一种处理家用燃煤炉烟气的蜂窝净化器及其使用方法与流程

本发明涉及家用燃煤炉的减排和安全利用技术，特别是涉及家用燃煤炉烟气中CO、H₂和CH₄等可燃物以及SO₂的净化处理装置及其使用方法。

背景技术：

在能源紧缺与环境污染的双重压力下，基于工业与发电的洁净煤技术，如煤转化、水煤浆、高效低污染煤燃烧与发电技术等，在国内得到快速发展。而关于民用燃煤的清洁利用与污染防治却尚未得到足够重视。

家用燃煤炉使用过程中普遍存在环境污染和安全隐患问题：在封炉时，炉膛温度较低，且由于是自然对流，蜂窝煤热解产生的可燃物与氧气浓度分布不均，造成可燃物难以完全燃烧而随烟气溢出炉膛，引起环境污染；另外，因炉膛温度较低、氧气量不足，造成煤不完全燃烧产生大量CO，引发CO中毒的安全隐患。

家用燃煤炉使用过程中的环境污染还包括烟气中的SO₂污染，虽然有研究表明，可以在制备家用燃煤时添加固硫剂，以此来达到减少烟气中SO₂排放的目的，但固硫率只有70％～80％，仍需辅助技术进一步提高固硫脱硫效果。

技术实现要素：

为了解决上述烟气中可燃物的问题，本发明提出了一种基于化学链燃烧原理的处理家用燃煤炉烟气的可燃物蜂窝净化器。化学链燃烧包括氧化态载氧体的还原过程和还原态载氧体的氧化再生过程。在载氧体的还原过程中，氧化态载氧体的活性成分金属氧化物将烟气中的可燃物CO、H₂和CH₄氧化为CO₂和水蒸气，同时金属氧化物被还原为金属或低价金属氧化物；在载氧体的氧化再生过程，金属或低价金属氧化物被空气中的氧气氧化再生。本发明提出的可燃物蜂窝净化器就是具有蜂窝体结构的载氧体，在其还原过程中，实现对烟气中可燃物的净化处理。

同时，针对家用燃煤炉烟气中SO₂污染的问题，本发明同时提出了以CaO作吸收剂的二氧化硫蜂窝净化器，用于处理烟气中的SO₂，实现烟气脱硫的目的。

本发明的目的采用以下技术手段来实现。

一种处理家用燃煤炉烟气的可燃物蜂窝净化器，其特征在于，所述的可燃物蜂窝净化器具有蜂窝体结构，设置在家用燃煤炉中蜂窝煤的上方，其含有载氧体，所述载氧体由活性成分和惰性载体组成。

优选的，所述的处理家用燃煤炉烟气的可燃物蜂窝净化器，其活性成分为CuO和Fe₂O₃的一种或两者的混合物；惰性载体为氧化铝、氧化钛、二氧化硅、硫酸钙、堇青石或莫来石中的一种或两种以上的混合物。

优选的，所述的处理家用燃煤炉烟气的可燃物蜂窝净化器，在其上方还设置有二氧化硫蜂窝净化器，其具有蜂窝体结构，活性成分是作为二氧化硫吸收剂的CaO，惰性载体为氧化铝、氧化钛、二氧化硅、硫酸钙、堇青石或莫来石中的一种或两种以上的混合物

优选的，所述的可燃物蜂窝净化器和二氧化硫蜂窝净化器的直径与燃煤炉使用的蜂窝煤的直径相同，高度均不大于蜂窝煤的高度。为了在不对家用蜂窝煤炉进行任何改动的前提下使用所述的蜂窝净化器，将其设计成和蜂窝煤直径相同、高度不大于蜂窝煤高度的圆柱状，可以像使用蜂窝煤一样放置在炉膛内，另外相同的直径保证了烟气中可燃物更充分地和蜂窝净化器接触反应。

优选的，所述的可燃物蜂窝净化器采用浸渍法将所述的活性成分负载到所述的惰性载体上，或者采用机械混合法将所述的活性成分的粉末和惰性载体的粉末混合均匀后压制成蜂窝体。

优选的，所述的二氧化硫蜂窝净化器采用机械混合法将所述的活性成分的粉末和惰性载体的粉末混合均匀后压制成蜂窝体。

优选的，所述的可燃物蜂窝净化器采用浸渍法制备时，活性成分直接负载到蜂窝体结构的惰性载体上，或先负载到惰性载体粉末上然后压制成蜂窝体。

在本发明中，较佳的，所述的可燃物蜂窝净化器的活性成分采用CuO和Fe₂O₃的混合物。Fe₂O₃作为载氧体的活性成分，具有优良的机械性能和抗烧结 性能，环境友好，原料便宜易得的优点，但其载氧量较小，反应性能较低；CuO作为载氧体的活性成分，具有反应性能好，载氧量高的优点，但其在高温下易烧结，原料价格贵。此外，唯独CuO和所述可燃物的还原反应和氧化再生反应均为放热反应，这十分有利于以自身的反应热来维持还原过程和氧化再生过程所需的反应温度。结合两者的优点，活性成分选择以Fe₂O₃为主成份，以CuO为添加成分。

在本发明中，较佳的，所述的可燃物蜂窝净化器采用浸渍法将上述活性成分负载到惰性载体上。浸渍法制备的蜂窝净化器，具有活性成分分散度高，反应活性高的优点，更有利于在较低温度下和烟气中的可燃物反应。

优选的，所述的燃煤炉旁边放置有蜂窝净化器保温筒，该保温筒放置在支架上，且上盖板和底板具有供空气流通的小孔。较佳的，为留有放置蜂窝净化器的空间，并保证较好的保温效果，保温筒的直径比所述的蜂窝净化器的直径大2～5mm，高度和蜂窝净化器高度相同，上盖板和底板的小孔直径为2～5mm，个数10～15个。

本发明还提供了一种处理家用燃煤炉烟气的蜂窝净化器的使用方法，采用上述的蜂窝净化器，该方法包括：(1)在燃煤炉的非工作时段，将所述的可燃物蜂窝净化器放置于炉膛内的蜂窝煤上方，二氧化硫蜂窝净化器放置于可燃物蜂窝净化器上方，在导热、烟气对流换热以及辐射传热的作用下，净化器被加热到工作温度；(2)当蜂窝净化器的温度达到工作温度后，所述的烟气中可燃物与可燃物蜂窝净化器的活性成分进行还原反应，其中CO与金属氧化物反应生成CO₂，H₂与金属氧化物反应生成水蒸气，CH₄与金属氧化物反应生成CO₂和水蒸气，同时金属氧化物被还原为金属或者低价金属氧化物；所述的烟气中SO₂与二氧化硫蜂窝净化器的吸收剂CaO进行反应，生成CaSO₃；(3)在燃煤炉的工作时段，即日常三餐的烧水、做饭等时段，从炉膛取出可燃物蜂窝净化器和二氧化硫蜂窝净化器并放入保温筒中，在热对流作用下进入保温筒的空气中的O₂与可燃物蜂窝净化器中的金属或低价金属氧化物发生氧化反应，可燃物蜂窝净化器的活性成分被氧化再生；同时，O₂与二氧化硫蜂窝净化器中的CaSO₃发 生氧化反应，生成稳定的CaSO₄。

优选的，所述的可燃物蜂窝净化器的还原过程和二氧化硫蜂窝净化器的脱硫过程在200～600℃进行。所述的可燃物中CO、H₂和活性成分的起始反应温度较低，200℃即能开始反应，CH₄的起始反应温度较高，350℃才能开始反应；同时为了避免在还原过程中由于反应温度过高，还原态的活性成分发生烧结劣化，较佳的，在600℃以下使用该蜂窝净化器。

优选的，所述的可燃物蜂窝净化器的氧化再生过程和二氧化硫蜂窝净化器的氧化过程在150～300℃进行。氧化再生过程温度控制在300℃以下，既方便了保温筒的安全使用，也降低了对保温筒的保温要求；而将其氧化再生过程的温度控制在150℃以上，则有利于保证较快的氧化再生反应速率。

借由上述技术方案，本发明至少具有以下优点和效益：

(1)本发明提出的蜂窝净化器具有大量的晶格氧，可以在烟气中可燃物浓度和氧气浓度分布不均的情况下，将CO、H₂和CH₄氧化生成CO₂和水蒸气，既达到了家用燃煤炉减排的效果，也能有效避免CO中毒的安全隐患；

(2)本发明以蜂窝结构设计净化器，具有较高的比表面积，气固反应接触条件好，烟道阻力低；

(3)本发明提出的蜂窝净化器使用过程中不用对家用燃煤炉做任何改造，使用简便，易于推广；

(4)本发明提出的可燃物蜂窝净化器可循环使用，使用成本低；

(5)本发明还可以同时实现烟气的脱硫。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明的蜂窝净化器的结构示意图。

图2是本发明的蜂窝净化器的保温筒和支架的结构示意图。

图3是本发明的蜂窝净化器用于处理家用燃煤炉烟气中可燃物和二氧化硫时的示意图。

图4是家用燃煤炉在不加可燃物蜂窝净化器和添加可燃物蜂窝净化器两种情况下，烟气中CO的浓度对比图。

具体实施方式

为了更进一步地阐述本发明达成发明目的所采用的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的处理家用燃煤炉烟气的蜂窝净化器的具体实施方式，详细说明如后。

图1是本发明的蜂窝净化器的结构示意图。其结构参数的一种参考值如下：可燃物蜂窝净化器101和二氧化硫蜂窝净化器102整体均为圆柱形，直径均为120mm，和蜂窝煤直径相同，可燃物蜂窝净化器101高度40mm，为蜂窝煤高度的一半，二氧化硫蜂窝净化器102高度20mm；蜂窝体小孔为方孔，孔径1.5mm，壁厚0.5mm，比表面积1500m^-1。可燃物蜂窝净化器101的活性成分为CuO和Fe₂O₃，两者质量比为6∶4，可燃物蜂窝净化器和二氧化硫蜂窝净化器的惰性载体均为堇青石。本实施例及下述实施例的蜂窝净化器均采用上述尺寸及成分。

图2是本发明的蜂窝净化器的保温筒和支架的结构示意图。其包括保温筒201、带有通气孔202的上盖板203(底板和上盖板结构相同，未在图中画出)、保温筒支架204。保温筒201的直径122mm，高度60mm，厚度5mm。通气孔202的直径5mm，个数13个。在燃煤炉的工作时段，将带有温度的可燃物蜂窝净化器和二氧化硫蜂窝净化器放入保温筒201中，将上盖板203放下。在热对流作用下，通过通气孔202进入保温筒201的空气中的O₂与可燃物蜂窝净化器中的金属或低价金属氧化物发生氧化反应，可燃物蜂窝净化器的活性成分被氧化再生。氧化再生温度在150～200℃。同时，O₂与二氧化硫蜂窝净化器中的CaSO₃发生氧化反应，生成稳定的CaSO₄。

图3是本发明的蜂窝净化器用于处理家用燃煤炉烟气中可燃物和二氧化硫时的示意图。其包括可燃物蜂窝净化器101、二氧化硫蜂窝净化器102、家用燃 煤炉300、炉门301和蜂窝煤302。在燃煤炉300的非工作时段，炉门301关小或关闭，将可燃物蜂窝净化器101放置于炉膛内的蜂窝煤302上方，二氧化硫蜂窝净化器102放置于可燃物蜂窝净化器101上方，在导热、烟气对流换热以及辐射传热的作用下，可燃物蜂窝净化器101和二氧化硫蜂窝净化器102被加热；当可燃物蜂窝净化器101的温度达到工作温度200～400℃后，烟气中的可燃物与可燃物蜂窝净化器的活性成分进行还原反应，其中CO与金属氧化物反应生成CO₂，H₂与金属氧化物反应生成水蒸气，CH₄与金属氧化物反应生成CO₂和水蒸气，同时金属氧化物被还原为金属或者低价金属氧化物；烟气中的SO₂与二氧化硫蜂窝净化器的吸收剂CaO反应，生成生成CaSO₃；在燃煤炉300的工作时段，即日常三餐的烧水、做饭等时段，炉门301开大或全开，从炉膛取出蜂窝净化器101放入保温筒201中，在热对流作用下，进入保温筒201的空气中的O₂与金属或低价金属氧化物发生氧化反应，蜂窝净化器101的活性成分被氧化再生；同时，O₂与二氧化硫蜂窝净化器中的CaSO₃发生氧化反应，生成稳定的CaSO₄。当下次封炉时，使用再生好的可燃物蜂窝净化器和新的二氧化硫蜂窝净化器。

图4是家用燃煤炉在不加可燃物蜂窝净化器和添加可燃物蜂窝净化器两种情况下，烟气中CO的浓度对比图。结果表明：在炉膛上部放入可燃物蜂窝净化器后，烟气中CO浓度明显降低。净化器在稳定工作状态时，CO浓度由5420ppm降至3140ppm，净化器对CO的脱除率达42.7％。