CN112032713A - 多孔介质燃烧器和燃料气体的处理方法 - Google Patents

多孔介质燃烧器和燃料气体的处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃料气体领域，公开了多孔介质燃烧器和燃料气体的处理方法。多孔介质燃烧器包括连通的第一燃烧单元和第二燃烧单元，第一燃烧单元内部依次设置第一空腔和填充有多孔介质的第一多孔介质填料区，燃料气体和含氧气体被引入第一空腔内并向下游流动以与多孔介质接触并进行部分氧化燃烧，得到含有未燃烧燃料气的尾气；第二燃烧单元具有至少一段燃烧部件，燃烧部件包括内部依次设置的空腔、分风板、混气室和多孔介质填料区，含氧气体和含有未燃烧燃料气的尾气进入空腔，得到混合气，经分风板后进入混气室并于混气室内形成旋流，混合气与多孔介质接触进行氧化燃烧。通过本发明的多孔介质燃烧器和方法，能够降低NOx的生成，提高可燃气体转化率。

Description

多孔介质燃烧器和燃料气体的处理方法
技术领域
本发明涉及燃料气体处理领域，具体涉及多孔介质燃烧器和燃料气体的处理方法。
背景技术
净化合成气与水蒸汽混合并预热后，进入固体氧化物燃料电池阳极，与阴极渗透过来的氧离子发生电化学反应放出电流和热量，阳极尾气直接送入燃烧器通过燃烧将可燃气体烧尽。电池尾气的热值很低不易燃烧，主要成分是氢气、水和一氧化碳。为了减少排放和节约水资源需要将水回收，使一氧化碳生成二氧化碳并捕集，使氢气生成水。因此在电池尾气处理时需要一个氧化燃烧的过程并通过换热器将高温蒸汽冷凝回收。
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CN108302539A公开了一种往复式多孔介质燃烧器，燃烧器整体为对称结构，分为蓄热区和燃烧区；蓄热区和燃烧区分别填充不同规格的多孔介质材料；同时，在燃烧区沿径向填充两种不同孔密度的多孔介质材料，空隙密度较大的在外侧，空隙密度较小的在内侧；通过换向阀，实现燃料/空气混合物周期性的通过燃烧器，在燃烧器内稳定燃烧。
《分段多孔介质燃烧器二次进气燃烧排放研究》(吕兆华，Matthews RD.燃烧科学与技术.2000(02))公开了一种实验装置，包括气源、多孔介质燃烧管、预混室、流量测试与控制装置和气体采用分析系统，燃烧管上下两段由方截面耐火材料管和装在管内的氧化铝泡沫陶瓷材料组成。两段之间留有空隙，外围由一钢制中空环形体将上下两管连接起来构成中间段，从钢环外侧的气嘴引入二次空气，通过调节混合气流速和二次空气量、控制燃烧火焰在燃烧管内的位置，上游段内用孔径0.6mm长度60mm的泡沫陶瓷，下游段内为孔径1.2mm长度55mm的泡沫陶瓷，孔隙率为84％～86％，均可承受1500℃的温度。
但是，在上述的燃烧器中进行燃烧时，氧化燃烧反应过程中释放大量热，燃烧室温度达到1400℃，较多地生成不期望的NOx。而且，低热值燃料气体氧化燃烧后CO2的浓度有待提高，需要提高可燃气体的转化率。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的上述问题，提供多孔介质燃烧器和燃料气体的处理方法，采用本发明的多孔介质燃烧器处理燃料气体，能够降低NOx的生成，提高可燃气体的转化率。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种多孔介质燃烧器，其中，该多孔介质燃烧器包括连通的第一燃烧单元和第二燃烧单元，其中，
所述第一燃烧单元内部依次设置第一空腔(31)和填充有多孔介质的第一多孔介质填料区(32)，燃料气体和含氧气体被引入所述第一燃烧单元的第一空腔(31)内并向下游流动以与多孔介质接触并进行部分氧化燃烧，得到含有未燃烧燃料气的尾气；
所述第二燃烧单元具有至少一段燃烧部件，所述燃烧部件包括外壳和外壳内部依次设置的空腔、分风板、混气室和多孔介质填料区，多孔介质填料区内填充有多孔介质，含氧气体和所述含有未燃烧燃料气的尾气进入所述空腔进行接触和氧化燃烧，得到混合气，所述混合气经所述分风板分风后进入所述混气室并于所述混气室内形成旋流，于所述多孔介质填料区所述混合气与多孔介质接触并进行氧化燃烧。
本发明第二方面提供了由上述的多孔介质燃烧器处理燃料气体的方法，包括：
(1)将多孔介质燃烧器内的多孔介质加热至第一温度，燃料气体和含氧气体被引入第一燃烧单元的第一空腔内并向下游流动以与多孔介质接触并进行部分氧化燃烧，含氧气体与燃料气体反应产生的热量大于散热量，得到含有未燃烧燃料气的尾气；
(2)含氧气体和所述含有未燃烧燃料气的尾气进入空腔进行接触和氧化燃烧，得到混合气，所述混合气经分风板分风后进入混气室并于混气室内形成旋流，于多孔介质填料区所述混合气与多孔介质接触并进行氧化燃烧。
通过本发明的多孔介质燃烧器和处理燃料气体的方法，能够降低NOx的生成，提高可燃气体的转化率，在氧气供应单元提供的气体为氧气(纯氧)的情况下，由本发明的多孔介质燃烧器和方法处理得到的烟气中，CO2的浓度可以达到95％以上；在氧气供应单元提供的气体为空气的情况下，得到的烟气中，CO2的浓度可以达到85％以上。
附图说明
图1是本发明的多孔介质燃烧器示意图；
图2是本发明的第二燃烧单元的分风板的示意图；
图3是本发明的CFD仿真模拟图。
附图标记说明
1、混气罐 2、启动烧嘴 31、第一空腔
32、第一多孔介质填料区 33、第一冷却器 41a、一段空腔
41b、二段空腔 42a、一段分风板 42b、二段分风板
43a、一段混气室 43b、二段混气室 44a、一段多孔介质填料区
44b、二段多孔介质填料区 45a、一段冷却器 45b、二段冷却器
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明中，依次设置是指沿物料流动方向进行的设置。
本发明第一方面提供了一种多孔介质燃烧器，如图1所示，其中，该多孔介质燃烧器包括连通的第一燃烧单元和第二燃烧单元，其中，
所述第一燃烧单元内部依次设置第一空腔31和填充有多孔介质的第一多孔介质填料区32，燃料气体和含氧气体被引入所述第一燃烧单元的第一空腔31内并向下游流动以与多孔介质接触并进行部分氧化燃烧，得到含有未燃烧燃料气的尾气；
所述第二燃烧单元具有至少一段燃烧部件，所述燃烧部件包括外壳和外壳内部依次设置的空腔、分风板、混气室和多孔介质填料区，多孔介质填料区内填充有多孔介质，含氧气体和所述含有未燃烧燃料气的尾气进入所述空腔进行接触和氧化燃烧，得到混合气，所述混合气经所述分风板分风后进入所述混气室并于所述混气室内形成旋流，于所述多孔介质填料区所述混合气与多孔介质接触并进行氧化燃烧。
在本发明中，第二燃烧单元具有至少一段燃烧部件，当燃烧部件大于一段时，每段燃烧部件可以是依次排列的。
在本发明中，燃烧部件的段数具有较宽的范围，可以根据具体操作情况而定，在优选的情况下，燃烧部件的段数为一段至十段。
在本发明中，当第二燃烧单元具有两段及以上燃烧部件时，第二燃烧单元内部存在部分氧化燃烧和完全氧化燃烧。具体地，除了第二燃烧单元的最后一段燃烧部件(终段)外的其他段均为不完全燃烧，且每段所配置的氧气量与每段燃料气体反应所产生的热量大于该段的散热量，从而保证持续燃烧所需要的温度。
例如燃烧部件为两段时，如图1所示，第一段燃烧部件包括外壳和外壳内部依次设置的一段空腔41a、一段分风板42a、一段混气室43a和一段多孔介质填料区44a，一段多孔介质填料区44a内填充有多孔介质；含氧气体和所述含有未燃烧燃料气的尾气进入一段空腔41a进行接触和氧化燃烧，得到混合气，所述混合气经一段分风板42a分风后进入一段混气室43a并于所述一段混气室43a内形成旋流，于一段多孔介质填料区44a所述混合气与多孔介质接触并进行氧化燃烧，得到第一气体。第二段燃烧部件包括外壳和外壳内部依次设置的二段空腔41b、二段分风板42b、二段混气室43b和二段多孔介质填料区44b，二段多孔介质填料区44b内填充有多孔介质；含氧气体和所述第一气体进入二段空腔41b进行接触和氧化燃烧，得到混合气，所述混合气经二段分风板42b分风后进入二段混气室43b并于所述二段混气室43b内形成旋流，于二段多孔介质填料区44b所述混合气与多孔介质接触并进行氧化燃烧，得到烟气。
在本发明中，燃料气体可以具有一定的流速，例如可以为1m/s～10m/s。
在本发明中，所述分风板可以具有实心结构，且所述实心圆形结构的面积小于燃烧部件外壳的横截面积。所述分风板的结构以能够使得具有一定流速(如1m/s～10m/s)的混合气产生旋流，也即在混气室产生回流区为目的，在优选的情况下，分风板可以为实心圆形结构(如图2所述)或实心方形结构，在具体实施方式中，优选分风板的结构与燃烧部件的外壳形状一致，例如燃烧部件的外壳形状为圆形的情况下，则分风板优选为实心圆形结构；再例如燃烧部件的外壳形状为方形的情况下，分风板优选为实心方形结构。
在优选的情况下，所述分风板的面积具有较宽的范围，以能够使得混合气经过分风板后在混气室产生旋流，也即在混气室产生回流区，从而增加混合气的停留时间、提高混合的均匀性为目的。在优选的情况下，所述分风板的面积与燃烧部件外壳的横截面积的比例为(0.6～0.8)：1，例如0.6:1、0.65:1、0.7:1、0.75:1、0.8:1，以及这些数值中的任意两个所构成的范围中的任意值。
在本发明优选的情况下，分风板的中心沿燃烧部件的横截面的中心设置。即分风板沿燃烧部件的横截面的中心轴对称设置。
在本发明中，所述分风板与燃烧部件外壳的连接方式以能够固定分风板为目的，例如可以为卡槽连接，如图2所示。
在本发明中，混气室的大小和功能以能够降低混合气的流速，使得混合气能够充分混合为目的。优选地，混气室与多孔介质填料区的体积比为1：(2～4)。也可以通过调整混气室的大小，调整混合气的停留时间，从而提高混合的均匀性。
在本发明中，多孔介质填料区优选设置有冷却器，用于降低多孔介质填料区内的多孔介质的温度。冷却器可以是嵌入多孔介质填料区，具体设置方法不进行限定，以能够降低多孔介质填料区的温度为目的。
例如第二燃烧单元的燃烧部件为两段时，如图1所示，一段多孔介质填料区44a设置有一段冷却器45a，所述一段冷却器45a用于降低一段多孔介质填料区44a内的多孔介质的温度；二段多孔介质填料区44b设置有二段冷却器45b，所述二段冷却器45b用于降低二段多孔介质填料区44b内的多孔介质的温度。
在本发明中，以第一燃烧单元的体积计，第一空腔与第一多孔介质填料区的体积比可以为1：(2～3)，优选为1：(2.2～2.8)。在本发明上述优选的范围内具有阻力小、燃烧充分的优点。
在本发明中，第一燃烧单元的第一多孔介质填料区32优选设置有第一冷却器33，用于降低第一多孔介质填料区32内的多孔介质的温度。第一冷却器可以是嵌入第一多孔介质填料区，具体设置方法不进行限定，以能够降低多孔介质填料区的温度为目的。
在本发明中，所述第一燃烧单元还可以包括第一热电偶，所述第一热电偶设置在第一多孔介质填料区内部，用于测量第一多孔介质填料区内部的温度。
在本发明中，所述第二燃烧单元的每段燃烧部件还可以包括热电偶，所述热电偶设置在多孔介质填料区内部，用于测量多孔介质填料区内部的温度。
在本发明中，所述多孔介质燃烧器还优选包括混气罐1，所述混气罐1用于将燃料气体与含氧气体进行预混，得到预混气，再将预混气引入所述第一空腔31。混气罐的设置可以使燃料气体与含氧气体混合的更加充分。可以理解的，当燃料气体的热值足够高时，可以将燃料气体和含氧气体直接引入燃烧器内混合燃烧，而不需要预混，当然，也可以选择在燃烧器内进行预混。
在本发明中，所述多孔介质燃烧器还优选包括启动烧嘴2，用于加热所述多孔介质燃烧器内的多孔介质。
在本发明中，优选地，所述燃烧器还包括烟气分析仪，所述烟气分析仪设置于多孔介质燃烧器的出口，优选设置于多孔介质燃烧器的出口的尾部烟道内，用于分析多孔介质燃烧器的出口的气体的烟气成分。
在本发明中，所述多孔介质的孔隙密度可以为30～50PPI，优选为35～40PPI。
在本发明中，所述多孔介质的结构(结构类型)可以为颗粒堆积型、直孔网格型、纤维网格型和泡沫型中的至少一种；优选地，所述多孔介质的材料为金属或非金属，进一步优选地，所述金属为铜、不锈钢和钛中的一种或多种；所述非金属为玻璃或陶瓷，优选为陶瓷，进一步优选为耐高温蜂窝陶瓷。在本发明中，燃料气供应单元与混气罐的连通管线可以配置气体质量流量控制器，用于控制燃料气体的流量。
在本发明中，氧气供应单元与混气罐的连通管线可以配置气体质量流量控制器，用于控制含氧气体的流量。
本发明第二方面提供了由上述的多孔介质燃烧器处理燃料气体的方法，包括：
(1)将多孔介质燃烧器内的多孔介质加热至第一温度，燃料气体和含氧气体被引入第一燃烧单元的第一空腔内并向下游流动以与多孔介质接触并进行部分氧化燃烧，含氧气体与燃料气体反应产生的热量大于散热量，得到含有未燃烧燃料气的尾气；
(2)含氧气体和所述含有未燃烧燃料气的尾气进入空腔进行接触和氧化燃烧，得到混合气，所述混合气经分风板分风后进入混气室并于混气室内形成旋流，于多孔介质填料区所述混合气与多孔介质接触并进行氧化燃烧。
根据本发明的方法，所述燃料气体可以为高热值燃料气体和/或低热值燃料气体。优选地，所述低热值燃料气体可以为含有CO和H2的气体，优选为合成气燃料电池尾气。本发明的多孔介质燃烧器和处理燃料气体的方法可以适用于高热值燃料气体和/或低热值燃料气体。因为在现有技术中，低热值燃料气体存在可燃气体转化率低和NOx生成量大的问题，采用本发明多孔介质燃烧器和方法，提高可燃气体的转化率较明显，同时还可以降低NOx的生成。当本发明的燃料气体为高热值燃料气体时，由于现有技术存在NOx生成量大的问题，采用本发明多孔介质燃烧器和方法，可以降低其NOx的生成。
本发明中，低热值燃料气体是指热值小于600Kcal/NM3的可燃烧的气体。
根据本发明的方法，所述含氧气体可以为氧气和/或空气。
根据本发明的方法，在步骤(1)中，燃料气体的温度可以为0～200℃，例如0℃、50℃、100℃、150℃和200℃。
根据本发明的方法，在步骤(1)中，含氧气体的温度可以为20～40℃，例如25℃。
根据本发明的方法，优选地，在步骤(1)中，燃料气体与含氧气体的摩尔比为2：(0.4～0.8)，更优选为2：(0.5～0.7)，其中，燃料气体以通入的CO和H2的总摩尔量计，含氧气体以氧气摩尔量计。
根据本发明的方法，优选地，在步骤(2)中，含氧气体通入量满足燃料气体与氧气的摩尔比为2：(0.2～0.6)，更优选为2：(0.3～0.5)，且燃料气体与步骤(1)和步骤(2)的含氧气体的总摩尔比为2：(1～1.1)，其中，燃料气体以步骤(1)中通入的CO和H2的总摩尔量计，含氧气体以氧气摩尔量计。为了满足烟气中CO2的浓度要求，氧化燃烧过程中，含氧气体的过氧量不大于1％。
根据本发明优选的实施方式，该方法还可以包括：将燃料气体与含氧气体进行预混，得到预混气，再将预混气引入第一燃烧单元的第一空腔。
根据本发明优选的实施方式，通过启动烧嘴将多孔介质燃烧器内的多孔介质加热至第一温度。
根据本发明优选的实施方式，在步骤(1)之后且步骤(2)之前，该方法还包括：通过调整含氧气体的供给量和/或第一冷却器中冷却介质的流量控制第一多孔介质填料区内的多孔介质的温度为第二温度。
根据本发明优选的实施方式，在步骤(2)之后，该方法还包括：通过调整含氧气体的供给量和/或冷却器中冷却介质的流量控制多孔介质填料区内的多孔介质的温度为第三温度。
据本发明的方法，优选地，所述第一温度、第二温度和第三温度各自独立地为1100℃以下，优选为800℃～1000℃，例如可以为800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃，以及这些数值中的任意两个所构成的范围中的任意值。
根据本发明的方法，在步骤(2)的于所述多孔介质填料区所述混合气与多孔介质接触并进行氧化燃烧，将得到烟气。根据本发明优选的实施方式，该方法还包括：通过烟气分析仪分析步骤(2)得到的烟气的成分。
根据本发明的方法，所述燃料气体可以通过质量流量控制器的控制和计量，进入混气罐，与含氧气体进行预混。
根据本发明的方法，所述含氧气体可以分别通过质量流量控制器控制和计量，与燃料气体在混气罐内进行预混，以及与含有未燃烧燃料气的尾气在燃烧部件的空腔内进行接触和氧化燃烧。
本发明通过分级补氧和冷却控制反应温度。
在本发明中，当第二燃烧单元具有两段及以上燃烧部件时，第二燃烧单元内部存在部分氧化燃烧和完全氧化燃烧。具体地，除了第二燃烧单元的最后一段燃烧部件(终段)外的其他段均为不完全燃烧，且每段所配置的氧气量与每段燃料气体反应所产生的热量大于该段的散热量，从而保证持续燃烧所需要的温度。
根据本发明的方法，混合气经过分风板后在混气室产生旋流，也即形成回流区，通过CFD(计算流体动力学)仿真模拟，得到如图3所示的模拟图，图中箭头是指燃料气体的流动方向，中心的白色区域为分风板，分风板右侧为混气室，分风板两侧的颜色较深的黑色区域是指燃料气体的流速，颜色越深越，热值燃料气体的流速越趋于0m/s。从图中可以明显的看到，在分风板右侧产生对称的两个旋流，也即形成两个回流区，进一步说明本发明的分风板可以使混合气产生旋流，混气室增加了混合气的停留时间并提高了混合的均匀性。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
在以下实施例和对比例中，燃料气体为合成气燃料电池尾气(温度为100℃)，具体地，合成气燃料电池尾气的参数见表1。含氧气体的温度为25℃。
表1
Figure BDA0002082456430000111
实施例1
(1)如图1所示，通过启动烧嘴2将多孔介质燃烧器内的多孔介质(第一多孔介质填料区32内的多孔介质、一段多孔介质填料区内44a内的多孔介质和二段多孔介质填料区内44b内的多孔介质，其中，多孔介质的孔隙密度为35PPI，结构为颗粒堆积型，材质为耐高温蜂窝陶瓷)加热至800℃，将表1所示的合成气燃料电池尾气与氧气在混气罐1内进行预混(低热值燃料气体与氧气的摩尔比为2：0.5，其中，低热值燃料气体以通入的CO和H2的总摩尔量计)，得到预混气，所述预混气被引入第一燃烧单元的第一空腔31内并向下游流动以与多孔介质接触并进行部分氧化燃烧，氧气与低热值燃料气体反应产生的热量大于散热量，得到含有未燃烧燃料气的尾气。
其中，通过调整氧气的供给量和/或第一冷却器中冷却介质的流量控制第一多孔介质填料区内的多孔介质的温度为800℃；以第一燃烧单元的体积计，第一空腔31与第一多孔介质填料区32的体积比为1：2.2。
(2)第二燃烧单元依次排列两段燃烧部件，氧气和所述含有未燃烧燃料气的尾气进入一段空腔41a进行接触和氧化燃烧(氧气通入量满足低热值燃料气体与氧气的摩尔比为2：0.25，其中，低热值燃料气体以步骤(1)中通入的CO和H2的总摩尔量计)，得到混合气，所述混合气经一段分风板42a(实心圆形结构，分风板的面积与燃烧部件外壳的横截面积的比例为0.6：1)分风后进入一段混气室43a(混气室与多孔介质填料区的体积比为1：2)，并于所述一段混气室43a内形成旋流，于一段多孔介质填料区44a所述混合气与多孔介质接触并进行氧化燃烧，得到第一气体。其中，通过调整氧气的供给量和/或一段冷却器45a中冷却介质的流量控制一段多孔介质填料区44a内的多孔介质的温度为800℃。
氧气和所述第一气体进入二段空腔41b进行接触和氧化燃烧(氧气通入量满足低热值燃料气体与氧气的摩尔比为2：0.25，其中，低热值燃料气体以步骤(1)中通入的CO和H2的总摩尔量计)，得到混合气，所述混合气经二段分风板42b(实心圆形结构，分风板的面积与燃烧部件外壳的横截面积的比例为0.6：1)分风后进入二段混气室43b(混气室与多孔介质填料区的体积比为1：2)，并于所述二段混气室43b内形成旋流，于二段多孔介质填料区44b所述混合气与多孔介质接触并进行氧化燃烧，通过调整氧气的供给量和/或二段冷却器45b中冷却介质的流量控制二段多孔介质填料区44b内的多孔介质的温度为800℃。在第二燃烧单元内部，含有未燃烧预混气的尾气全部燃烧，得到烟气。
经过脱水处理后的烟气通过烟气分析仪分析烟气的成分，结果见表2。
并通过公式(I)计算CO的转化率，
Figure BDA0002082456430000121
并通过公式(II)计算H2的转化率，
Figure BDA0002082456430000131
Figure BDA0002082456430000132
H2—出口氢气体积浓度；
Figure BDA0002082456430000133
CO—出口一氧化碳体积浓度；
Figure BDA0002082456430000134
CO2—出口二氧化碳体积浓度；
Figure BDA0002082456430000135
H2—进口氢气体积浓度；
Figure BDA0002082456430000136
CO—进口一氧化碳体积浓度；
Figure BDA0002082456430000137
CO2—进口二氧化碳体积浓度；
计算结果见表2。
实施例2
(1)通过启动烧嘴将多孔介质燃烧器内的多孔介质(第一多孔介质填料区内的多孔介质和一段多孔介质填料区内的多孔介质，其中，多孔介质的孔隙密度为40PPI，结构为直孔网格型，材质为耐高温蜂窝陶瓷)加热至900℃，将表1所示的合成气燃料电池尾气与氧气在混气罐内进行预混(低热值燃料气体与氧气的摩尔比为2：0.7，其中，低热值燃料气体以通入的CO和H2的总摩尔量计)，得到预混气，所述预混气被引入第一燃烧单元的第一空腔内并向下游流动以与多孔介质接触并进行部分氧化燃烧，氧气与燃料气体反应产生的热量大于散热量，得到含有未燃烧燃料气的尾气。
其中，通过调整氧气的供给量和/或第一冷却器中冷却介质的流量控制第一多孔介质填料区内的多孔介质的温度为900℃；以第一燃烧单元的体积计，第一空腔与第一多孔介质填料区的体积比为1：2.8。
(2)第二燃烧单元具有一段燃烧部件，氧气和所述含有未燃烧燃料气的尾气进入一段空腔进行接触和氧化燃烧(氧气通入量满足低热值燃料气体与氧气的摩尔比为2：0.3，其中，低热值燃料气体以步骤(1)中通入的CO和H2的总摩尔量计)，得到混合气，混合气经过一段分风板(实心圆形结构，分风板的面积与燃烧部件外壳的横截面积的比例为0.7：1)分风后进入一段混气室(混气室与多孔介质填料区的体积比为1：4)，并于所述一段混气室内形成旋流，于一段多孔介质填料区所述混合气与多孔介质接触并进行氧化燃烧，通过调整氧气的供给量和/或一段冷却器中冷却介质的流量控制一段多孔介质填料区内的多孔介质的温度为900℃。在第二燃烧单元内部，含有未燃烧预混气的尾气全部燃烧，得到烟气。
通过烟气分析仪分析烟气的成分，结果见表2。
按照实施例1的方法计算CO和H2的转化率，结果见表2。
实施例3
(1)通过启动烧嘴将多孔介质燃烧器内的多孔介质(第一多孔介质填料区内的多孔介质、一段多孔介质填料区内的多孔介质、二段多孔介质填料区内的多孔介质和三段多孔介质填料区内的多孔介质，其中，多孔介质的孔隙密度为30PPI，结构为纤维网格型，材质为铜)加热至1000℃，将表1所示的合成气燃料电池尾气与氧气在混气罐内进行预混(低热值燃料气体与氧气的摩尔比为2：0.4，其中，低热值燃料气体以通入的CO和H2的总摩尔量计)，得到预混气，所述预混气被引入第一燃烧单元的第一空腔内并向下游流动以与多孔介质接触并进行部分氧化燃烧，氧气与燃料气体反应产生的热量大于散热量，得到含有未燃烧燃料气的尾气。
其中，通过调整氧气的供给量和/或第一冷却器中冷却介质的流量控制第一多孔介质填料区内的多孔介质的温度为1000℃；以第一燃烧单元的体积计，第一空腔与第一多孔介质填料区的体积比为1：2。
(2)第二燃烧单元依次排列三段燃烧部件，氧气和所述含有未燃烧燃料气的尾气进入一段空腔进行接触和氧化燃烧(氧气通入量满足低热值燃料气体与氧气的摩尔比为2：0.2，其中，低热值燃料气体以步骤(1)中通入的CO和H2的总摩尔量计)，得到混合气，混合气经一段过分风板(实心圆形结构，分风板的面积与燃烧部件外壳的横截面积的比例为0.8：1)分风后进入一段混气室(混气室与多孔介质填料区的体积比为1：3)，并于所述一段混气室内形成旋流，于一段多孔介质填料区所述混合气与多孔介质接触并进行氧化燃烧，得到第一气体。其中，通过调整氧气的供给量和/或一段冷却器中冷却介质的流量控制一段多孔介质填料区内的多孔介质的温度为1000℃。
氧气和所述第一气体进入二段空腔进行接触和氧化燃烧(氧气通入量满足低热值燃料气体与氧气的摩尔比为2：0.2，其中，低热值燃料气体以步骤(1)中通入的CO和H2的总摩尔量计)，得到混合气，所述混合气经二段分风板(实心圆形结构，分风板的面积与燃烧部件外壳的横截面积的比例为0.8：1)分风后进入二段混气室(混气室与多孔介质填料区的体积比为1：3)，并于所述二段混气室内形成旋流，于二段多孔介质填料区所述混合气与多孔介质接触并进行氧化燃烧，得到第二气体。通过调整氧气的供给量和/或二段冷却器中冷却介质的流量控制二段多孔介质填料区内的多孔介质的温度为1000℃。在第二燃烧单元内部，含有未燃烧预混气的尾气全部燃烧，得到烟气。
氧气和所述第二气体进入三段空腔进行接触和氧化燃烧(氧气通入量满足低热值燃料气体与氧气的摩尔比为2：0.2，其中，低热值燃料气体以步骤(1)中通入的CO和H2的总摩尔量计)，得到混合气，所述混合气经三段分风板(实心圆形结构，分风板的面积与燃烧部件外壳的横截面积的比例为0.8：1)分风后进入三段混气室(混气室与多孔介质填料区的体积比为1：3)，并于所述三段混气室内形成旋流，于三段多孔介质填料区所述混合气与多孔介质接触并进行氧化燃烧，通过调整氧气的供给量和/或三段冷却器中冷却介质的流量控制三段多孔介质填料区内的多孔介质的温度为1000℃。在第二燃烧单元内部，含有未燃烧预混气的尾气全部燃烧，得到烟气。
通过烟气分析仪分析烟气的成分，结果见表2。
按照实施例1的方法计算CO和H2的转化率，结果见表2。
实施例4
(1)通过启动烧嘴将多孔介质燃烧器内的多孔介质(第一多孔介质填料区内的多孔介质和一段多孔介质填料区内的多孔介质，其中，多孔介质的孔隙密度为50PPI，结构为直孔网格型，材质为耐高温蜂窝陶瓷)加热至900℃，将表1所示的合成气燃料电池尾气与空气在混气罐内进行预混(低热值燃料气体与空气的摩尔比为2：0.8，其中，低热值燃料气体以通入的CO和H2的总摩尔量计，空气以氧气摩尔量计)，得到预混气，所述预混气被引入第一燃烧单元的第一空腔内并向下游流动以与多孔介质接触并进行部分氧化燃烧，空气与燃料气体反应产生的热量大于散热量，得到含有未燃烧燃料气的尾气。
其中，通过调整空气的供给量和/或第一冷却器中冷却介质的流量控制第一多孔介质填料区内的多孔介质的温度为1050℃；以第一燃烧单元的体积计，第一空腔与第一多孔介质填料区的体积比为1：3；
(2)第二燃烧单元具有一段燃烧部件，空气和所述含有未燃烧燃料气的尾气进入一段空腔进行接触和氧化燃烧(空气通入量满足低热值燃料气体与氧气的摩尔比为2：0.2，其中，低热值燃料气体以步骤(1)中通入的CO和H2的总摩尔量计，空气以氧气摩尔量计)，得到混合气，混合气经过一段分风板(实心圆形结构，分风板的面积与燃烧部件外壳的横截面积的比例为0.7：1)分风后进入一段混气室(混气室与多孔介质填料区的体积比为1：4)，并于所述一段混气室内形成旋流，于一段多孔介质填料区所述混合气与多孔介质接触并进行氧化燃烧，通过调整空气的供给量和/或一段冷却器中冷却介质的流量控制一段多孔介质填料区内的多孔介质的温度为900℃。在第二燃烧单元内部，含有未燃烧预混气的尾气全部燃烧，得到烟气。
通过烟气分析仪分析烟气的成分，结果见表2。
按照实施例1的方法计算CO和H2的转化率，结果见表2。
对比例1
按照实施例1的方法，不同的是，第二燃烧单元依次排列两段燃烧部件均不设置分风板和混气室。分风板和混气室的区域替换为多孔介质。
通过烟气分析仪分析烟气的成分，结果见表2。
按照实施例1的方法计算CO和H2的转化率，结果见表2。
对比例2
按照实施例1的方法，不同的是，第二燃烧单元依次排列两段燃烧部件不设置分风板。分风板的区域替换为空腔。
通过烟气分析仪分析烟气的成分，结果见表2。
按照实施例1的方法计算CO和H2的转化率，结果见表2。
对比例3
按照实施例4的方法，不同的是，第二燃烧单元依次排列两段燃烧部件均不设置分风板和混气室。分风板和混气室的区域替换为多孔介质。
通过烟气分析仪分析烟气的成分，结果见表2。
按照实施例1的方法计算CO和H2的转化率，结果见表2。
表2
Figure BDA0002082456430000171
Figure BDA0002082456430000181
将均采用氧气的实施例1-3与对比例1-2进行比较，将均采用空气的实施例4与对比例3进行比较，通过表2的数据可以看出，在同样采用氧气或空气的情况下，通过本发明的多孔介质燃烧器处理低热值燃料气体，能够降低NOx的生成，同时还能提高可燃气体的转化率。
采用氧气的情况下，由本发明的多孔介质燃烧器处理低热值燃料气体得到的烟气中，CO2的浓度可以达到95％以上，甚至可以达到97％以上(实施例1-3)。采用空气的情况下，由本发明的多孔介质燃烧器处理低热值燃料气体得到的烟气中，CO2的浓度可以达到85％以上(实施例4)。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多孔介质燃烧器，其特征在于，
该多孔介质燃烧器包括连通的第一燃烧单元和第二燃烧单元，其中，
所述第一燃烧单元内部依次设置第一空腔(31)和填充有多孔介质的第一多孔介质填料区(32)，燃料气体和含氧气体被引入所述第一燃烧单元的第一空腔(31)内并向下游流动以与多孔介质接触并进行部分氧化燃烧，得到含有未燃烧燃料气的尾气；
所述第二燃烧单元具有至少一段燃烧部件，所述燃烧部件包括外壳和外壳内部依次设置的空腔、分风板、混气室和多孔介质填料区，多孔介质填料区内填充有多孔介质，含氧气体和所述含有未燃烧燃料气的尾气进入所述空腔进行接触和氧化燃烧，得到混合气，所述混合气经所述分风板分风后进入所述混气室并于所述混气室内形成旋流，于所述多孔介质填料区所述混合气与多孔介质接触并进行氧化燃烧。
2.根据权利要求1所述的多孔介质燃烧器，其中，所述分风板具有实心结构，且所述实心结构的面积小于燃烧部件外壳的横截面积；
优选地，所述分风板的面积与燃烧部件外壳的横截面积的比例为(0.6～0.8)：1；
优选地，所述混气室与多孔介质填料区的体积比为1：(2～4)；
优选地，多孔介质填料区设置有冷却器，用于降低多孔介质填料区内的多孔介质的温度。
3.根据权利要求1所述的多孔介质燃烧器，其中，以第一燃烧单元的体积计，第一空腔与第一多孔介质填料区的体积比为1：(2～3)，优选为1：(2.2～2.8)；
优选地，第一多孔介质填料区(32)设置有第一冷却器(33)，用于降低第一多孔介质填料区(32)内的多孔介质的温度。
4.根据权利要求1所述的多孔介质燃烧器，其中，所述多孔介质燃烧器还包括混气罐(1)，所述混气罐(1)用于将燃料气体与含氧气体进行预混，得到预混气，再将预混气引入所述第一空腔(31)；
优选地，所述多孔介质燃烧器还包括启动烧嘴(2)，用于加热所述多孔介质燃烧器内的多孔介质；
优选地，所述多孔介质燃烧器还包括烟气分析仪，所述烟气分析仪设置于多孔介质燃烧器的出口，用于分析多孔介质燃烧器的出口的气体的烟气成分。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的多孔介质燃烧器，其中，所述多孔介质的孔隙密度为30～50PPI，优选为35～40PPI；
优选地，所述多孔介质的结构为颗粒堆积型、直孔网格型、纤维网格型和泡沫型中一种或多种；
优选地，所述多孔介质的材质为金属或非金属；
优选地，所述金属为铜、不锈钢和钛中的一种或多种；
优选地，所述非金属为玻璃或陶瓷，优选为陶瓷，进一步优选为耐高温蜂窝陶瓷。
6.由权利要求1-5中任意一项所述的多孔介质燃烧器处理燃料气体的方法，包括：
(1)将多孔介质燃烧器内的多孔介质加热至第一温度，燃料气体和含氧气体被引入第一燃烧单元的第一空腔内并向下游流动以与多孔介质接触并进行部分氧化燃烧，含氧气体与燃料气体反应产生的热量大于散热量，得到含有未燃烧燃料气的尾气；
(2)含氧气体和所述含有未燃烧燃料气的尾气进入空腔进行接触和氧化燃烧，得到混合气，所述混合气经分风板分风后进入混气室并于混气室内形成旋流，于多孔介质填料区所述混合气与多孔介质接触并进行氧化燃烧。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述燃料气体为高热值燃料气体和/或低热值燃料气体；优选地，所述低热值燃料气体为含有CO和H2的气体；更优选为合成气燃料电池尾气；
优选地，所述含氧气体为氧气和/或空气。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，在步骤(1)中，燃料气体的温度为0～200℃，含氧气体的温度为20～40℃；
优选地，燃料气体与含氧气体的摩尔比为2：(0.4～0.8)，优选为2：(0.5～0.7)，其中，燃料气体以通入的CO和H2的总摩尔量计，含氧气体以氧气摩尔量计；
在步骤(2)中，含氧气体通入量满足燃料气体与氧气的摩尔比为2：(0.2～0.6)，优选为2：(0.3～0.5)，且燃料气体与步骤(1)和步骤(2)的含氧气体的总摩尔比为2：(1～1.1)，其中，燃料气体以步骤(1)中通入的CO和H2的总摩尔量计，含氧气体以氧气摩尔量计。
9.根据权利要求6或7所述的方法，其中，该方法还包括：将燃料气体与含氧气体进行预混，得到预混气，再将预混气引入第一燃烧单元的第一空腔；
优选地，通过启动烧嘴将多孔介质燃烧器内的多孔介质加热至第一温度；
在步骤(1)之后且步骤(2)之前，该方法还包括：通过调整含氧气体的供给量和/或第一冷却器中冷却介质的流量控制第一多孔介质填料区内的多孔介质的温度为第二温度；
优选地，在步骤(2)之后，该方法还包括：通过调整含氧气体的供给量和/或冷却器中冷却介质的流量控制多孔介质填料区内的多孔介质的温度为第三温度；
优选地，所述第一温度、第二温度和第三温度各自独立地为1100℃以下，优选为800℃～1000℃。
10.根据权利要求6或7所述的方法，其中，该方法还包括：通过烟气分析仪分析步骤(2)得到的烟气的成分。
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