专利名称：部分预混型天然气催化燃烧装置弥散燃烧方法
技术领域：
本发明涉及一种综合利用催化体非定向辐射传热技术和气相 空间大火焰定向辐射传热技术的部分预混型催化燃烧装置扩大火焰体积方 法。
背景技术：
在常规火焰燃烧过程中，C02排放所引起的地球温室效应和NO, 排放使人类的可持续发展面临严峻考验。据2003年统计结果，我国GDP只占 世界总量的约4%，但消耗的石油占世界总量的约7.4%，消耗煤炭占世界总量 31%。我国未来十几年内需新增的煤炭需要量约为9 10X109t。我国能源消 费占世界8 9%， C02排放居世界第2位，NO,排放量是亚洲的48%。我国高温 炉窑是造成生态环境破坏的最大污染源。大中型工业窑炉烟尘排放大都超标， 其中以燃煤炉最为严重。其次是NO,的排放也很高，甚至燃油炉超过了燃煤炉。 原因在于燃油以重油为主和对过量空气量的控制水平低所致。全国窑炉的污 染排放状况也基本如此。由于大多数窑炉的炉温都很高，因而形成NO^急剧上 升的趋势。电力部、各省市的火力发电厂、各大型企业的自备电厂和造纸厂 的回收锅炉等共6000余台发电锅炉。全国20t/h以下民用、工业和生活锅炉 有近1X106台。大规模利用天然气成为改善我国能源结构的重要措施。采用 天然气替代固体燃料煤炭后，大气环境得到有效改善，但是在天然气利用过 程中依然存在一些重要问题。绝大多数传统锅炉是基于非预混式扩散燃烧原 理。入炉前燃料和空气是不混合的，入炉后燃料和空气边混合边燃烧，形成 肉眼可见的火焰。火焰体积小，火焰平均温度不高，装置热效率不高；炉膛 内存在局部高温区，燃料和空气混合物在高温区里的停留时间很短，加上空 气和燃料混合不充分，燃烧反应不完全；局部高温区给NO,生成创造了条件， N(X排放偏高。催化燃烧作为一种新型的燃烧方式，具有多重技术优势可在较大燃气比 范围内使用；能将燃烧反应活化能从常规水平(100 200kJ/mo1)降低到更低 水平(40 80kJ/mo1)，起燃温度降低，燃烧易达稳定，甚至到起燃温度后无 需外界传热就能完成氧化反应；有利于控制NOi排放；燃烧反应完全；燃烧板 面温度维持在IOO(TC温度水平，热效应显著；无二次污染，噪音小且燃烧缓
和。在空气预热到100(TC且含氧体积浓度降低到15%以下的燃烧(弥散燃烧) 具有全新特性出现兰色或无色火焰，火焰体积扩大，火焰峰值温度降低， 温度分布均匀，燃烧温度整体水平升高，燃烧释热强度降低。我国钢铁行业低氧弥散燃烧应用取得了节能效率高于30%， N0,排放30 50ppm等良好效果。 因此综合催化燃烧和弥散燃烧关键技术，克服传统火焰燃烧缺点，开发高效 节能、低NO,和CO排放的天然气催化燃烧技术，具有显著的环境效益、经济 效益和社会效益。发明内容为了克服传统火焰燃烧具有的黄色火焰，热效率偏低，CO和 NOi排放偏高等缺点，本发明综合催化燃烧，弥散燃烧，来自于催化体固体表 面与气流通道的非定向辐射传热和来自于气相空间(温度整体水平高且体积 大)火焰的定向辐射传热，分区燃烧技术优势，提出一种部分预混型天然气 催化燃烧装置弥散燃烧组织方法。催化燃烧装置包括预混室，均孔型支撑板，蜂窝状中温催化体， 一次燃 料管，二次燃料管和空气管， 一次燃料管及空气管穿过预混室底部壁面和预 混室相连通，支撑板组成预混室顶部壁面，催化体置于支撑板上且两者气流 通道中心轴线重合，二次燃料管穿过和催化体顶面连接的气相空间壁面且其 出口端在催化体顶面中垂线上高出催化体顶面10 15mm。使用上述装置组织弥散燃烧时，将燃料分为一、二次燃料分别通过一、 二次燃料管流入催化体上、下游，设置50 100mm厚催化体，预混气流过催 化体时间控制在O. 1 0.5s范围内，催化体温度控制在600 100CTC范围，催 化体下游气相空间壁面温度调节到80(TC以上，通入一次燃料管的燃料多少由 空气供应决定，供应1. 05 3. 75倍理论燃烧空气时一次燃料管燃料最小流量 与空气供应成正比，供应1. 05倍理论燃烧空气时一次燃料管燃料最少为全部 燃料的28%，供应3. 75倍理论燃烧空气时将全部燃料通入一次燃料管，供应 为1.05 2倍理论燃烧空气时一次燃料管燃料最大流量与空气供应成正比， 供应1.05倍理论燃烧空气时一次燃料管燃料最多为全部燃料的52%，供应2 倍理论燃烧空气时最多将全部燃料通入一次燃料管。在上述技术手段齐备时， 一次燃料在表面催化燃烧中被完全消耗，流出 催化体的表面燃烧反应产物温度高于80(TC且含氧体积浓度低于15%，和催化 体顶面连接的气相空间能有效地实现弥散燃烧。
发明操作简便，燃烧安全稳定，催化剂使用安全，节能污染物排放指标达到国家标准GB6932-2001要求。以减少燃烧C0和N0.污染、开发新能源和 节能降耗为使用目的，燃用天然气或富甲烷气的各种工业和民用催化燃烧锅 炉及加热装置，高温炉窑均可使用本发明。
图1为部分预混型天然气催化燃烧装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。如图1所示，部分预混催化燃烧装置竖直布置，主要包括一次燃料管l， 空气管2，预混室3，均孔型支撑板4，蜂窝状中温催化体5和二次燃料管6。 燃料分成一次燃料和二次燃料分别注入催化体5上下游， 一次燃料通过一次 燃料管1注入预混室3, 二次燃料通过二次燃料管6注入燃烧室。 一次燃料管 1及空气管2穿过预混室3底部壁面和预混室3相连通。支撑板4组成预混室 3顶部壁面，均匀布置细孔，催化体5置于支撑板4上，支撑板4支撑催化体 5的重量。催化体5内部设有供燃空气预混物流过的蜂窝状气流通道，且支撑 板4和催化体5的气流通道中心轴线重合。和催化体5顶面连接的气相空间 为燃烧室。催化体5呈蜂窝状，为中温型催化剂(保持催化性能对应的温度 范围为400 110(TC)，可以为整体式催化体也可以为涂敷式催化体。二次燃 料管6为石英管，能耐燃烧高温，穿过燃烧室壁面。二次燃料管6出口端在 催化体5顶面中垂线上且高出催化体5顶面10 15mm，满足燃烧室弥散燃烧 所需的氧气分子和燃气分子较均匀接触混合条件。经一次燃料管1送入的一次燃料流入预混室3，并在预混室3里和经空气 管2送入的空气均匀混合。预混气体经过支撑板4均匀流过催化体5的气流 通道。在催化体5气流通道里预混气体边流动边吸热，到高于天然气起燃温 度40(TC时发生催化燃烧而消耗全部一次燃气。催化体5温度为600 100(TC， 能有效地启动表面催化燃烧反应。催化体5高度50 100mm且从预混室3流 出的一次燃料预混气流过催化体5时间为0. 1 0. 5秒，由表面催化燃烧反应 动力学特征可知， 一次燃料在穿过催化体5蜂窝通道时因发生表面催化燃烧 反应而被完全消耗。流出催化体5的表面燃烧反应产物吸收燃烧放热后温度 高于80(TC，满足燃烧室弥散燃烧所需的助燃气流高温条件。一次燃料在全部燃料中的比例(一次燃料百分数)根据实际空气供应与 理论燃烧所需要空气量的比例(空气供应系数)大小来确定，流出催化体的 表面燃烧反应含氧体积浓度低于15%，满足燃烧室弥散燃烧所需的助燃气流低氧条件。空气供应系数为1.05 3.75时， 一次燃料百分数最小值与空气供应 系数成正比，为28 100%，空气供应系数为1.05 2时一次燃料百分数最大 值与空气供应系数成正比，为52 100%，空气供应系数为2 3. 75时一次燃 料百分数最大值为100%。燃烧室壁面保温性能良好且调节后装置热负荷，使得燃烧室壁面温度高 于800。C，满足燃烧室弥散燃烧所需的壁面高温条件。从催化体5流出的助燃气体和经二次燃料管6送入的二次燃料在燃烧室 里接触混合，发生低氧弥散燃烧消耗全部二次燃料，火焰体积增大，火焰温 度峰值降低，火焰辐射换热得到强化。发明适用于空气供应系数1. 05 3. 75范围内使用，可以在低空气供应系 数条件下燃用高纯度、高热值或高浓度天然气燃料。空气供应系数较小时一 次燃料份额小，空气供应系数较大时一次燃料份额大。控制预混室3中燃气 浓度，天然气体积百分数低(<5%)，在天然气爆燃范围之外，催化燃烧为稀 薄燃烧，没有预混室热力回火爆燃等问题，对催化体5气流通道孔径大小可 以没有限制，可有效地降低气流流动阻力和降低催化体5加工成本。发明按分区燃烧原理组织燃烧。 一次燃料燃烧是表面催化燃烧，燃烧放 热转变为催化剂5固体壁面和气孔内小火焰对受热面的辐射换热(非定向辐 射传热)，二次燃料燃烧是低氧弥散燃烧，燃烧放热转变为温度整体水平高且 体积和表面积大的火焰对受热面的辐射换热(定向辐射传热)。传统燃烧装置 中的火焰燃烧被本发明的无焰燃烧所代替，传统小火焰定向辐射传热被本发 明的"催化燃烧气孔和固体壁面非定向辐射传热+弥散燃烧大体积火焰定向辐 射传热"或"催化燃烧气孔和固体壁面非定向辐射传热"所代替，综合应用 了催化燃烧和弥散燃烧技术，发明节能性能提高。燃烧装置基于预混燃烧原 理，入炉前空气和燃料已经混合好，出现兰色或无色火焰；催化剂降低了燃 烧反应活化能；气相空间弥散燃烧火焰体积变大，反应区范围拓宽，延长了 可燃气在高温反应区的停留时间。三个因素使得燃烧效率提高，燃料利用更 充分，明显降低烟气中CO含量，减少环境污染。催化燃烧使用了选择性催化 剂，不能降低NO,生成反应所需要的活化能。催化燃烧的燃烧面宽，单位面积 燃烧放热减小，火焰峰值温度降低。燃烧室弥散燃烧火焰体积大，单位体积 燃烧放热减小，火焰峰值温度降低。三个因素热力型NO生成得到抑制。实验表明发明可以在低空气供应系数条件下燃用高纯度、高热值或高 浓度天然气，燃烧安全稳定，催化剂使用安全，节能和污染物排放指标达到国家标准GB6932-2001要求，热效率超过98%，烟气C0含量低于600ppm， NO, 含量低于25ppm。
权利要求
1.一种催化燃烧装置弥散燃烧方法，其特征在于将燃料分为一次燃料和二次燃料分别通过一次燃料管和二次燃料管流入催化体上游和下游，催化体温度调节到600～1000℃，催化体下游气相空间壁面温度调节到800℃以上，催化体厚度为50～100mm，预混气流过催化体时间控制在0.1～0.5s，供应1.05～3.75倍理论燃烧空气时，一次燃料管燃料最小流量与空气供应成正比，供应1.05倍理论燃烧空气时，一次燃料管燃料最少为全部燃料的28％，供应3.75倍理论燃烧空气时，将全部燃料通入一次燃料管，供应为1.05～2倍理论燃烧空气时，一次燃料管燃料最大流量与空气供应成正比，供应1.05倍理论燃烧空气时，一次燃料管燃料最多为全部燃料的52％，供应2倍理论燃烧空气时最多将全部燃料通入一次燃料管。
全文摘要
一种基于分区燃烧原理的部分预混型催化燃烧装置低氧弥散燃烧组织方法，本发明将燃料分为一二次燃料分别通过一二次燃料管流入催化体上下游，设置50～100mm厚催化体，预混气流过催化体时间0.1～0.5s，催化体下游气相空间壁温＞800℃，催化体温度600～1000℃，空气供应系数为1.05～3.75时一次燃料百分数最小值与空气供应成正比且为28～100％，空气供应系数为1.05～2时一次燃料百分数最大值与空气供应成正比且为52～100％。流出催化体气流不含可燃气且含氧＜15％，催化体下游弥散燃烧。发明在低空气供应系数条件下可燃用高纯度天然气，催化剂寿命长，热效率＞98％，CO排放＜600ppm，NO<sub>x</sub>排放＜25ppm，适合各类天然气或富甲烷气催化燃烧锅炉和炉窑。
文档编号F23C13/06GK101149148SQ20071003604
公开日2008年3月26日 申请日期2007年11月5日 优先权日2007年11月5日
发明者周孑民, 全 张, 明 徐, 徐文耀, 炽 梅, 艾元方, 艾振宙, 蒋受宝, 蒋绍坚 申请人:中南大学