CN106196049B - 难燃气体或液体燃料的微小型多段催化燃烧器及燃烧方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及催化燃烧技术，旨在提供一种难燃气体或液体燃料的微小型多段催化燃烧器及燃烧方法。该催化燃烧器具有多段式结构：在与主燃烧室连通的燃料进口末段部分中设有多孔介质和一段催化剂，一段催化剂与主燃烧室相接处设辅助点火器；主燃烧室依次分为点火段、主燃烧段和燃尽段，设于主燃烧室壁上的进风口与一段催化剂之间为点火段；在与燃尽段连通的排气通道起始段部分中设有二段催化剂，进风口与二段催化剂之间依次为主燃烧段和燃尽段。本发明采用富燃料进入燃烧室，有助于燃料的点火。一段催化剂起到重整和部分氧化燃料的作用，使得难燃的燃料分子转化为易燃的小气体分子，并放出热量，利于着火。二段催化剂提供燃烧效率，降低污染物排放。

Description

难燃气体或液体燃料的微小型多段催化燃烧器及燃烧方法
技术领域
本发明涉及一种催化燃烧技术，具体涉及一种难燃气体或液体燃料的微小型多段催化燃烧器及燃烧方法。
背景技术
目前，随着微电机系统的发展，微型供能系统因其体积小、质量轻、易便携、能量密度高、供能时间长等优点逐渐受到重视。微燃烧器又是基于燃料燃烧的微型供能系统的核心，因此发展适用不同种类燃料的微小型燃烧技术是极其必要的。但是微燃烧器的小特征尺度使得比表面积增大，散热速率大大提高，尤其在尺度小于熄火直径时，很难被点燃；此外严重的热损失又使得火焰难以稳定，易发生熄火现象；同时，尺寸的减小，导致燃料和空气在燃烧器中停留时间短，不能保证燃料的充分燃烧，在燃烧器尾部易产生一氧化碳、碳氢化合物等不完全燃烧的污染物。因此，确保燃料稳定点火和保证燃料的充分燃烧是微型燃烧器首要解决的难题。
采用催化燃烧的方式可以使点火温度降低。燃料在催化剂表面发生氧化反应，产生热量，提高了气体温度，促进气相反应的发生，从而提高了燃烧效率。合理布置催化剂是微小型燃烧器常用的一种燃烧强化方法。在微小型燃烧器中，往往是在燃烧室整个壁面涂覆催化剂，或是采用小颗粒催化剂或多孔介质载体催化剂组成一段催化剂填充床布置在整个燃烧室。这两类微小型催化燃烧器，都是将燃料气与空气完全混合后再进行催化点火燃烧，不仅造成催化剂用量大、催化效果不集中，而且填充床阻力大、窗内流速大、催化燃烧时间短，从而影响到燃烧性能。本发明提出的微小型多段催化燃烧器及燃烧方法，能够更加有效地利用催化剂、实现难燃燃料更大范围的稳定着火和高效燃烧。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中微小型燃烧器存在的不易点火、燃烧不稳定和燃烧不完全等问题，提出了一种适用于难燃气体或液体燃料的微小型多段催化燃烧技术。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种难燃气体或液体燃料的微小型多段催化燃烧器，包括依次相连的燃料进口、主燃烧室和排气通道；所述催化燃烧器具有下述的多段式结构：在与主燃烧室连通的燃料进口末段部分中设有多孔介质和一段催化剂，一段催化剂与主燃烧室相接处设辅助点火器；主燃烧室依次分为点火段、主燃烧段和燃尽段，设于主燃烧室壁上的进风口与一段催化剂之间为点火段；在与燃尽段连通的排气通道起始段部分中设有二段催化剂，进风口与二段催化剂之间依次为主燃烧段和燃尽段。
本发明中，所述多孔介质是多孔陶瓷、多孔氧化铝或分子筛；所述一段催化剂是由不锈钢网包裹的催化剂固体颗粒，二段催化剂是涂覆了金属氧化物的蜂窝式铁丝网。
本发明中，所述点火段和燃尽段的壁面上分别涂覆了催化剂层。
本发明中，所述进风口至少有两个，呈环向、等间距布置于主燃烧室的壁面上，且出风方向与燃料进口的方向相互垂直。
本发明中，所述主燃烧室具有以燃料进口为轴向的对称形状，其轴向剖面是下述任意一种形状：长方形、正方形、园形、椭圆形、鼓形。
本发明中，所述催化燃烧器为耐高温陶瓷材料的燃烧器，其长度为10～15cm；主燃烧室的壁厚为2mm，内径2～3cm；一段催化剂和二段催化剂的长度分别为2～5mm。
本发明还进一步提供了利用前述催化燃烧器实现难燃气体或液体燃料多段催化燃烧的方法，包括下述步骤：将难燃气体或经气化的液体燃料与空气组成预混气后送入燃料进口，流经多孔介质和一段催化剂后进入主燃烧室进行燃烧；预混气燃尽所需的剩余空气由进风口送入，并与已稳定着火的混合气流混合，在主燃烧室内持续稳定燃烧；燃烧后的混合气体流经二段催化剂，自排气通道排出；其中，
所述多孔介质是多孔陶瓷、多孔氧化铝或分子筛；
所述一段催化剂是由不锈钢网包裹的催化剂固体颗粒，该催化剂固体颗粒是以分子筛为载体的Pt/ZSM-5或Pd/Al2O3催化剂；
所述二段催化剂是涂覆了金属氧化物的蜂窝式铁丝网，该金属氧化物是CuO/γ-Al2O3或MnOx/TiO2)；
本发明中，所述预混气处于贫氧气富燃料的状态，难燃气体或液体燃料与空气的化学当量比为1.4～3；控制进风口的空气引入量，使难燃气体或液体燃料与空气的最终化学当量比为1。
本发明中，在主燃烧室的点火段的壁面上涂覆催化剂Pt/ZSM-5或Pd/Al2O3。
本发明中，在主燃烧室的燃尽段的壁面上涂覆催化剂CuO/γ-Al2O3或MnOx/TiO2。
发明原理描述：
本发明中所述难燃气体可选用甲烷或丁烷气体，而难燃只是针对微燃烧器而言，因为着火点高或难以燃尽，所以称之为难燃气体。液体燃料则可选用二甲醚、庚烷或生物柴油等，在与空气预混前应先进行气化。
多孔介质段采用比热容较高的材料如多孔陶瓷、分子筛，起到预热来流气、雾化液体燃料和加强燃料与空气混合的作用。在多孔介质后布入由不锈钢网包裹的以分子筛为载体的Pt/ZSM-5或Pd/Al2O3催化剂固体颗粒。不锈钢网包裹的催化剂以颗粒状呈现，燃料与催化剂的接触面积大，可以有效的促进着火，预热燃料促进燃料的裂解并产生活性基团，而且可以防止着火时的回火现象。富燃预混气(当量比为1.4～3)难燃气体或经气化的液体燃料通过多孔介质与催化剂充分接触，此时经辅助点火器点火，由于入口燃料为富燃，加上催化作用，燃料极易着火。点火段壁面涂覆催化剂Pt，可以进一步起到辅助点火和稳燃作用。
在主燃烧室的壁上环向、等间距设置2个或多个进风口。由于入口燃料为富燃，经催化剂助燃的来流气体中有大量携带热量的已燃产物、未燃气体、裂解气体、活性基团。这些来流与进风成90°对冲混合，一方面预热进风，另一方在主燃烧室中充分混合燃烧。
布置在排气通道上游的二段催化剂采用蜂窝式铁丝网载体式布置，并在蜂窝式铁丝网载体上涂覆金属氧化物做催化剂，不完全燃烧而产生的一氧化碳、碳氢化合物与催化剂充分接触生成二氧化碳和水，有效改善了尾气污染物的排放并促进了燃尽。同时燃尽段壁面可以涂覆催化剂CuO/γ-Al2O3，起到提高燃尽度、降低污染物排放作用。
主燃烧室的壁面都采用导热系数小的耐高温陶瓷材料，有助于减小热损失。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明采用富燃料进入燃烧室，有助于燃料的点火。
2、本发明采用多段催化剂布置，一段催化剂Pt/ZSM-5起到重整和部分氧化燃料的作用，使得难燃的燃料分子转化为易燃的小气体分子，并放出热量，利于着火。二段催化剂MnOx/TiO2催化氧化未燃尽的CO、CH4、C2H6等物质，提供燃烧效率，降低污染物排放。
3、本发明入口一段催化剂前端为多孔介质段，采用比热容较高的材料如多孔陶瓷、分子筛，起到预热来流气、雾化液体燃料和加强燃料与空气混合的作用。
4、本发明点火段壁面涂覆催化剂Pt，起到辅助点火和稳燃作用。燃尽段壁面涂覆催化剂CuO/γ-Al2O3，起到提高燃尽度、降低污染物排放作用。
5、本发明采用环形进风，经催化剂助燃的来流气体与进风成90度对冲混合，一方面预热进风，另一方在主燃烧室中充分混合完全燃烧。
附图说明
图1为实施例1中催化燃烧器的剖面示意图；
图2为实施例2中催化燃烧器的剖面示意图。
附图标记：燃料进口1，多孔介质2，一段催化剂3，辅助点火器4，进风口5，二段催化剂6，主燃烧室7，排气通道8，点火段壁面9，主燃烧段壁面10，燃尽段壁面11。
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。
本发明中所述难燃气体或液体燃料的微小型多段催化燃烧器，包括依次相连的燃料进口1、主燃烧室7和排气通道8。主燃烧室7具有以燃料进口1为轴向的对称形状，其轴向剖面是下述任意一种形状：长方形、正方形、圆形、椭圆形、鼓形。
催化燃烧器具有下述的多段式结构：在与主燃烧室7连通的燃料进口1的末段部分中，设有多孔介质2和一段催化剂3，两者是紧密接触的。一段催化剂3与主燃烧室7相接处设辅助点火器4；主燃烧室7依次分为点火段、主燃烧段和燃尽段，主燃烧室7壁面上设有至少两个进风口5，呈环向、等间距布置，且出风方向与燃料进,1的方向相互垂直。进风口5与一段催化剂3之间为点火段；在与燃尽段连通的排气通道8起始段部分中设有二段催化剂6。进风口5与二段催化剂6之间依次为主燃烧段和燃尽段。
催化燃烧器以耐高温陶瓷材料制成，其长度为10～15cm；主燃烧室7的壁厚为2mm，内径2～3cm；一段催化剂3和二段催化剂6的长度分别为2～5mm。多孔介质2是多孔陶瓷或分子筛；一段催化剂3是由不锈钢网包裹的催化剂固体颗粒，二段催化剂6是涂覆了金属氧化物的蜂窝式铁丝网。点火段和燃尽段的壁面上分别涂覆了催化剂层。
本发明利用上述催化燃烧器实现难燃气体或液体燃料多段催化燃烧的方法，包括下述步骤：将难燃气体或经气化的液体燃料与空气组成预混气后送入燃料进口1，流经多孔介质2和一段催化剂3后进入主燃烧室7进行燃烧；预混气燃尽所需的剩余空气由进风口5送入，并与已稳定着火的混合气流混合，在主燃烧室7内持续稳定燃烧；燃烧后的混合气体流经二段催化剂6，自排气通道8排出。
其中，多孔介质2是多孔陶瓷或分子筛；一段催化剂3是由不锈钢网包裹的催化剂固体颗粒，该催化剂固体颗粒是以分子筛为载体的Pt/ZSM-5或Pd/Al2O3催化剂；二段催化剂6是涂覆了金属氧化物的蜂窝式铁丝网，该金属氧化物是CuO/γ-Al2O3或MnOx/TiO2。在主燃烧室7的点火段壁面9上涂覆催化剂Pt/ZSM-5或Pd/Al2O3。在主燃烧室的燃尽段壁面11上涂覆催化剂CuO/γ-Al2O3或MnOx/TiO2。预混气处于贫氧气富燃料的状态，难燃气体或液体燃料与空气的化学当量比为1.4～3。
具体实施例1
图1为本实施例适用难燃气体微小型多段催化燃烧器的结构图，其主燃烧室7的轴向剖面呈长方形。所使用的燃料为丁烷空气混合物，两者当量比为2。
本实施例燃烧器的壁厚为2mm，采用导热系数小，耐高温材料陶瓷。燃烧器内径在2-3cm之间调整。一段催化剂3布置如图1所示，根据需要取长度2-5mm。催化剂前端布置多孔陶瓷材质的多孔介质2，并与催化剂紧密接触。此处催化剂取的是含铂量为5％铂负载分子筛颗粒。不锈钢网包裹催化剂固体颗粒，保护催化剂不溢出，并且不锈钢网导热系数大，可以预热燃料。在催化段后方布置辅助点火器4。富燃料丁烷空气混合物气体经过多孔介质2与一段催化剂3充分接触，经辅助点火器4点火后在催化剂表面着火，且点火段壁面9涂覆Pt。在催化剂表面和点火段壁面9作用下，发生反应且携带热量的已燃产物、裂解气体、活性基团和未燃气体进入主燃烧段。
主燃烧室7的壁上设2个进风口5，位于点燃段和主燃烧段之间，呈对称布置。进风口的孔径为2mm，控制进风量使得引入时当量比为2的甲烷空气混合物的总体当量比变为1。经催化剂点火的来流气体中含有大量携带热量的已燃产物、未燃气体、裂解气体、活性基团，这些来流与进风成90°对冲混合，一方面预热进风，另一方面在主燃烧室7中充分混合燃烧。
在主燃烧室7充分燃烧的尾气经燃尽段后流经二段催化剂6排入出口通道8。燃尽段壁面11内侧涂覆催化剂CuO/γ-Al2O3，二段催化剂段6长度取2-5mm，采用金属蜂窝式铁丝网布置，并在蜂窝铁丝网上上涂覆金属氧化物做催化剂，本例中采用MnOx/TiO2。不完全燃烧而产生的一氧化碳、碳氢化合物与二段催化剂6充分接触生成二氧化碳和水，有效改善了尾气污染物的排放并促进了燃尽。
具体实施例2
图2为本实施例适用难燃液体微小型多段催化燃烧器的结构图，其主燃烧室7的轴向剖面呈椭圆形，整个长度根据需要在10～15cm之间调整。以当量比为2的丁醇空气预混气为入口燃料，丁醇在预混之前应事先做气化处理。
本实施例燃烧器的壁厚为2mm，采用导热系数小，耐高温材料。一段催化剂3布置如图1根据需要催化段3长度取2-5mm。催化剂前端布置多孔氧化铝材质的多孔介质2并与催化剂紧密接触。此处催化剂取的是含铂量为1％铂负分子筛颗粒。在一段催化剂3后方布置辅助点火器4。辅助点火器4一侧的点火段壁面9涂覆Pt，利于丁醇的催化重整。丁醇空气预混气体经过多孔介质2与一段催化剂3充分接触，经辅助点火器4点火。在一段催化剂3和点火段壁面9作用下，发生氧化、燃烧反应。而后携带热量的已燃产物、裂解气体、活性基团和未燃气体进入主燃烧段。
点火段壁面9与主燃烧段壁面10之间设有2个进风口5，对称布置。进风口的孔径为2mm。经催化剂点火的来流气体中含有大量携带热量的已燃产物、未燃气体、裂解气体、活性基团，这些来流与进风呈垂直对冲混合，一方面预热进风，另一方面在主燃烧室7中充分混合燃烧。
主燃烧段壁面10的另一侧燃尽段壁面11，并且涂覆催化剂CuO/γ-Al2O3。在主燃烧段经充分燃烧的尾气流经燃尽段壁面11后，通过二段催化剂6排入出口通道8，二段催化剂6长度取2-4mm，采用蜂窝式铁丝网包裹，并在在铁丝网上涂覆金属氧化物做催化剂，本例中采用MnOx/TiO2。不完全燃烧而产生的一氧化碳、碳氢化合物在燃尽段壁面11和二段催化剂6的综合作用下生成二氧化碳和水，有效改善了尾气污染物的排放并促进了燃尽。
最后需要说明的是，上述实施例仅用以说明本发明的技术方案，并不用于限制本发明的保护范围。因此，与本发明权利要求书相当的任何修改、等同替换、改进等，都认为是包括在权利要求书的范围内。

Claims (8)

1.一种难燃气体或液体燃料的微小型多段催化燃烧器，包括依次相连的燃料进口、主燃烧室和排气通道；其特征在于，所述催化燃烧器具有下述的多段式结构：在与主燃烧室连通的燃料进口末段部分中设有多孔介质和一段催化剂，一段催化剂与主燃烧室相接处设辅助点火器；主燃烧室依次分为点火段、主燃烧段和燃尽段，设于主燃烧室壁上的进风口与一段催化剂之间为点火段；在与燃尽段连通的排气通道起始段部分中设有二段催化剂，进风口与二段催化剂之间依次为主燃烧段和燃尽段；
所述催化燃烧器为耐高温陶瓷材料的燃烧器，其长度为10～15cm；主燃烧室的壁厚为2mm，内径2～3cm；一段催化剂和二段催化剂的长度分别为2～5mm。
2.根据权利要求1所述的催化燃烧器，其特征在于，所述多孔介质是多孔陶瓷、多孔氧化铝或分子筛；所述一段催化剂是由不锈钢网包裹的催化剂固体颗粒，二段催化剂是涂覆了金属氧化物的蜂窝式铁丝网。
3.根据权利要求1所述的催化燃烧器，其特征在于，所述点火段和燃尽段的壁面上分别涂覆了催化剂层。
4.根据权利要求1至3任意一项中所述的催化燃烧器，其特征在于，所述进风口至少有两个，呈环向、等间距布置于主燃烧室的壁面上，且出风方向与燃料进口的方向相互垂直。
5.根据权利要求1至3任意一项中所述的催化燃烧器，其特征在于，所述主燃烧室具有以燃料进口为轴向的对称形状，其轴向剖面是下述任意一种形状：长方形、正方形、圆形、椭圆形、鼓形。
6.利用权利要求1至3任意一项中所述催化燃烧器实现难燃气体或液体燃料多段催化燃烧的方法，其特征在于，包括下述步骤：
将难燃气体或经气化的液体燃料与空气组成预混气后送入燃料进口，流经多孔介质和一段催化剂后进入主燃烧室进行燃烧；预混气燃尽所需的剩余空气由进风口送入，并与已稳定着火的混合气流混合，在主燃烧室内持续稳定燃烧；燃烧后的混合气体流经二段催化剂，自排气通道排出；其中，
所述多孔介质是多孔陶瓷、多孔氧化铝或分子筛；
所述一段催化剂是由不锈钢网包裹的催化剂固体颗粒，该催化剂固体颗粒是以分子筛为载体的Pt/ZSM-5或Pd/Al2O3催化剂；
所述二段催化剂是涂覆了金属氧化物的蜂窝式铁丝网，该金属氧化物是CuO/γ-Al2O3或MnOx/TiO2；
所述预混气处于贫氧气富燃料的状态，难燃气体或液体燃料与空气的化学当量比为1.4～3；控制进风口的空气引入量，使难燃气体或液体燃料与空气的最终化学当量比为1。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在主燃烧室的点火段的壁面上涂覆催化剂Pt/ZSM-5或Pd/Al2O3。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在主燃烧室的燃尽段的壁面上涂覆催化剂CuO/γ-Al2O3或MnOx/TiO2。
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