CN103958966A - 包括用于催化燃烧的反应器的燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃烧器，其包括大体上圆柱形的反应器腔室（1），反应器腔室（1）包括外壳(1')，外壳(1')具有近端（1p）和远端（1d）。在反应器腔室（1）的远端设置催化剂（4）。燃料入口（7）设置于反应器腔室的近端中。还有多个空气入口(22,23;24)布置于反应器壁中近端处。入口被配置成提供喷射到反应器腔室内的旋转空气流动。还设有均流器(8;30)，其在反应器腔室的截面上在燃料入口（7）与催化剂（4）之间的位置延伸。

Description

包括用于催化燃烧的反应器的燃烧器
技术领域
本发明涉及用来优化用于汽车和定置型应用的液体燃料的催化燃烧的反应器系统。
背景技术
在根据现有技术的催化燃烧器中，希望以最佳方式来使用催化剂，即，通过催化剂流动的气体尽可能均匀。如果燃料空气比偏向于过量燃料，出现所谓的“热点”，这可能会对催化剂造成损坏。
因此，需要燃料与空气彻底混合。
在现有技术中，已知在使空气燃料混合物传递到反应腔室（在反应腔室中，其被点燃）之前混合空气与燃料。如果反应腔室足够长，这是没有问题的，因为在足够长的距离，消除任何不均匀性。但是如果反应器缩短以便节省空间或者以装配于较小的隔室中，可能无法实现这种消除。
发明内容
鉴于上文所提到的问题，发明者已设计了一种反应器，利用这种反应器，实现了很好的混合，从而减轻了由于不均燃烧造成的损坏催化剂的风险。
在第一方面，提供一种新颖燃烧器，其包括用于催化燃烧的反应器，其中，改进了燃料与空气的混合。燃烧器在权利要求1中限定，并且包括大体上圆柱形的反应器腔室，反应器腔室包括外壳，外壳具有近端和远端；催化剂，其设置于反应器腔室的远端中；燃料入口，其设置于反应器腔室的近端中；多个空气入口，其布置于反应器壁中近端处并且被配置成使旋转空气流动喷射到反应器腔室内；均流器，其在反应器腔室的截面上在燃料入口与催化剂之间的位置处延伸。在第二方面，提供一种燃料催化燃烧的方法，其中改进了燃料与空气的混合。该方法在权利要求11中限定。
因此，本发明是基于两个主要特点：1）设置用来使传递到反应器内的空气在反应腔室内侧旋转的器件，从而造成湍流，湍流高效地混合空气与燃料；2）设置二次混合器，在示例性实施例中，其呈网状物的形式，其在离入口一定距离处跨反应器腔室的截面。这个二次混合器将打散湍流流动并且造成燃料/空气混合物基本上完全均化并且也在二次混合器后方造成基本上线性流动。
由根据本发明的混合系统形成的完全均匀混合和线性流动的优点可以总结为以下四点：
1.其排除了在催化剂中形成热点，热点可能会导致产品较短的寿命。
2.确保了整个催化剂在该过程中利用，这导致催化剂大小和材料的优化，降低了催化加热器的操作成本。
3.其优化了催化反应器大小，因为在反应器中由强制流动稳定使得实现线性和均匀流动所需的混合物驻留时间最短。
4.燃料/空气混合物的旋转运动造成中央向前流动运动，其防止燃料接触反应器壁，从而防止在反应器中形成烟灰。
附图说明
从下文给出的详细描述和附图，本发明的另外的适用范围将变得显然，附图仅以举例说明的方式给出，并且因此不认为限制本发明，并且其中：
图1为燃烧器的示意截面图；
图2示出了分配器的一实施例；
图3a示出了均化器（）；以及
图3b示出了另一均化器。
具体实施方式
在图1中示意性地示出的新颖的催化反应器系统包括大体上圆柱形反应器，总体上标注为1，并且具有近端和远端（分别标注为1p和1d）。燃料2和空气3单独地引入于反应器中并且然后混合以形成均匀混合物，之后与催化剂4接触。在优选实施例中，反应器系统还包括内部冷却系统5'、5"、12用来减少从催化反应器的排放物形成。在反应器端壁中在近端1p中设置燃料喷射器件7，其包括喷嘴7'，喷嘴7'适于雾化燃料，之后燃料与空气混合并且点燃以产生火焰7"。
新颖反应器系统的基本特点是为了尽可能高效地利用催化剂而被设置用来以很高效方式混合燃料与空气并且均化混合气体流动的器件。在图1中，混合器件以6a示意性地示出，其表示绕燃料雾化喷嘴7'周向设置的开口。这些开口的几何形状可以在较宽限度内变化，如将在下文中结合图2进一步解释。混合器件6a的重要的功能特点在于其能使空气在圆柱形反应器腔室内旋转。
由于空气沿着圆柱形反应器腔室的内壁的剧烈旋转，将存在燃料、空气和在火焰中产生的燃烧气体的很高效混合。
这种剧烈混合造成在反应器内侧的极其湍流/动荡的流动，并且特别地旋转空气将最靠近反应器壁而设置空气“覆盖层”。覆盖层保护壁避免火焰，因为高效地阻碍或甚至防止在反应器壁上出现烟灰形成。剧烈混合的另一效果在于因此造成的气体的湍流流动将在燃料/空气混合物中表现出不均匀的燃料浓度。这继而会造成催化剂中的热点，催化剂中的热点可能会造成催化剂变性/退化（degeneration），并且因此缩短寿命。
为了均化流动并且将湍流旋转转变为基本上线性流动，并且从而排除了诸如发生热点的风险，“均流器”18定位于反应器中在喷嘴7与催化剂4之间的位置处。均化器8在横向/径向方向上跨越整个腔室上延伸。合适地，均化器为网状物或者穿孔板。当湍流流动撞击均化器时，流动被打散为更小得多的流动，这将造成彻底混合并且因而消除在混合物中的任何浓度差异。现将参考图2来描述新颖的混合特点。
其包括围绕喷嘴7同心地布置于喷嘴与分配器板20周围之间的位置处的挡板状元件24。这些挡板24通过以对应于圆形区段来冲压或切削分配器板20的部分而制成，留下区段的一部分附连到板20或与板20成一体。这形成可折叠的“翻盖”，翻盖可以向上弯曲使得它们从分配器板20的平面以一定角度突出。在图2中，这以虚线25示出。优选地，每个区段的内部分比外部分更短，使得弯曲线25并不在径向延伸，而是相对于半径以一定角度延伸。因此，如在图2中可以看出，从后侧进入的空气将碰撞翻盖24并且由此将向旁侧重导向以便形成螺旋流动。在图示实施例中，存在六个翻盖，但数量并不重要，并且可根据反应器大小和几何形状而改变。
存在用来重导向空气流动的器件的许多可能配置并且不同于上文所描述的器件，可以设想到在本身中做出孔口，使得内孔形成一定角度。但是，用于混合的分配器的特定设计取决于供应空气的方式，并且将为构造问题，而无需创造性的工作并且属于技术人员的领域。
本发明的另一重要特点在于提供上文简要提到的均化器。
图3a示出了在本发明的实施例中实施的均化器30的一个示例。其包括呈壁形式的分隔构件，分隔构件将反应器腔室分成两个隔室，即：其中发生混合的第一隔室；和在第一隔室下游，其中使流动“线性化”，即均化以表现出气体的基本上线性流动的第二隔室。
在图3a所示的第一实施例中，均化器8具有多个不同大小的开口32。在图示实施例中，示出了两种大小，但可使用三种或四种甚至更多种大小。在均化器30的中心，不存在开口，并且因此设置区域31，其充当火焰屏蔽件8'以防止火焰（在图1中的7")进入到第二隔室中，在第二隔室中，其可能会对催化剂4造成损坏。
开口32的功能是当流动碰撞均化器8时打散在第一混合隔室中的湍流旋转流动。显然，流动气体中的至少某些将通过开口32，而某些将由壁部段在开口32之间反射。结果将最终为在流动气体中更多得多的向前导向的动量，并且在第二隔室中，将形成基本上线性的流动。以此方式，将在第二隔室中消除气体流动中的热含量变化并且在之前提到的热点更加不太可能发生。
图3b示意性地示出了可以在本发明中实施的均化器的另一实施例。其包括网状物34（仅部分地示出，其覆盖反应器的整个圆形截面），网状物34由优选地垂直地布置以便形成正方形开口38的相当厚的条36制成。这些开口38将基本上以与图3a中的先前实施例中的开口相同的方式作用。
在优选实施例中，由冷却水来冷却整个反应器。通过使反应器的外壳为双壁的，冷却水可通过双壁外壳内侧的周向隔室（在图1中的5处）。水优选地以逆流通过冷却系统，如在图1中可以看出，其中水W经由入口12in在远端进入并且经由出口12out在近端处离开。

Claims (9)

1.一种燃烧器，其包括：
大体上圆柱形的反应器腔室（1），所述反应器腔室（1）包括外壳(1')，所述外壳(1')具有近端（1p）和远端（1d）；
催化剂（4），其设置于所述反应器腔室（1）的远端中；
多个空气入口(22, 23; 24)，其布置于所述反应器壁中所述近端处，并且配置成通过设置在所述空气入口周围所布置的混合器件（6a）来提供喷射到所述反应器腔室内的旋转空气流动；
燃料入口（7），其设置于所述反应器腔室的近端，布置成将所述燃料喷射到所述旋转空气流动内；
均流器(8; 30)，其在所述反应器腔室的整个截面上在所述燃料入口（7）与所述催化剂（4）之间的位置处延伸。
2.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述燃料入口包括燃料雾化喷嘴(7')。
3.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述空气入口包括由盖板（24b）部分地覆盖的孔口（24a），所述盖板（24b）布置成在基本上切向方向上重导向空气流动以便造成所述旋转。
4.根据前述权利要求中任一项所述的燃烧器，其特征在于，所述均流器包括穿孔分隔构件(30, 32; 36, 38)。
5.根据权利要求4或5所述的燃烧器，其特征在于，所述均流器为网状物(36, 38)。
6.根据权利要求4或5所述的燃烧器，其特征在于，所述均流器(8; 30)包括并未穿孔的中央部分（31）。
7.根据前述权利要求中任一项所述的燃烧器，其特征在于，所述外壳为双壁的(5', 5")以提供冷却套（12）。
8.根据权利要求7所述的燃烧器，其具有分别进出所述冷却套（12）的远端水入口（12in）和近端水出口（12out）。
9.根据权利要求3所述的燃烧器，其特征在于，所述盖板相对于所述反应器壁形成15-60°的角度。
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