專利名稱：大功率燃氣催化燃燒器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種以燃氣為燃料的燃燒器，特別是一種催化燃燒器。
(二)、背景技術(shù)催化燃燒是借助催化劑，在一定條件下控制燃燒化學反應(yīng)過程并釋放出熱量，而催化劑本身不消耗。催化燃燒能降低活化能，加速必要的化學反應(yīng)，使有害的或不必要的化學反應(yīng)降低到最低限度。目前天然氣催化燃燒已實現(xiàn)燃燒效率大于99.99％，而煙氣排放的有害物NOx、CO、HC均小于10×10-6，非常明顯，催化燃燒的燃燒效率極高，并在燃燒的同時對污染物進行有效控制，因此催化燃燒是非常理想和環(huán)境友好的燃燒方式。
眾所周知甲烷排放產(chǎn)生的溫室效應(yīng)是二氧化碳的21倍，對臭氧層的破壞力是二氧化碳的7倍。燃氣催化燃燒的特點是貧燃料燃燒，以甲烷例，當甲烷與空氣的混合濃度低于5％時，已不能正常燃燒，但借助催化劑卻能完全燃燒，因此催化燃燒可用于燃氣濃度低于正常燃燒的貧燃料，如低濃度沼氣(主要成分CH4)和低濃度煤礦井瓦斯(主要成分CH4)的燃燒，既節(jié)約了資源又降低了甲烷排放對大氣環(huán)境造成的破壞。
燃氣催化燃燒的另一特點是全預(yù)混、無焰平面燃燒，當空氣與燃氣按一定比例混合后，通過負載催化劑的載體的溫度大于催化劑的起活溫度時，才能發(fā)生催化燃燒反應(yīng)，而且催化燃燒的最高溫度必須控制在催化劑失活極限溫度以下，否則催化劑會因高溫導致失活。因此，先前的催化燃燒器，如中國專利局所公開的發(fā)明專利申請說明書“催化燃燒裝置，公開號CN1173919A”、“催化燃燒體系，公開號CN1695002A”和“氣體燃料催化燃燒器，公開號CN1828137A”都有一個預(yù)熱燃燒器，用于催化劑載體的預(yù)熱。另一方面，全預(yù)混氣體通過催化劑載體的流速分布必須均勻，否則會出現(xiàn)局部溫度過高，導致局部催化劑失活而使整個催化燃燒器不能正常工作。由于催化劑受高溫極限溫度的條件限制，催化燃燒器的催化劑載體的單位面積燃燒強度不能過大，要增加燃燒功率只能增加燃燒面積，但催化劑載體燃燒面積的增加，必然帶來催化劑載體均勻預(yù)熱的困難，使得大功率催化燃燒器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且體積龐大，難以工業(yè)化應(yīng)用。
(三)、發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種大功率燃氣催化燃燒器，取消傳統(tǒng)催化燃燒器的預(yù)熱燃燒裝置，解決直接在負載催化劑的載體模塊上點火、預(yù)熱催化劑載體模塊、再逐漸過渡到催化燃燒的技術(shù)問題；解決流體通過催化劑載體模塊的流速均勻分布問題；同時簡化燃氣催化燃燒器的結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)燃燒功率一定的條件下，體積最小化，降低燃燒器成本，便于工業(yè)化應(yīng)用。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出以下技術(shù)方案這種大功率燃氣催化燃燒器，包括一連通輸氣管道的燃燒器腹腔，其特征在于輸氣管道的進氣端16與管道三通7的一端連接，管道三通7的另外兩端分別呈90度彎頭狀，并與圍繞在催化燃燒器腹腔外圍的混合氣體通道9連接，在混合氣體通道9入口和出口分別設(shè)置流體整流器3和8，在燃燒器腹腔10的雙面各連接一組置于框架內(nèi)的催化劑載體模塊2，在每個催化劑載體多孔模塊四周的間隙中都填充耐高溫保溫材料4，在燃燒器腹腔外殼1上開有一個溫度傳感器入口6，溫度傳感器5自上述溫度傳感器入口6伸入催化劑載體模塊2的孔或孔隙通道內(nèi)。
上述催化劑載體多孔模塊2是耐高溫的矩形多孔蜂窩陶瓷體，或矩形多孔隙泡沫陶瓷體，或耐高溫和抗氧化的金屬多孔蜂窩體，或由金屬纖維布材料構(gòu)成的矩形燃燒面。
上述催化劑載體模塊2的孔或孔隙所有表面上至少負載鉑(Pt)、鈀(Pd)或銠(Rh)中一種以上貴金屬催化劑和稀土材料助催化劑。
上述流體整流器有兩道，第一道流體整流器3位于管道三通7與混合氣體通道9相接處，第二道流體整流器8位于混合氣體通道9與燃燒器腹腔10接壤處。
上述第一流體整流器3和第二流體整流器8由直孔蜂窩陶瓷片或小孔金屬板構(gòu)成。
上述燃燒器腹腔外殼1的雙面均有一圈凹槽17，支承催化劑載體多孔模塊的框架18的下邊緣嵌入上述凹槽17中，凹槽中填有耐高溫保溫材料，框架18與催化燃燒器外殼1之間由螺栓連接。
上述大功率燃氣催化燃燒器可以是單組、或兩組以上并聯(lián)或非并聯(lián)組合而成。
上述催化劑載體2的燃燒面與換熱器11的受熱面相互平行，垂直布置，其平行間距小于10cm。
上述換熱器11可以是列管式、或翅片式、或板式、或熱管式換熱器。
上述換熱器與換熱器之間為串聯(lián)連接。
本發(fā)明的工作原理和工作過程燃氣催化燃燒是全預(yù)混貧燃料無焰燃燒，燃氣在進入催化燃燒器前已和空氣均勻預(yù)混，預(yù)混氣體進入催化燃燒器后進行整流，使混合氣體通過催化劑載體的流速分布均勻。催化燃燒前，燃氣混合濃度較高，可直接在負載催化劑的載體上點火，進行普通燃燒，預(yù)熱催化劑載體模塊，當負載催化劑的載體模塊的溫度大于催化劑的起活溫度時，將預(yù)混氣體的燃氣濃度逐漸降低至較低的貧燃料濃度進行催化燃燒，維持貧燃料燃氣濃度，通過控制預(yù)混氣體流量控制催化燃燒溫度，并且將燃燒溫度控制在催化劑極限溫度以下。
具體工作過程如下將已和空氣均勻混合的燃氣輸入管道三通7，全預(yù)混氣體通過管道三通7均勻分成兩股，通過第一道流體整流器3整流后，進入催化燃燒器混合氣體通道9，再通過第二道流體整流器8整流后進入催化燃燒器腹腔10，由催化燃燒器腹腔兩面對稱的催化劑載體模塊2的通道或孔隙流出，當催化劑載體模塊溫度達到催化劑的起活溫度時，預(yù)混氣體在負載催化劑的載體通道或孔隙內(nèi)發(fā)生催化燃燒反應(yīng)，實現(xiàn)雙面催化燃燒，并釋放出熱能，同時達到降低煙氣污染物的排放。為了讓催化劑載體模塊2達到起活溫度，本發(fā)明直接在負載催化劑的載體模塊上點火預(yù)熱，點火前，控制預(yù)混氣體的燃氣濃度略大于燃氣的爆炸極限上限，預(yù)混氣體從催化燃燒器腹腔10兩面對稱的催化劑載體模塊通道或孔隙流出時由點火器點燃，點火成功后，將全預(yù)混燃氣濃度逐漸降低至略小于理論完全燃燒濃度，維持此燃氣混合濃度，催化燃燒器進入普通燃燒預(yù)熱催化劑載體階段，催化載體模塊的溫度由外向內(nèi)傳遞，并逐漸升高，當溫度傳感器5的檢測溫度達到催化劑的起活溫度時，將全預(yù)混燃氣濃度逐漸由略小于理論完全燃燒濃度逐漸降低至催化燃燒的最佳濃度(略小于燃氣的爆炸極限下限)，催化燃燒器進入催化燃燒階段，維持燃氣催化燃燒最佳濃度，只需調(diào)節(jié)預(yù)混氣體的流量即可控制催化燃燒的溫度，同時達到低污染排放的目的。
本發(fā)明克服了傳統(tǒng)催化燃燒器的弊端，與傳統(tǒng)催化燃燒器和非催化燃燒技術(shù)相比具有以下特點和有益效果1、本發(fā)明采用新的催化燃燒技術(shù)，取消了已有燃氣催化燃燒器的預(yù)熱燃燒裝置，直接在負載催化劑的載體模塊上點火預(yù)熱，預(yù)熱溫度均勻，簡化了大功率燃氣催化燃燒器的結(jié)構(gòu)，使催化燃燒器體積減小，成本降低。
2、本發(fā)明優(yōu)化了燃氣催化燃燒器的結(jié)構(gòu)，在催化燃燒器上采用雙面催化劑載體模塊對稱結(jié)構(gòu)布置形式，實現(xiàn)了一個燃燒器雙面催化燃燒，在相同燃燒功率條件下，催化燃燒器采用對稱雙面燃燒比單面燃燒的體積可減小40％左右，結(jié)構(gòu)緊湊，成本降低，尤其適合大功率催化燃燒器。
3、與非催化燃燒相比，本發(fā)明可以在低于燃氣爆炸濃度下限的極貧燃料條件下催化燃燒，燃燒效率大于99.99％，同時降低燃燒污染物排放，煙氣污染物NOx、CO、HC均小于10×10-6。
4、本發(fā)明催化燃燒以輻射傳熱為主，傳熱效率高，燃燒噪聲低，不會發(fā)生回火現(xiàn)象。
5、本發(fā)明可以根據(jù)實際燃燒功率和換熱形式的需要，將催化燃燒器單組或多組并聯(lián)或非并聯(lián)模塊化組合使用。
6、支承催化劑載體多孔模塊的框架與催化燃燒器外殼之間由螺栓連接，方便了拆卸維修。
本發(fā)明大功率催化燃燒器適宜所有氣體燃料的催化燃燒，其最大燃燒功率由催化劑載體模塊2的面積確定，單位面積燃燒強度最大為25W/cm2左右，本發(fā)明在提供熱源或動力的同時，無需二次處理即可達到控制燃燒污染物的排放。


圖1是本發(fā)明實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實施例一的A-A剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明實施例一的B-B剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明實施例二的結(jié)構(gòu)示意圖。
1-燃燒器腹腔外殼；2-催化劑載體模塊；3-第一道流體整流器；4-耐高溫保溫材料；5-溫度傳感器；6-溫度傳感器入口；7-管道三通；8-第二道流體整流器；9-混合氣體通道；10-燃燒器腹腔；11-換熱器；12-換熱器進水口；13-換熱器出水口；14-連接管；15-90度彎頭、16-輸氣管道的進氣端、17-凹槽、18-框架、19-螺栓、20-連接板。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例進一步詳細描述本發(fā)明。
實施例一實施例一中的大功率燃氣催化燃燒器的結(jié)構(gòu)如圖1至圖3所示這種大功率燃氣催化燃燒器，輸氣管道的進氣端16與管道三通7的一端連接，管道三通7的另外兩端分別呈90度彎頭15的形狀，并與圍繞在催化燃燒器腹腔外圍的混合氣體通道9連接，在混合氣體通道9入口和出口分別設(shè)置流體整流器，第一道流體整流器3位于管道三通7與混合氣體通道9相接處，第二道流體整流器8位于混合氣體通道9與燃燒器腹腔10接壤處。在燃燒器腹腔10的雙面各連接一組置于框架18內(nèi)的催化劑載體模塊2，在每個催化劑載體模塊四周的間隙中都填充耐高溫保溫材料4，上述燃燒器腹腔外殼1的雙面均有一圈凹槽17，支承催化劑載體多孔模塊的框架18的下邊緣嵌入上述凹槽17中，凹槽中填有耐高溫保溫材料，框架18與催化燃燒器外殼1均焊有連接板20，兩連接板之間由螺栓19連接，以方便拆卸維修?？蚣?8與催化燃燒器外殼1之間當然也可以焊接。
在燃燒器腹腔外殼1上開有一個溫度傳感器入口6，溫度傳感器5自上述溫度傳感器入口6伸入催化劑載體多孔模塊2內(nèi)。
上述燃燒器腹腔外殼1殼體為不銹鋼制作。
上述管道三通7及與催化燃燒器混合氣體通道9連接的管道可以是不銹鋼管或其它金屬管。
上述催化劑載體模塊2是厚度為30毫米、孔數(shù)為400/平方英寸的耐高溫矩形菁青石蜂窩陶瓷體，蜂窩陶瓷體上負載著鉑(Pt)、鈀(Pd)、銠(Rh)至少一種貴金屬催化劑和ZrO2，CeO2，La2O3等至少一種稀土材料助催化劑。
上述的保溫材料4，具有耐1300度以上高溫的保溫纖維棉(如硅酸鋁耐火纖維)，用于防止燃燒時催化劑載體多孔模塊2周圍混合氣體泄漏并起到保溫作用。
上述第一流體整流器3和第二流體整流器8由直孔蜂窩陶瓷片或小孔金屬板構(gòu)成。第一流體整流器3置于管道三通7與混合氣體管道9相接處，用于消除混合氣體通過彎頭形成的二次流；第二流體整流器8置于混合氣體通道9內(nèi)側(cè)與燃燒器腹腔11接壤處，用于將混合氣體通道內(nèi)的混合氣體均勻地輸入催化燃燒器腹腔10。
燃氣催化燃燒器腹腔10氣體出口的兩側(cè)對稱布置催化載體模塊2，可實現(xiàn)雙面催化燃燒。
上述溫度傳感器5是直徑Φ＝0.5mm，K型熱電偶，測溫范圍-270～1372℃，用于測量燃燒溫度和溫度信號的反饋。
本發(fā)明以天然氣為燃料作實施例，工作過程如下空氣與天然氣氣均勻預(yù)混后輸入管道三通7入口，點火前，控制天然氣預(yù)混濃度約17％左右，全預(yù)混氣體通過管道三通7均勻分成兩股，經(jīng)過第一道流體整流器3整流后，進入催化燃燒器混合氣體通道9，再通過第二道流體整流器8整流后進入催化燃燒器腹腔10，燃氣混合氣體從燃燒器腹腔兩面對稱的蜂窩陶瓷催化劑載體模塊2蜂窩孔流出時由點火器點燃，點火成功后，增加空氣流量將天然氣預(yù)混濃度逐漸降低至10％左右，維持此燃氣混合濃度，催化燃燒器進入普通燃燒預(yù)熱催化劑載體模塊階段，催化劑載體模塊的溫度由外向內(nèi)傳遞并逐漸升高，當溫度傳感器5檢測到溫度達到催化劑的起活溫度后，增加預(yù)混空氣流量，逐漸將天然氣預(yù)混濃度由10％降低至5％左右，在催化劑的作用下預(yù)混氣體發(fā)生催化燃燒反應(yīng)，釋放出熱能，催化燃燒器進入無焰催化燃燒階段，維持天然氣5％左右的預(yù)混濃度，只需調(diào)節(jié)預(yù)混氣體的流量即可控制催化燃燒的溫度或功率(預(yù)混氣體的流量與燃燒溫度或功率成正比)，同時達到控制煙氣污染排放的目的。本實施例的催化燃燒溫度控制范圍700℃～1300℃，燃燒功率60KW～150KW，煙氣排放物NOx、CO、HC均小于6×10-6。
本發(fā)明單組催化燃燒器的最大燃燒功率不限于150kw，可根據(jù)實際需要，增加單組催化燃燒器負載催化劑的載體模塊，即可增加燃燒功率，每增加1平方米催化劑載體模塊的面積，可增加燃燒功率250KW左右，若單組催化燃燒器燃燒功率還不能滿足使用要求，可將兩組以上燃燒器并聯(lián)或單獨組合使用，可達到MW級以上燃燒功率。
實施例二圖4是本發(fā)明兩組催化燃燒器非并聯(lián)組合應(yīng)用實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，這是應(yīng)用兩組大功率燃氣催化燃燒器與三組翅片式換熱器11進行熱交換，為防止換熱器冷凝水滴在催化載體模塊2上導致催化劑實效，催化燃燒器采取垂直燃燒形式，兩組燃氣催化燃燒器與三組換熱器一對一間隔設(shè)置，催化燃燒器的催化劑載體燃燒輻射面與換熱器受熱面平行，其平行間距4cm，有利于催化燃燒與換熱器之間的輻射換熱。換熱器之間由連接管14串聯(lián)連接。
上述
具體實施例方式
和實施例只是對本發(fā)明的進一步說明而不能限制本發(fā)明，權(quán)利要求書中的權(quán)利要求指出了本發(fā)明的范圍，因此與本發(fā)明權(quán)利要求書相當?shù)暮x和范圍內(nèi)的任何改變，都應(yīng)認為是包括在本發(fā)明權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種大功率燃氣催化燃燒器，包括一連通輸氣管道的燃燒器腹腔，其特征在于輸氣管道的進氣端(16)與管道三通(7)的一端連接，管道三通(7)的另外兩端分別呈90度彎頭狀，并與圍繞在催化燃燒器腹腔外圍的混合氣體通道(9)連接，在混合氣體通道(9)入口和出口分別設(shè)置流體整流器(3)和(8)，在燃燒器腹腔(10)的雙面各連接一組置于框架內(nèi)的催化劑載體模塊(2)，在每個催化劑載體模塊四周的間隙中都填充耐高溫保溫材料(4)，在燃燒器腹腔外殼(1)上開有一個溫度傳感器入口(6)，溫度傳感器(5)自上述溫度傳感器入口(6)伸入催化劑載體模塊(2)的孔或孔隙通道內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率燃氣催化燃燒器，其特征在于上述催化劑載體模塊(2)是耐高溫的矩形蜂窩陶瓷體，或矩形泡沫陶瓷體，或耐高溫和抗氧化的金屬蜂窩體，或由金屬纖維布材料構(gòu)成的矩形燃燒面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率燃氣催化燃燒器，其特征在于上述催化劑載體模塊(2)的孔或孔隙所有表面上至少負載鉑(Pt)、鈀(Pd)或銠(Rh)中一種以上貴金屬催化劑和稀土材料助催化劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率燃氣催化燃燒器，其特征在于上述流體整流器有兩道，第一道流體整流器(3)位于管道三通(7)與混合氣體通道(9)相接處，第二道流體整流器(8)位于混合氣體通道(9)與燃燒器腹腔(10)接壤處。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的大功率燃氣催化燃燒器，其特征在于上述第一流體整流器(3)和第二流體整流器(8)由直孔蜂窩陶瓷片或小孔金屬板構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率燃氣催化燃燒器，其特征在于上述燃燒器腹腔外殼(1)的雙面均有一圈凹槽(17)，支承催化劑載體多孔模塊的框架(18)的下邊緣嵌入上述凹槽(17)中，凹槽中填有耐高溫保溫材料，框架(18)與催化燃燒器外殼(1)之間由螺栓連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任意一項所述的大功率燃氣催化燃燒器，其特征在于上述大功率燃氣催化燃燒器是單組、或兩組以上并聯(lián)或非并聯(lián)組合而成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的大功率燃氣催化燃燒器，其特征在于上述催化劑載體(2)的燃燒面與換熱器(11)的受熱面相互平行，垂直布置，其平行間距小于10cm。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的大功率燃氣催化燃燒器，其特征在于上述換熱器(11)是列管式、或翅片式、或板式、或熱管式換熱器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的大功率燃氣催化燃燒器，其特征在于上述換熱器與換熱器之間為串聯(lián)連接。
全文摘要
一種大功率燃氣催化燃燒器，輸氣管道的進氣端與管道三通的一端連接，管道三通的另外兩端分別呈90度彎頭狀，并與圍繞在催化燃燒器腹腔外圍的混合氣體通道連接，在混合氣體通道入口和出口分別設(shè)置流體整流器，在燃燒器腹腔的雙面各連接一組置于框架內(nèi)的催化劑載體多孔模塊，在每個催化劑載體多孔模塊四周的間隙中都填充耐高溫保溫材料，在燃燒器腹腔外壁上開有一個溫度傳感器入口，溫度傳感器自上述溫度傳感器入口伸入催化劑載體多孔模塊內(nèi)。該裝置取消了預(yù)熱燃燒裝置，解決了直接在負載催化劑的載體模塊上點火、預(yù)熱催化劑載體模塊、再逐漸過渡到催化燃燒的技術(shù)問題，并實現(xiàn)了雙面催化燃燒，使催化燃燒器體積大幅減小，成本降低，便于工業(yè)化應(yīng)用。
文檔編號F23D14/18GK101050856SQ20071020069
公開日2007年10月10日 申請日期2007年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月24日
發(fā)明者周琦, 王燕京, 張世紅 申請人:北京建筑工程學院