CN102147111B - 一种耦合强弱放热的分级催化燃烧装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耦合强弱放热的分级催化燃烧装置，包括内外筒、锥形套和空气进气圆管；外筒的一端与内筒之间密封，内筒的一端从外筒的密封端伸出，空气进气圆管伸入内筒的另一端内；锥形套密封连接在外筒和空气进气圆管之间；外筒的圆周上均布设有多个与外筒内连通的空气进气管，相邻空气进气管之间设有与外筒内连通的燃气进气管；外筒的内壁以及内筒壁涂覆催化剂。本发明将内外管集中到一个反应装置中，进行分级催化燃烧，使之发生耦合反应，强化了氧化反应；进气管切向交叉布置，有利于燃气和空气的均匀混合和贴壁流动，而气体旋流，增加在微小空间内的停留时间，能够增强燃烧的稳定性，使反应更容易发生，燃烧更充分，进而提高燃烧效率。

Description

一种耦合强弱放热的分级催化燃烧装置

技术领域

本发明涉及一种适用于气体催化重整燃烧的反应器，尤其涉及一种新型的耦合强弱放热的分级催化燃烧装置。

背景技术

随着科学技术的发展，微型机械的应用越来越受到科学工作者的重视。微型机械装置较传统的机械装置相比具有无可比拟的优点：体积小、重量轻，可以大大减小装置的体积，在较小的空间内完成人们无法完成的工作；能量密度高，具有较高的工作效率，微型机械装置可以将燃料的化学能更好的转化为机械能输出；生产成本较低，对环境的污染小。正是由于微型机械有这些优点，使得它在军事、国防建设、航空航天、医疗等领域有广阔的应用前景。常见的气体燃料的利用方式有两种：一种是将气体燃料直接点燃，获取能量，另一种是将气体燃料进一步转化为其他的可燃气体，然后进行燃烧以获取能量。对于浓度较高的可燃气体来说，一般直接点燃即可，不需要将其再转化为其他气体燃料，而对于一些浓度较低的可燃气体来说，有时需要将其转化为更有利于点燃的可燃气体，然后再进行燃烧，这样可以减少点火方面的困难，而且能够保证更完全的燃烧，提高燃料的利用效率。然而由于微型燃烧器的燃烧空间极小，在燃烧腔内燃料燃烧的驻留时间急剧缩短，易出现燃烧不稳定，点火困难、易熄火等现象，也难以保证燃料完全燃烧。此外随着燃烧空间的缩小，燃烧器面容比增大，热量损失非常严重。现有的燃烧器一般是单独利用其中的一种方式，很少有将两部分结合起来进行应用的，而这就限制了一些燃料的利用，降低了燃料的利用效率。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足之处，本发明提供了一种保证可燃气体在微小空间内稳定、高效的燃烧，将温和放热的氧化过程和强放热的燃烧过程耦合在一起的耦合强弱放热的分级催化燃烧装置。

    本发明的目的是这样实现的：一种耦合强弱放热的分级催化燃烧装置包括内筒、套在内筒外的外筒、锥形套和空气进气圆管；所述外筒的一端与内筒之间密封，外筒的另一端与内筒的内孔相通；所述内筒的一端从外筒的密封端伸出，伸出端作为排气口，所述空气进气圆管的一端伸入内筒的另一端内；所述锥形套的大锥口端与外筒的筒口密封连接，锥形套的小锥口端与空气进气圆管的外圆密封连接；所述内筒与外筒之间为催化氧化重整区域，所述内筒的内孔为催化反应重整区域；所述外筒的圆周上、且靠近密封端均布设有多个与催化氧化重整区域连通的空气进气管，相邻空气进气管之间设有与催化氧化重整区域连通的燃气进气管；所述外筒的内壁和内筒的外壁上涂敷Pt-Ni基催化剂，所述内筒的内壁上涂覆Pd/CeO₂催化剂。

进一步，所述空气进气管和燃气进气管沿外筒的圆周的切线方向设置；

进一步，所述外筒的内壁以及内筒的外壁和内壁呈网格状、波纹或凹坑结构。

本发明的一种耦合强弱放热的分级催化燃烧装置与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明的内筒与外筒之间为催化氧化重整区域，内筒的内孔为催化反应重整区域，实现了在催化氧化重整区域内发生温和放热反应和在催化反应重整区域内发生强放热反应的耦合，同时也实现了催化部分氧化重整和催化燃烧的耦合。

2、实现了分级燃烧，在催化氧化重整区域内先将甲烷转变为H₂和CO的混合气体，混合气体再进入催化反应重整区域内进行燃烧，可以降低燃烧反应的活化能，使反应更容易、更稳定的进行，采用内筒与外筒相结合延长了反应通道，提高了燃烧效率，提高了反应系统的稳定性。

3、与分段式分级催化燃烧相比，笔筒式分级催化燃烧，强放热的第二级燃烧可为第一级催化部分氧化重整提供热量，外部的第一级反应可充分吸收利用内部的燃烧放热，强放热燃烧过程中的散热问题可得到有效解决，大大减少了微尺度下高温燃烧壁面直接与周围环境接触时的散热量。

4、进气管沿外筒的圆周的切线方向设置，燃气和空气沿外筒的切线方向进入催化氧化重整区域内，在该催化氧化重整区域内形成旋流预混，并使流体贴壁运动，加速气流向催化壁面的扩散，延长流体运动路径，同时也加大了入口管道间的间距，使管道的连接更方便。

附图说明

    图1为本发明一种耦合强弱放热的分级催化燃烧装置的剖面结构示意图；

    图2为图1中沿A—A方向的剖视图。

    附图中： 1—外筒； 2—内筒； 3—催化氧化重整区域； 4—催化反应重整区域； 5—空气进气圆管； 6—锥形套； 71—空气进气管； 72—燃气进气管； 8—空气进气口； 9-排气口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。

图1为本发明一种耦合强弱放热的分级催化燃烧装置的剖面结构示意图，图2为图1中沿A—A方向的剖视图，如图所示。一种耦合强弱放热的分级催化燃烧装置包括内筒2、套在内筒2外的外筒1、锥形套6和空气进气圆管5。外筒1的一端与内筒2之间密封，外筒1的另一端与内筒2的内孔相通；内筒2的一端从外筒1的密封端伸出，伸出端作为排气口9，空气进气圆管5的一端伸入内筒2的另一端内，另一端作为空气进气口8；锥形套6的大锥口端与外筒1的筒口密封连接，锥形套6的小锥口端与空气进气圆管5的外圆密封连接。内筒2与外筒1之间为催化氧化重整区域3，内筒2的内孔为催化反应重整区域4。外筒1的圆周上、且靠近密封端均布设有多个与催化氧化重整区域3连通的空气进气管71，相邻空气进气管71之间设有与催化氧化重整区域3连通的燃气进气管72，空气进气管71与燃气进气管72形成交叉分布（本实施例中，外筒1的外圆周上均布设有两个燃气进气管，两个空气进气管，燃气进气管和空气进气管交叉分布）。外筒1的内壁和内筒2的外壁上涂敷Pt-Ni基催化剂，内筒2的内壁上涂覆Pd/CeO₂催化剂。Pt、Pd均为燃烧用催化剂，Pt-Ni主要是为了催化燃烧和部分氧化重整反应的结合；Pd/CeO₂主要是为第二级的催化燃烧，Pd是催化燃烧的催化剂，CeO₂为助剂，主要是对催化剂进行改性，产生协同作用，使Pd催化剂具有较好的热稳定性和活性。

    空气进气管71和燃气进气管72沿外筒1的圆周的切线方向设置，空气通过空气进气管71沿外筒1的切线方向进入催化氧化重整区域3内，燃气通过燃气进气管72沿外筒1的切线方向进入催化氧化重整区域3内。空气和燃气在该催化氧化重整区域内形成旋流预混，并使流体贴壁运动，加速气流向催化壁面的扩散，延长流体运动路径。

外筒1的内壁以及内筒2的外壁和内壁呈网格状、波纹或凹坑结构，空气与燃气进入催化氧化重整区域3内时，与该结构面壁上的催化剂接触，既增加催化表面积，又起着强化传热、增强预混的作用。

    使用该一种耦合强弱放热的分级催化燃烧装置时，将空气通入空气进气管71，燃气通过燃气进气管72，燃气和空气分别外筒1的切线方向旋流进入催化氧化重整区域3内，混合燃料气体在Pt-Ni基催化剂的作用下发生甲烷催化部分氧化反应（即第一级反应），并生成CO和H₂；CO和H₂在锥形套6处汇聚后进入催化反应重整区域4，一部分空气通过空气进气圆管5的进气口8进入催化反应重整区域4，并在Pd/CeO₂催化剂作用下发生催化燃烧（即第二级反应），完全反应释放出全部热量；最后，燃烧后的气体从排气口9排出。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种耦合强弱放热的分级催化燃烧装置，其特征在于：包括内筒（2）、套在内筒（2）外的外筒（1）、锥形套（6）和空气进气圆管（5）；所述外筒（1）的一端与内筒（2）之间密封，外筒（1）的另一端与内筒（2）的内孔相通；所述内筒（2）的一端从外筒（1）的密封端伸出，伸出端作为排气口（9），所述空气进气圆管（5）的一端伸入内筒（2）的另一端内；所述锥形套（6）的大锥口端与外筒（1）的筒口密封连接，锥形套（6）的小锥口端与空气进气圆管（5）的外圆密封连接；所述内筒（2）与外筒（1）之间为催化氧化重整区域（3），所述内筒（2）的内孔为催化反应重整区域（4）；所述外筒（1）的圆周上、且靠近密封端均布设有多个与催化氧化重整区域（3）连通的空气进气管（71），相邻空气进气管（71）之间设有与催化氧化重整区域（3）连通的燃气进气管（72）；所述外筒（1）的内壁和内筒（2）的外壁上涂敷Pt-Ni基催化剂，所述内筒（2）的内壁上涂覆Pd/CeO₂催化剂。

2.根据权利要求1所述的一种耦合强弱放热的分级催化燃烧装置，其特征在于：所述空气进气管（71）和燃气进气管（72）沿外筒（1）的圆周的切线方向设置。

3.根据权利要求1或2所述的一种耦合强弱放热的分级催化燃烧装置，其特征在于：所述外筒（1）的内壁以及内筒（2）的外壁和内壁呈网格状、波纹或凹坑结构。

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