CN109869717B

CN109869717B - 一种自热式氢氧催化燃烧器及自热启动方法

Info

Publication number: CN109869717B
Application number: CN201910087811.2A
Authority: CN
Inventors: 李海港; 彭恩高; 吴飞; 程臣; 曾辉
Original assignee: Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion China Shipbuilding Industry Corp No 712 Institute CSIC
Current assignee: Wuhan Hydrogen Energy and Fuel Cell Industry Technology Research Institute Co Ltd
Priority date: 2019-01-29
Filing date: 2019-01-29
Publication date: 2020-05-19
Anticipated expiration: 2039-01-29
Also published as: CN109869717A

Abstract

本发明公开了一种自热式氢氧催化燃烧器及自热启动方法，包括气体混合室以及呈垂直布置在气体混合室内的空气管道与氢气管道，空气管道和氢气管道内分别布置有空气管道阻火器和氢气管道阻火器，气体混合室的下方设置有由催化板卷成的蜂窝状催化燃烧室，气体混合室与催化燃烧室之间连接有气体布料器。本发明提供了适用于供热的安全可靠的氢催化燃烧器，其自热功能尤其适用于野外使用，启动时按氢气与氮气比为2：3～3：2比例通入混合气，经3～6min即可达到160℃以上，实现自热启动；以氢气与空气反应时，控制氢气体积比例在10%以下，通过控制混合气流量、氢气体积比例获得不同温度的燃烧尾气，用于不同的供热场合。

Description

一种自热式氢氧催化燃烧器及自热启动方法

技术领域

本发明属于氢能应用领域，尤其涉及一种自热式氢氧催化燃烧器，以及其自热启动方法。

背景技术

氢气具有绿色无污染、质量能量密度高、可再生、资源丰富等优点，被认为是21世纪的绿色能源，应用潜力巨大。世界各国对氢气的生产、储存、运输与应用的研究开展的正如火如荼，以期在未来的技术领域和新能源竞争中占据优势。

供热是氢气的重要应用之一，然而氢气燃烧具有燃烧速度快、温度极高、容易回火、安全隐患大的缺点，因此氢气燃烧供热尚未广泛推广。氢气与氧气在催化剂作用下，在较低的温度实现完全燃烧被称为氢催化燃烧，由Sharer等人于1974年提出。氢催化燃烧温度低于500℃、无火焰，通过氢气浓度和氢气燃烧量两个参数调控燃烧温度。催化剂一般采用贵金属铂或者钯以及它们的氧化物。

催化燃烧原理研究较多，日本在大阪工业试验中发现氢氧在催化剂表面，在室温条件下即能燃烧。芬兰人研究了氢氧催化燃烧，并应用于房屋取暖，并用燃烧尾气调节房屋内的湿度。美国通用汽车研究氢氧催化燃烧，用于加热储氢系统放氢。日本丰田汽车研究催化燃烧用于氢空燃烧电池尾氢的消除。目前氢氧催化燃烧有三个重要应用领域：一是供热，比如房屋取暖、加热；二是氢气的消除，主要用于氢氧燃料电池、核电站等；三是氢气内除氧。其中供热领域目前存在燃烧器内温度分布不均匀，存在热点的问题。燃烧器内一旦存在热点，即有发生爆炸的危险。

专利201410205980.9公开了一种氢气催化燃烧器，氢气与空气在气体混合腔混合后进入催化剂层，但未见到防止空气进入氢气管道的措施，其次采用催化床层时，一旦催化层填充不均匀势必存在热点。

专利201310330722.9公开了一种自燃型氢催化燃烧器，氢气与空气在混合腔预混合后进入低温催化层，然后进入催化燃烧层。混合气通过喷嘴喷入催化层，未见防止回火措施，存在安全隐患。

发明内容

为解决氢气管道回火，催化燃烧存在热点的难题，本发明提供一种自热防回火式氢氧催化燃烧器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种自热式氢氧催化燃烧器，包括具有一空腔的气体混合室以及呈垂直布置在气体混合室内的空气管道与氢气管道，所述的氢气管道布置在空气管道的上方，所述的空气管道和氢气管道均沿气体混合室圆周切面向外延伸，同时与水平线呈10～20°夹角，所述的空气管道和氢气管道内分别布置有空气管道阻火器和氢气管道阻火器；所述的气体混合室的下方设置有由特制催化板卷成的蜂窝状催化燃烧室，所述的气体混合室与催化燃烧室之间连接有气体布料器，气体布料器通过布料器支撑板安装固定，具有自热功能，启动时不需外界提供能量；所述的催化燃烧室下方设置有催化燃烧器箱体，催化燃烧器箱体下端设置有尾气管道，空气管道和尾气管道上分别设置有空气管道法兰和尾气管道法兰，所述的催化燃烧器箱体上还设有压力传感器套管和温度传感器套管，用于分别安装压力传感器和温度传感器，气体混合室的顶部端面设置有法兰螺栓孔。

所述的一种自热式氢氧催化燃烧器，其催化板由催化板平板和催化板折叠板组成，所述的催化板平板由3～6mm厚铝箔或铜片的基底、涂刷在基底上的20～50μm厚疏水性γ三氧化二铝过渡层以及通过化学沉积在过渡层上的0.5～2μm厚铂活性催化剂层组成，所述的铂占过渡层质量的0.5～2%，优选的铂粒子直径为1～10nm。

所述的一种自热式氢氧催化燃烧器，催化板折叠板折叠时通过催化板峰谷与峰顶间距离控制蜂窝孔径，优选的蜂窝孔径为200～600μm。

所述的一种自热式氢氧催化燃烧器，其空气管道阻火器和氢气管道阻火器由厚度5～10mm、孔数30～50PPI、孔隙率40～80%的泡沫金属加工而成。

所述的一种自热式氢氧催化燃烧器，其气体布料器由厚度3～8mm、孔数30～50PPI、孔隙率40～80%的泡沫金属加工而成。进一步，气体布料器由海绵镍加工而成。

所述的一种自热式氢氧催化燃烧器，其气体布料器与气体混合室为一体式结构，通过气体混合室法兰与催化燃烧室连接。

所述的一种自热式氢氧催化燃烧器，其催化燃烧室外设置有挂耳。

本发明的第二个方面，提供了一种自热启动方法，使用上述的本发明提供的氢氧催化燃烧器，启动时将氢气与氮气按2：3～3：2的比例混合通入气体混合室燃烧，经1～3min即可达到160℃以上，然后停止通入氮气，改为通入空气,0.5～1min后达到稳定燃烧，将混合气空速控制在10000～20000h^-1，催化燃烧器启动时不需外界提供热能。

本发明的有益效果是：通过设计氢气与空气的流道，改进催化剂形式，实现氢氧催化燃烧的顺行，解决氢气催化燃烧时回火、热点等问题，从而实现稳定供热的目的，确保应用安全。本氢氧催化燃烧器可用于供热场合，具有绿色无污染的优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明气体混合室的结构示意图；

图3是图2中A—A方向的剖视图；

图4是图2中B—B方向的剖视图；

图5是本发明催化燃烧室的结构示意图；

图6是图5中C—C方向的剖视图；

图7是本发明催化板的结构示意图；

图8是图7中D—D方向的剖视图；

图9是图7中E—E方向的剖视图；

图10是本发明催化板的组成图。

各附图标记为：1—气体混合室，2—空气管道，3—空气管道法兰，4—空气管道阻火器，5—氢气管道，6—气体布料器，7—气体混合室法兰，8—催化燃烧室，9—挂耳，10—催化板，10-1—催化板平板，10-1-1—基底，10-1-2—过渡层，10-1-3—活性催化剂层，10-2—催化板折叠板，11—催化燃烧器箱体，12—尾气管道，13—尾气管道法兰，14—压力传感器套管，15—温度传感器套管，16—法兰螺栓孔，17—布料器支撑板，18—氢气管道阻火器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

参照图1至图4所示，本发明公开了一种自热式氢氧催化燃烧器，包括具有一空腔的气体混合室1以及呈垂直布置在气体混合室1内的空气管道2与氢气管道5，所述的氢气管道5布置在空气管道2的上方，所述的空气管道2和氢气管道5均沿气体混合室1圆周切面向外延伸，同时与水平线呈10～20°夹角，这样空气与氢气呈切向流进入气体混合室1，通气时控制氢气、空气的流速在0.2马赫以且保证氢气压力大于空气压力，以避免氧气（或者空气）进入氢气管道5，防止氢气和氧气在氢气管道5内发生燃烧，所述的空气管道2和氢气管道5内分别布置有空气管道阻火器4和氢气管道阻火器18，其中空气管道阻火器4和氢气管道阻火器18由厚度5～10mm、孔数30～50PPI、孔隙率40～80%的泡沫金属加工而成；所述的气体混合室1的下方设置有由特制催化板10卷成的蜂窝状催化燃烧室8，所述的气体混合室1与催化燃烧室8之间连接有气体布料器6，其中气体布料器6由厚度3～8mm、孔数30～50PPI、孔隙率40～80%的泡沫金属加工而成，优选由海绵镍加工而成，气体布料器6通过布料器支撑板17安装固定，具有自热功能，启动时不需外界提供能量；所述的催化燃烧室8下方设置有催化燃烧器箱体11，催化燃烧器箱体11下端设置有尾气管道12，空气管道2和尾气管道12上分别设置有空气管道法兰3和尾气管道法兰13，用于连接其他设备，所述的催化燃烧器箱体11上还设有压力传感器套管14和温度传感器套管15，用于分别安装压力传感器和温度传感器，气体混合室1的顶部端面设置有法兰螺栓孔16，用于连接催化燃烧室8。

参照图5至图10所示，所述的催化板10由催化板平板10-1和催化板折叠板10-2组成，所述的催化板平板10-1由3～6mm厚铝箔或铜片基底10-1-1、涂刷在基底10-1-1上的20～50μm厚疏水性γ三氧化二铝过渡层10-1-2以及通过化学沉积在过渡层10-1-2上的0.5～2μm厚铂活性催化剂层10-1-3组成，所述的铂占过渡层10-1-2质量的0.5～2%，优选的铂粒子直径为1～10nm。所述的催化板折叠板10-2折叠时通过催化板峰谷与峰顶间距离控制蜂窝孔径，优选的蜂窝孔径为200～600μm；过渡层疏水性γ-Al₂O₃与铝箔或铜片基底接触力大，不易剥落，通过化学沉积法均匀的将铂粒子加载在过渡层10-1-2上，避免铂粒子出现团聚，避免了燃烧过程中出现热点。

本发明的气体布料器6与气体混合室1为一体式结构，通过气体混合室法兰7与催化燃烧室8连接，催化燃烧室8外设置有挂耳9，便于随身携带。

实施例2

气体混合室1直径为60mm，高度为40mm，氢气管道5与空气管道2垂直布置，控制混合气流速为0.1马赫。泡沫镍加工成空气管道阻火器4，厚度为5mm，孔数为40PPI，孔隙率40%。气体布料器6同样为泡沫镍加工而成，厚度为7mm，孔数为50PPI，孔隙率为60%。催化板10生产时，铝箔基底厚度为4mm，涂刷20μm疏水性γ-Al₂O₃过渡层，沉积0.5μm铂活性层，铂占过渡层质量0.8%，铂粒子平均直径为5nm。催化板10折叠成催化燃烧室8，孔径为200μm。催化燃烧室8尺寸为直径60mm，长度为130mm。

氢气与氮气按照体积比为2：3通入气体混合室1，经气体布料器6后进入催化燃烧室8，约3min后升温至160℃以上，停止通入氮气，改为通入空气，控制氢气占混合气体积分数10%，通量为3.6m³/h，1min后尾气温度稳定在350℃，经测量催化燃烧室内温度分布均匀，催化剂表面温度最高为490℃，最低为460℃，不存在热点。

实施例3

气体混合室1直径为60mm，高度为40mm，氢气管道5与空气管道2垂直布置，控制混合气流速为0.08马赫。泡沫镍加工成空气管道阻火器4，厚度为5mm，孔数为40PPI，孔隙率40%。气体布料器6同样为泡沫镍加工而成，厚度为6mm，孔数为40PPI，孔隙率为50%。催化板10生产时，铝箔基底厚度为4mm，涂刷30μm疏水性γ-Al₂O₃过渡层，沉积1μm铂活性层，铂占过渡层质量1%，铂粒子平均直径为5nm。催化板10折叠成催化燃烧室8，孔径为100μm。催化燃烧室8尺寸为直径60mm，长度为130mm。

氢气与氮气按照体积比为3：2通入气体混合室1，经布料器后进入催化燃烧室8，约2min后升温至160℃以上，停止通入氮气，改为通入空气，控制氢气占混合气体积分数8%，通量为2.4m³/h，1min后尾气温度稳定在300℃，经测量催化燃烧室内温度分布均匀，催化剂表面温度最高为470℃，最低为450℃，不存在热点。

实施例4

气体混合室1直径为60mm，高度为40mm，氢气管道5与空气管道2垂直布置，控制混合气流速为0.08马赫。泡沫镍加工成空气管道阻火器4，厚度为5mm，孔数为40PPI，孔隙率40%。气体布料器6同样为泡沫镍加工而成，厚度为6mm，孔数为40PPI，孔隙率为50%。催化板10生产时，铝箔基底厚度为4mm，涂刷50μm疏水性γ-Al₂O₃过渡层，沉积1μm铂活性层，铂占过渡层质量0.8%，铂粒子平均直径为8nm。催化板10折叠成催化燃烧室8，孔径为600μm。催化燃烧室8尺寸为直径60mm，长度为130mm。

氢气与氮气按照体积比为3：2通入气体混合室1，经布料器后进入催化燃烧室8，约2min后升温至160℃以上，停止通入氮气，改为通入空气，控制氢气占混合气体积分数5%，通量为2.4m³/h，1min后尾气温度稳定在280℃，经测量催化燃烧室内温度分布均匀，催化剂表面温度最高为420℃，最低为400℃，不存在热点。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种自热式氢氧催化燃烧器，其特征在于：包括气体混合室（1）以及呈垂直布置在气体混合室（1）内的空气管道（2）与氢气管道（5），所述的氢气管道（5）布置在空气管道（2）的上方，所述的空气管道（2）和氢气管道（5）均沿气体混合室（1）圆周切面向外延伸，同时与水平线呈10～20°夹角，所述的空气管道（2）和氢气管道（5）内分别布置有空气管道阻火器（4）和氢气管道阻火器（18）；所述的气体混合室（1）的下方设置有由催化板（10）卷成的蜂窝状催化燃烧室（8），所述的催化板（10）由催化板平板（10-1）和催化板折叠板（10-2）组成，所述的催化板平板（10-1）由3～6mm厚铝箔或铜片的基底（10-1-1）、涂刷在基底（10-1-1）上的20～50μm厚疏水性γ三氧化二铝过渡层（10-1-2）以及化学沉积在过渡层（10-1-2）上的0.5～2μm厚铂活性催化剂层（10-1-3）组成，所述的铂占过渡层（10-1-2）质量的0.5～2%，所述的气体混合室（1）与催化燃烧室（8）之间连接有气体布料器（6），所述的催化燃烧室（8）下方设置有催化燃烧器箱体（11），催化燃烧器箱体（11）下端设置有尾气管道（12）。

2.根据权利要求1所述的一种自热式氢氧催化燃烧器，其特征在于，所述的蜂窝孔径为200～600μm。

3.根据权利要求1所述的一种自热式氢氧催化燃烧器，其特征在于，所述的空气管道阻火器（4）和氢气管道阻火器（18）由厚度5～10mm、孔数30～50PPI、孔隙率40～80%的泡沫金属加工而成。

4.根据权利要求1所述的一种自热式氢氧催化燃烧器，其特征在于，所述的气体布料器（6）由厚度3～8mm、孔数30～50PPI、孔隙率40～80%的泡沫金属加工而成。

5.根据权利要求4所述的一种自热式氢氧催化燃烧器，其特征在于，所述的气体布料器（6）由海绵镍加工而成。

6.根据权利要求4所述的一种自热式氢氧催化燃烧器，其特征在于，所述的气体布料器（6）与气体混合室（1）为一体式结构，通过气体混合室法兰（7）与催化燃烧室（8）连接。

7.根据权利要求1所述的一种自热式氢氧催化燃烧器，其特征在于，所述的催化燃烧室（8）外设置有挂耳（9）。

8.一种如权利要求1所述氢氧催化燃烧器的自热式启动方法，其特征在于，步骤为：将氢气与氮气按2：3～3：2的比例混合通入气体混合室（1）燃烧， 1～3min后停止通入氮气，改为通入空气，0.5～1min后达到稳定燃烧，将混合气空速控制在10000～20000h^-1，不需外界提供热即可启动催化燃烧器。