CN104583677A - 用于操作液体燃料催化燃烧的催化加热器和反应器中的燃料喷射系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种系统，其用于在催化反应器中利用液体燃料（例如柴油和汽油），以便从所述燃料产生清洁的热。特别地，本发明涉及一种用于催化燃烧器（310、313）的燃料喷射系统。它包括用于预热催化燃烧器（310、313）的预热装置（308ˊ、309、315；FT）以及用于给催化燃烧器（310、313）供给燃料的主燃料供给装置（307）。预热装置（308ˊ、309、315；FT）和主燃料供给装置（307）被设置在分隔开的隔室（310、312）中，所述隔室经由通道（CH）相互连接。

Description

用于操作液体燃料催化燃烧的催化加热器和反应器中的燃料喷射系统

技术领域

本发明涉及一种系统，其用于在催化反应器中利用液体燃料（例如柴油和汽油），以便从所述燃料产生清洁的热。

背景技术

常规的燃料燃烧加热器利用火焰燃烧来产生热，此过程与微粒（烟尘、灰）和化学排放（CO、NOx）二者的生成相关联，所述微粒和化学排放全部都是对环境有害的。

通过用催化氧化系统代替火焰燃烧系统，可以消除燃料相关的排放，并且同时通过降低氧化过程的温度（通过增加的空气流量）增加了所述过程的效率。催化氧化的主要特征在于所述过程并不限于较低的空燃比，该特征导致所有碳氢化合物的完全氧化以及反应区中较低的温度，所述温度低至阻碍NOx产生的水平。

对于使用多组分液体燃料（例如柴油或汽油）操作的催化加热器来说，主要挑战在于在寒冷环境中启动加热器，而不产生烟尘，所述烟尘可能对催化剂有害，降低加热器的使用寿命以及增加对于最终用户的服务成本。

与启动液体燃料催化燃烧室相关联的问题已导致了对用于催化燃烧的实际应用的气体燃料（例如天然气和丙烷）的工业关注，如在US-6,223,537中所见，其中，天然气被用于为燃烧室提供燃料。

发明内容

虽然催化燃烧的概念并不是新的，但本发明描述了一种用于在催化加热器中使用柴油/汽油类型燃料的新方法，其防止催化反应器中烟尘的形成，并减少加热器的启动时间。

因此，本发明的目的在于解决与启动催化燃烧室以及在催化燃烧室中使用液体燃料相关联的问题。

因此，发明人已设计了一种如权利要求1中所限定的催化反应器系统。

根据本发明的反应器是一种紧凑的催化燃烧室系统，其用在如重型卡车、客车、船只和住宅房屋中的舱室加热器那样的应用中，但并不限于上述应用，在这些应用中需要清洁的热以满足客户和法律的要求。

特别是，已开发出双反应室解决方案，其中，最初的启动部段与催化反应区分离，以防止启动期间对催化剂的烟尘污染，以及在系统的冷启动期间为催化剂屏蔽热冲击，特别是启动或预热部段被设置在分隔开的隔室中，所述启动或预热部段通过通道连接到反应部段。

反应器系统还被构建成在反应器中具有主燃料喷嘴和副燃料喷嘴，所述主燃料喷嘴和副燃料喷嘴以共同的压力操作，所述压力允许系统在启动和正常操作期间以大范围的可变燃料动力操作，从而在催化加热器的启动序列中以及在其正常操作期间允许最佳的燃料流量。

空气被供给到反应器，既用于冷却系统中的部件，又用于在将空气运送到加热器中的催化反应器区之前预热所述空气，从而允许催化反应器中燃料蒸发过程的热稳定以及防止由催化剂表面上的燃料蒸发引起的催化剂热老化。

附图说明

图1示出了一种现有技术的系统；

图2a示意性地图示了一种现有技术的催化反应器；

图2b示意性地图示了所述的新构思；以及

图3图示了所述新催化反应器的实施例。

具体实施方式

为了本应用的目的，下面的术语将具有所指示的意义。

“多组分燃料”是在商业上可获得的燃料，例如柴油和汽油，柴油和汽油是具有不同的沸点、碳链长度和结构的不同碳氢化合物的混合物。

这些通常可获得的商品燃料的使用已被局限于催化燃烧系统中，这是由于：要完全蒸发燃料的较重组分，而不通过高温分解从燃料中的较轻组分产生焦炭以及不在处于低温的催化剂起燃期间产生烟尘，是非常复杂的。

参考附图，在图1中公开了根据US-6,223,537的一种现有技术的系统。该系统包括燃烧室10，燃烧室10具有大致双层壁的罐形构造。燃烧室10包括燃烧室罐11、内衬12以及上游端14。燃烧室罐11包围内衬12，并且内衬12包围室15。燃烧室罐11和内衬12并不相互接触，而是限定了通道16，来自压缩机部段（未示出）的空气在进入室15之前流动通过通道16。在附图中所示的实施例中，内衬12通过有孔的凸缘13支撑在燃烧室罐11内。内衬12也可以被可支撑地附接到燃料喷嘴32，优选以宽松配合的方式附接以允许热膨胀。

顺序地向下游移动，燃烧室10包括预混管30、催化剂入口40以及催化剂床41。在附图中所示的实施例中，在其下游端处，内衬12与催化剂床41的上游端大致相邻，并且用于催化剂床41的支撑结构由凸缘13接合，以便与内衬12同轴对齐。催化剂床41通向涡轮机部段（未示出），所述涡轮机部段通常包括涡轮机入口和涡轮机叶轮（未示出）。在替代实施例中，催化剂床41不与内衬12同轴对齐，而是如对于给定应用而言可能是适当的那样，相对于内衬12的轴线成一定角度。

预热器20是一种扩散火焰燃烧器，其具有常规构造，利用被一个或多个空气旋流器22围绕的至少一个预热器燃料喷嘴21，当燃烧室以预热器模式操作时，所述空气旋流器22用来引入空气以及使火焰稳定。在实践本发明的最佳模式中，使用单个预热器燃料喷嘴，且其被定位成与从上游端14延伸的燃烧室的轴线平行，并且使其出口被轴向空气旋流器围绕。当使用液体燃料时，所述至少一个预热器燃料喷嘴优选为压力或鼓风类型的。预热器还包括用于点燃空气和要燃烧的燃料的点火器23。在替代实施例中，采用用于点燃扩散火焰燃烧器的火花塞、电热塞（或热线点火塞）、喷灯（torch）或其它装置来代替点火器23。

仅当燃烧室入口温度超过某一最小值时，催化燃烧才是可能的，所述最小值是催化剂配方的函数。这通常为大约700 F。因此，预热器是发动机启动以及将发动机加速到对于获得足够的燃烧室入口温度而言必需的速度所需要的。一旦达到此条件，预热器就可以被关掉。此时，分隔开的燃料输送系统32被用于将燃料引入到预混管30中，其中燃料被蒸发（如果使用液体燃料而不是气体燃料）并与进入的空气混合。得到的燃料空气混合物随后被引入到催化剂床41中。

燃烧室10还包括在预热器燃料喷嘴21和空气旋流器22的下游、在内衬12中的多个主气孔25和多个副气孔35。主气孔25将额外的空气引入到预热器20中，以在预热器操作模式中增强燃烧。在优选实施例中，存在围绕内衬12周向隔开的六个主气孔。通过主气孔25进入预热器20的空气通过朝向预热器燃料喷嘴21再循环进一步使火焰稳定，同时还将起反应的燃料空气混合物稀释至适于产生相对低的NOx和烟尘的水平。

在主气孔25的下游，多个副气孔35进一步降低反应温度，并提供燃料-空气进料的混合。期望的是，温度降低和燃料-空气进料的混合足以防止对催化剂的损害，以及足以在预热器操作期间最小化对催化剂的耗损。在优选实施例中，存在围绕内衬12周向隔开的十二个副气孔，并且所述副孔具有大致跑道的形状，其中较长的尺寸定向成与内衬12的轴线平行。

如US-6,223,537中指出的，重要的是防止对催化剂的损害。但是，采用图1中所示的设计，实质上不可能避免的是，烟尘将会沉积在催化剂入口40处的内衬12内，并且某种程度上也将沉积在催化剂41中。因此，发明人设计了本发明，现在将参考图2描述本发明。

图2a和图2b中分别给出了现有技术装置和本发明的示意图。

因此，如在图2a中能够看到的，其仅提供了一个被用于提供初始火焰以便预热系统的燃料喷嘴，并且还提供了一旦预热火焰被关掉则用于供应燃料的一些分隔开的燃料喷嘴。所述预热喷嘴被布置成与催化剂同轴。

图2b中示意性地示出了本系统的实施例。在这里，提供了与催化反应室分离的预热室112，并且特别地，所述预热室布置成与反应室热接触。在预热期间，热气体通过布置为通向反应室的入口的扰流器被供应到反应室。

因此，催化反应器系统被示意性地示出，并总体上用附图标记100标示。

所述催化反应器系统包括反应器壳体103，其优选由钢制成。反应器壳体细分成两个主要的隔室A、B，包括：一个反应器隔室A，其中发生反应，并且其又细分成三个子隔室110、112、113（将在下文中描述）；以及一个控制隔室B，其容纳阀和其它控制装置。

反应隔室A包括预热室112、混合反应器室110以及催化剂113，催化剂113借助其自身固有的结构组成来形成其自己的隔室。催化剂优选为蜂窝型的催化剂，并且可以是金属的或陶瓷的。

控制隔室B通过隔离壁PW与反应器隔室A分离。控制隔室经由至少一个孔108与反应器隔室连通，通过所述至少一个孔108，空气能够经由喷嘴108'、108"被供给到预热室112。为了供给空气，提供了连接到控制隔室的空气输送装置，例如风扇或压缩机102，所述控制隔室相配地直接附接到反应器壳体，但是所述空气输送装置可以是经由管道或管连接到反应器的分隔开的单元。

在控制隔室B内提供了阀。提供了主燃料阀104，用于将燃料供给到混合反应器室110，并且提供了副阀105，用于将燃料供给到预热室112。两个阀都经由管或管道连接到相同的燃料输送装置（未示出），所述燃料输送装置适合地是泵，所述泵又连接到燃料箱FT。每个燃料阀配备有相应的喷嘴107、109，用于使燃料雾化以及将雾化的燃料喷射在相应的室中。尽管每个室仅示出了一个燃料阀，但在本发明构思内要提供多个喷嘴当然也是可能的。

为了在混合反应器室110内提供合适的混合，提供了通道CH，用于将气体混合物从预热室112传送到扰流器114（仅指示出）。扰流器可以仅仅是一个开口、孔隙或孔，或者可以是多个开口/孔隙/孔，以便形成气体流动的突然偏转，所述气体流动的突然偏转产生湍流。

图3中图示了本发明的特定且优选的实施例。因此，示出了总体上标示300的催化燃烧室。该催化燃烧室具有与图2b中示意性示出的燃烧室相同的大致组成，并且类似的特征被给予了与图2b中的附图标记相同的附图标记，但带有前缀“30”。然而，存在一些特定的细节增强了该设备的操作。

为了提供对于实现操作中所需温度而言必需的催化燃烧器的预热，存在至少部分地围绕催化反应室310的周界布置的隔离构件311a，如所示，但是它也可以完全围绕所述周界延伸。所述隔离构件在一端处附接到隔离壁PW，并在相对端处留有优选为周向的缝316，使得在预热隔室312中生成的热气体将沿反应室的外表面流动并将它加热。

在特定实施例中，存在设置在预热室312中的专用的火焰管FT（以虚线示出），其基本上具有圆形的横截面。该火焰管被附接到隔离壁PW以使它包围雾化喷嘴309。火焰管优选具有圆形的横截面，但是严格来说这不是必要的。火焰管FT的尺寸和形状使得在管开口处的火焰针对在附近的燃烧室被优化。这将是与技术人员的领域有关的构建性测试的问题，而无需任何创新性工作来优化火焰管。

现在将参考图3中所示的实施例来描述根据本发明的反应器系统的操作。

对于图3中所示的实施例，燃烧室针对若干操作（启动、预热以及正常操作）被优化，所有的这些操作被设计成将排放减到最小以及优化性能。

系统开始于通过风扇302（在图3中示意性地示出）将空气吹到该系统中，空气303通过孔308进入燃烧室，并进入控制隔室B，随后空气经由喷嘴308'传送通过隔离壁PW，并且还被传送通过整个反应器系统，然后在催化剂313的端部处离开反应器。通过打开以304示意性地指示的副燃料阀来实现点火，由此燃料被雾化并通过燃料喷嘴309供应到反应器中。然后，使点火电极315通电，借此在雾化的燃料/空气混合物中形成火花。

当点火实现时，风扇被调整成为预热过程中所用的火焰燃烧提供最佳的条件。由所述火焰燃烧产生的温暖气体传送通过预热室312，绕过火焰屏蔽311，通过扰流器314进入到催化混合反应器室310中，随后传送经过催化剂313。

在所示实施例中，扰流器314包括围绕管状反应室310的边缘布置的多个椭圆形孔314'。

空气借助于旋流器从扰流器314传输到反应室中，以便实现空气和燃料之间的均匀混合。所述旋流器包括围绕反应室310中的燃料喷嘴307周向布置的偏转元件314"。

通过允许燃烧气体经过整个系统内部传送，可以迅速将来自燃烧的热传递到反应器系统，而同时防止在预热过程启动时形成的烟尘达到催化剂，这是由于此烟尘被收集在预热室312中的远端壁311b上，并将随着预热过程达到工作温度被烧掉。

当催化混合室310中已达到期望的温度时，副燃料阀304被关闭；空气随后被调整到正常的催化操作模式，并且主燃料阀305被打开，且雾化的燃料通过燃料喷嘴307被注射到主混合室310中。

在预热过程中产生的热从反应器的壁传递给进入的空气，且由此可以通过将燃料与预热的空气混合来蒸发燃料，并将空气/燃料混合物运送到催化剂313。

当蒸发的空气-燃料混合物与催化剂313接触时，催化燃烧过程开始并且在催化剂中直接产生热。在催化剂313中产生的热既被用于在操作期间维持混合室310中的热，又主要地被用于给外部应用提供热。

通过以高的空燃比来操作催化燃烧，可以从加热器消除氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）和其它的碳氢化合物的排放，以及可以增加加热器的效率，从而使得能够实现既用于机动车辆应用又用于其它移动和固定应用的清洁加热器的设计。

Claims (8)

1.一种燃料喷射系统，其用于在操作液体燃料催化燃烧的催化加热器和反应器中使用的系统，所述催化加热器包括催化燃烧器（310、313），所述燃料喷射系统包括：

预热装置（308'、309、315；FT），其被布置成预热所述催化燃烧器（310、313）；

主燃料供给装置（307），其被布置成给所述催化燃烧器（310、313）供给燃料；

其特征在于：

所述预热装置（308'、309、315；FT）和所述主燃料供给装置（307）被设置在分隔开的隔室（310、312）中，所述隔室经由通道（CH）相互连接；

其中，所述主燃料供给装置（307）被布置在催化反应器室（310）中，并且其中，所述预热装置（308'、309、315；FT）被布置在预热隔室（312）中，所述预热隔室（312）被布置成与所述反应器室（310）相邻且与其热传递地接触；以及

其中，所述通道（CH）具有：

　　i) 入口，其位于所述预热隔室（312）的一端，所述端与布置所述预热装置（308'、309、315；FT）的端相对，以及

　　ii) 出口，其位于在所述主燃料供给装置（307）附近的那一端并且通向所述催化反应室（310）。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述预热装置（308'、309、315；FT）包括：预热燃烧器，其具有燃料雾化喷嘴（309）；以及副燃料供给装置，其用于将燃料供应到所述预热燃烧器。

3.如权利要求1或权利要求2所述的系统，还包括围绕所述预热燃烧器布置的火焰管（FT）。

4.如权利要求2或权利要求3所述的系统，其特征在于，所述主燃料供给装置（307）包括燃料雾化喷嘴。

5.如权利要求1-4中任一项所述的系统，其特征在于，所述反应室（310）还设置有布置在所述雾化喷嘴（307）附近的多个孔（314'），所述反应室（310）优选具有圆形的横截面，并且所述开口（314'）优选被周向布置。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，连接分隔开且相邻的隔室的所述通道通过附接到隔离壁（PW）的隔离构件（311b）提供，所述隔离构件围绕所述反应室（310）周向布置并且具有基本上与所述反应室平行的延伸部以及一定长度，使得在其处于与所述隔离壁（PW）相对的端部处的一端形成开口（316）。

7.如前述权利要求中任一项所述的系统，还包括在所述隔离壁（PW）中的空气入口（308；308'），所述入口通向所述预热隔室（312）。

8.如前述权利要求中任一项所述的系统，还包括在所述反应室（310）中处于其远端处的催化剂床（313）。