专利名称：快速切换型催化燃烧锅炉装置的制作方法
技术领域：
本发明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C0和NO,排放的催化燃烧锅炉。适用于燃用天然气、或含有
甲垸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) N0,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、髙效的热能供应途径， 可以改善我国大气污染状况，大规模利用天然气或含有甲垸的低热值 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il 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，按髙于化学 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，C0排放高且N0,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。
发明内容
本发明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快速切换型催化燃烧锅炉装 置。
为了解决上述技术问题，本发明提供的快速切换型催化燃烧锅炉 装置，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--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02-2. 5mm。 所述的蓄热体中间壁厚0. 5-lmm，比表面积大于800m7m:'。 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。
采用上述技术方案的快速切换型催化燃烧锅炉装置，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02-2.5mm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-lmm，比表面积大于 800m7m3。两个催化体和蓄热体周期性交替工作，切换周期不超过 lmin。两个燃气-空气预混室的甲垸体积份数在1-11%范围。
本发明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,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发明。
综上所述，本发明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快速切换型催化燃烧锅炉装置。
附图为本发明涉及的空气/烟气快速切换型催化燃烧锅炉装置结 构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如附图所示，发明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02-2.5mm，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-lmm，比表面积超过800m7m:'，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A120:,，间壁薄，比表面积超过800m7m:1， 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ll和右燃气快切阀7与燃气总管IO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i-io%。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。预混物流过左蓄热休 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'C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，甲垸气可以在较低温度 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CHo 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里甲垸浓度越高，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lmin。左燃气快切阀ll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ll，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l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，可防止热力虹 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 N0,生成。
传统锅炉火焰燃烧被本发明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%)被本发明中的气 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；本发明催化体和炉内发生髙温空气燃烧，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，本发明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发明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发明蜂窝陶瓷蓄热体所代替，锅炉占地面积减 小， 一次投资降低。
权利要求
1、一种快速切换型催化燃烧锅炉装置，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所述的快速切换型催化燃烧锅炉装置，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所述的快速切换型催化燃烧锅炉装置， 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所述的快速切换型催化燃烧锅炉装置， 其特征是所述的阻火板(4)均匀分布设置的气流孔大小为O2-2.5mm。
5、 根据权利要求1或2所述的快速切换型催化燃烧锅炉装置， 其特征是所述的蓄热体中间壁厚0.5-lmm，比表面积大于800m7m'。
6、 根据权利要求1或2所述的快速切换型催化燃烧锅炉装置， 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U) 气流孔中心轴线重合。
全文摘要
本发明公开了一种快速切换型催化燃烧锅炉装置，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。本发明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快速切换型催化燃烧锅炉装置。
文档编号F23D14/02GK101101114SQ200710035418
公开日2008年1月9日 申请日期2007年7月23日 优先权日2007年7月23日
发明者明 徐, 徐文耀, 炽 梅, 艾元方 申请人:北京中海润达科贸有限公司;中南大学