CN109681864A - 基于燃料多效预处理和无焰燃烧的燃油燃烧装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及建材技术领域，旨在提供一种基于燃料多效预处理和无焰燃烧的燃油燃烧装置。该装置包括垂直接于主燃烧室的中空管状的预处理段，在两者相连处设有燃气缩口；预处理段的外端面上设有一个燃油进口和多个烟气进口；燃油进口与预处理段同轴布置，烟气进口围绕燃油进口均匀间隔布置；预处理段的内部空间分为中空燃料气进口段和多孔介质填充段，后者靠近主燃烧室布置；在主燃烧室上设置主燃烧室排气孔和多个空气喷口，空气喷口围绕燃气缩口均匀间隔布置。本发明中，蒸发的燃油气体可以和高温烟气中的氧气发生催化燃烧放出热量，提高了燃料气流温度，保障主燃烧室的无焰燃烧性能。催化燃烧很好地抑制了NOx生成，同时能提高燃烧效率。

Description

基于燃料多效预处理和无焰燃烧的燃油燃烧装置及方法

技术领域

本发明涉及一种燃油燃烧装置，具体涉及一种基于燃料多效预处理和无焰燃烧的燃油燃烧装置及方法。

背景技术

液体油类燃料因来源广泛、储存运输方便、燃烧稳定较清洁等特点，在各类生产和生活中广泛地以燃烧方式使用。随着社会的进步，人们对燃用一次能源造成的大气环境问题越来越重视，关于燃烧装置的氮氧化物NOx排放要求越来越严。燃油燃烧装置的低NOx排放甚至是超低排放成为新型燃烧技术的一个必要性能，以减少尾部烟气减排的压力负担。同时在燃油的燃烧应用中，燃油的雾化是必不可少的一个环节，雾化粒度的好坏一定程度上决定了燃烧性能的高低。

本发明提出了一种新型燃油燃烧方法，能够实现燃油的快速雾化蒸发和低NOx高效燃烧。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中燃油燃烧器存在的NOx排放高和燃烧不完全等问题，提供一种基于燃料多效预处理和无焰燃烧的燃油燃烧装置和方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种基于燃料多效预处理和无焰燃烧的燃油燃烧装置，包括主燃烧室；该装置还包括垂直接于主燃烧室的中空管状的预处理段，在两者相连处设有漏斗状的燃气缩口；预处理段的外端具有封闭的端面，在端面上设有一个燃油进口和多个烟气进口；燃油进口与预处理段同轴布置，烟气进口围绕燃油进口均匀间隔布置；预处理段的内部空间分为中空燃料气进口段和多孔介质填充段，后者靠近主燃烧室布置；在主燃烧室上设置主燃烧室排气孔和多个空气喷口，空气喷口围绕燃气缩口均匀间隔布置。

本发明中，所述主燃烧室排气孔与燃气缩口相对且同轴设置。

本发明中，所述烟气进口与燃油进口的轴线之间保持平行；或者，烟气进口与燃油进口的轴线之间呈锐角状。

本发明中，所述空气喷口与燃气缩口的轴线之间保持平行；或者，空气喷口与燃气缩口的轴线之间呈锐角状(0～20°)。

本发明中，所述主燃烧室为中空结构且呈轴向对称，其轴向剖面是下述任意一种形状：长方形、正方形、圆形、椭圆形或鼓形；所述预处理段、主燃烧室排气孔、主燃烧室三者共轴布置，预处理段与主燃烧室排气孔设于主燃烧室轴向的两端。

本发明中，所述燃气缩口设于主燃烧室内部，其较大开口端固定在主燃烧室壁上开孔处，预处理段以其开口端接至主燃烧室壁上开孔处；或者，燃气缩口设于预处理段的末端，其较小开口端固定在主燃烧室壁上开孔处。

本发明中，所述多孔介质填充段是全部负载催化剂的多孔介质填充段；或者，多孔介质填充段分为未负载催化剂的多孔介质填充段和负载催化剂的多孔介质填充段两个部分，后者靠近主燃烧室布置。

本发明进一步提供了利用前述装置实现基于燃料多效预处理和无焰燃烧的燃油燃烧的方法，包括以下步骤：

(1)从燃油进口引入燃油或生物燃料，从烟气进口引入300～900℃的烟气；两者在燃料气进口段形成交叉射流，实现燃油的初步雾化和加热蒸发后，由烟气携带燃油进入多孔介质填充段；

(2)在多孔介质填充段中，多孔介质是指负载了贵金属催化剂的泡沫镍分子筛；或者，一部分多孔介质是泡沫镍分子筛，剩余部分多孔介质是负载了贵金属催化剂的泡沫镍分子筛；

燃油在多孔介质填充段中继续被雾化、蒸发，同时在贵金属催化剂作用下与烟气中的氧气发生催化燃烧反应；最终形成混合燃料气体，从燃气缩口排入主燃烧室；

(3)在主燃烧室中，从空气喷口引入的空气射流进一步卷吸混合燃料气体，在主燃烧室内形成以气体燃烧模式为主的无焰燃烧，燃烧生成的烟气从主燃烧室排气孔排出。

本发明中，所述贵金属催化剂是铂铑钯多效催化剂，铂、铑、钯占多孔介质的质量百分比含量为0.5％～5％；所述泡沫镍分子筛的孔径为20～50PPI，空隙率50～70％。

本发明中，引入的燃油与烟气的质量比为0.05～0.3∶1；混合燃料气体在燃气缩口处的出口速度为10～35m/s，排出方向与主燃烧室的轴线平行；主燃烧室的空气喷口处的空气射流的速度为60～120m/s。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中所述燃油可以是汽油、轻柴油、乙醇、二甲醚、庚烷或生物柴油等。预处理段的多孔介质采用导热性能较好的泡沫镍分子筛，起到加强雾化液体燃料与高温烟气混合的传热和混合作用，同时泡沫镍分子筛的微小孔隙对燃油起到再次雾化的作用。

2、因预处理段多孔介质分子筛上负载铂、铑、钯等催化剂，蒸发的燃油气体可以和高温烟气中的氧气发生催化燃烧放出热量，进一步提高了进入主燃烧室的燃料气流温度，更好地保障了主燃烧室的无焰燃烧性能。

3、预处理段的催化燃烧，是在低氧富燃条件下进行的，很好地抑制了NOx生成。

4、预处理段的多孔介质加强了燃油的雾化和传热条件，燃油小液滴和液膜吸收了大量的热量，在出口处已大部分完成了蒸发。这样在主燃烧室的燃烧，就不再是以燃油液体颗粒的液体燃烧模式为主，而是以燃油气体燃烧模式为主，从而提高了燃烧效率。

附图说明

图1为实施例1中燃油燃烧装置的剖面示意图；

图2为图1中装置的左视图；

图3为实施例2中燃油燃烧装置的剖面示意图。

附图标记：燃油进口1，烟气进口2，燃料气进口段3，预处理段4，负载催化剂的多孔介质填充段5，空气喷口6，燃气缩口7，主燃烧室8，主燃烧室排气孔9，未负载催化剂的多孔介质填充段10。

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。

如图所示，基于燃料多效预处理和无焰燃烧的燃油燃烧装置包括主燃烧室8，以及垂直接于主燃烧室8的中空管状的预处理段4，在两者相连处设有漏斗状的燃气缩口7；预处理段4的外端具有封闭的端面，在端面上设有一个燃油进口1和多个烟气进口2；燃油进口1与预处理段4同轴布置，烟气进口2围绕燃油进口1均匀间隔布置；预处理段4的内部空间分为中空的燃料气进口段3和多孔介质填充段，后者靠近主燃烧室8布置；在主燃烧室8上设置主燃烧室排气孔9和多个空气喷口6，空气喷口6围绕燃气缩口7均匀间隔布置。主燃烧室8为中空结构且呈轴向对称，其轴向剖面是下述任意一种形状：长方形、正方形、圆形、椭圆形或鼓形；预处理段4、主燃烧室排气孔9、主燃烧室8三者共轴布置，预处理段4与主燃烧室排气孔9设于主燃烧室8轴向的两端，使得主燃烧室排气孔9与燃气缩口7相对且同轴设置。

在图1所示的实施例一中，烟气进口2与燃油进口1的轴线之间呈锐角状，空气喷口6与燃气缩口7的轴线之间呈锐角状。燃气缩口7设于主燃烧室8内部，其较大开口端固定在主燃烧室8壁上开孔处，预处理段4以其开口端接至主燃烧室8壁上开孔处；预处理段4中，多孔介质填充段是负载催化剂的多孔介质填充段5。

在图3所示的实施例二中，烟气进口2与燃油进口1的轴线之间保持平行；空气喷口6与燃气缩口7的轴线之间保持平行；燃气缩口7设于预处理段4的末端，其较小开口端固定在主燃烧室壁8上开孔处。预处理段4中，多孔介质填充段分为未负载催化剂的多孔介质填充段10和负载催化剂的多孔介质填充段5两个部分，后者靠近主燃烧室布置。

利用本发明所述装置实现基于燃料多效预处理和无焰燃烧的燃油燃烧的方法，包括以下步骤：

(1)从燃油进口1引入燃油或生物燃料，从烟气进口2引入300～900℃的烟气；两者在燃料气进口段3形成交叉射流，实现燃油的初步雾化和加热蒸发后，由烟气携带燃油进入多孔介质填充段；

(2)在多孔介质填充段中，多孔介质是指负载了贵金属催化剂的泡沫镍分子筛；或者，一部分多孔介质是泡沫镍分子筛，剩余部分多孔介质是负载了贵金属催化剂的泡沫镍分子筛；所述贵金属催化剂可选铂铑钯多效催化剂，铂、铑、钯占多孔介质的质量百分比含量为0.5％～5％；所述泡沫镍分子筛的孔径为20～50PPI，空隙率50～70％。

燃油在多孔介质填充段中继续被雾化、蒸发，同时在贵金属催化剂作用下与烟气中的氧气发生催化燃烧反应；最终形成混合燃料气体，从燃气缩口排入主燃烧室8；

(3)在主燃烧室8中，从空气喷口引入的空气射流进一步卷吸混合燃料气体，在主燃烧室8内形成以气体燃烧模式为主的无焰燃烧，燃烧生成的烟气从主燃烧室排气孔9排出；

通常情况下，从烟气进口2引入的高温烟气除含有燃油燃烧产物水分和CO₂外，还含有1％～10％的未反应残余氧气、CO和VOC等未燃尽物质。因此，可以控制引入的燃油与烟气的质量比为0.05～0.3∶1。同时，可控制混合燃料气体在燃气缩口处的出口速度为10～35m/s，排出方向与主燃烧室的轴线平行；主燃烧室的空气喷口处的空气射流的速度为60～120m/s。

具体实施案例1

本实施例所用装置如图1所示，所使用的燃料为轻柴油。

轻柴油由燃油进口1进入燃料气进口段3，4个烟气进口2呈环形分布在燃油进口1的四周，且燃油进口1和800℃的烟气进口2的轴线夹角成30°。燃料气进口段3有400mm距离，以保证良好的初始雾化。高温烟气(含氧量5％)携带燃油雾滴一起进入预处理段4，引入的燃油与烟气的质量比为0.15∶1(kg/kg)。预处理段4内部分填充负载催化剂的多孔介质5，负载催化剂的多孔介质5为泡沫镍分子筛负载铂、铑、钯的多效催化剂，铂、铑、钯的含量为0.5％，孔径30PPI，空隙率50％。预处理段4长300mm，燃油雾滴在其中被雾化、加热、蒸发和催化燃烧。初步燃烧后的燃料气出预处理段4后，经过燃气缩口7被加速后以10m/s速度喷入主燃烧室8。4个空气喷口6呈环形布置在主燃烧室8的前段壁面上，在燃气缩口7的外围成环形分布。辅助燃烧的空气经空气喷口6以60m/s高速喷入主燃烧室，射流方向与燃气缩口轴线成10°夹角。高速空气射流因速度高，大量卷吸外侧的易燃烟气和内侧的燃气，在主燃烧室8内形成无焰燃烧。主燃烧室8内的燃烧温度在1200±150℃内，可燃组分经充分燃烧后成为烟气，从主燃烧排气孔9排出。排出的烟气NOx浓度小于90mg/m³，CO浓度小于50mg/m³。排出的烟气经冷却后，在810℃附近抽取部分经高温风机增加后送人烟气进口2，形成烟气再循环利用。

具体实施案例2

本实施例所用装置如图3所示，所使用的燃料为生物乙醇。

生物乙醇由燃油进口1进入进口段3，烟气进口2呈圆环形在燃油进口1的外侧，且燃油进口1和300℃的烟气进口2的轴线平行，预处理段4距烟气进口2有300mm距离，以保证良好的初始雾化。高温烟气(含氧量3％)携带燃油雾滴一起进入预处理段4，引入的燃油与烟气的质量比为0.05∶1(kg/kg)。预处理段4长250mm，其填充部分分为未负载催化剂的多孔介质填充段10和负载催化剂的多孔介质填充段5两个部分。在多孔介质载体10内，燃油雾滴在其中被雾化、加热和蒸发。负载催化剂的多孔介质为泡沫镍分子筛负载铂、铑、钯的多效催化剂，铂、铑、钯的含量为0.8％，孔径50PPI，空隙率60％。在多孔介质催化剂5内，燃油分子和高温烟气的氧气发生催化燃烧，释放热量，燃油继续受热蒸发。初步燃烧后的燃料气出预处理段4后，经过燃气缩口7被加速后以35m/s速度喷入主燃烧室8。圆环形空气喷口6布置在主燃烧室8的前段壁面上，位于燃气缩口7的外围。辅助燃烧的空气经空气喷口6以120m/s高速喷入主燃烧室，射流方向与燃气缩口轴线平行。高速空气射流因速度高，大量卷吸外侧的易燃烟气和内侧的燃气，在主燃烧室8内形成无焰燃烧。主燃烧室8内的燃烧温度在1100±130℃内，可燃组分经充分燃烧后成为烟气，从主燃烧排气孔9排出。排出的烟气NOx浓度小于70mg/m³，CO浓度小于40mg/m³。

具体实施案例3

本实施例所用装置如图3所示，所使用的燃料为汽油。负载催化剂的多孔介质为泡沫镍分子筛负载铂、铑、钯的多效催化剂，铂、铑、钯的含量为5％，泡沫镍分子筛的孔径为20PPI，空隙率70％。

本实施例中除高温烟气温度、燃油与烟气质量比、高速空气速度、混合燃料气喷入主燃烧室速度参数控制为900℃、0.3∶1(kg/kg)、80m/s、25m/s之外，其余与实施案例2相同。该实施例中，主燃烧室8内的燃烧温度在1250℃内，排出的烟气NOx浓度小于80mg/m³，CO浓度小于50mg/m³。

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 (10)

1.一种基于燃料多效预处理和无焰燃烧的燃油燃烧装置，包括主燃烧室；其特征在于，该装置还包括垂直接于主燃烧室的中空管状的预处理段，在两者相连处设有漏斗状的燃气缩口；预处理段的外端具有封闭的端面，在端面上设有一个燃油进口和多个烟气进口；燃油进口与预处理段同轴布置，烟气进口围绕燃油进口均匀间隔布置；预处理段的内部空间分为中空燃料气进口段和多孔介质填充段，后者靠近主燃烧室布置；在主燃烧室上设置主燃烧室排气孔和多个空气喷口，空气喷口围绕燃气缩口均匀间隔布置。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主燃烧室排气孔与燃气缩口相对且同轴设置。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述烟气进口与燃油进口的轴线之间保持平行；或者，烟气进口与燃油进口的轴线之间呈锐角状。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述空气喷口与燃气缩口的轴线之间保持平行；或者，空气喷口与燃气缩口的轴线之间呈锐角状。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主燃烧室为中空结构且呈轴向对称，其轴向剖面是下述任意一种形状：长方形、正方形、圆形、椭圆形或鼓形；所述预处理段、主燃烧室排气孔、主燃烧室三者共轴布置，预处理段与主燃烧室排气孔设于主燃烧室轴向的两端。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述燃气缩口设于主燃烧室内部，其较大开口端固定在主燃烧室壁上开孔处，预处理段以其开口端接至主燃烧室壁上开孔处；或者，燃气缩口设于预处理段的末端，其较小开口端固定在主燃烧室壁上开孔处。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多孔介质填充段是全部负载催化剂的多孔介质填充段；或者，多孔介质填充段分为未负载催化剂的多孔介质填充段和负载催化剂的多孔介质填充段两个部分，后者靠近主燃烧室布置。

8.利用权利要求1所述装置实现基于燃料多效预处理和无焰燃烧的燃油燃烧的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)从燃油进口引入燃油或生物燃料，从烟气进口引入300～900℃的烟气；两者在燃料气进口段形成交叉射流，实现燃油的初步雾化和加热蒸发后，由烟气携带燃油进入多孔介质填充段；

(2)在多孔介质填充段中，多孔介质是指负载了贵金属催化剂的泡沫镍分子筛；或者，一部分多孔介质是泡沫镍分子筛，剩余部分多孔介质是负载了贵金属催化剂的泡沫镍分子筛；

燃油在多孔介质填充段中继续被雾化、蒸发，同时在贵金属催化剂作用下与烟气中的氧气发生催化燃烧反应；最终形成混合燃料气体，从燃气缩口排入主燃烧室；

(3)在主燃烧室中，从空气喷口引入的空气射流进一步卷吸混合燃料气体，在主燃烧室内形成以气体燃烧模式为主的无焰燃烧，燃烧生成的烟气从主燃烧室排气孔排出。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述贵金属催化剂是铂铑钯多效催化剂，铂、铑、钯占多孔介质的质量百分比含量为0.5％～5％；所述泡沫镍分子筛的孔径为20～50PPI，空隙率50～70％。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，引入的燃油与烟气的质量比为0.05～0.3∶1；混合燃料气体在燃气缩口处的出口速度为10～35m/s，排出方向与主燃烧室的轴线平行；主燃烧室的空气喷口处的空气射流的速度为60～120m/s。