CN201083387Y - 一种空气烟气管道切换型催化/蓄热燃烧锅炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种空气烟气管道切换型催化/蓄热燃烧锅炉，燃烧室(18)设有阻火板(4)，阻火板(4)均匀分布设置有气流孔，阻火板(4)一侧与燃烧室(18)内的两个蓄热体紧密连接，另一侧紧密连接有分别与所述的两个蓄热体对应的两个燃气－空气预混室，所述的两个燃气－空气预混室连接有燃气－空气切换装置；两个蓄热体分别连接有催化体，催化体和蓄热体均匀分布设置有与阻火板(4)气流孔连通的气流通道，燃烧室(18)设有两个分别与两个催化体对应的点火烧嘴。本实用新型是一种满足催化燃烧所要求的快速低温起燃、有效控制催化剂床层温度迅速升高和安全燃烧等要求，具备高效节能和低污染物排放特征的一种空气烟气管道切换型催化/蓄热燃烧锅炉。

Description

一种空气烟气管道切换型催化/蓄热燃烧锅炉

技术领域

本实用新型涉及一种基于平焰燃烧、催化反应和蓄热燃烧原理的高效节能、低CO和NO_x排放的催化燃烧锅炉。适用于燃用天然气、或含有甲烷的稀薄气体的各种民用和工业用锅炉及加热装置使用。

背景技术

催化燃烧作为一种新型的燃烧方式，具有多重技术优势：1)可在较大燃气比范围内使用；2)能将燃烧反应活化能降低到更低水平，起燃温度降低，燃烧稳定；3)NO_x排放低；4)燃烧反应完全；5)燃烧噪音小且燃烧缓和。催化燃烧是一种清洁、高效的热能供应途径，可以改善我国大气污染状况，大规模利用天然气或含有甲烷的低热值气体燃料，改善我国能源结构，符合我国中长期规划低排放、高效率增长方式要求。

目前催化剂主要应用于低热值有害型气体净化处理领域，应用于民用或工业用燃烧领域的并不多。以气体净化为使用目的的流向变换型催化反应器只能在反应气体积百分数极低条件下使用，切换周期长达十几小时，热效率极低。催化剂应用于燃烧领域需要解决低温起燃和控制催化剂迅速升温等问题，另外要求结构简单。有研究者将催化剂应用于民用燃气燃烧领域(论文：张守玉，刘志敏，魏振玲，等.高性能甲烷催化燃烧催化剂的制备及其在天然气催化燃烧热水器上的应用[J].催化学报，2006，27(9)：823-826；张世玉，董庆珊，段之殷，等.催化燃烧技术在锅炉中的应用研究[J].北京建筑工程学院学报，2006，22(3)：24-28)，装置规模小、燃烧功率小，热效率不高，难于低温起燃，调节燃气流量成为控制催化剂温度升高的唯一措施；也有研究者将催化剂应用于动力燃烧领域(论文：刘敏，陈艳芬，韩中立，等.燃气轮机催化燃烧室的实验研究[J].热能动力工程，2000，15(4)：376-378，381；吕宏缨，胡瑞生，沈岳年，等.稀土型高温燃烧催化剂在天然气发电中的应用[J].稀土，2001，22(3)：363-66，72)，按远低于化学当量比预混的燃气空气混合物通过催化剂并在催化剂气流通道里发生表面催化燃烧反应，按高于化学当量比预混的燃气空气混合物在催化剂之外的气相区域里组织富燃。应用于动力燃烧领域的催化燃烧实质是分区燃烧或分阶段燃烧，虽然可以有效地控制催化剂温度迅速升高，但是结构复杂且难于低温起燃。更为重要是绝大多数气体燃料在催化剂之外的区域里发生高强度发光放热的燃烧反应，热效率不高，CO排放高且NO_x排放高；只是小部分燃气发生低燃气浓度和低强度燃烧放热的催化燃烧反应，催化燃烧只起稳定富燃火焰的作用。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种满足催化燃烧所要求的快速低温起燃、有效控制催化剂床层温度迅速升高和安全燃烧等要求，具备高效节能和低污染物排放特征的空气烟气管道切换型催化/蓄热燃烧锅炉。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供的空气烟气管道切换型催化/蓄热燃烧锅炉，在燃烧室设有阻火板，所述的阻火板均匀分布设置有气流孔，所述的阻火板一侧与所述的燃烧室内的两个蓄热体紧密连接，另一侧紧密连接有分别与所述的两个蓄热体对应的两个燃气-空气预混室，所述的两个燃气-空气预混室连接有燃气-空气切换装置；所述的两个蓄热体分别连接有催化体，所述的催化体和蓄热体均匀分布设置有与所述的阻火板气流孔连通的气流通道，所述的燃烧室设有两个分别与所述的两个催化体对应的点火烧嘴。

所述的燃气-空气切换装置为燃气总管通过两个燃气快切阀分别与所述的两个燃气-空气预混室连接，所述的两个燃气-空气预混室通过一个四通阀分别与进气管和抽气管连接。

所述的燃气-空气预混室分别设有一个机械防爆孔。

所述的阻火板设置均匀分布的气流孔大小为Φ2-2.5mm。

所述的蓄热体中间壁厚0.5-1mm，比表面积大于800m²/m³。

所述的催化体和蓄热体的通道中心轴线与所述的阻火板气流孔中心轴线重合。

采用上述技术方案的空气烟气管道切换型催化/蓄热燃烧锅炉，阻火板具有阻止热量传递功能，一侧和蓄热体紧密连接，一侧和燃气-空气预混室紧密连接。阻火板设置均匀分布的大小为Φ2-2.5mm的气流孔。催化体和蓄热体设置均匀分布的蜂窝状气流通道，通道中心轴线和阻火板气流孔中心轴线重合。蓄热体中间壁厚0.5-1mm，比表面积大于800m²/m³。两个催化体和蓄热体周期性交替工作，切换周期不超过1min。两个燃气-空气预混室的甲烷体积份数在1-11％范围。

本实用新型可在低温和低燃气热值条件下稳定运行；起燃迅速；操作简便；催化剂床层温度能得到有效控制；燃烧效率高，CO排放浓度低于100ppm；NO_x排放低于10ppm；与火焰燃烧相比热效率高出10-15％。燃用天然气或低热值、低品位及低能量密度的甲烷气燃料的民用和工业锅炉或加热装置均可使用本实用新型。

综上所述，本实用新型是一种满足催化燃烧所要求的快速低温起燃、有效控制催化剂床层温度迅速升高和安全燃烧等要求，具备高效节能和低污染物排放特征的空气烟气管道切换型催化/蓄热燃烧锅炉。

附图说明

附图为本实用新型涉及的空气/烟气快速切换型催化燃烧锅炉装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

如附图所示，实用新型主要包括成对结构相同的催化燃烧器，配合燃烧器工作的点火烧嘴和燃气-空气切换装置。在燃烧室18底部设有阻火板4，阻火板4设置均匀分布的气流孔大小为Φ2-2.5mm，燃烧室18内设有与阻火板4一侧紧密连接的左蓄热体15和右蓄热体3，左蓄热体15和右蓄热体3分别连接有左催化体16和右催化体2，左催化体16和右催化体2、左蓄热体15和右蓄热体3均匀分布设置有蜂窝状气流通道，且其通道中心轴线和阻火板4气流孔中心轴线重合，左催化体16和右催化体2、左蓄热体15和右蓄热体3气流通道形状规则，布置规则，可为正方形也可为长方形或圆形。左催化体16和右催化体2包含稀土型催化剂或贵金属型催化剂，间壁薄，中间壁厚0.5-1mm，比表面积超过800m²/m³，强化了表面燃烧反应。左蓄热体15和右蓄热体3主要材质为Al₂O₃，间壁薄，比表面积超过800m²/m³，有效地强化了蓄热传热过程。阻火板4不仅绝热性能良好，可以有效地防止热力回火现象发生，而且能均匀分布气流。燃烧室18设有分别与左催化体16和右催化体2对应的左点火烧嘴17和右点火烧嘴1；阻火板4底部紧密连接有分别与左蓄热体15和右蓄热体3对应的左燃气-空气预混室14和右燃气-空气预混室5，左燃气-空气预混室14和右燃气-空气预混室5分别设有左机械防爆孔13和机械防爆孔6，左燃气-空气预混室14和右燃气-空气预混室5分别通过左燃气快切阀11和右燃气快切阀7与燃气总管10连接，左燃气-空气预混室14和右燃气-空气预混室5通过一个四通阀8与进气管9和抽气管12连通。

如附图所示，助燃空气经进气管9、四通阀8从左边流入左燃气-空气预混室14，遇到经左燃气快切阀11送入的燃气，氧气分子和燃气分子均匀混合，预混物中甲烷体积分数为1-10％。预混气流依次均匀流过阻火板4、左蓄热体15和左催化体16。预混物流过左蓄热体15时并预热，流过左催化体16时在左催化体16气流通道内发生表面催化燃烧反应，消耗掉绝大部分燃料。在引风机对抽气管12抽气作用下，烟气流经水冷管19并和水冷管19发生热交换后依次流向右催化体2和右蓄热体3。在右蓄热体3里烟气放热降温到高出环境温度50-100℃的温度水平，接着依次经过阻火板4、右燃气-空气预混室5和四通阀8、抽气管12，最后经排烟口排入大气。10-60s后，四通阀8动作，空气和烟气交换流通管路，催化燃烧改到右侧组织，左蓄热体15回收烟气余热，为四通阀8再动作后预热预混物储存热量。

由于左蓄热体15温度高加上其比表面积大，预混气流流经左蓄热体15时在短时间内被预热到起燃温度和自燃温度之间。在左催化体16的催化作用下，燃烧反应活化能降低，甲烷气可以在较低温度下发生燃烧反应，加上左催化体16比表面积大强化了气流通道内的气固反应，被预热的预混物在左催化体16气流通道内能发生绝大部分催化燃烧反应。流出催化体后因燃烧反应不完全留下的CH₄、CO和H₂在贴近催化剂表面的高度较小的炉内区域里继续发生燃烧反应。燃烧放热转变为催化体固体壁面吸热、以烟气温度升高方式带走的显热、气流通道内燃烧火焰以辐射传热方式间接向水冷壁的传热三个部分。催化体固体壁面吸热和前一周期内储存的显热以辐射传热方式间接向水冷管传热，温度逐渐降低到起燃温度，整个周期内不会出现因催化体大量吸热导致催化剂温度迅速升高和出现催化剂失活等问题。左催化体16和右催化体2、左蓄热体15和右蓄热体3温度稳定，催化体温度在甲烷起燃和自燃温度之间周期性变化。左燃气-空气预混室14和右燃气-空气预混室5里甲烷浓度越高，起燃温度越低，起燃和自燃温度之差越小，因此左催化体16和右催化体2温度变化范围越小且温度整体水平也越低。变化切换周期、燃气流量或空气过剩系数是调节左蓄热体15和右蓄热体3、左催化体16和右催化体2温度分布的主要手段。

两对燃烧器燃烧面宽，可集中布置、分散布置或对称布置。两个燃烧器配合工作，一燃烧器组织表面催化燃烧时另一燃烧器排放烟气并起回收烟气余热功能，切换周期不超过1min。左燃气快切阀11和右燃气快切阀7与燃烧器动作和四通阀8动作相一致。左侧燃烧器工作时，左燃气快切阀11开启，右燃气快切阀7关闭，左燃气-空气预混室14起预混和均压作用，右燃气-空气预混室5起集气作用。右侧燃烧器工作时，右燃气快切阀7关闭，左燃气快切阀11，右燃气-空气预混室5起预混和均压作用，左燃气-空气预混室14起集气作用。

左点火烧嘴17和右点火烧嘴1分别靠近左催化体16和右催化体2端面布置。在炉温低于CO自燃温度和燃气稳定起燃以前，两点火烧嘴一直运行，不随两个燃烧器燃烧周期性切换而变化。两个点火烧嘴为锅炉冷启动阶段两个燃烧器提供稳定着火源。燃气能稳定起燃后关闭点火烧嘴。

阻火板4气流孔孔径为2-2.5mm，绝热性能良好，可防止热力回火以避免预混室发生爆燃。左机械防爆孔13和机械防爆孔6布置在左燃气-空气预混室14和右燃气-空气预混室5侧壁上以增大燃烧安全性。

催化剂降低了燃烧反应活化能，拓宽了燃烧温度范围，使得燃烧反应可以在更低温度下燃烧，改善了低温条件下燃烧稳定性。高温空气燃烧使得燃料蒸发、裂解、自燃等燃烧的全过程加速进行，提高了燃烧效率。全预混燃烧也提高了燃料效率。由于高温预热空气所具有的物理热增加了炉内的理论燃烧温度，锅炉可在更低热值燃气条件下稳定运行，有效地拓宽了燃料使用范围。由于组织表面燃烧，燃烧面宽，单位体积或单位面积燃烧放热减小，燃烧温度比常规燃烧低，抑制了NO_x生成。

传统锅炉火焰燃烧被本实用新型中的无焰燃烧所代替，传统锅炉的火焰定向辐射传热(火焰辐射占95％，对流换热占5％)被本实用新型中的气孔和固体壁面非定向辐射传热所代替(同时对流换热也得到强化)，锅炉节能性能得到提高；本实用新型催化体和炉内发生高温空气燃烧，回收烟气余热的同时又预热了助燃空气和燃气，极大地提高了锅炉热效率。实验表明，本实用新型热效率高出传统火焰燃烧锅炉热效率10-15％。传统锅炉的非预混燃烧器和集中燃烧被本实用新型基于预混燃烧和表面燃烧的平板燃烧器所代替，炉膛高度降低；传统锅炉的烟道、省煤器、空气预热器和烟囱被本实用新型蜂窝陶瓷蓄热体所代替，锅炉占地面积减小，一次投资降低。

Claims (6)

1.一种空气烟气管道切换型催化/蓄热燃烧锅炉，其特征是：燃烧室(18)设有阻火板(4)，所述的阻火板(4)均匀分布设置有气流孔，所述的阻火板(4)一侧与所述的燃烧室(18)内的两个蓄热体紧密连接，另一侧紧密连接有分别与所述的两个蓄热体对应的两个燃气-空气预混室，所述的两个燃气-空气预混室连接有燃气-空气切换装置；所述的两个蓄热体分别连接有催化体，所述的催化体和蓄热体均匀分布设置有与所述的阻火板(4)气流孔连通的气流通道，所述的燃烧室(18)设有两个分别与所述的两个催化体对应的点火烧嘴。

2.根据权利要求1所述的空气烟气管道切换型催化/蓄热燃烧锅炉，其特征是：所述的燃气-空气切换装置为燃气总管通过两个燃气快切阀分别与所述的两个燃气-空气预混室连接，所述的两个燃气-空气预混室通过一个四通阀(8)分别与进气管和抽气管连接。

3.根据权利要求1或2所述的空气烟气管道切换型催化/蓄热燃烧锅炉，其特征是：所述的燃气-空气预混室分别设有一个机械防爆孔。

4.根据权利要求1或2所述的空气烟气管道切换型催化/蓄热燃烧锅炉，其特征是：所述的阻火板(4)均匀分布设置的气流孔大小为Φ2-2.5mm。

5.根据权利要求1或2所述的空气烟气管道切换型催化/蓄热燃烧锅炉，其特征是：所述的蓄热体中间壁厚0.5-1mm，比表面积大于800m²/m³。

6.根据权利要求1或2所述的空气烟气管道切换型催化/蓄热燃烧锅炉，其特征是：所述的催化体和蓄热体的通道中心轴线与所述的阻火板(4)气流孔中心轴线重合。

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