CN103244958A

CN103244958A - 一种脉动金属丝网催化燃烧装置及燃烧方法

Info

Publication number: CN103244958A
Application number: CN2012100234842A
Authority: CN
Inventors: 汤根土; 胡万起; 李竹川; 王晓岚
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2012-02-02
Filing date: 2012-02-02
Publication date: 2013-08-14

Abstract

本发明涉及催化燃烧技术领域，具体地，本发明涉及一种脉动金属丝网催化燃烧装置及燃烧方法。所述装置包括声去耦室(1)、Rijke管(3)，所述装置还包括金属丝网催化床层(2)，该金属丝网催化床层(2)设置于Rijke型脉动金属丝网催化燃烧器主体中。与现有技术相比，本发明的优点为：1、催化燃烧效率高、污染物排放少；2、结构简单紧凑、投资费用少；3、阻力降低，由于气流呈脉动状态，降低了边界层流动阻力，使得气流通过金属丝网催化床层时气流阻力相应地得到了降低。本发明可用于固定源排放易挥发性有机污染物(VOCs)的净化，还可用于低热值可燃性富氢燃气如高炉煤气的高效利用与污染物减排。

Description

一种脉动金属丝网催化燃烧装置及燃烧方法

技术领域

本发明涉及催化燃烧技术领域，具体地，本发明涉及一种脉动金属丝网催化燃烧装置及燃烧方法。

背景技术

在橡胶、合成皮革、药品、漆包线、印刷品、鞋、涂料等生产工艺以及喷漆过程中产生易挥发性有机污染物(VOCs)，如烃类、卤代烃、芳香烃、多环芳烃、丙酮、吡啶、乙酸乙酯等，它们是环境中一类重要的有毒有机污染物，对人类健康危害极大。不断严格的环保法律法规促进了这类污染物消除技术的研发，为此作为有效消除VOCs的催化燃烧技术受到了人们的普篇关注。

蜂窝陶瓷催化燃烧技术是目前工业广泛使用的用于消除VOCs的一种有效方法，它具有低阻力降、稳定的净化效果以及适用于大流量有机废气的处理等优点，但是由于受到陶瓷材料本身特性的影响，存在导热性差的缺点，从而带来了催化燃烧产生的热量不能得到有效的散发，出现局部高温及催化剂烧结失活现象。另外，受到蜂窝陶瓷体结构的限制，气流在细直长通道中流动只能是层流，无法实现径向对流，它的总反应速率主要受扩散控制，因此带来了传质效果差的缺点，特别是对于大流量低浓度有机污染物其催化燃烧效率较低。

与蜂窝陶瓷相比，金属丝网催化燃烧技术具有高比表面积、高机械强度、高传热传质系数及燃烧效率、催化剂床层不会出现局部热点、中等阻力降、易组装、可忽略孔隙扩散及轴向渗透、催化剂阻塞及恶化易控制、清洁简单等优点而有利于提高催化剂在起燃范围内废气的净化效率。然而现有的金属丝网催化燃烧中金属载体采用的是正弦蜂窝状结构，它通过波纹箔带与平箔带叠合并卷绕而成，内部为独立的通道结构并且径向上没有连通，气体在通道内部的流动形式主要是层流，因此整体式催化载体界面之间的传质传热系数仍然较低。

为了提高整体式金属丝网催化燃烧的传质传热特性以及燃烧效率，国内外许多学者对其结构作了大量的研究和改进，典型的例子有：

(一)Azdrzej Kolodziej等人(Chemical Engineering and Processing，2007，46：637-648)基于管道入口段能大幅提高流体传质系数的原理设计了短通道正弦或三角形结构的金属丝网催化燃烧器，在没有改变由波纹状金属箔与平板状金属箔叠在一起构成的传统老路条件下，结果将阻力降低1.5～2倍，但是与编织金属丝网相比，反应器长度却增加了2～3倍，因此这种结构尽管能提高传质效率，但仍具有不可渗透壁抑制了径向传质、结构复杂以及流体湍动强度不高的缺点。

(二)蜂窝状金属丝网载体结构重新设计，突破不可渗透壁的限制。中国专利(申请号：200710010359.7；公开号：CN101049577A)以不锈钢金属丝网为载体骨架材料，将附着牢固氧化铝涂层的多个平板状和瓦楞状金属丝网交替堆积捆绑包裹成内部为三维通透结构的蜂窝状金属丝网载体。其优点为制备的蜂窝状金属具有径向上传质和传热。缺点：成型工艺较复杂。

(三)Lifeng Wang等人在Applied Catalysis A：General，2008，350：150-156上发表的文章“Design of novel Pt-structured catalyst on anodic aluminum support for VOC’scatalytic combustion”中，其方案是：将长直通道加工成交错曲折型通道，以金属铝代替原先蜂窝陶瓷中的陶瓷材料以利成形，突破了长直通道中的层流及传热限制。其优点：提高了传热传质效率。缺点：没有根本改变径向传质的限制。

以上几个典型的例子中均以金属丝网结构以及制备工艺复杂化为代价来克服现有整体式金属丝网催化燃烧中存在的缺陷。如果能够找到一种实现传质强化新方法使流体呈现扰动甚至湍流，既能达到不增加或降低气体通过催化剂载体床层的流动阻力，就能为催化燃烧法处理大通量VOCs提高催化燃烧效率提供一条捷径。

发明内容

本发明针对现有整体式金属丝网催化燃烧中存在的许多不足之处，提供一种用于易挥发性有机污染物脉动金属丝网催化燃烧装置，解决现有技术中存在的反应速率受扩散控制或金属丝网载体成型制备工艺复杂的问题。

本发明的再一目的在于提供了一种脉动金属丝网催化燃烧方法。

为了实现上述目的，所述装置包括声去耦室1、Rijke管3，所述的装置还包括金属丝网催化床层2，该金属丝网催化床层2设置于Rijke型脉动金属丝网催化燃烧器主体中。

作为上述方案的一种改进，所述金属丝网催化床层设置于Rijke型脉动燃烧器主体距离声去耦室1的1/8～1/2Rijke管高度处。

作为上述方案的又一种改进，所述金属丝网催化床层所在的远离声去耦室1的Rijke管的一端上设有热交换面4，所述热交换面4的换热方式为水冷式。

作为上述方案的再一种改进，所述声去耦室1体积为脉动金属丝网催化燃烧室主体体积的10～20倍。

作为上述方案的还一种改进，所述金属丝网催化床层为若干正弦、三角形或正方形结构的短通道金属丝网堆叠而成的催化载体、流道呈曲折型的蜂窝金属载体或具有三维网状结构的蜂窝状金属丝网载体。

本发明还提供了一种脉动金属丝网催化燃烧的方法，所述方法为：含有毒有机污染物的废气首先进入声去耦室，然后流入Rijke管脉动燃烧器主体，Rijke管产生的声振与金属丝网催化燃烧相互耦合激励产生温度、压力、流动速度呈周期性地变化，实现周期性振荡催化反应，有机污染物在位于声去耦室上部的金属丝网催化床层上充分进行催化燃烧反应。

其中，所述方法还包括有机污染物催化燃烧后得到烟气与换热面进行换热冷却的步骤。

本发明提出的脉动金属丝网催化燃烧装置，它具有声去耦室，其上连接有Rijke型脉动燃烧器主体，在离声去耦室的1/8～1/2Rijke管高度处布设金属丝网催化床层，在金属丝网催化床层上部设有热交换面以冷却燃烧器回收热量。从本质上讲采用的是自激式脉动催化燃烧，利用热声振荡原理使Rijke管中气体产生声振，实现了真正意义上的脉动燃烧技术和金属丝网催化燃烧技术的直接结合，彻底解决催化燃烧受传质扩散控制的瓶颈。脉动金属丝网催化燃烧是一种声振与金属丝网催化燃烧相互耦合激励的周期性振荡催化燃烧过程，这种特殊的振荡催化燃烧过程产生一个高强度的驻波声场，能够使脉动金属丝网催化燃烧器内的温度、压力、流动速度、燃烧热释放率等参数随时间呈快速周期性地变化，从而达到强化传热、传质及动量传递过程。与现有的金属丝网催化燃烧器相比，它具有结构简单、负荷调节范围大、燃烧效率高、污染排放小、阻力降低、传热系数大等优点。

与现有技术相比，本发明的优点为：

1、催化燃烧效率高、污染物排放少

由于气流的脉动强化了金属丝网催化燃烧器中气流的扰动甚至湍动，破坏了整体式金属丝网催化燃烧或蜂窝式催化燃烧器中气流呈层流的流动状态，使反学反应速率不受扩散所限制，加快了化学反应速度，催化反应充分完全，污染物排放少。

2、结构简单紧凑、投资费用少

脉动金属丝网催化燃烧技术具有优良的传热、传质特性，使金属丝网催化床层体积、燃烧器的体积及换热面相应地得到了减小。

3、阻力降低

由于气流呈脉动状态，降低了边界层流动阻力，使得气流通过金属丝网催化床层时气流阻力相应地得到了降低。

附图说明

图1为本发明的脉动金属丝网催化燃烧装置示意图。

附图标识

1、声去耦室 2、金属丝网催化床层 3、Rijke管

4、换热面

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

本发明的脉动金属丝网催化燃烧装置如附图1所示，含有毒有机污染物的废气先进入声去耦室1，然后直接流入Rijke管3，有机污染物在位于声去耦室1上部的金属丝网催化床层2上发生催化燃烧反应，其燃烧后的高温烟气与换热面4进行换热冷却。由于Rijke型燃烧所产生的脉动流强化金属丝网催化燃烧，使得原先呈层流的气流以湍动方式流动，强化了传热传质，从而极大地提高了催化燃烧效率及减少污染物排放的目的。

所述的Rijke型脉动金属丝网催化燃烧中的金属丝网位于声去耦室上部1/8～1/2Rijke管高度处。

所述的声去耦室1体积是Rijke型脉动金属丝网催化燃烧室主体体积的10～20倍。所述的换热方式主要为水冷式。

所述的金属丝网催化床层是指整体式金属丝网催化载体，几个正弦、三角形或正方形结构的短通道金属丝网堆叠而成的催化载体，流道呈曲折型的蜂窝金属载体，具有三维网状结构的蜂窝状金属丝网载体等。

实施例1

本发明的脉动金属丝网催化燃烧装置是由声去耦室、Rijke型脉动燃烧器主体、金属丝网催化床层以及换热冷却装置等部分构成，其中整体式金属丝网催化床层具有三维网状结构的蜂窝状金属丝网载体位于声去耦室上部的Rijke管1/4高度处，以满足来自橡胶、合成皮革、药品、漆包线、印刷品、鞋、涂料等生产工艺以及喷漆过程中产生易挥发性有机污染物(VOCs)的净化需要。

实施例2

本发明的脉动金属丝网催化燃烧装置是由声去耦室、Rijke型脉动燃烧器主体、金属丝网催化床层以及换热冷却装置等部分构成，其中位于声去耦室上部Rijke管1/8～1/3高度处的金属丝网催化床层是由几个正弦结构、三角形结构或正方形结构的短通道金属丝网堆叠而成，以满足来自固定源排放的有机废气中污染物(如烃类、卤代烃、芳香烃、多环芳烃、丙酮、吡啶、乙酸乙酯等)的净化需要。

实施例3

本发明的脉动金属丝网催化燃烧装置是由声去耦室、Rijke型脉动燃烧器主体、金属丝网催化床层以及换热冷却装置等部分构成，其中位于声去耦室上部Rijke管1/8～1/2高度处的金属丝网催化床层是由上下两段金属丝网催化床层构成，底层催化层主要用于氢气的氧化反应，而顶层催化层主要用于CO的氧化反应，从而满足钢铁行业以排空为主的高炉煤气、合成气基冶金还原气尾气、生物质和可燃性废弃物气化气等富含H₂的低热值气体的高效利用与污染物减排的需要。

最后所应说明的是，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，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种脉动金属丝网催化燃烧装置，所述装置包括声去耦室(1)、Rijke管(3)，其特征在于，所述装置还包括金属丝网催化床层(2)，该金属丝网催化床层(2)设置于Rijke型脉动金属丝网催化燃烧器主体中。

2.根据权利要求1所述的脉动金属丝网催化燃烧装置，其特征在于，所述金属丝网催化床层(2)设置于Rijke型脉动燃烧器主体中距离声去耦室(1)的1/8～1/2Rijke管高度处。

3.根据权利要求1所述的脉动金属丝网催化燃烧装置，其特征在于，所述金属丝网催化床层(2)所在的远离声去耦室(1)的Rijke管的一端上设有热交换面(4)。

4.根据权利要求3所述的脉动金属丝网催化燃烧装置，其特征在于，所述热交换面(4)的换热方式为水冷式。

5.根据权利要求1所述的脉动金属丝网催化燃烧装置，其特征在于，所述声去耦室(1)体积为脉动金属丝网催化燃烧室主体体积的10～20倍。

6.根据权利要求1所述的脉动金属丝网催化燃烧装置，其特征在于，所述金属丝网催化床层为若干正弦、三角形或正方形结构的短通道金属丝网堆叠而成的催化载体、流道呈曲折型的蜂窝金属载体或具有三维网状结构的蜂窝状金属丝网载体。

7.一种基于权利要求1至6任一脉动金属丝网催化燃烧装置的催化燃烧方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

含有毒有机污染物的废气首先进入声去耦室，然后流入Rijke管脉动燃烧器主体，Rijke管产生的声振与金属丝网催化燃烧相互耦合激励产生温度、压力、流动速度呈周期性地变化，实现周期性振荡催化反应，有机污染物在位于声去耦室上部的金属丝网催化床层上充分进行催化燃烧反应。

8.根据权利要求7所述的脉动金属丝网催化燃烧方法，其特征在于，所述方法还包括有机污染物催化燃烧后的高温烟气与换热面进行换热冷却的步骤。