CN110864287B - 一种平板微热管壁面催化燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平板微热管壁面催化燃烧器，燃烧器本体部分为板翅结构，由平板微热管、导热板和铜翅片焊接而成，导热板将燃烧器本体分隔成上下两个腔室，即燃烧腔和导热腔，燃烧腔由平板微热管蒸发段和铜翅片围成，导热腔则由平板微热管冷凝段和铜翅片围成；可燃气体与空气进入燃烧腔发生催化燃烧反应放出大量热量，热量通过燃烧腔壁面的平板微热管蒸发段传递给导热腔。导热腔内通入流体物料，吸收热量进行预热或者汽化；腔内也可以填充催化剂，物料吸收热量进行催化反应。因此该催化燃烧器可以广泛应用于强放热和吸热的耦合反应体系。

Description

一种平板微热管壁面催化燃烧器

技术领域

本发明涉及一种平板微热管壁面催化燃烧器，属于可燃气体催化燃烧、平板微热管、放热与吸热耦合反应等技术领域。

背景技术

目前，设备向着小型化、高效化、安全环保方向发展。然而当前对于强吸热化学反应设备常使用电加热或导热油加热等方式进行供热，需额外提供电加热装置或导热油炉，电能存在着用于发电的一次能源转化效率低或导致污染等问题，导热油炉也存在着系统体积大、能量转化与热利用效率低的问题，不符合设备小型化、高效化、安全环保的要求。同时，热量在传递环节的散失也会使设备的能量利用率大打折扣。

因此，解决问题的关键是如何实现高效、安全、环保地热量供应，减少热量中间环节的传递和散失，提高系统热效率，实现设备的小型化和高效化。

在铂、钯和钌等贵金属催化剂作用下，氢气等可燃气体可以在较低温度下实现完全燃烧，产生的热量可以为其他化学反应供热，并且催化燃烧有着燃烧温度温和、能量效率高、对环境友好等优点。

因此，催化燃烧器就是基于这一设计理念而开发的。

发明内容

本发明的目的是为了解决如何高效、安全、环保地对强吸热化学反应设备中供应热量的问题，实现设备小型化、高效化、安全环保，提供了一种平板微热管壁面催化燃烧器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种平板微热管壁面催化燃烧器，包括燃烧器本体、催化燃烧预热室、流体预热室、气体混合室、混合气体均布器和流体进料室；所述的燃烧器本体为板翅式结构，由平板微热管、导热板和铜翅片焊接形成，所述的导热板将燃烧器本体分隔成上部的燃烧腔和下部的导热腔，燃烧腔由平板微热管的蒸发段和铜翅片围成，燃烧腔内有催化燃烧催化剂，导热腔由平板微热管的冷凝段和铜翅片围成；所述的催化燃烧预热室与燃烧腔通过焊接连接，燃烧腔顶部固接有气体混合室，气体混合室内设有混合气体均布器；所述的流体预热室与导热腔通过焊接连接，导热腔底部固接有流体进料室。

所述的一种平板微热管壁面催化燃烧器，其催化剂为装填的颗粒型催化剂，或是涂覆在铜翅片表面的催化剂。

所述的一种平板微热管壁面催化燃烧器，其导热腔导热腔内装填有脱氢催化剂用于脱氢催化反应，所述的脱氢催化剂是粒径为0.8～1mm的铂、钯或其合金的球形催化剂。

所述的一种平板微热管壁面催化燃烧器，其催化燃烧预热室包括燃烧尾气腔和设于燃烧尾气腔内的蛇形盘管，燃烧尾气腔有尾气进口和尾气出口，燃烧腔内出来的催化燃烧尾气通过尾气进口进入燃烧尾气腔内，通过热传递将蛇形盘管内的混合原料气体预热到设定温度，冷却后的催化燃烧尾气经尾气出口排出，所述蛇形盘管的一端为原料气进口，另一端为原料气出口，混合原料气体从底部向上流动，与催化燃烧尾气呈并流流动，经盘管预热后从原料气出口进入到气体混合室内。

所述的一种平板微热管壁面催化燃烧器，其气体混合室内设有“回”字形流道，流道进口与原料气出口相连，流道壁面开有矩形微槽，混合原料气体通过微槽向混合腔中心部位扩散，混合腔中心部位设有混合气体均布器，混合原料气体经均布器均布后均匀流入燃烧腔。

所述的一种平板微热管壁面催化燃烧器，其燃烧尾气腔内装填催化燃烧催化剂。

所述的一种平板微热管壁面催化燃烧器，其流体预热室包括反应流体流出腔和设于反应流体流出腔内的蛇形盘管，所述的蛇形盘管的一端为流体原料进口，另一端为流体原料出口，流体原料经盘管预热后从流体原料出口进入到流体进料室内，所述的反应流体流出腔有反应流体进口和反应流体出口，导热腔出来的反应后流体通过反应流体进口进入反应流体流出腔内，将反应后流体的热量传递给流体原料预热，而冷却后的反应后流体经反应流体出口排出。

所述的一种平板微热管壁面催化燃烧器，其流体进料室为矩形腔室，与流体预热室内盘管的流体原料出口相连，同时进料腔室密封覆盖在导热腔底部，流体原料充满进料腔后流入导热腔。

本发明的有益效果在于：

可燃气体与空气进入气体混合室，经混合气体均布器均布后流入燃烧腔发生催化燃烧反应，放出的热量通过平板微热管的蒸发段传递给冷凝段，蒸发段内工质受热蒸发，蒸汽向冷凝段流动，工质冷凝成液体释放出潜热，液体回流到蒸发段，将催化燃烧释放的热量从蒸发段传到冷凝段。

本发明提供的平板微热管壁面催化燃烧器，通过可燃气体在较低、较温和温度下实现完全燃烧，污染极小，可实现设备安全环保稳定供热；通过将催化燃烧放热区与反应吸热区集于一体，将催化燃烧放热、原料预热、平板微热管强化传热、反应吸热等多个过程耦合，实现了放热、传热、吸热过程三位一体，提高了系统热量利用效率和减小了系统体积，可实现设备小型化、高效化。

附图说明

图1是本发明的三维结构图；

图2是本发明平板微热管的三维结构图；

图3是图2中A-A向示意性剖视图；

图4是本发明催化燃烧预热室的三维结构图；

图5是本发明流体预热室的三维结构图；

图6是本发明气体混合室的三维结构图；

图7是图6中B-B向示意性剖视图。

各附图标记为：1—燃烧器本体，1a—平板微热管，1b—导热板，1c/1d—铜翅片，10—燃烧腔，11—导热腔，2—催化燃烧预热室，20—原料气出口，21—燃烧尾气腔，22—尾气出口，23—原料气进口，24—尾气进口，3—流体预热室，30—流体原料进口，31—反应流体出口，32—反应流体流出腔，33—流体原料出口，34—反应流体进口，4—气体混合室，5—混合气体均布器，6—流体进料室。

具体实施方式

为了提高催化燃烧器结构强度，强化传热过程、提高设备传热效率，采用平板微热管作为燃烧器传热壁面。平板微热管是一种导热能力超强的元件，外部为薄板状、内部布置有多根独立运行的微热管的金属体，依靠内部工质流动和相变，使其本身的传热效率比同样材质的最佳导热体高出数千倍。微热管之间的间壁在结构上起加强筋的作用，大大增加了平板微热管的承压能力。

因此，将催化燃烧供热、平板微热管强化传热、反应吸热集成设计，减少了热量中间环节散失，提高了系统热量利用效率和减小了系统体积，可实现设备小型化、高效化、安全环保性。

下面结合本发明实施例附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明。

图1所示为本发明的平板微热管壁面催化燃烧器，至少包括燃烧器本体1、催化燃烧预热室2、流体预热室3、气体混合室4、混合气体均布器5、流体进料室6。

燃烧器本体1部分为板翅式结构，是由若干块平板微热管1a与铜翅片1c、铜翅片1d焊接形成的矩形腔体，导热板1b将矩形腔体分隔成上下两个腔室，即燃烧腔10和导热腔11，燃烧腔10由平板微热管1a的蒸发段和铜翅片1d围成，燃烧腔10内有催化燃烧催化剂，催化剂为装填的颗粒型催化剂，或是涂覆在铜翅片1d表面的催化剂，根据用途腔内可选择装填催化剂或涂覆催化剂，导热腔11则由平板微热管1a的冷凝段和铜翅片1c围成；所述的燃烧腔10与催化燃烧预热室2通过焊接连接，顶部固接有气体混合室4，气体混合室内设有混合气体均布器5；所述的导热腔11与流体预热室3也通过焊接连接，底部固接有流体进料室6。

本发明平板微热管1a的内部三维结构如图2和图3所示，A-A向图为其横向剖切图，可以看出平板微热管壁面外部为薄板状、内部布置有多根独立运行的微热管的金属体。微热管内部毛细结构为槽道芯、烧结芯、丝网芯的一种或混合芯，工作介质水等冷媒，依靠内部工质流动和相变，使其本身的传热效率比同样材质的最佳导热体高出数千倍，微热管之间的间壁在结构上起加强筋的作用，大大增加了平板微热管的承压能力。

图4为催化燃烧预热室2的三维结构图，包括燃烧尾气腔21和设于燃烧尾气腔21内的蛇形盘管，燃烧尾气腔21内流体为催化燃烧尾气，盘管内流体为混合原料气体，燃烧尾气腔21的底部和侧壁上部分别设有尾气进口24和尾气出口22，而蛇形盘管在燃烧尾气腔21侧壁下部的一端为原料气进口23，顶端为原料气出口20，原料气体从底部向上流动，燃烧腔10内出来的高温催化燃烧尾气通过尾气进口24进入燃烧尾气腔21内，两流体向上并流流动，尾气热量传递给原料气体，通过热传递将蛇形盘管内的混合原料气体预热到设定温度，冷却后的催化燃烧尾气经尾气出口22排出，而经盘管预热后的混合原料气体从原料气出口20进入到气体混合室4内。燃烧尾气腔21内也可以装填催化燃烧催化剂，进一步将尾气中未反应的可燃气体消耗干净，消除污染，提高能量效率。

图5为流体预热室3的三维结构图，包括反应流体流出腔32和设于反应流体流出腔32内的蛇形盘管，反应流体流出腔32内流体为反应后流体，盘管内流体为流体原料，所述的蛇形盘管位于反应流体流出腔32侧壁上部的一端为流体原料进口30，位于反应流体流出腔32底端的为流体原料出口33，流体原料经盘管预热后从流体原料出口33进入到流体进料室6内，流向为流体预热室3顶部向下流动，与反应后流体呈并流流动，反应流体流出腔32的顶部和侧壁下部分别设有有反应流体进口34和反应流体出口31，导热腔11出来的反应后流体通过反应流体进口34进入反应流体流出腔32内，将反应后流体的热量传递给流体原料预热到设定温度，而冷却后的反应后流体经反应流体出口31排出。

图6、图7为气体混合室4三维结构图及B-B向示意性剖视图，腔内有“回”字形流道，流道进口与催化燃烧预热室2内盘管的原料气出口20相连，流道壁面开有矩形微槽，混合原料气体通过微槽向气体混合室4中心部位的混合气体均布器5扩散，经混合气体均布器5均布后均匀流入燃烧腔10。

本实施例以催化燃烧产热供给有机液体脱氢反应为例：催化燃烧器中用于燃烧的可燃气体为氢气，用于脱氢反应的有机液体为二苄基甲苯、十氢化萘、甲基环己烷、N-乙基咔唑类含氢物质。

本实施例的流程如下：氢空混合气体（氢空混合比为4～19%）由原料气进口23经盘管进入气体混合室4中，再经混合气体均布器5均布后流入燃烧腔10中，此处混合气体均布器5的目的是使催化燃烧均匀和避免回火发生爆炸危险；燃烧腔10内装填的铂、钯、钌等贵金属球形催化剂，直径为1～3mm，贵金属载量为0.8～1%。氢空混合气体在催化剂表面进行催化燃烧，通过调节氢空比例来调节燃烧腔10温度，将温度维持在300℃左右。燃烧产生的尾气携带少量未燃烧的氢气经尾气进口24进入燃烧尾气腔21中，燃烧尾气腔21中也装填有催化燃烧催化剂，将未反应的氢气进一步消耗干净并产生热量，同时尾气中携带大量热量可将盘管中的氢空混合气预热至200℃左右，换热后的尾气再通过尾气出口22排出外部。

有机液体先由流体原料进口30进入流体预热室3的盘管中，再由盘管的流体原料出口33流入到流体进料室6内，流体进料室6为较浅的腔室，有机液体很快充满整个腔室，并向导热腔11流动，导热腔11充填有铂、钯或其合金的球形催化剂，用于脱氢催化反应，粒径为0.8～1mm，贵金属负载量为1%；有机液体在催化剂表面发生催化脱氢反应，脱氢反应温度220℃左右，反应过程需要吸收大量热量，热量来源于燃烧腔10传递的热量。氢气催化燃烧放出大量热量，热量通过平板微热管1a的壁面进行传递，平板微热管1a位于燃烧腔10的一侧为蒸发段，其内部工质受热蒸发，并带走催化燃烧释放的热量，该热量为工质的蒸发潜热，蒸汽通过中心通道向平板微热管1a位于导热腔11一侧的冷凝段流动，工质在冷凝段冷凝成液体，释放出潜热，液体回流到蒸发段，这样就完成一个闭合循环，从而将催化燃烧释放的热量从蒸发段传到脱氢反应冷凝段，脱氢反应产生的气液混合物（温度220℃左右）经反应流体进口34流入流体预热室3中，并与流经盘管的有机液体原料进行并流换热，将有机液体原料预热至160℃左右。换热后的气液混合物再通过反应流体出口31排出外部。

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 (8)

1.一种平板微热管壁面催化燃烧器，其特征在于：包括燃烧器本体（1）、催化燃烧预热室（2）、流体预热室（3）、气体混合室（4）、混合气体均布器（5）和流体进料室（6）；所述的燃烧器本体（1）由平板微热管（1a）、导热板（1b）和铜翅片（1c、1d）焊接形成，所述的导热板（1b）将燃烧器本体（1）分隔成上部的燃烧腔（10）和下部的导热腔（11），燃烧腔（10）由平板微热管（1a）的蒸发段和铜翅片（1d）围成，燃烧腔（10）内有催化燃烧催化剂，导热腔（11）由平板微热管（1a）的冷凝段和铜翅片（1c）围成；所述的催化燃烧预热室（2）与燃烧腔（10）通过焊接连接，燃烧腔（10）顶部固接有气体混合室（4），气体混合室（4）内设有混合气体均布器（5），所述的催化燃烧预热室（2）包括燃烧尾气腔（21）和设于燃烧尾气腔（21）内的蛇形盘管，所述蛇形盘管的一端为原料气进口（23），另一端为原料气出口（20），混合原料气体从底部向上流动，与催化燃烧尾气呈并流流动，经盘管预热后从原料气出口（20）进入到气体混合室（4）内；所述的流体预热室（3）与导热腔（11）通过焊接连接，导热腔（11）底部固接有流体进料室（6），所述的流体预热室（3）包括反应流体流出腔（32）和设于反应流体流出腔（32）内的蛇形盘管，所述的蛇形盘管的一端为流体原料进口（30），另一端为流体原料出口（33），流体原料经盘管预热后从流体原料出口（33）进入到流体进料室（6）内。

2.根据权利要求1所述的一种平板微热管壁面催化燃烧器，其特征在于，所述的催化剂为装填的颗粒型催化剂，或是涂覆在燃烧腔（10）的铜翅片（1d）表面的催化剂。

3.根据权利要求1或2所述的一种平板微热管壁面催化燃烧器，其特征在于，所述的导热腔（11）内装填有脱氢催化剂用于脱氢催化反应，所述的脱氢催化剂是粒径为0.8～1mm的铂、钯或其合金的球形催化剂。

4.根据权利要求1所述的一种平板微热管壁面催化燃烧器，其特征在于，所述的燃烧尾气腔（21）有尾气进口（24）和尾气出口（22），燃烧腔（10）内出来的催化燃烧尾气通过尾气进口（24）进入燃烧尾气腔（21）内，通过热传递将蛇形盘管内的混合原料气体预热到设定温度，冷却后的催化燃烧尾气经尾气出口（22）排出。

5.根据权利要求4所述的一种平板微热管壁面催化燃烧器，其特征在于，所述的气体混合室（4）内设有“回”字形流道，流道进口与原料气出口（20）相连，流道壁面开有矩形微槽，混合原料气体通过微槽向混合腔中心部位扩散，混合腔中心部位设有混合气体均布器（5），混合原料气体经均布器均布后均匀流入燃烧腔（10）。

6.根据权利要求4所述的一种平板微热管壁面催化燃烧器，其特征在于，所述的燃烧尾气腔（21）内装填催化燃烧催化剂。

7.根据权利要求1所述的一种平板微热管壁面催化燃烧器，其特征在于，所述的反应流体流出腔（32）有反应流体进口（34）和反应流体出口（31），导热腔（11）出来的反应后流体通过反应流体进口（34）进入反应流体流出腔（32）内，将反应后流体的热量传递给流体原料预热，而冷却后的反应后流体经反应流体出口（31）排出。

8.根据权利要求7所述的一种平板微热管壁面催化燃烧器，其特征在于，所述的流体进料室（6）为矩形腔室，与流体预热室（3）内盘管的流体原料出口（33）相连，同时进料腔室密封覆盖在导热腔（11）底部，流体原料充满进料腔后流入导热腔（11）。

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