CN201273630Y - 催化燃烧器 - Google Patents

Abstract

提供一种催化燃烧器，该燃烧器包括：具有至少两端的无孔结构，其中该结构在第一端处容纳油芯且在第二端处与无孔基底连通；与油芯连通的燃料存储器；以及催化剂，其以有效引起一定量的燃料燃烧的量沉积在无孔基底上。本实用新型通过在燃烧器内安放催化表面而降低自动点火温度且从燃烧器提供相对均匀的热分布。因而，燃烧反应的量和位置能够通过改变燃烧器内催化剂的量和分布而控制。

Description

催化燃烧器

技术领域

本实用新型涉及一种包括载体催化剂的燃烧器，其提供燃料的无焰燃烧。

背景技术

本实用新型描述使用燃烧器对现有技术的改进，所述燃烧器在US6144801、US6451841、US6537061、US6814929、US20050037309和US20040265762中描述。前述系统包括燃烧器、燃料、燃料存储器和油芯。燃烧器包括三个主要的部件：多孔陶瓷体、嵌入在多孔陶瓷体中的催化剂和插入到多孔陶瓷体中的油芯。

多孔陶瓷体通常通过附加的可燃材料(例如碳粉或碳屑)形成为滑石、粘土的混合物和粘合物从而形成陶瓷的雏形。当这种混合物挤压或模铸进希望的形状，该体然后在>1000℃焙烧以形成最后的陶瓷体。在焙烧过程期间，包含的可燃材料被气化离开陶瓷体中的空隙或细孔。通常的催化燃烧器具有约40％的开气孔率。

通常催化剂是附着在贵重的金属催化剂上的稳定的氧化铝或硅石的极小微粒，如在US4029602、US4048113、US4301035和US4368029中所描述的。极小微粒催化剂混合进液体溶液，然后液体溶液施加到多孔陶瓷体的表面。催化剂极小微粒比陶瓷体的细孔更小，而且吸收进陶瓷体中，而且一旦液体移开停留在一位置，以此方式催化剂嵌入到多孔陶瓷体中。

油芯通常包括棉或纤维素纤维，并且足够长以使油芯从陶瓷体内部延伸到燃料存储器的底部。燃料通常包括90wt％2-丙醇、8wt％H2O和2wt％香料。

为了操作催化剂燃烧器，燃烧器组件首先放置在带有延伸进燃料/香料混合物中的油芯的燃料存储器的顶部。燃料/香料混合物在油芯上和多孔陶瓷体的细孔中行进。一旦多孔陶瓷体完全浸透，明火施加到陶瓷体的表面以点燃吸收的燃料/香料混合物。去除明火并使得点燃的燃料/香料混合物燃烧。燃烧的燃料/香料混合物(产生约6英寸的火焰)在约3分钟后熄灭。点燃过程具有两个作用：第一，火焰从多孔陶瓷体中消耗和/或解吸过量的燃料；第二，一旦过量的燃料被解吸，火焰将嵌入的催化剂微粒加热到适当的用于连续操作的温度(约150℃)。这开始循环过程，在该循环过程中陶瓷从催化剂吸收热，受热的陶瓷体气化油芯中的燃料，气化的燃料通过催化剂并被燃烧，催化剂燃烧过程提供返回到陶瓷体的热。在这个过程期间，大多数燃料/香料混合物没有被催化剂消耗，而是以高速(通常约12.0克/小时)排放进周围的大气中。

实用新型内容

本实用新型涉及使用无焰催化燃烧器(例如包括无焰催化燃烧器、燃料、燃料存储器和油芯的系统)对现有技术的改进。现有技术的催化燃烧器包括三个主要的部件：多孔陶瓷体、嵌入在多孔陶瓷体中的催化剂和插入到多孔陶瓷体中的油芯。存在与这种系统关联的几个问题或缺点，比如：纤维素油芯的降解、陶瓷体中细孔的阻塞、启动期间大的明火(>6英寸)和长的初始化(>15分钟)。油芯的降解出现是因为，为了实现与催化燃烧器必要的燃料传送，油芯必须与催化燃烧器紧密接触，这在操作期间温度超过250℃。增高的温度引起纤维素油芯的降解和碳化。由于陶瓷燃烧器的细孔中的碳化的油芯材料的聚集和在陶瓷体与油芯之间的紧密接触的损失，油芯的降解引起到催化燃烧器的燃料流损失。燃料流的损失最终引起催化燃烧器的不可逆转的故障。细孔的阻塞也会由于部分分解的香料出现。在正常操作期间，一部分香料没有蒸发，然而取而代之的是在陶瓷体的细孔内的分解。随着时间的推移，这些分解的材料的增加阻塞陶瓷的细孔并阻止燃料蒸汽到达催化剂。

由于安全相关的问题，对于启动必要的大的火焰是系统的缺点。大的火焰容易燃烧邻近的织物、纸或其它物品，从而引起无法控制的火。目前使用的系统也需要长的初始化(>15分钟)，这对用户是不利的。催化燃烧器组件放置在预先充满的燃料存储器中并且直到燃料向上流动到油芯且完全浸透催化燃烧器之前不能被操作，这将需要大于15分钟的时间。

为了克服上述问题，开发了系统，其中在构造燃烧器中陶瓷或其他多孔材料的使用被去除。

要求保护的实用新型的一方面涉及一种催化燃烧器，该燃烧器包括：具有至少两端的无孔结构，其中该结构在第一端处设有油芯(wick)且在第二端处与无孔基底连通；与油芯连通的燃料存储器；以及催化剂，其以有效引起一定量的燃料燃烧的数量沉积在无孔基底上。

附图说明

图1A显示根据本实用新型的套环式催化燃烧器的俯视图；

图1B显示根据本实用新型的套环式催化燃烧器的侧视图；

图2A显示根据本实用新型的管形催化燃烧器的侧视图；

图2B显示根据本实用新型的管形催化燃烧器的剖视图；

图3A-3G显示能够用于根据本实用新型的催化燃烧器中的催化基底的几何形状。每个图的上半部表示特定几何形状的催化基底的俯视图，且下半部表示相同几何形状的催化基底的侧视图。

具体实施方式

本实用新型的实施例解决了当前领域系统中发现的前述缺陷。本实用新型的实施例涉及提供一种包括催化剂的燃烧器的目的，其通过有效的使用燃料提供改进的燃烧。

通常，无焰燃烧通过充分预热燃烧空气和燃料气体实现，使得当两束气流汇合时，混合物的温度超过混合物的自动点火温度，但是小于由混合速率限定的导致混合时氧化的温度。没有催化剂表面时，气流预热至大约1500℉和大约2300℉之间的温度且然后需要以相对小的增量将燃料气体混合到燃烧空气内，以发生无焰燃烧。

根据本实用新型的实施例，催化剂以这种方式沉积在无孔基底上，使得催化剂坚固地粘附到基底。在本实用新型的某些实施例中，催化剂沉积在金属基底上。在本实用新型的其它实施例中，催化剂沉积在致密的无孔基底上。致密的无孔基底的示例包括但不限于，玻璃和无孔陶瓷材料。实际上，可以使用任何适当的无孔材料构建催化剂沉积在其上的基底。

在本实用新型的实施例中，提供载体催化剂。在该实施例中，催化剂首先沉积在载体上。紧随该步骤，载体催化剂沉积在无孔基底上。在该实施例中，催化剂沉积在其上的载体可以为具有高单元密度、薄的壁厚和对催化剂应用有足够的强度，同时具有对金属催化剂浸渍足够高的几何表面面积的任何材料。满足这些要求的载体材料的示例包括但不限于沸石和氧化铝。

在本实用新型的实施例中，包含催化剂的基底与包含油芯的壳体接触，油芯浸透有适当的燃料。在一些实施例中，通过将包含催化剂的基底围绕壳体缠绕，使基底与包含油芯的壳体接触。在该实施例中，基底的大部分在围绕它的周边的一个或更多位置处接触壳体。

在本实用新型的另一实施例中，包含催化剂的基底悬挂在包含油芯的壳体上方。在该实施例中，基底可以在壳体的侧边上的一个或更多点处接触壳体，而基底的大部分不接触壳体。

根据本实用新型的某些实施例，包含油芯的壳体由有效的导热体物质制成。在本实用新型的某些实施例中，壳体由一种或更多金属或金属合金制成。

根据本实用新型的实施例，壳体用加热源加热，其接着加热包含催化剂的基底。在本实用新型的某些实施例中，加热源可以是点火器，火柴或电阻加热器。

根据本实用新型的实施例，催化剂由具有火焰的点火源点火。在本实用新型的某些实施例中，催化剂由无焰点火源点火。

根据本实用新型的实施例，催化剂和壳体被加热且温度升高到适当的工作温度。一旦达到合适的工作温度，催化剂开始燃烧燃料。

在本实用新型的实施例中，燃料的燃烧以循环的方式发生。催化剂和壳体被加热且温度升高到适当的工作温度。当达到合适的工作温度时，催化剂开始燃烧燃料，从而加热催化剂沉积在其上的基底。催化基底接着加热包含油芯的壳体。受热的壳体加热包含在壳体内的燃料浸透的油芯。油芯的加热汽化燃料。燃料蒸汽在催化剂上流动且通过催化剂燃烧。由燃料燃烧产生的过量的热加热壳体。受热的壳体接着加热油芯，从而重复燃料燃烧循环。

根据本实用新型的实施例，在该过程期间燃料大部分未被催化剂消耗，而是以高速排放到环境大气中。在本实用新型的某些实施例中，燃料以～9.0到12.0克/小时排放到大气中。根据本实用新型实施例将燃料排放到大气中提供适当的运载工具，通过其诸如香料，香水和其它在燃料中可溶的产品的挥发性物质可以排放到大气中。

在本实用新型的实施例中，燃料可以包含一种或更多化学化合物。在这种实施例中，燃料/化学化合物的混合物与催化剂紧密接触，从而以某些方式转换该化合物。在某些实施例中，化合物的转换促进燃料的燃烧。

在此所实施的催化燃烧器不遭受与多孔陶瓷催化燃烧器系统相关的问题和缺陷。通过仔细选择催化燃烧器壳体构建的材料，油芯能够定位为不与壳体直接接触。油芯和壳体之间的这种未接触极大地减少了油芯的老化率且增加燃烧器的寿命。此外，油芯的老化，即使将要发生，也不会如多孔陶瓷系统一样高程度地影响要求保护的实用新型的总体性能。

当由于油芯老化发生燃料流损失时，老化的油芯能够容易地用新油芯更换而不损失功能。尽管香料也可能部分老化且保持在油芯上，油芯继续运行。然而，要求保护的实用新型不具有能够变堵塞的孔，如多孔陶瓷燃烧器发生的。

在本实用新型的某些实施例中，完成催化剂的点火而不用火焰。由于催化剂定位在包含浸透油芯的壳体上或周围，且不接触油芯，不需要从催化剂解吸燃料以实现点火。相反，仅有的要求是系统接收足够多的热达到催化剂的工作温度。在本实用新型的某些实施例中，催化剂和壳体被加热且温度升高至大约250℃的合适工作温度。此外，不象在燃料能够燃烧之前需要催化剂吸收燃料的其它系统，在要求保护的实用新型中的燃烧器运行之前，仅油芯需要吸收燃料。在本实用新型的某些实施例中，在油芯与燃料接触之后，维持催化剂燃烧所需要的燃料量在非常短时间内被吸收。在本实用新型的实施例中，油芯吸收有效量的燃料以维持催化剂燃烧的时间小于5分钟。

通常，本实用新型涉及一种催化燃烧器，在最初启动后能够自持运行。根据本实用新型的实施例，催化燃烧器基于燃料混合物运行，该燃料混合物包含在存储器内且经由吸收性油芯输送到燃烧器。

根据本实用新型的实施例，催化燃烧器包括三个主要部分：吸收性油芯，壳体和已经沉积在合适基底上的催化剂(图1和2)。燃烧器的构建和载体催化剂的几何形状，允许催化燃烧器连续运行延长的时间周期。在本实用新型的某些实施例中，如在此所述地构建和运行的催化燃烧器能够连续运行大约184小时。

根据本实用新型的实施例，壳体能够由任何金属或金属合金构成，例如(但不限于)：黄铜，黄铜合金，中铅黄铜，高铅黄铜，超高铅黄铜，易切削黄铜，磷青铜，易切削磷青铜，铝青铜，黄铜，青铜，黄铜或青铜合金，铝，铝合金，或不锈钢。

在某些实施例中，壳体能够由其它无孔材料构成，例如玻璃和高密度陶瓷。

壳体能够形成为适于保持灯芯的任何形状。壳体的合适形状的示例包括套环式壳体(图1A和1B)或管形壳体(图2A和2B)。

现在参见图1A和1B，该图表示根据本实用新型的套环式催化燃烧器10。套环10b用作壳体，其将油芯材料紧密地保持到位。包含载体催化剂10a的基底在油芯材料上方保持到位。基底通过与套环或壳体10b的侧边接触而被保持到位。在该实施例中，催化剂10a不与油芯材料直接接触。然而，在运行期间从催化剂辐射的热朝向燃料填充的油芯材料引导。催化基底10a由套环保持在离燃料填充的油芯适当的距离处，从而最大化燃料的汽化且最小化油芯的老化。催化剂表面和油芯表面之间的距离能够为从0.01到0.50英寸的范围，但优选为0.20英寸。

为了进一步最小化油芯的老化，套环10b能够以控制到达油芯材料的热的量的方式设计。这可以通过用穿孔材料将油芯从催化基底分离而实现，穿孔材料充当隔热屏，但允许蒸汽通过。催化燃烧器的构造允许连续的循环运行，其中燃料(由油芯吸收)通过载体催化剂汽化。汽化的燃料在催化剂上流动且被催化燃烧。催化燃烧在大约250℃的温度产生热。由催化剂产生的热辐射到油芯10c，其引起燃料的汽化，且该过程重复。在该过程期间，燃料的大部分不被催化剂消耗，而以高速排放到环境大气中，典型地～9.0到12.0克/小时。

根据本实用新型的可替换实施例，壳体也能够形成为管形。图2A和2B描绘了根据本实用新型的管形催化燃烧器20。管形本体20b能够由任何金属或金属合金构成，例如(但不限于)：黄铜，黄铜合金，中铅黄铜，高铅黄铜，超高铅黄铜，易切削黄铜，磷青铜，易切削磷青铜，铝青铜，黄铜，青铜，黄铜或青铜合金，铝，铝合金，或不锈钢，或由玻璃或无孔陶瓷制成。在本实用新型的实施例中，用于构建管形金属壳体的金属是不锈钢。

在采用管形壳体的本实用新型的某些实施例中，壳体具有从0.005到0.04英寸范围的壁厚。管形壳体的优选壁厚是0.01英寸。在本实用新型的实施例中，催化基底20a围绕管形壳体和/或在其上缠绕且通过连接器在离管外部表面0.01英寸到0.10英寸的距离处保持到位，且更优选地为0.05英寸。管形壳体20b也用于将油芯20c保持在合适的位置处，以有效地将燃料和/或燃料蒸汽输送到催化剂。支承环20e用于当燃烧器安放在燃料存储器上面时定位催化燃烧器。

在本实用新型的某些实施例中，管形本体围绕管形壳体的周边部分包含穿孔20d。在包含催化剂的基底环绕管形壳体的实施例中，穿孔允许大量的汽化燃料到达催化剂。穿孔可以覆盖管形壳体表面高达90％。在本实用新型的实施例中，穿孔构成表面的2％且沿管形壳体的上周边部分定位。

根据本实用新型的实施例，包含载体催化剂10a或20a的基底位于离油芯10c或20c适当距离处，以提供氧化反应温度被降低的有限区域。这些催化表面的分布规定燃烧器内放热的分布。催化剂基底定尺寸为实现沿燃烧器的几乎均匀的温度分布。燃烧器内几乎均匀的温度轮廓导致更一致的热分布。更均匀的温度轮廓也导致相同放热的较低的最大温度。由于燃烧器的构建材料决定最大温度，均匀的温度轮廓将增加相同构建材料允许的放热。

在本实用新型的实施例中，初始点火通过使用产生火焰或火花的源实现。根据本实用新型的实施例，点火通过喷射自燃物，电点火器，火花点火器，暂时将点火器降低至油芯和催化剂基底之间的空间内，或电阻加热器实现。基底优选地迅速达到维持无焰燃烧的温度，以最小化火焰在燃烧器内存在的时间周期。加热基底的速率将典型地由燃烧器能够承受的热梯度限定。

在本实用新型的实施例中，催化燃烧器组件通过将明火携带至靠近燃烧器一短时期而点火。使用明火点火本实用新型的燃烧器组件需要的时间是20秒或更短。

诸如钯或铂的贵金属，或半贵或贵金属，基底金属或过渡金属及其氧化物能够用作本实用新型实施例中的催化剂。金属或其氧化物能够被沉积或涂层到催化剂载体表面以促进燃料在较低温度下的氧化，优选地通过电镀(或脉冲激光沉积(PLD)，化学汽相沉积(CVD)，电泳沉积(EPD)，洗覆，水热处理，或微波水热处理)。金属然后能够根据需要被氧化以提供催化有效的表面。已经发现这种催化表面在低至500℉的温度下在空气中提升燃料的氧化方面极度有效。该反应在催化表面上以及附近的边界层内迅速进行。使显著的催化表面作为本实用新型的催化燃烧器组件的部分的优势在于，无焰燃烧器运行的温度范围能够显著地增加。

根据本实用新型的实施例，载体催化剂通过诸如涂层，电镀，汽相沉积或电泳沉积的方法沉积在无孔基底上。

根据本实用新型的实施例，半贵金属，以及过渡金属氧化物，例如金，银，氧化铬和氧化钴，可以用作本实用新型实施例中的催化剂。实际上，诸如钯或铂的金属催化剂能够用其它金属或金属氧化物催化剂掺杂以结合燃烧器提升化学转换。

在本实用新型的实施例中，催化剂沉积在诸如氧化铝或二氧化硅微粒或纳米微粒的载体上。催化微粒然后能够沉积在任何适当的基底上以形成催化基底。

根据本实用新型的实施例，催化剂沉积在其上的基底是催化剂能够粘附到其上且能够承受大于500℃的温度的任何材料。在本实用新型的某些实施例中，基底由以下材料构成，例如(但不限于)：氧化铝，氧化铝纤维，玻璃纤维，

陶瓷纤维或任何其它陶瓷纤维，任何耐火陶瓷纤维，任何合成玻璃纤维，碳化硅纤维，氮化硅纤维，氧化锆纤维，或

陶瓷纤维，堇青石，富铝红柱石，瓷，氧化铝，氮化硅，氧化锆，滑石，硅灰石或任何无孔陶瓷。

在本实用新型的其它实施例中，基底由以下金属构成，例如(但不限于)：不锈钢，不锈钢合金，因科镍合金，锌合金，钛，或任何金属或合金。金属基底能够被膨胀，穿孔，或以薄层，金属丝，网丝或纱网的形式。

根据本实用新型的实施例，催化基底能够形成为不同的几何形状以改进燃烧器功能和外表。对于不同类型的燃料，催化基底的几何形状能够变化以优化催化燃烧器性能(图3A到3G)。催化基底的不同几何形状的示例包括但不限于：圆形(图3A)，折边形(图3B)，θ形(图3C)，垂直(图3D)，水平(图3E)，帐篷形(图3F)，屋顶形(图3G)，或在催化剂上提供最优的燃料蒸汽流动的任何其它形状。

根据本实用新型的实施例，油芯10c和20c的作用是输送燃料或允许燃料从燃料存储器流动到催化燃烧器的上部区域。油芯可以为提供足以支持催化燃烧器的连续运行和催化剂的燃烧的燃料流的任何设备或材料。

在本实用新型的某些实施例中，油芯由多孔材料构成。合适的示例包括任何油芯材料，例如(但不限于)：棉布，氧化铝，氧化铝纤维，玻璃纤维，

HT，或任何间位芳纶纤维，

或任何对位芳纶纤维，

或任何碳氟纤维，

或任何聚苯硫醚纤维，

或任何蜜胺纤维，

或任何聚苯撑苯并二恶唑纤维，聚苯并咪唑纤维，

或任何聚酰亚胺纤维，

聚丙烯腈，或任何碳纤维，玻璃纤维或任何玻璃纤维剂型， 或任何高密度聚乙烯纤维，

陶瓷纤维，或任何陶瓷纤维，任何耐火陶瓷纤维，任何合成玻璃纤维，碳化硅纤维，氮化硅纤维，氧化锆纤维，或

陶瓷纤维。

在本实用新型的某些实施例中，油芯可以由多孔材料，烧结金属，或能够将燃料从存储器输送到靠近催化剂的区域的任何材料构成。

在本实用新型的其它实施例中，油芯也可以为提供从燃料存储器到催化燃烧器的燃料输送的任何设备，例如(但不限于)：毛细泵，液压泵，微流系统，或允许流体传输的任何设备或系统。

Claims (6)

1.一种催化燃烧器，其特征是，该燃烧器包括：

具有至少两端的无孔结构，其中该结构在第一端处容纳油芯且在第二端处与无孔基底连通；

与油芯连通的燃料存储器；以及

催化剂，其以有效引起一定量的燃料燃烧的量沉积在无孔基底上。

2.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征是，催化剂以设计为导致基底内基本恒定的温度的方式分布。

3.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征是，壳体以套环的形状提供。

4.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征是，壳体以管的形状提供。

5.根据权利要求4所述的燃烧器，其特征是，壳体沿管的上周边部分具有穿孔。

6.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征是，基底接触壳体。

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