CN110513686B - 一种无预混的氢气催化燃烧供热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无预混的氢气催化燃烧供热装置，由氢气进气盖板、波纹板阻火芯、催化燃烧腔室、换热腔室、冷却介质上流道室、冷却介质下流道室及尾气盖板组成，氢气与空气在燃烧腔内催化剂表面直接接触发生催化燃烧反应，产生的热量通过隔板及翅片传至两侧换热腔室，加热冷却介质。本发明专利通过氢气空气催化燃烧供热，排放无污染；氢气空气不用提前预混，避免了常规氢气催化燃烧反应器中，氢气空气混合腔内可能发生的爆炸现象，提高装置安全性；装置换热效率高，结构紧凑，方便模块化串联或并联使用，可作为家庭住宅、办公及工业生产用供热装置，亦可作为燃料电池尾气消氢装置或消除液氢储存过程中逃逸氢气装置。

Description

一种无预混的氢气催化燃烧供热装置
技术领域
本发明属于氢气催化燃烧技术领域，具体涉及一种无预混的氢气催化燃烧供热装置。
背景技术
随着人类社会的快速发展，对能源的需求日益提高，过度依赖传统化石能源造成了严重的环境污染，降低人类生存质量。氢气完全燃烧产物只有水，具有清洁、高效、可持续的特点，被视为21世纪最具有发展潜力的新能源。
氢气在钯、铂等贵金属催化剂存在的条件下，可以与空气实现低温下的无焰催化燃烧，具有燃烧温度可控、燃烧效率高、无氮氧化物排放等优点。氢气催化燃烧器作为供热装置，可用于家庭住宅、办公及工业生产，同时也可作为燃料电池尾气消氢装置或消除液氢储存过程中逃逸氢气装置，应用前景广阔。
氢气一方面燃烧范围较广，爆炸极限为4%～75%，传统催化燃烧器氢气空气预混时处理不当容易发生爆炸危险。专利201310330723.3提出了一种氢催化燃烧器的换热装置，氢气空气在预混器内混合后通往燃烧层，氢气空气比例控制不当，存在爆轰危险。另一方面，氢气的燃烧速度快，对装置的防回火要求严格。专利201410205980.9提出了一种氢催化燃烧器，氢气空气混合后通过多层催化剂层依次反应，但是没有防回火设计，具有安全隐患。
此外，为了能够将催化燃烧释放出的热量充分利用，高效紧凑的换热结构设计也是需要解决的关键问题。
发明内容
本发明为解决背景技术中存在的技术问题而提供一种运行安全稳定，结构紧凑，燃烧换热高效的氢气催化燃烧供热装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种无预混的氢气催化燃烧供热装置，包括冷却介质上流道室、冷却介质下流道室以及设于冷却介质上流道室和冷却介质下流道室之间的换热腔室和催化燃烧腔室，所述的换热腔室有两个且分别设置在催化燃烧腔室前后侧，催化燃烧腔室上设置有空气入口，所述的换热腔室和催化燃烧腔室均采用板翅式结构，流体流动方式为逆流，所述的冷却介质上流道室和冷却介质下流道室均为开有三个槽道的矩形体，前后槽道分别与两个换热腔室相对应，冷却介质上流道室的中间槽道与立方体的波纹板阻火芯和催化燃烧腔室相对应，冷却介质下流道室的中间槽道与催化燃烧腔室和立方体的泡沫镍相对应，泡沫镍用于过滤燃烧尾气及支撑颗粒状催化剂，所述的冷却介质上流道室右侧壁开有冷却介质出口供冷却介质通过，所述的冷却介质下流道室右侧壁开有冷却介质入口供冷却介质进入，波纹板阻火芯上方设置有氢气进气盖板，氢气进气盖板上设置有氢气入口，泡沫镍下方设置有尾气盖板，尾气盖板上设置有尾气出口。
所述的一种无预混的氢气催化燃烧供热装置，其催化燃烧腔室由空气均布腔和隔板构成，所述的空气均布腔内填充有以γ-Al2O3-碳纳米管（CNT）为载体的负载型Pt颗粒状催化剂，或者均匀涂布为壁载型催化剂，以Al2O3做过渡层，再化学沉积Pt活性层；所述的隔板为铜基合金焊接而成，内有上下开口矩形进气腔，隔板前后侧分别焊接有换热翅片，换热翅片为“几”字形翅片，材料为铜基合金，翅片表面可以打孔来增强导热系数，隔板右侧开有连通进气腔的空气入口，与催化燃烧腔室的空气入口对齐，隔板前后侧还开有位于换热翅片两边的数个均布孔，均布孔之间用换热翅片相间隔。
所述的一种无预混的氢气催化燃烧供热装置，其波纹板阻火芯材料为铜基合金，由横截面为等腰三角形的波纹合金带及横截面为矩形的扁合金带交替叠加而成。利用铜基合金高导热性带来的传热作用以及火焰通过狭缝时的淬熄效应，防止当燃烧腔出现不可控明火燃烧时火焰回窜。
进一步，所述的三角形钝角为120°，高0.2mm，厚度0.1mm；所述的扁合金带厚0.15mm。
所述的一种无预混的氢气催化燃烧供热装置，其泡沫镍优选孔隙密度40PPI。
本发明的有益效果在于：
1，考虑到氢气爆炸极限范围宽广，本发明中氢气和空气不在混合腔中预混，两种气体通过不同方向分别进入催化燃烧反应器燃烧腔，氢气与均布于燃烧腔内的空气在催化剂表面上直接接触，发生反应，避免了由于预混带来爆炸或者燃烧隐患，提高了装置安全性与可靠性；
2，通过在催化燃烧反应器燃烧腔氢气进气位置安装波纹板阻火芯，利用波纹板阻火芯材料的导热作用以及微孔隙结构带来的器壁效应，有效避免燃烧腔可能产生的明火回窜，保证上游入口氢气的安全性。
3，通过结构紧凑，传热高效的板翅式换热结构，在换热量一定的情况下显著减小装置体积，方便模块化串联或并联使用。
附图说明
图1是本发明的催化燃烧供热装置结构示意图；
图2是催化燃烧腔室内隔板和空气均布腔的示意图。
各附图标记为：1—氢气进气盖板，2—波纹板阻火芯，3—冷却介质上流道室，4—换热腔室，5—催化燃烧腔室，6—尾气盖板，7—泡沫镍，8—冷却介质下流道室，A—冷却介质出口，B—空气入口，C—冷却介质入口，D—尾气出口，E—氢气入口，5a—进气腔，5b—均布孔，5c—换热翅片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，实施例如下。
参照图1所示，本发明公开了一种无预混的氢气催化燃烧供热装置，主体部分为一个催化燃烧腔室5和两个换热腔室4，换热腔室4以钎焊的方式通过换热隔板与催化燃烧腔室5前后紧密接触，氢气与空气在催化燃烧腔室5内与催化剂表面直接接触反应；除主体部分外，供热装置还包括氢气进气盖板1、波纹板阻火芯2、冷却介质上流道室3、冷却介质下流道室8、尾气盖板6，泡沫镍7；其中催化燃烧腔室5上设置有空气入口B，所述的换热腔室4和催化燃烧腔室5均采用板翅式结构，流体流动方式为逆流，所述的冷却介质上流道室3和冷却介质下流道室8均为开有三个槽道的矩形体，前后槽道分别与两个换热腔室4相对应，冷却介质上流道室3的中间槽道与立方体的波纹板阻火芯2和催化燃烧腔室5相对应，冷却介质下流道室8的中间槽道与催化燃烧腔室5和立方体的泡沫镍7相对应，泡沫镍7用于过滤燃烧尾气及支撑颗粒状催化剂，所述的冷却介质上流道室3右侧壁开有冷却介质出口A供冷却介质通过，所述的冷却介质下流道室8右侧壁开有冷却介质入口C供冷却介质进入，波纹板阻火芯2上方设置有氢气进气盖板1，氢气进气盖板1上设置有氢气入口E，泡沫镍7下方设置有尾气盖板6，尾气盖板6上设置有尾气出口D。
参照图2所示，所述的催化燃烧腔室5由空气均布腔和隔板构成，所述的空气均布腔内填充有以γ-Al2O3-碳纳米管（CNT）为载体的负载型Pt颗粒状催化剂，或者均匀涂布为壁载型催化剂，以Al2O3做过渡层，再化学沉积Pt活性层；所述的隔板为铜基合金焊接而成，内有上下开口矩形进气腔5a，隔板前后侧分别焊接有换热翅片5c，换热翅片5c为“几”字形翅片，材料为铜基合金，翅片表面可以打孔来增强导热系数，隔板右侧开有连通进气腔5a的空气入口B，与催化燃烧腔室5的空气入口B对齐，隔板前后侧还开有位于换热翅片5c两边的数个均布孔5b，均布孔5b之间用换热翅片相间隔。
所述的波纹板阻火芯2材料为铜基合金，由横截面为等腰三角形的波纹合金带及横截面为矩形的扁合金带交替叠加而成，其中等腰三角形钝角为120°，高0.2mm，厚度0.1mm，扁合金带厚0.15mm；利用铜基合金高导热性带来的传热作用以及火焰通过狭缝时的淬熄效应，防止当催化燃烧腔室5出现不可控明火燃烧时火焰回窜。而泡沫镍7优选孔隙密度40PPI。
本发明反应流程作进一步详细说明如下：
氢气由入口E进入氢气进气盖板1，穿过波纹板阻火芯2后进入催化燃烧腔室5；同时空气由入口B进入催化燃烧腔室5并充满进气腔5a，透过均布孔5b均匀分布于换热翅片5c的间隔内。控制氢气占混合体积分数5～7%，混合气体总流量为0.8～1.8m3/h，循环冷却水通入换热腔室4，冷空气通过风机通入催化换热腔室5，入口温度25℃，流量2.5～10 m3/h。装置稳定运行后，测量催化剂表面平均温度380～395℃，温度分布均匀，循环水/热空气出口温度50～60℃。氢气与空气在换热翅片5c间隔内的颗粒型或壁载型催化剂表面上直接接触，发生催化燃烧反应，燃烧温度可以通过进入氢气量以及空气量调节，产生的热量通过换热翅片5c及隔板传递到换热腔室4，燃烧尾气穿过泡沫镍7，经尾气盖板6上的出口D排出。
冷却介质由入口C进入冷却介质下流道室8中，经前后槽道进入两个换热腔室4，通过换热翅片5c与隔板充分换热后达到设定温度，由冷却介质上流道室3的出口A流至使用端。
装置稳定运行后，测得尾气氢气浓度小于10ppm，达到消氢目的。
实施例1
催化燃烧腔室5尺寸100×12×60mm，进气腔5a尺寸100×5×60mm，均布孔5b孔径2mm并以12×8均布排列；换热腔室4尺寸100×8×60mm，催化燃烧腔室5和换热腔室4材料均选用铜镍合金。波纹板阻火芯2中波纹合金带横截面为等腰三角形，三角形钝角为120°，高0.2mm，厚度0.1mm；扁合金带为矩形，厚0.15mm，材料选用铜银锆合金。泡沫镍7尺寸96×10×10mm，孔隙密度40PPI。催化剂选用以γ-Al2O3-碳纳米管（CNT）为载体的负载型Pt颗粒状催化剂。
氢气与空气分别通入催化燃烧腔室5，控制氢气占混合体积分数5%，混合气体总流量为1m3/h，循环水通入换热腔室4，入口温度25℃，流量2.5m3/h。装置稳定运行后，测量催化剂表面平均温度380℃，温度分布均匀，循环水出口温度60℃。
实施例2
催化燃烧腔室5尺寸100×8×60mm，进气腔5a尺寸100×5×60mm，均布孔5b孔径1mm并以15×10均布排列；换热腔室4尺寸100×15×60mm，催化燃烧腔室5和换热腔室4材料均选用铜镐合金。波纹阻火芯中波纹合金带横截面为等腰三角形，三角形钝角为120°，高0.2mm，厚度0.1mm；扁合金带为矩形，厚0.15mm，材料选用铜银锆合金。泡沫镍7尺寸96×6×10mm，孔隙密度40PPI。催化剂选用Al2O3做过渡层，再化学沉积Pt活性层的壁载型催化剂。
氢气与空气分别通入催化燃烧腔室5，控制氢气占混合体积分数6%，混合气体总流量为0.8m3/h，冷空气通过风机通入催化换热腔室5，入口温度25℃，流量10m3/h。装置稳定运行后，测量催化剂表面平均温度395℃，温度分布均匀，热空气出口温度50℃。
实施例3
催化燃烧腔室5尺寸150×20×100mm，进气腔5a尺寸150×8×100mm，均布孔5b孔径2mm并以12×8均布排列；换热腔室4尺寸150×8×100mm，催化燃烧腔室5和换热腔室4材料均选用铜镐合金。波纹阻火芯中波纹合金带横截面为等腰三角形，三角形钝角为120°，高0.2mm，厚度0.1mm；扁合金带为矩形，厚0.15mm，材料选用铜银锆合金。泡沫镍7尺寸146×18×10mm，孔隙密度40PPI。催化剂选用以γ-Al2O3-碳纳米管（CNT）为载体的负载型Pt颗粒状催化剂，氢空催化燃烧空速10000h-1。
氢气与空气分别通入催化燃烧腔室5，控制氢气占混合体积分数7%，混合气体总流量为1.8m3/h，同时，换热腔室4通入冷却介质，装置稳定运行后，测得尾气氢气浓度小于10ppm，达到消氢目的。
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 (5)

1.一种无预混的氢气催化燃烧供热装置，其特征在于：包括冷却介质上流道室（3）、冷却介质下流道室（8）以及设于冷却介质上流道室（3）和冷却介质下流道室（8）之间的换热腔室（4）和催化燃烧腔室（5），所述的换热腔室（4）有两个且分别设置在催化燃烧腔室（5）前后侧，催化燃烧腔室（5）上设置有空气入口（B），所述的冷却介质上流道室（3）和冷却介质下流道室（8）均为开有三个槽道的矩形体，前槽道与前侧换热腔室（4）连通，后槽道与后侧换热腔室（4）连通，冷却介质上流道室（3）的中间槽道与立方体的波纹板阻火芯（2）和催化燃烧腔室（5）相对应，波纹板阻火芯（2）位于催化燃烧腔室（5）上方，冷却介质下流道室（8）的中间槽道与催化燃烧腔室（5）和立方体的泡沫镍（7）相对应，泡沫镍（7）位于催化燃烧腔室（5）下方，所述的冷却介质上流道室（3）右侧壁开有冷却介质出口（A），所述的冷却介质下流道室（8）右侧壁开有冷却介质入口（C），所述的波纹板阻火芯（2）材料为铜基合金，由横截面为等腰三角形的波纹合金带及横截面为矩形的扁合金带交替叠加而成，波纹板阻火芯（2）上方设置有氢气进气盖板（1），氢气进气盖板（1）上设置有氢气入口（E），泡沫镍（7）下方设置有尾气盖板（6），尾气盖板（6）上设置有尾气出口（D），所述的催化燃烧腔室（5）由空气均布腔和隔板构成，所述的空气均布腔内填充有以γ-Al2O3-碳纳米管为载体的负载型Pt颗粒状催化剂；所述的隔板为铜基合金焊接而成，内有矩形进气腔（5a），隔板前后侧分别焊接有换热翅片（5c），隔板右侧开有连通进气腔（5a）的空气入口（B），隔板前后侧还开有位于换热翅片（5c）两边的数个均布孔（5b）。
2.根据权利要求1所述的一种无预混的氢气催化燃烧供热装置，其特征在于，所述的三角形钝角为120°，高0.2mm，厚度0.1mm；所述的扁合金带厚0.15mm。
3.根据权利要求2所述的一种无预混的氢气催化燃烧供热装置，其特征在于，所述的波纹板阻火芯（2）材料为铜银锆合金。
4.根据权利要求1所述的一种无预混的氢气催化燃烧供热装置，其特征在于，所述的换热腔室（4）和催化燃烧腔室（5）材料均选用铜镍合金或铜镐合金。
5.根据权利要求1所述的一种无预混的氢气催化燃烧供热装置，其特征在于，所述的泡沫镍（7）孔隙密度40PPI。
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Address before: 430064 Nanhu Automobile School Courtyard, Hongshan District, Wuhan City, Hubei Province

Patentee before: WUHAN INSTITUTE OF MARINE ELECTRIC PROPULSION (CHINA SHIPBUILDING INDUSTRY CORPORATION NO.712 INSTITUTE)