节能燃烧方法及系统与流程

1.本发明涉及一种节能燃烧方法及系统。


背景技术：

2.能源是我国经济和社会发展的战略重点，随着世界经济和工业生产的快速发展以及人口的急剧增长，全球生态环境日益恶化。保护环境，减少环境污染，节约能源，合理利用自然资源已经成为新的国际焦点。我国人口众多，人均化工能源资源非常有限。
3.目前人们主要使用天然气、液化石油气和煤气等燃气。我国许多城市和工业的主要燃气能源是煤气，与天然气相比，煤气的热值低，点火能量较低， s等有害杂质以及焦油也比较多。液化石油气具有与天然气相似的性质，缅液化石油气资源主要包括油田伴生气和石油提炼气两类。在有关天然气、化石油气和煤气等催化燃烧的研究中，主要集中在天然气的催化燃烧，原因是
‑
方面天然气的储量巨大，另一方面天然气中主要成分 ch 是最稳定的碳化合物，且 c—h 键难以活化。
4.现在人类使用的燃烧主要是火焰燃烧，火焰燃烧在人类进化和人类文明的发展历程中起着非常重要的作用。科学研究表明，火焰燃烧有两个主要缺点
①
火焰燃烧实质上是燃烧物质（煤、油类物质，可燃性气体等）在自由基参与下的氧化反应，其反应机理涉及自由基（特别是氧自由基）的气相引发，在燃过程中会生成部分电子激发态产物，并以可见光的形式释放能量，这部分能火焰燃烧法也存在着严重的缺点，在燃烧过程中，燃烧区区间温度高达1500摄氏度以上，导致空气中的 n2和 o2，发生反应而生成 no
x
，排放到大气中，这样不仅严重污染了环境，而且由于燃烧不完全，还大大降低了能效。传统的火焰燃烧法热效低，污染严重，制约了我国经济的发展。
5.蓄热式催化燃烧装置催化燃烧余热利用效率高，是国际上公认的节能型的有机废气处理装置，其工作原理是利用催化剂降低vocs气体的活化能，而将vocs气体的分解温度降低至200
‑
400℃，同时由于催化剂一般为多孔性材料，其较强的表面吸附能力使反应物分子在其表面富集，变相的提高了反应物分子的浓度，因此提高了反应速率，加快了反应的进行，最终使vocs气体与氧分子在较低的起燃温度条件下，发生无焰燃烧，氧化分解为c02和h20，并释放处大量的热量。氧化分解的c02和h20以及未参加反应的空气一并通过蓄热材料储存催化燃烧过程中产生的热量，然后再利用其它材料吸收蓄热材料吸收的热量。
6.解决火焰燃烧的低效和高排放的根本途径是催化燃烧。催化燃烧是指在催化剂的作用下，使燃气与空气在催化剂表面进行非均相的完全氧化反应。它是一种环境友好过程，既提高了燃烧效率，又降低了污染，主要有以下特点：
①
可以在较大的油气比范围内使用；
ꢀ②
起燃温度低，容易实现稳定燃烧，有利于控制排放物和提高效率；
③
操作温度低，可以抑制 no
x
的形成，并且可以利用一些廉价材料；
ꢀ④
噪声低；
⑤
燃烧效率高。如采用多段式催化燃烧器，可以使ch的燃烧效率高达 99.5%以上，nox，排放量低于 0.0008%（体积分数）。
7.由于天然气的热值高（
△
h=—803kj/mol），可使燃烧室温度高达1800℃拟上，导致空气中的 n2不可避免地发生高温氧化，生成 nox而造成环境污染。采用催化燃烧代替传统
的火焰燃烧，一方面可以使燃烧室的温度降至 500℃以下，这样能够有效地抑制 no
x
， 的形成；另一方面可以进行高空燃比稳定燃烧，提高燃气的利用率。这种催化剂促进的无火焰燃烧，产生的热流温适中，不需要空气进行稀释冷却就可以直接驱动燃气轮机，从而提高了热效率。
8.天然气催化燃烧所用的催化剂可以分为贵金属催化剂和氧化物型催化剂。贵金属催化剂的活性较高，起燃温度较低，但是由于贵金属资源有限，其在高温下会发生烧结和因蒸发而流失，导致催化活性降低。因此目前在文献中报道的贵金属催化剂不能直接用于高温催化燃烧。氧化物型催化剂由于具有优良的热稳定性而受到人们的重视。但是氧化物型催化剂的活性一般比较低，难以满足燃烧器低起燃温度的要求。
9.天然气高温催化燃烧器性能的关键是所用催化剂的起燃和高温特性，通常应达到以下几点要求：
①
油/气混合物在尽可能低的温度下能够被点燃；
②
催化剂有较大的、比表面积高的热稳定性；
③
催化剂对热冲击不敏感；
④
催化剂床层两端的压差要尽可能地低；
⑤
在 1300℃以上的高温条件下长时间操作，仍然可以保持催化剂的活性。
10.但是目前所开发的催化剂体系难以同时满足以上要求。


技术实现要素：

11.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种节能燃烧方法，它采用贵金属催化剂和氧化物型催化剂相结合的形式来催化燃烧反应，起燃温度低，对环境友好。
12.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种节能燃烧方法，方法步骤中包含：燃气和空气的混合物先经贵金属催化剂催化起燃，然后在氧化物型催化剂表面进一步燃烧，最后完成燃气的完全燃烧。
13.进一步，所述氧化物型催化剂包含含稀土的钙钛矿型化合物、含稀土的烧绿石型化合物、尖晶石型氧化物、黄石型复氧化物和六铝酸盐中的至少一种。
14.进一步，所述燃气为天然气，混合物中天然气和空气的体积比为1：10.3。
15.本发明还提供了一种燃烧系统，它包括燃烧室及安装在所述燃烧室的侧壁上的主烧嘴，所述主烧嘴具有喷出通道及分别与所述喷出通道的前端部相连通的燃气进口和空气进口；其中，所述喷出通道的后端部内安装有贵金属催化剂蜂窝装置，在所述贵金属催化剂蜂窝装置的后端部的周向设置有氧化物型催化剂。
16.进一步为了使得燃气和空气充分混合，节能燃烧方法还包括两个分别安装在所述燃烧室的侧壁上、并关于所述主烧嘴对称设置的辅助烧嘴，两个辅助烧嘴轮流往燃烧室内喷入燃气。
17.进一步，节能燃烧方法还包括鼓风机、引风机、四通换向阀和两个分别与所述燃烧室相连通的蓄热室；其中，
两个蓄热室分别通过管道与四通换向阀相连，所述引风机通过排烟管连接四通换向阀，所述鼓风机通过进气管连接四通换向阀。
18.进一步，所述四通换向阀具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，一蓄热室通过管道与第一端口相连通，另一蓄热室通过管道与第二端口相连通，所述鼓风机通过进气管与第三端口相连通，所述引风机通过排烟管与第四端口相连通；其中，所述四通换向阀具有第一状态和第二状态两种状态；在四通换向阀处于第一状态时，第一端口与第四端口相连通，第二端口与第三端口相连通；在四通换向阀处于第二状态时，第一端口与第三端口相连通，第二端口与第四端口相连通。
19.进一步，所述蓄热室内的蓄热体的材料为高铝耐火材料。
20.进一步，所述引风机的叶轮的材质为不锈钢。
21.采用了上述技术方案后，在操作过程中燃气/空气混合物首先经过贵金属催化剂来点燃氧化反应，然后在具有高活性、大表面积、热稳定性好的氧化物型催化剂表面进一步燃烧，使燃气/空气混合物达到足够的温度；最后完成燃气的完全燃烧，将贵金属催化剂用在催化燃烧的起燃阶段，将氧化物型催化剂用在催化进一步燃烧方面，由于贵金属催化剂的活性较高，相比于单独用氧化物型催化剂，大大降低了起燃温度，燃气在较低的起燃温度250~350℃下进行无焰燃烧，在氧化物型催化剂表面有机物质发生氧化，同时产生co2和h2o，并放出大量的热量，因其氧化反应温度低，所以大大抑制了空气中的n2形成高温的nox，是净化碳氢化合物等有机废气、消除恶臭的有效手段之一；本发明可以使燃烧效率达到 99.5%以上，同时 no，排放量低于 0.0003%（体积分数），热效率可明显提高，甚至增幅可达 10%以上，同时几乎没有 hc、co 和 no，的排放。具有非常明显的节能和环保效益。
附图说明
22.图1为本发明的燃烧系统的结构示意图；图2为图1的a部放大图。
具体实施方式
23.为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
24.实施例一一种节能燃烧方法，方法步骤中包含：燃气和空气的混合物先经贵金属催化剂催化起燃，然后在氧化物型催化剂25表面进一步燃烧，最后完成燃气的完全燃烧。
25.具体地，在操作过程中燃气/空气混合物首先经过贵金属催化剂来点燃氧化反应，然后在具有高活性、大表面积、热稳定性好的氧化物型催化剂25表面进一步燃烧，使燃气/空气混合物达到足够的温度；最后完成燃气的完全燃烧，将贵金属催化剂用在催化燃烧的起燃阶段，将氧化物型催化剂25用在催化进一步燃烧方面，由于贵金属催化剂的活性较高，相比于单独用氧化物型催化剂，大大降低了起燃温度，燃气在较低的起燃温度250~350℃下进行无焰燃烧，在氧化物型催化剂表面有机物质发生氧化，同时产生co2和h2o，并放出大量的热量，因其氧化反应温度低，所以大大抑制了空气中的n2形成高温的no
x
，是净化碳氢化合
物等有机废气、消除恶臭的有效手段之一；本发明可以使燃烧效率达到 99.5%以上，同时 no，排放量低于 0.0003%（体积分数），热效率可明显提高，甚至增幅可达 10%以上，同时几乎没有 hc、co 和 no，的排放。具有非常明显的节能和环保效益。
26.在本实施例中，所述氧化物型催化剂25包含含稀土的钙钛矿型化合物、含稀土的烧绿石型化合物、尖晶石型氧化物、黄石型复氧化物和六铝酸盐中的至少一种。
27.在本实施例中，所述燃气为天然气，混合物中天然气和空气的体积比为1：10.3。
28.实施例二如图1、2所示，一种用于实施如实施例一所述的节能燃烧方法的燃烧系统，它包括燃烧室1及安装在所述燃烧室1的侧壁上的主烧嘴2，所述主烧嘴2具有喷出通道21及分别与所述喷出通道21的前端部相连通的燃气进口22和空气进口23；其中，所述喷出通道21的后端部内安装有贵金属催化剂蜂窝装置24，在所述贵金属催化剂蜂窝装置24的后端部的周向设置有氧化物型催化剂25。
29.在本实施例中，为了使得燃气和空气充分混合，燃烧系统还包括两个分别安装在所述燃烧室1的侧壁上、并关于所述主烧嘴2对称设置的辅助烧嘴，两个辅助烧嘴轮流往燃烧室1内喷入燃气。
30.如图1所示，燃烧系统还包括鼓风机3、引风机4、四通换向阀5和两个分别与所述燃烧室1相连通的蓄热室6；其中，两个蓄热室6分别通过管道与四通换向阀5相连，所述引风机4通过排烟管连接四通换向阀5，所述鼓风机3通过进气管连接四通换向阀5。
31.在本实施例中，蓄热体6的选择原则是：密度大、导热率和比热容高，耐温性能好、耐热冲击好、耐压强度高，所述蓄热室6内的蓄热体7的材料为高铝耐火材料。
32.因天然气燃烧尾气含大量水蒸汽，为了起到防腐作用，引风机4的叶轮的材质采用不锈钢。所述鼓风机3采用低合金材料，并进行防腐处理。
33.具体地，蓄热室6在排烟时吸热，在进气时放热，大大提高了热能的利用率。
34.如图1所示，所述四通换向阀5具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，一蓄热室6通过管道与第一端口相连通，另一蓄热室6通过管道与第二端口相连通，所述鼓风机3通过进气管与第三端口相连通，所述引风机4通过排烟管与第四端口相连通；其中，所述四通换向阀5具有第一状态和第二状态两种状态；在四通换向阀5处于第一状态时，第一端口与第四端口相连通，第二端口与第三端口相连通；在四通换向阀5处于第二状态时，第一端口与第三端口相连通，第二端口与第四端口相连通。
35.以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。