专利名称：催化燃烧蒸发器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种催化燃烧蒸发器，催化燃烧蒸发器用作民用热水装置具有潜在的意义；催化燃烧蒸发器还可以广泛用于强放热和吸热的耦合反应体系，以及需要对反应物进行预蒸发的过程中，特别适用于燃料电池制氢系统、现场制氢系统和集中规模站制氢系统中原料的预热和气化。
背景技术：
当前，设备要求趋于紧凑、安全、高效和环保，过程强化这一新型的设计理念日益受到广泛的关注。催化燃烧蒸发器就是基于这一设计理念而产生的，其催化燃烧反应温度温和，能量效率高，污染极小，对环境极其友好；运行稳定，易操作；能够实现热量的很好耦合，同时其具有较大的比表面积，能够使传质、传热过程强化，结构紧凑；通过多个单元的并行处理即可扩大换热规模。催化燃烧蒸发器除了能量利用率和结构上的优势外，它还具有广泛的应用前景。
目前在我国农村的绝大部分地方还是用植物秸竿、木材和煤炉做饭、热水，能源利用率仅有百分之几，而且产生大量的含有害气体的浓烟。在城市，尽管人们运用天然气或管道煤气来进行这些活动，但同样能量利用效率仅为百分之三十左右，而且也导致了大量的污染。电能是相对较为清洁的能源，而且利用效率也较高，但是加上线路损耗，用于发电的一次能源的利用效率也仅有30％左右。由此可见，催化燃烧蒸发器用作民用供热水装置具有潜在的意义。另外，催化燃烧蒸发器还可以广泛用于强放热和吸热的耦合反应体系，以及需要对反应物进行预蒸发的过程中。
尤其是在燃料电池制氢系统、现场制氢系统和集中规模站制氢系统中，由于热应力容易造成催化剂崩裂，原料如不经汽化而直接以液体形态进入反应器，对催化剂有损害作用。另外，燃料电池不能完全消耗掉所有的氢气，多余的氢气如不加利用而直接以燃烧形式排放掉，将极大地浪费能源。因此，催化燃烧蒸发器的设计就显得尤为重要。
在现有的甲醇重整制氢技术中，美国的一项最新专利(Pub.No0046493A1)介绍了一种催化燃烧蒸发器，但其仅仅是两种设备的简单组合，即催化燃烧器和蒸发器并在一起，对燃烧尾气废热的利用也没有考虑，在技术上只是简单的进步；另外，其设备体积较大，效率不高，重量较大，因而不能满足制氢系统紧凑及高效的要求。
发明内容
本发明目的在于提供一种催化燃烧蒸发器，该催化燃烧蒸发器可以解决一、可燃气体(包括贫燃气体)的完全燃烧，热量的充分利用；二、减小燃烧蒸发器体系的体积；三、减小原料预热、蒸发和催化燃烧之间的传热阻力，提高传热效率；四、对环境友好，安全性高。
为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种催化燃烧蒸发器，本体部分为板翅结构，外加几个封头焊接而成，其燃烧腔和蒸发腔之间物流的流动均为错流，腔与腔之间均有导热板相隔；可燃气体和空气在燃烧腔内发生催化燃烧反应，放出大量热，热量大部分通过导热板传递给蒸发腔，使蒸发腔内需要气化的原料气化。
所述的催化燃烧蒸发器，其所述本体为矩形体，在本体中，从左到右至少有十九个腔，其中，十个燃烧腔，九个蒸发腔，燃烧腔和蒸发腔都是扁形矩形腔体，腔体为板翅式结构，以提高腔体的传热膜系数；燃烧腔前后敞口，内流体沿前后方向流动，上下为腔侧壁，左右为导热板；蒸发腔前后为腔侧壁，上下为敞口，内流体沿上下方向流动，左右为导热板；燃烧腔和蒸发腔相间布置，彼此通过导热板紧密接触，相邻两个腔内的流体呈错流流动；燃烧腔构成十个平行通道，十个平行通道分为两部分，右侧的八个为主燃烧腔，左侧的二个为第三次燃烧腔，燃烧腔内装满燃烧催化剂；蒸发腔构成九个平行通道，九个平行通道分为两部分，左侧的一个为一次蒸发腔，右侧的八个为二次蒸发腔；
本体上方固接有第一封头，下方固接有第二封头，前方固接有第三封头，后方固接有第四封头，四个封头都是矩形中空体；为了燃烧更加充分和完全，第三、第四封头内也装有燃烧催化剂。
所述的催化燃烧蒸发器，其所述燃烧腔和第三、第四封头内装的燃烧催化剂，是颗粒催化剂，或是壁载催化剂。
所述的催化燃烧蒸发器，其所述第一封头将本体上方密封覆盖，其内部为进料分布器g，位于二个第三次燃烧腔和一次蒸发腔上方，进料分布器g的底板上均匀布有一排小孔，后端第一小孔与第四封头相通，其余小孔与一次蒸发腔相通；其右侧为另一封头，密封于其余的本体上方，盖顶面有一出口c。
所述的催化燃烧蒸发器，其所述第二封头，是在本体的底部，为一密封盒体，其上顶板将本体底部密封覆盖，但蒸发腔下敞口与上顶板有一间隙，使九个蒸发腔相连通；前侧板左端有一矩形孔，与第三封头相通，在另一侧壁上设有出口d。
所述的催化燃烧蒸发器，其所述第三封头，密封覆盖于二个第三次燃烧腔、一次蒸发腔和第二封头的矩形孔前方，与二个第三次燃烧腔和第二封头相通；第三封头右侧固接有分布盘，分布盘为矩形中空体，将本体的其余部分密封覆盖，其前侧板上设有孔a，后侧板上与八个主燃烧腔相对的位置，均匀设置许多小孔，使分布盘与八个主燃烧腔相通；分布盘的后侧板内面还水平设有数个第一水平分布管，第一水平分布管由竖直设置的垂直分布管密封连通，数个第一水平分布管内最中间的分布管右端设一入口b，入口b从分布盘右侧壁伸出，可以管道与外界相通；数个第一水平分布管的每一管的后侧面上，都固接有八根第二水平分布管，每八根第二水平分布管都顺序插入八个主燃烧腔内，每个第二水平分布管子外周圆上设有一定数量的小孔，气流通过所有第二水平分布管均匀吹入到各个燃烧腔。
所述的催化燃烧蒸发器，其所述第四封头，将本体后方密封覆盖，其内设有蛇行盘管，盘管的下口为入口c，入口c位于第四封头的后板上，可以管道与外界相通，盘管的上口为出口f，出口f经进料分布器g的第一小孔与第一封头相通。
所述的催化燃烧蒸发器，其所述第四封头，为盖状，将本体后方密封覆盖，其内设有蛇行盘管，盘管的下口为入口c，入口c位于第四封头的后板上，可以管道与外界相通，盘管的上口为出口f，出口f经进料分布器g的第一小孔与第一封头相通。
所述的催化燃烧蒸发器，其所述可燃气体，为富燃料气，或为可燃组分含量低的贫燃料气。
所述的催化燃烧蒸发器，其可燃气体和空气在燃烧腔内发生四次催化燃烧反应，原料液在蒸发腔内发生二次蒸发，原料达到出口c处时已经被充分气化，温度达到200-300℃。
本发明的特点是一、利用气体分布器使得在反应腔内物料分布均匀，燃烧充分；二、采用了高效和集成的板翅式结构，相邻腔的换热板厚度仅为0.15mm，每个腔体还有很多的翅片，它们和换热板通过钎焊技术而融为一体，尽量减少传热阻力；同时，催化燃烧蒸发器体系的结构紧凑，体积较小；三、为了防止可燃气体的爆炸，本发明采用可燃气体分布管技术，实现了可燃气体在整个腔内均匀分布，而燃烧用氧从入口通过分布盘均匀进入每个腔体，很好地保证了催化燃烧蒸发器内部催化燃烧反应的稳定进行。四、燃烧腔和蒸发腔之间形成了多次换热，使得催化燃烧蒸发器的蒸发效果极佳。
本发明较好地把燃烧器和蒸发器耦合在同一催化燃烧蒸发器中，在结构上将上述过程集成在一起，使体积变的轻巧紧凑。同时，燃烧腔和蒸发腔形成了多次换热。使预料的蒸发和可燃气体的燃烧巧妙的结合在一起，排放的尾气温度降到最低，而热量几乎全部高效地传给了液体燃料。
图1是本发明催化燃烧蒸发器结构示意图；图2是本发明催化燃烧蒸发器的本体实验流程图；图3是本发明催化燃烧蒸发器的燃烧腔温度分布及测温点位置示意图；图4是本发明催化燃烧蒸发器的蒸发腔温度分布及测温点位置示意图。
具体实施例方式
如图1所示，为本发明的催化燃烧蒸发器，催化燃烧蒸发器本体5为矩形体，在本体5中，从左到右共有十九个腔，其中，十个燃烧腔12，九个蒸发腔14，燃烧腔12和蒸发腔14都是扁形矩形腔体，腔体为板翅式结构，以提高腔体的传热膜系数。燃烧腔12前后敞口，内流体沿前后方向流动，上下为腔侧壁，左右为导热板15；蒸发腔前后为腔侧壁，上下为敞口，内流体沿上下方向流动，左右为导热板16；燃烧腔12和蒸发腔14相间布置，彼此通过导热板15、16紧密接触，相邻两个腔内的流体呈错流流动。燃烧腔12构成十个平行通道，十个平行通道分为两部分，右侧的八个为主燃烧腔12c，左侧的二个为第三次燃烧腔12a、12b，燃烧腔12内装满燃烧催化剂。蒸发腔14构成九个平行通道，九个平行通道分为两部分，左侧的一个为一次蒸发腔14a，右侧的八个为二次蒸发腔14b。
催化燃烧蒸发器本体5上方固接有封头1，下方固接有封头6，前方固接有封头11，后方固接有封头3，封头1、6、11、3都是矩形中空体。
封头1将本体5上方密封覆盖，其内部为进料分布器g，位于二个第三次燃烧腔12a、12b和一次蒸发腔14a上方，进料分布器g的底板上均匀布有一排小孔，后端第一小孔与封头3相通，其余小孔与一次蒸发腔14a相通；其右侧为另一封头，密封于其余的本体5上方，盖顶面有一出口c。
盖状封头3将本体5后方密封覆盖，其内设有蛇行盘管4，盘管4的下口为入口c，入口c位于封头3的后板上，可以管道与外界相通，盘管4的上口为出口f，出口f经进料分布器g的第一小孔与封头1相通。
本体5的底部封头6为一密封盒体，其上顶板将本体5底部密封覆盖，但蒸发腔14下敞口与上顶板有一间隙，使九个蒸发腔14相连通；前侧板左端有一矩形孔13，与封头11相通，在另一侧壁上设有出口d。
封头11为一盖体，密封覆盖于二个第三次燃烧腔12a、12b、一次蒸发腔14a和封头6的矩形孔13前方，与二个第三次燃烧腔12a、12b和封头6相通。封头11右侧固接有分布盘9，分布盘9为矩形中空体，将本体5的其余部分密封覆盖，其前侧板上设有孔a，后侧板上与八个主燃烧腔12c相对的位置，均匀设置许多小孔，使分布盘9与八个主燃烧腔12c相通。分布盘9的后侧板内面还水平设有数个水平分布管8，数个水平分布管8由竖直设置的垂直分布管8a密封连通，数个水平分布管8内最中间的分布管右端设一入口b，入口b从分布盘右侧壁伸出，可以管道与外界相通；每一水平分布管8的后侧面上，都固接有八根水平分布管7，每八根水平分布管7都顺序插入八个主燃烧腔12c内，分布管子7外周圆上设有一定数量的小孔，水平分布管8和水平分布管7相互成正交连接，气流通过所有这些分布管7可均匀吹入到各个燃烧腔12。
为了燃烧更加充分和完全，封头3、封头11内也装有燃烧催化剂，燃烧腔12、封头3、封头11内装的燃烧催化剂，可以是颗粒催化剂，也可以是壁载催化剂。
本实施例以燃料电池制氢系统中所需的催化燃烧蒸发器为例。本发明的催化燃烧蒸发器中用于燃烧的可燃气体为氢气，其设计量为单位催化燃烧蒸发器可汽化甲醇和水的混合物86ml/min(水醇摩尔比为1.2∶1)。
本发明的流程如下氢气由入口b进入水平分布管8再进入水平分布管7，经分布管7上分布的小孔，氢气均匀进入八个主燃烧腔12c，这样做的目的一是为了燃烧均匀，二是避免了氢氧爆炸的危险；空气由孔a进入到分布盘9，经分布盘9上均匀布置的小孔，气流以均匀方式吹入到八个主燃烧腔12c，与分散的氢气接触在催化剂表面上进行催化燃烧(本发明称为第一次燃烧)，八个主燃烧腔12c中的大部分，温度保持在350℃左右，温度可以通过进入八个主燃烧腔12c的空气量或氢气量调节。氢氧混合气在八个主燃烧腔12c燃烧后进入封头3，由于封头3内装有燃烧催化剂，未燃烧的氢气进一步燃烧(本发明称为第二次燃烧)，该处的温度一般为450℃左右。氢氧混合气在经过第二次燃烧后回转进入了左侧的两个第三次燃烧腔12a、12b，进一步燃烧(本发明称为第三次燃烧)。通过第三次燃烧腔12a、12b出来的气体在燃烧室11内再进一步燃烧(本发明称为第四次燃烧)，这时燃烧腔12内的燃料已基本上被完全消耗掉，而后燃烧尾气通过矩形孔13进入底部封头6，再通过出口d排出外部。
需要气化的原料(甲醇和水)先由入口e进入设置在封头3内部的盘管4，原料液在盘管4内和封头3内的二次燃烧气流进行换热，将原料汽化一部分，使温度提高到90℃左右。经过预热后的原料由盘管4的出口f流出，由进料分布器g后端第一小孔进入封头1的进料分布器g，原料在进料分布器g内经过重新分布，经其余的小孔均匀进入一次蒸发腔14a(即蒸发腔14的左侧第一个通道)，在一次蒸发腔14a内，原料与燃烧腔12中的第一次燃烧热气流进行换热，使得部分水以及大部分甲醇被汽化。而后，原料在蒸发腔14底部，经蒸发腔14下敞口与上顶板间的间隙，折返进入二次蒸发腔14b(即蒸发腔14的右侧的八个平行通道)。在蒸发腔14的底部折返处，封头6内燃烧完的高温燃烧尾气对蒸发腔14底部的原料起到加热和保温的作用，很好地避免了原料在底部被冷却而造成积液现象。原料在蒸发腔14底部折返进入二次蒸发腔14b后，原料与燃烧腔12中第一次燃烧的热气流再一次进行了充分的换热。在二次蒸发腔14b内，利用升膜汽化方式，原料由二次蒸发腔14b底部进入，由封头2上的出口c排出催化燃烧蒸发器，原料达到出口c处时已经被充分气化，温度可达到200-300℃。
按上述设计方案设计制造的催化燃烧蒸发器本体的规格为100×100×130mm3，燃烧催化剂装添量约为250mL。实验中按照图2所示的流程进行实验操作，催化燃烧蒸发器内部的燃烧腔和蒸发腔的温度分布均匀(见图3、图4)。部分实验结果可见表1，本发明完全达到设计要求。
表1是本体实验中甲醇水溶液蒸发量和对应的氢气消耗量。
权利要求
1.一种催化燃烧蒸发器，本体部分为板翅结构，外加几个封头焊接而成，其特征在于燃烧腔和蒸发腔之间物流的流动均为错流，腔与腔之间均有导热板相隔；可燃气体和空气在燃烧腔内发生催化燃烧反应，放出大量热，热量大部分通过导热板传递给蒸发腔，使蒸发腔内需要气化的原料气化。
2.根据权利要求1所述的催化燃烧蒸发器，其特征在于所述本体为矩形体，在本体中，从左到右至少有十九个腔，其中，十个燃烧腔，九个蒸发腔，燃烧腔和蒸发腔都是扁形矩形腔体，腔体为板翅式结构，以提高腔体的传热膜系数；燃烧腔前后敝口，内流体沿前后方向流动，上下为腔侧壁，左右为导热板；蒸发腔前后为腔侧壁，上下为敞口，内流体沿上下方向流动，左右为导热板；燃烧腔和蒸发腔相间布置，彼此通过导热板紧密接触，相邻两个腔内的流体呈错流流动；燃烧腔构成十个平行通道，十个平行通道分为两部分，右侧的八个为主燃烧腔，左侧的二个为第三次燃烧腔，燃烧腔内装满燃烧催化剂；蒸发腔构成九个平行通道，九个平行通道分为两部分，左侧的一个为一次蒸发腔，右侧的八个为二次蒸发腔；本体上方固接有第一封头，下方固接有第二封头，前方固接有第三封头，后方固接有第四封头，四个封头都是矩形中空体；为了燃烧更加充分和完全，第三、第四封头内也装有燃烧催化剂。
3.根据权利要求2所述的催化燃烧蒸发器，其特征在于所述燃烧腔和第三、第四封头内装的燃烧催化剂，是颗粒催化剂，或是壁载催化剂。
4.根据权利要求2所述的催化燃烧蒸发器，其特征在于所述第一封头将本体上方密封覆盖，其内部为进料分布器g，位于二个第三次燃烧腔和一次蒸发腔上方，进料分布器g的底板上均匀布有一排小孔，后端第一小孔与第四封头相通，其余小孔与一次蒸发腔相通；其右侧为另一封头，密封于其余的本体上方，盖顶面有一出口c。
5.根据权利要求2所述的催化燃烧蒸发器，其特征在于所述第二封头，是在本体的底部，为一密封盒体，其上顶板将本体底部密封覆盖，但蒸发腔下敞口与上顶板有一间隙，使九个蒸发腔相连通；前侧板左端有一矩形孔，与第三封头相通，在另一侧壁上设有出口d。
6.根据权利要求1所述的催化燃烧蒸发器，其特征在于所述第三封头，密封覆盖于二个第三次燃烧腔、一次蒸发腔和第二封头的矩形孔前方，与二个第三次燃烧腔和第二封头相通；第三封头右侧固接有分布盘，分布盘为矩形中空体，将本体的其余部分密封覆盖，其前侧板上设有孔a，后侧板上与八个主燃烧腔相对的位置，均匀设置许多小孔，使分布盘与八个主燃烧腔相通；分布盘的后侧板内面还水平设有数个第一水平分布管，第一水平分布管由竖直设置的垂直分布管密封连通，数个第一水平分布管内最中间的水平分布管右端设一入口b，入口b从分布盘右侧壁伸出，可以管道与外界相通；数个第一水平分布管的每个管的后侧面上，都固接有八根第二水平分布管，每八根第二水平分布管都顺序插入八个主燃烧腔内，每个第二水平分布管子外周圆上设有一定数量的小孔，气流通过所有第二水平分布管均匀吹入到各个燃烧腔。
7.根据权利要求2所述的催化燃烧蒸发器，其特征在于所述第四封头，将本体后方密封覆盖，其内设有蛇行盘管，盘管的下口为入口c，入口c位于第四封头的后板上，可以管道与外界相通，盘管的上口为出口f，出口f经进料分布器g的第一小孔与第一封头相通。
8.根据权利要求1所述的催化燃烧蒸发器，其特征在于所述可燃气体，为富燃料气，或为可燃组分含量低的贫燃料气。
9.根据权利要求1所述的催化燃烧蒸发器，其特征在于可燃气体和空气在燃烧腔内发生四次催化燃烧反应，原料液在蒸发腔内发生二次蒸发，原料达到出口c处时已经被充分气化，温度达到200-300℃。
全文摘要
本发明涉及一种催化燃烧蒸发器，其中主体部分为板翅结构，外加几个封头焊接而成，燃烧腔和蒸发腔之间物流的流动均为错流，腔与腔之间均有导热板相隔；可燃气体和空气在燃烧腔发生催化燃烧反应，放出大量热，热量大部分通过导热板传递给汽化腔。本发明其催化燃烧反应温度温和，能量效率高，污染极小，对环境极其友好；运行稳定，易操作；结构紧凑，通过多个单元的并行处理即可扩大蒸发量；催化燃烧蒸发器用作民用供热水装置具有潜在的意义；催化燃烧蒸发器还可以广泛用于强放热和吸热的耦合反应体系，以及需要对反应物进行预处理的过程中，特别适用于燃料电池制氢系统、现场制氢系统和集中规模站制氢系统中液体原料的预热和气化。
文档编号F23C6/00GK1995889SQ20051013076
公开日2007年7月11日 申请日期2005年12月28日 优先权日2005年12月28日
发明者王树东, 李世英, 潘立卫, 王胜, 袁中山 申请人:中国科学院大连化学物理研究所