CN1828137A - 气体燃料催化燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种气体燃料催化燃烧器，具体涉及一种用于供暖或加热(热风)系统的催化燃烧器。本发明的预混室(1)内布置有空气导流管(2)与旋风导流面(3)，使燃气与空气在很小的空间内迅速混合均匀；催化燃烧室由两个催化燃烧室组成，将催化燃烧区域分为富燃区和贫燃区，在两个催化燃烧室之间设有一个二次燃气或空气混合室(10)，室内设有四个切向的燃气或空气喷嘴(11)，形成旋流，使二次燃气或空气与燃气充分混合。预混室与第一催化燃烧室之间设有一个金属多孔板(4)，防止该装置点火时出现回火现象。本发明实现了气体燃料(天然气、煤气或液化石油气)高效低排放的目的。

Description

气体燃料催化燃烧器
技术领域
本发明涉及一种用于供暖或加热(热风)系统的催化燃烧器，它的燃料为天然气，煤气或液化石油气，属于能源利用领域。
背景技术
气体燃烧方式有扩散燃烧和预混燃烧，两者均为火焰燃烧。现代科学研究证明，火焰燃烧有两大致命的缺点：(1)火焰燃烧是燃烧物质在自由基参与下的氧化反应，涉及到自由基(特别是氧自由基)的气相引发，不可避免地生成部分电子激发态产物，以可见光的形式释放能量。这部分能量无法利用而损失掉，造成能量利用率低。(2)自由基的气相引发使空气中的氮气参与燃烧反应而形成毒性污染物NOx，低的燃烧效率产生可观的未完全燃烧的HC和CO，排入大气会造成环境污染。
解决火焰燃烧的低效和高排放的有效途径之一是催化燃烧，具有燃烧效率高(CO和未完全燃烧的HC排放低)、燃烧温度低(＜1200℃，因此NOX排放低)、燃烧过程稳定可控(通过控制催化反应)等优点。催化燃烧是低碳烃在催化剂表面进行的氧化反应，是一种以无焰燃烧为主的燃烧方式。
催化燃烧技术应用的关键是设计、研究和开发出高效催化燃烧器，目前，市场上没有类似的催化燃烧器，而一般常规的气体燃烧器存在NOx排放高的问题。利用催化燃烧技术的炉灶，难以在工业领域和作为供热系统得燃烧器使用。
发明内容
本发明的目的是解决现有燃烧器存在的NOx排放高的问题以及催化燃烧炉灶应用范围小等问题，为将催化燃烧技术应用到工业加热烘干和供热领域，提出一种可实现高效低排放的气体燃料催化燃烧器。
本发明所采用的具体技术方案参见图1～图9。本发明主要由预混室1和催化燃烧室组成，预混室1内设有两个气流流动方向相反的由两个1/4圆弧的圆形管组成的空气导流管2，还设有旋风导流面3，旋风导流面3由四个1/4圆弧的圆柱面组成，旋风导流面中心位置的两个1/4圆弧半径为外侧的两个1/4圆弧半径的1/6～1/3，圆弧柱面之间光滑连接。这种结构使空气在预混室内形成两个旋转方向相反的涡流，两个气体涡流相切之处设有燃气进气喷嘴，在气体涡流中燃气与空气得到充分的混合。催化燃烧室由第一催化燃烧室5和第二催化燃烧室9两个催化燃烧室组成，第一催化燃烧室5下部设有点火器6，第一催化燃烧室内安装2～3层催化燃烧催化剂层7、其中第一层催化剂为Pt或Pd/CeO2/Al2O3/陶瓷蜂窝催化剂，第二层和第三层催化剂为CeO2/Mn基六铝酸盐/蜂窝催化剂。预混室1与催化燃烧室之间设有一个孔径为0.5～5mm的金属多孔板4，可增加燃气流速，使其大于火焰传播速度，防止该装置点火时出现回火现象。第二催化燃烧室内安装有另一催化燃烧催化剂层12，分为2～3层，催化剂均为CeO2/Mn基六铝酸盐/蜂窝催化剂。蜂窝载体的材料是堇箐石、莫来石或金属蜂窝，蜂窝孔可以为方形、平行四边形或圆形，蜂窝孔的截面积为1～9mm2。每一层催化燃烧催化剂层之间设有陶瓷支撑环8。在第一催化燃烧室5和第二催化燃烧室9之间设有一个二次燃气或空气混合室10，将催化燃烧室分为两个燃烧区域，在第一催化燃烧室和第二催化燃烧室内可分别实现富燃和贫燃燃烧，达到控制燃烧过程，减少排放的目的。二次燃气或空气混合室室内设有四个切向的燃气或空气喷嘴11，形成旋流，使二次燃气或空气与燃气充分混合。第一催化燃烧室5和第二催化燃烧室9的中心位置设有热电偶套管17，可以分别测量每一催化床层上端面的温度，并与自控单元和燃气比例阀配合达到可控催化燃烧的目的。在作为供暖设备应用时，该装置设有列管式换热器13，如果不安装列管式换热器，通过该设备可以提供温度为800～1200℃的热空气，可以应用于工业烘干等设备。
本发明的设计原理为：催化燃烧是在催化剂表面上的无焰燃烧，可以降低燃烧器的最高燃烧温度，从而减少NOx的产生。由于催化燃烧催化剂为蜂窝状，燃气与空气进入催化剂之前必须充分混合均匀，此外，催化燃烧过程应稳定可控。因此，本发明设计了(a)切向涡流预混装置，使燃气与空气在很小的空间内迅速混合均匀；(2)将燃烧区域分为两段，并在两段燃烧区域之间设计了具有四个二次燃气(空气)切向进气喷嘴的二次燃气(空气)混合室，此项设计可以将催化燃烧区域分为富燃区和贫燃区，或分两阶段燃烧(或称为二次喷射分层燃烧)，控制和调整主燃气和二次燃气及空气(或二次空气)的量，可以实现燃气的均匀可靠稳定的燃烧，并将最高燃烧温度控制在小于1200℃，使该设备的NOx排放小于5ppm。
本发明实现了气体燃料(天然气、煤气或液化石油气)高效低排放的目的。
附图说明
图1气体燃料催化燃烧器的组装示意图；
图2气体燃料催化燃烧器结构图；
图3燃气预混室俯视图；
图4燃气预混室结构图；
图5多孔板的结构图；
图6催化剂床层结构图；
图7二次燃气(空气)混合室结构图；
图8列管式换热器结构图；
图9气体燃料催化燃烧器燃烧过程控制流程图。
1、燃气预混室，2、空气导流管，3、旋风导流面，4、金属多孔板，5、第一催化燃烧室，6、点火器，7、催化燃烧催化剂层，8、陶瓷支撑环，9、第二催化燃烧室，10、二次燃气或空气混合室，11、燃气或空气喷嘴，12、另一催化燃烧催化剂层，13、列管式换热器，14、燃气喷嘴，15、电子控制单元，16、进气口，17、热电偶套管。
具体实施方式
现参照附图对本发明的优选实施例来进行具体描述。
参照图1和图2，该催化燃烧炉包括：燃气预混室1、第一催化燃烧室5、第二催化燃烧室9、二次燃气或空气混合室10、列管式换热器13五个主要部分。
预混室1内的空气导流管2由两个1/4圆弧的圆形管组成，旋风导流面3由四个1/4圆弧的圆柱面组成，旋风导流面中心位置的两个1/4圆弧半径为外侧的两个1/4圆弧半径的1/5。催化燃烧室由第一催化燃烧室5和第二催化燃烧室9两个催化燃烧室组成，第一催化燃烧室5下部设有点火器6，第一催化燃烧室内安装2层催化燃烧催化剂层7、其中第一层催化剂为Pt或Pd/CeO2/Al2O3/陶瓷蜂窝催化剂，第二层催化剂为CeO2/Mn基六铝酸盐/陶瓷蜂窝催化剂。第二催化燃烧室内安装有另一催化燃烧催化剂层12，分为2层，催化剂均为CeO2/Mn基六铝酸盐/陶瓷蜂窝催化剂。蜂窝载体的材料是莫来石，蜂窝孔可以为方形，蜂窝孔的截面积为4mm2。每一层催化燃烧催化剂层之间设有陶瓷支撑环8。在第一催化燃烧室5和第二催化燃烧室9之间设有一个二次燃气或空气混合室10，室内设有四个切向的燃气或空气喷嘴11，形成旋流，使二次燃气或空气与燃气充分混合。第一催化燃烧室5和第二催化燃烧室9的中心位置设有热电偶套管17，可以分别测量每一催化床层上端面的温度，并与自控单元和燃气比例阀配合达到可控催化燃烧的目的。
在启动该燃烧器时，少量燃气和空气通过比例调节阀(未示出)从进气口16喷入燃气预混室中，其中空气从两个1/4圆弧形的空气导流管2中喷出，在两个1/4圆弧的圆柱形导流面3的作用下形成两个旋转方向相反的涡流，燃气在两个旋转涡流的相切处由燃气进口14喷出，在燃气预混室内空气混合均匀，参加图3和图4，然后，混合燃气通过多孔金属板4，参见图5，形成平流进入第一催化燃烧室，多孔金属板孔径为1.5mm，使燃气流速度大于火焰传播速度，防止该装置点火时出现回火现象。然后，混合燃气在多孔金属板上端被点燃，加热第一催化燃烧室中的催化剂，当第一层催化剂7上表面温度达到燃气在催化剂上的起燃温度时，电子控制单元15将空气和燃气阀关闭0.5秒钟，使第一催化燃烧室中的明火消失，燃气直接与催化剂层7和催化剂层12表面接触，进行催化燃烧。然后，根据各催化床层12的温度和预定的功率调节主燃气和空气以及二次燃气和空气的流量，调节量和频率根据催化剂床层12温升而确定，此时可以实现富燃和贫燃的双区域催化燃烧。二次燃气或空气混合室10内设有四个切向的燃气(空气)喷嘴11，使二次空气(燃气)与主燃气混合均匀，参见图7。通过该设备可以提供温度为800～1200℃的热空气，可以应用于工业烘干等设备，如加装上本发明所述的列管式换热器13，参见图8，该设备即可应用于供热系统。本发明实例装置的功率为12-48kw/h。

Claims (9)

1、一种气体燃料催化燃烧器，包括预混室(1)和催化燃烧室，其特征在于：沿预混室(1)内壁面相对位置布置有空气导流管(2)与旋风导流面(3)，均为对称结构；空气导流管(2)由两个1/4圆弧的圆形管组成，空气的进气口设在空气导流管的中心位置，旋风导流面(3)由四个1/4圆弧的圆柱面组成，旋风导流面中心位置的两个1/4圆弧半径小于外侧的两个1/4圆弧半径，圆弧柱面之间光滑连接；催化燃烧室由第一催化燃烧室(5)和第二催化燃烧室(9)两个催化燃烧室组成，第一催化燃烧室(5)下部设有点火器(6)，第一催化燃烧室内安装催化燃烧催化剂层(7)、第二催化燃烧室内安装有另一催化燃烧催化剂层(12)，在第一催化燃烧室(5)和第二催化燃烧室(9)之间设有一个二次燃气或空气混合室(10)，室内设有四个切向的燃气或空气喷嘴(11)。
2、根据权利要求1所述的气体燃料催化燃烧器，其特征在于：所述的预混室(1)中旋风导流面(3)的中心位置的两个1/4圆弧半径为外侧的两个1/4圆弧半径的1/6～1/3，预混室的中心位置设有燃气喷嘴(14)。
3、根据权利要求1所述的气体燃料催化燃烧器，其特征在于：预混室(1)与第一催化燃烧室(5)之间设有一个金属多孔板(4)，孔径为0.5～5mm。
4、根据权利要求1所述的气体燃料催化燃烧器，其特征在于：所述的第一催化燃烧室内的催化燃烧催化剂层(7)分为2～3层，其中第一层催化剂为Pt或Pd/CeO2/Al2O3/陶瓷蜂窝催化剂，第二层和第三层催化剂为CeO2/Mn基六铝酸盐/蜂窝载体催化剂。
5、根据权利要求1所述的气体燃料催化燃烧器，其特征在于：所述的第二催化燃烧室内的催化燃烧催化剂层(12)分为2～3层，每层催化剂均为CeO2/Mn基六铝酸盐/蜂窝载体催化剂。
6、根据权利要求1或4或5所述的气体燃料催化燃烧器，其特征在于：每一层催化燃烧催化剂层之间设有陶瓷支撑环(8)。
7、根据权利要求4或5所述的气体燃料催化燃烧器，其特征在于：蜂窝载体的材料是堇箐石、或莫来石或金属蜂窝，蜂窝孔为方形、平行四边形或圆形中的任一种，蜂窝孔的截面积为1～9mm2。
8、根据权利要求1所述的气体燃料催化燃烧器，其特征在于：所述的第一催化燃烧室(5)和第二催化燃烧室(9)的中心位置设有热电偶套管(17)。
9、根据权利要求1所述的气体燃料催化燃烧器，其特征在于：催化燃烧室的顶部安装列管式换热器(13)或不安装。
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