CN1164001A - 蓄热体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过使高温气体和低温气体从互为相反方向短时间内交替通过而将高温气体的显热传给低温气体的蓄热体，可防止因温差引起的裂纹，净化NO_X、CO、HC等有害排气成分，并在高温、腐蚀环境下提高蓄热燃烧的可靠性。将蓄热体至少在流体流动方向分割成多块，在靠高温气体导入口侧处和靠低温气体导入口侧处采用不同材料和结构，并在催化反应温度范围内能起到排气净化催化剂的作用；蓄热体一部分内装在燃烧器气喉中，剩余部分设在燃烧器外的流路转换装置附近。

Description

蓄热体

本发明涉及蓄热体。具体来说，本发明涉及通过使高温气体与低温气体从互为相反方向交替通过将高温气体的显热传给低温气体的蓄热体的改进。

近年来，利用蓄热体将燃烧用空气予热到接近排气温度的高温并进行高效率的排热回收的蓄热燃烧已被提上议事日程。作为采用这种蓄热燃烧的蓄热体，以图示的薄隔片形成多个孔眼的蜂窝状陶瓷为宜而至今仍受人们的关注。这里，蜂窝形状不限于原先大多数设置的正六角孔眼，也包括由如图所示正四角形孔眼组成的形状。

但在将高温气体和低温气体从互为相反方向交替流动情况下，将气流转换时的蓄热体加热到大致整体均匀之前，在靠高温气体导入口侧和低温气体导入口侧会产生相当大的温差，例如气流转换20-30秒后炉侧为1000℃，阀侧为200℃，温差为800℃。由于作为能承受如此大温差的蓄热体的材料必须具有耐高温性和耐热冲击性，故价格昂贵。而且在使用陶瓷蜂窝蓄热体时，必须采用可制作各种形状的材质。另外按照用途，例如在铝熔化炉那种适用于助熔剂用的设备的燃烧器系统等场合必须采用具有耐腐蚀性的材质；此外由于在排气中混入碳黑、铝硅镁石、熔化用助熔剂等尘粒类，带小孔眼的蜂窝状陶瓷长期使用后可能发生孔眼堵塞。

而且，一般在进行蓄热燃烧的情况下，燃烧予热空气温度变为高温，使NOx增大。另外，由于反应活性高，即使在低空气比的情况下也可充分燃烧，故可在还原性气氛中燃烧，而反过来还原燃烧时又会产生大量的HC、CO。为减少这些有害排气成份，以往对燃烧器本身的结构虽作过改进，但由于这些问题与燃烧的稳定性难以兼顾，因此也考虑通过催化剂对排气进行净化。通过催化剂对排气进行净化，由于排气温度比催化反应温度高时会发生烧结，比催化反应温度低时则反应不充分或根本不能反应，故一般通过注入稀释用空气或从蓄热体等的放热予先控制在适合催化反应的温度范围。例如在仅用于CO或HC净化主要成分的白金催化剂的情况下调整至70℃-150℃范围，用于CO和NOx同时净化的白金铑催化剂的情况下调整至约500℃-300℃范围。因此，在使蓄热燃烧的蓄热体本身作为催化剂的情况下，由于必须注入稀释空气以使导入的高温侧气体温度下降到产生催化反应的范围，故存在蓄热效率低下的问题。

因此，本发明的目的在于提供一种即使将高温气体在其高温下导入蓄热体也能净化NOx、CO、HC等有害排气成份的蓄热体。本发明的目的还在于提供一种蓄热燃烧在高温、腐蚀环境下可提高可靠性的蓄热体。

为达此目的，本发明的蓄热体通过使高温气体和低温气体从互为相反方向短时间内交替通过，将高温气体的显热传给低温气体，并至少在流体的流动方向被分割成若干块。为此，为提高热效率而通过对高温的燃烧排气和低温的燃烧用空气进行短时间内交替流动和蓄热燃烧，即使在靠蓄热体的高温气体导入口侧的部位和对面的靠低温气体导入口侧的部位产生大的温差，也能使分割的各蓄热体处的热膨胀差减小并防止裂纹。

另外，本发明的被分割了的蓄热体在靠高温气体导入口侧处和靠低温气体导入口侧处用不同材料形成。例如，蓄热体的腐蚀在靠高温气体导入口侧的高温部位很明显，而在靠低温气体导入口侧的低温部位则较迟缓。在这种场合，可仅在靠高温气体导入口侧的蓄热体上采用具有耐热性、耐酸性的蓄热体，在不损害作为蓄热体功能的情况下提高使用寿命并降低成本。

此外，本发明的被分割了的蓄热体在靠高温气体导入口侧处和靠低温气体导入口侧处用不同结构形成。在这种情况下，在导入含有尘粒等的高温燃烧排气时最初与之接触的高温气体导入口侧的蓄热体可采用具有过滤器功能的蓄热体，可防止蓄热体孔眼堵塞等。

还有，本发明的被分割了的蓄热体在催化反应温度领域内能起到排气净化催化剂的作用。这种情况下由于通过使高温气体和低温气体从互为相反方向短时间内交替通过而在蓄热体的高温气体导入口侧与低温气体导入口侧之间的温度差内设定催化反应温度范围，可将高温气体中所含HC、CO、NOx等完全净化，并将此时产生的反应热用于低温气体和燃烧用空气流动时的予热，可有效地利用热量。

并且，上述各蓄热体有时也可以将被分割的蓄热体的一部分内装在通过流路转换装置并使燃料排气及燃烧用空气交替通过所得到的高温燃烧用空气蓄热燃烧式燃烧器的气喉中，将剩余部设置在燃烧器外的上述流路转换装置附近。在这种场合，可在不改变蓄热容量和能力的情况下实现燃烧器及安装燃烧器的设备小型化。

本发明由于在炉内侧和流路转换装置处即使有大的温差也无产生裂纹等之虞，能在短时间内转换流动并提高热效率。

另外，本发明由于对耐热性及耐酸性有要求和无要求的部分，或含有和不含有尘粒的流体作出了区分，从而可分别采用适当的蓄热材料或蓄热结构，故在蓄热体低成本化的同时，设备能长期连续使用。

还有，本发明由于使蓄热体起到排气净化催化剂的作用，能吸收燃烧排气中所含有的CO和HC，即使在象还原燃烧等时以燃烧的稳定性为优先的场合，尽管不使用结构复杂的低NOx燃烧器也能降低NOx。

此外，本发明蓄热体还能在热效率不变的情况下实现燃烧器以及装有燃烧器的整个设备的紧凑化。

附图简单说明：

图1为表示本发明蓄热体一实施例的说明图。

图2为表示本发明蓄热体另一实施例的说明图。

图3为表示蜂窝状陶瓷蓄热体一例的立体图。

图4为表示利用蓄热体的蓄热型燃烧器系统一例的说明图。

图5为表示蓄热体的温度分布状态的说明图，其中(A)表示蓄热体的分解状态，(B)表示蓄热体的温度分布。

以下根据附图所示的一实施例，具体说明本发明的结构。

图4表示利用蓄热体的蓄热燃烧型燃烧器系统的一例。该蓄热燃烧型燃烧器系统在使一对燃烧器1、2交替燃烧时利用图1-图3所示蓄热体得到被予热到接近燃烧排气温度的高温的燃烧用空气。也就是说，通过在一对燃烧器1、2之间对供气系统和排气系统的交替转换并在蓄热体中对燃烧排气和燃烧用空气交替流动的直接热交换方式，将燃烧用空气予热到大致接近燃烧排气的温度如700-800℃或以上的高温。该蓄热燃烧型燃烧器系统为将蓄热体3与燃烧器体4、5连成一体化，使其两者组合，并形成一方燃烧器燃烧期间通过另一方不燃烧的燃烧器和蓄热体将燃烧排气排出的状态。在燃烧器1、2上安装成供给燃烧用空气的供气系统6和排出燃烧气体的排气系统7通过流路转换装置8可有选择地进行连接，一方燃烧器1(或2)中通过蓄热体3供给燃烧用空气，而另一方燃烧器2(或1)则通过蓄热体3进行燃烧气体的排气的结构。例如，燃烧用空气可通过未图示的强制式风扇等供给，而燃烧排气则通过未图示的诱导式风扇等排气装置从炉内吸出，并在进行尘粒吸收等必要处理后排至大气。另外，燃料供给系统通过未图示的如三通阀有选择地向任一方燃烧器1、2的燃料喷嘴9交替供给连接燃料。

这里，作为蓄热体3最好使用如图3所示通路截面积固定且流路直线贯通的蜂窝状陶瓷如堇石和富铝红柱石、或耐热耐酸性优良的其它材料。这种蜂窝状陶瓷热容量大，耐久性高，压力损失相对较低。而且可不停地交替进行排气和供气。因此排气中的尘粒难以附在蓄热体的蜂窝状流路内，即使附着也因反向气流而被清除，故很少变脏。而且从排气中回收热时即使排气温度下降到酸露点以下，在陶瓷表面也不会吸收排气中的硫及其化学变化物质而使下游的排气管道等低温腐蚀。

而且，蓄热体最好至少在流体的流动方向作多层分割配置。如为提高蓄热效率而使一对燃烧器1、2在短时间内交替燃烧，则蓄热体的温度如图5(B)所示在高温气体导入口侧即靠炉侧部位变为高温，而其对侧的低温气体入口侧即靠转换阀侧部位则变为低温。在对这种蓄热体3进行一体成型的情况下，由于流路转换频繁而使温差变大，故由于热膨胀不同而使产生裂纹的可能性变大。所以通过将蓄热体3分割为多层而将3a、3b、3c、……3e每块中的热膨胀差缩小可防止因热膨胀差产生的裂纹。作为一个例子，图1表示将蓄热体3分割为三块3a、3b、3c的情况。这种情况下最好在各蓄热体3a、3b、3c间夹以缓冲材料12。还有，蓄热体3不仅可在气体流动方向加以分割，根据需要也可在与流动的正交方向加以分割。

另外，蓄热体3的腐蚀在靠高温气体导入口10侧的高温部位明显，而在靠低温气体导入口11侧的低温部位则较迟缓。因此整个蓄热体3均用昂贵的耐腐蚀材料来制作只会引起无谓的成本增加。因而较好的办法是只在炉侧的高温部位使用耐腐蚀材料而在其它部位使用价格低廉的蓄热材料。作为进一步使蓄热体寿命延长的方法，最好是将高温部位的蜂窝的壁厚t加厚。这种情况下，蓄热容量虽会有所降低，但可以通过采用热传导率高的材料加以避免。此外，在使用炉温为1500℃左右的高温炉时，最好在靠高温气体导入口10侧的第1及第2蓄热体3a、3b的部分采用高耐热蓄热材料，而其它部分则采用价格低廉的材料。

而在伴有焊剂之类的粉尘的环境下，采用图3所示的蜂窝式蓄热体时存在产生孔眼堵塞的可能性。因此，作为对策如图2所示，在靠高温气体导入口10侧的第1蓄热体3a上采用作为过滤器代用品的制作容易，价格便宜的高耐热性的球状或熔核状蓄热体并可经常更换，在2层、3层孔眼上也可以使用蜂窝式蓄热体。并且，在2层、3层孔眼上也可采用比第1层孔眼粒子细的球状或熔核状蓄热体来代替蜂窝式蓄热体。

另外，本实施例中是将蓄热体3设置在燃烧器喉部后面，但有时则可将蓄热体设置在炉侧，其目的是尽量减少炉内的显热损失并利用炉壁厚度部分的空间。在这种场合，由于燃烧器设置空间一般并不宽余，故存在不能将所需容量的蓄热体全部插入的可能性。在这种情况下，尽管未图示，但如对蓄热体3进行分割，将一方装在燃烧器的气喉内，另一方设置在流路转换装置附近，则可减少高温排气的损失并使炉子紧凑化。并且，在将上述多功能、多种结构的蓄热体组合使用的情况下，不一定非要放在同一蓄热室不可。通过对不同机能和结构的蓄热室进行分割和设置并用隔热管道与排气及空气流路串联式连接可确保设计施工上的自由度。

此外，在使用伴有NOx和CO或HC的高温气体的场合，例如在采用被高温予热的燃烧用空气的蓄热燃烧和还原燃烧的情况下，最好是使蓄热体的一部分起到排气净化催化剂作用。例如在打算通过氧化促进催化剂对CO进行净化时，约5％的CO在约150-700℃的范围内可100％净化。另一方面，蓄热体的温度通过使高温气体和低温气体从互为相反方向短时间内交替通过而在高温气体导入口10侧处成为高温(如1000℃左右)，而在低温气体导入口11侧处成为低温(如200℃左右)。因此如图5(A)所示，通过将蓄热体沿流体的流动方向作多层分割并使催化剂在与适合各催化反应的温度分布范围相符的块中发挥作用，从而可100％的CO净化。另外，在CO净化时，蓄热体内会产生发热反应，但由于这种热量在转换后可用于燃烧用空气的予热，故不产生热量损失。并且，如果CO或HC的净化成为可能，则在还原气氛中就可以燃烧，并能防止被加热物铝熔液等的氧化。此外，对于NOx也同样可以根据所需的温度范围使催化剂发挥作用。例如在只净化CO或HC的场合主要采用白金催化剂。该白金催化剂的反应温度范围为150℃—700℃，温度超过该范围则会产生烧结而不能使用，而低于该范围则不发生催化反应。因此在图5(A)所示情况下从靠高温气体导入口10的第2层蓄热体块3b到靠低温气体导入口11的最终层蓄热体块3e之间均可使用白金作为催化剂。另外，在使CO和NOx同时净化的场合则采用在白金中添加一部分铑。白金与铑的比例以白金：铑＝5∶1—20∶1左右为好，温度范围以约300℃—500℃为好。因此，在图5(A)所示的情况下，最好是从高温气体导入口10到第3层蓄热体块3c或包括这些部位在内的前后蓄热体块3b、3d的一部或全部使用白金铑作为催化剂。所以，在使燃烧排气通过期间，通过在蓄热体被加热到150℃—700℃的部分即图5(A)中从靠高温气体导入口10的第2层蓄热体块3b到靠低温气体导入口11的最终层蓄热体块3e之间使用白金作为催化剂，和/或在加热到约300℃—500℃的部分即第3层蓄热体块3c或包括这些部位在内的前后蓄热体块3b、3d的一部或全部，使用白金铑作为催化剂，即可将CO或HC或NOx从排气中去除。

还有，尽管上述实施例是本发明的一个较佳实施例，但本发明并不限于该实施例，可在不脱离本发明要的范围内进行各种变动。例如虽然本实施例主要介绍的是通过将高温的燃烧用空气与燃烧器连接以及利用内装的蓄热体的交替燃烧所得的情况，但并不限于比例。例如通过使蓄热体对于燃烧用空气供给系统和排气系统作相对回转或采用流路转换装置使流体相对于蓄热体的流动方向切换，也可利用高温的燃烧排气的排热将燃烧用空气予热到高温的热量连续供给单一燃烧器使其连续燃烧。

Claims (5)

1.一种蓄热体，系将通过使高温气体和低温气体从互为相反方向短时间内交替通过而将高温气体的显热传给低温气体，其特征在于，所述蓄热体至少在流体的流动方向被分割成多块。

2.如权利要求1所述的蓄热体，其特征在于，所述被分割的蓄热体在靠高温气体导入口侧处和靠低温气体导入口侧处用不同材料形成。

3.如权利要求1所述的蓄热体，其特征在于，所述被分割的蓄热体在靠高温气体导入口侧处和靠低温气体导入口侧处用不同结构形成。

4.如权利要求1所述的蓄热体，其特征在于，使所述被分割的蓄热体在催化反应温度范围内起到排气净化催化剂的作用。

5.如权利要求1至4所述的蓄热体，其特征在于，将所述被分割的蓄热体的一部分内装在通过流路转换装置使燃料排气和燃烧用空气交替通过所得的高温燃烧用空气的蓄热燃烧或燃烧器的气喉中，而将剩余部分设置在燃烧器外的所述流路转换装置附近。

Images