，有效的降低了换热器内水的平均温差，从而导致二级冷凝换热器表面温度降低，烟气中水蒸气冷凝量增大，回收的潜热增大，热效率提高明显。

图1所示为大功率天然气催化燃烧器、采用侧烧式燃烧结构，首先空气和燃气在混合气管道(由5％的混合气管道24和燃气管道28组成)进入燃烧器腔体混合，混合燃气通过网状整流器进行整流，均匀进入镀催化剂独石和空白独石组成的蜂窝状独石支撑物组合体17上进行催化燃烧，其中为了让混合气均匀的进行分配到燃烧器的腔体，故将混合气通道24分成四个支路21进入腔体内。

图4为催化剂独石的框架结构示意图。在燃烧器下部连接有一组置于框架22内的组合催化剂独石，由于镀有贵金属催化剂的独石通道内催化反应区域在通道入口10mm左右内基本结束，但是由于在较高热强度下燃烧不易稳定，利用腔体和靠近入口通道内温度较低的特点，将一块20mm长的空白独石连接在镀钯催化剂独石的入口前组成蜂窝状独石支撑物组合体17。

在燃烧器下部将20块(或更多，根据燃烧功率来确定块数)由包括镀催化剂独石和空白独石组成的蜂窝状独石支撑物组合体17的催化剂载体模块26置于框架内，用框架22将其固定，每个催化剂载体模块四周的间隙中都填充硅酸铝耐高温保温材料18(如图5所示)。

大功率天然气催化燃烧器的工作原理和工作过程如下：天然气催化燃烧是全预混贫燃料无焰燃烧，燃气和空气分别从各自的管道进行预混成5％的混合气从混合气管道24进入燃烧器内并和燃气管道28内的纯燃气在燃烧器腔体混合成7％的混合气，在燃烧器腔体再进行整流，使混合气通过催化剂载体的流速分布均匀。催化燃烧前先将混合气体中天然气的体积浓度调到7％左右，直接在催化剂载体上进行点火，进行常规燃烧，预热催化剂载体，当负载催化剂载体的温度大于催化剂起活温度时，将预混天然气的体积浓度降低到控制天然气/(天然气+空气)的体积比为5％，进行催化燃烧，维持贫燃料燃气的体积浓度，通过控制预混气体的流量控制催化燃烧温度，并且将燃烧温度控制在催化剂极限温度以下，使在独石支撑物表面温度达到800～1150℃左右。

分别为7％的天然气和5％的天然气体积浓度，主要是由于天然气点燃需要在7％的浓度下，而达到稳定燃烧后浓度需要降到5％左右，故最初点燃时将天然气浓度为2％的辅助阀门30和5％的主阀门29同时打开(A1阀门、A2阀门、A3阀门、A4阀门和B1阀门，B2阀门，B3阀门，B4阀门打开)，当达到稳定催化燃烧后把2％的辅助阀门30及燃气管道中下部的相对应的B1阀门、B2阀门、B3阀门、B4阀门关闭，使腔内的混合气比例控制在5％，从而进行催化燃烧。而5％的主阀门29是可以调节大小的，当有催化剂模块烧坏的时候可以通过改变主阀门29的开度来减少5％燃气混合气的进量，从而使流过每块催化剂模块的燃气混合气流量保持稳定。

在燃烧器腔体与安装有催化剂独石的框架结构中间加装了冷却装置，目的是为了降低燃烧器腔内的混合气温度，避免腔内混合气体点燃，这样的冷却装置有效的阻止了腔内混合气的点燃，使催化燃烧反应更加稳定。

催化燃烧器核心技术涉及催化燃烧器结构、燃烧器预混控制技术、点火和燃烧控制技术。

催化燃烧器设计的原则是结构简单，体积小，操作和控制自动化程度高、燃烧稳定，便于热交换和维护维修，根据上述原则设计的大功率天然气催化燃烧器(功率为10～100KW)及100KW以上。

图5催化剂的活动单元模块，图中18耐高温保温棉；25催化剂载体模块插入弯卡；26.催化剂载体模块；

由于燃烧器中安装有很多的催化剂的组装结构从而导致了燃烧器结构很大、很笨重，从而造成了催化剂独石燃烧损坏后更换困难，故设计了如图5所示的结构方便催化剂的拆装。

催化剂独石的框架结构做成抽拉式结构一个活动的催化剂载体模块26，两侧有催化剂载体模块插入弯卡25，用来将催化剂载体模块26插入燃烧器下部的框架22上，在催化剂载体模块26周围垫入保温棉18，其目的是防止漏气，这样如果有一块催化剂载体模块26烧坏，只需抽出该烧坏催化剂载体模块26所在的一排就可以方便的更换。当加大燃烧功率时，比如超过20块催化剂，我们只需要增加催化剂的活动单元-催化剂载体模块26就可以了。而且我们把进入每个催化剂载体模块26中的燃气/空气混合气体与其它模块单元相互隔绝，如果某个催化剂载体模块26烧坏，只是这几块不能运行，这样不会影响其它单元模块的正常运行，也不会使燃气发生泄露而导致爆炸。

当有催化剂模块烧坏(例如A1阀门和B1阀门所对应的模块)的时候，可以通过改变阀门29的开度来减少燃气/空气的混合气，从而使流过每块催化剂模块的燃气混合气流量保持稳定。而且我们把进入每个催化剂载体模块26中的燃气/空气混合气与其它模块单元相互隔绝，例如与A1阀门所对应的催化剂载体模块被烧坏，就把A1阀门关闭、B1阀门在点燃后已关闭，而其它正常燃烧的催化剂载体模块所对应的A2阀门、A3阀门、A4阀门不关闭；并且通过调小主阀门29使其它催化剂载体模块在额定功率下运行，从而使其它模块正常燃烧。更换烧坏的模块后，打开2％的辅助阀门30及A1阀门和B1阀门，增大5％燃气混合气的进量，重新点燃更换的模块，达到稳定催化燃烧后，关闭2％的辅助阀门30及B1阀门。

Claims

1.一种近零污染物排放的无焰催化燃烧冷凝锅炉，催化燃烧冷凝锅炉由燃烧器腔体(1)、燃烧器冷却装置(2)、燃烧器头部的催化剂独石装载容器(3)、一级换热器(5)、二级冷凝换热器(7)、排烟装置(11)组成，在燃烧器头部的催化剂独石装载容器(3)内的蜂窝状独石支撑物上镀铂或钯催化剂，以堇青石材料制成的蜂窝状独石支撑物上的催化剂用量按其空间体积计算为每升1.5～2.5克；其特征在于，所述无焰催化燃烧冷凝锅炉具有侧烧式或下烧式催化燃烧冷凝结构，在燃烧器处，燃烧器冷却装置(2)嵌入燃烧器腔体(1)上，燃烧器腔体(1)右侧紧接燃烧器头部的催化剂独石装载容器(3)，然后通过第一腔体(4)和一级换热器(5)连接，再通过第二腔体(6)连接到二级冷凝换热器(7)、排烟装置(11)周围设置冷凝水收集装置(9)，并通过螺栓(8)和二级冷凝换热器(7)固定在一起；烟囱(12)设置在排烟装置(11)上端；在燃烧器腔体安装有催化剂独石装载容器(3)，催化剂独石装载容器(3)内放置催化剂载体模块(26)，催化剂载体模块(26)包括由镀催化剂独石和空白独石组成的蜂窝状独石支撑物组合体(17)，在蜂窝孔孔壁上涂覆有催化剂铂或钯。

2.根据权利要求1所述近零污染物排放的无焰燃烧催化烧冷凝锅炉，其特征在于，所述一级换热器(5)和二级冷凝换热器(7)均采用双回路系统，主供水管(13)先分成两个以上分支管路(14)分别连接并列的两个以上二级冷凝换热器(7)，然后由分支管路(14)汇合成主回水管(15)，接着再分成两个以上分支管路(14)通入到两个以上并列的一级换热器(5)中，最后经过换热后汇集到主回水管(15)输出提供人们所需要的热水。

3.根据权利要求1所述近零污染物排放的无焰燃烧催化烧冷凝锅炉，其特征在于，所述一级换热器和二级冷凝换热器采用叉排结构，由单根铜管的两端分别并排连接在主供水管和主回水管上。

4.根据权利要求1所述近零污染物排放的无焰燃烧催化烧冷凝锅炉，其特征在于，催化剂的组装结构包括抽拉式的催化剂载体模块(26)，两侧有催化剂载体模块插入弯卡(25)及用来将催化剂载体模块(26)插入燃烧器下部的框架(22)，在催化剂载体模块(26)周围垫入保温棉(18)，其目的是防止漏气，这样如果有一块催化剂载体模块(26)烧坏，只需抽出该烧坏催化剂载体模块(26)所在的一排就可以方便的更换。

5.根据权利要求1或4所述近零污染物排放的无焰燃烧催化烧冷凝锅炉，其特征在于，所述催化剂载体模块(26)内每个蜂窝状独石支撑物组合体(17)的两端分别通过A1阀门，A2阀门，A3阀门，阀门A4和阀门B1，B2阀门，B3阀门，B4阀门连接分支管(21)，由分支管(21)连接至混合气管道(24)和燃气管道(28)，混合气管道(24)连接5％的主阀门(29)，燃气管道(28)连接2％的辅助阀门(30)；由于天然气点燃需要在7％的浓度下，而达到稳定燃烧后浓度需要降到5％左右，故最初点燃时将天然气浓度为2％的辅助阀门(30)和5％的主阀门(29)同时打开，此时A1阀门，A2阀门，A3阀门，阀门A4和阀门B1，B2阀门，B3阀门，B4阀门均打开，当达到稳定催化燃烧后把2％的辅助阀门(30)及燃气管道中下部的相对应的B1阀门、B2阀门、B3阀门、B4阀门关闭，使腔内的混合气比例控制在5％，从而进行催化燃烧；而5％的主阀门(29)是可以调节大小的，当有催化剂模块烧坏的时候可以通过改变主阀门(29)的开度来减少5％燃气混合气的进量，从而使流过每块催化剂模块的燃气混合气流量保持稳定；蜂窝状独石支撑物组合体(17)的两端分别通过A1阀门，A2阀门，A3阀门，阀门A4和阀门B1，B2阀门，B3阀门，B4阀门的目的是使进入每个催化剂载体模块(26)中的燃气/空气混合气与其它模块单元相互隔绝，如果某个催化剂载体模块(26)烧坏，只是这几块不能运行，这样不会影响其它单元模块的正常运行，也不会使燃气发生泄露而导致爆炸。