贫燃富燃交替式催化燃烧器及运行方法

553 编辑：中冶有色技术网来源：浙江大学

2024-05-22 14:05:08

权利要求书： 1.一种贫燃富燃交替式催化燃烧运行的方法，其特征在于，该方法是基于下述催化燃烧器实现的：

该催化燃烧器包括相互连通的催化燃烧区和气相燃烧区，催化燃烧区的起始端设有燃气进口，气相燃烧区的末端设有废气出口；在催化燃烧区内填充催化剂，在气相燃烧区的内部设有点火器；所述催化燃烧区分为两部分，具有相同的通流面积和通流体积，且呈平行间隔、平行嵌套或对称设置的布局方式；两个催化燃烧区的燃气进口分别通过燃气管路连接至四通阀，四通阀的剩余接口分别连接至用于输送贫燃预混气和富燃预混气的燃气通道；

在催化燃烧区内填充的催化剂是铂铑钯三元/二元/单组分贵金属催化剂，催化剂载体是颗粒型分子筛或者泡沫型分子筛；

所述贫燃富燃交替式催化燃烧运行的方法包括以下步骤：(1)通过燃气通道和四通阀，向两部分催化燃烧区分别持续通入贫燃预混气和富燃预混气；

(2)两种预混气在各自的催化燃烧区内发生催化燃烧，然后进入气相燃烧区充分混合；

通过点火器点火形成稳定的气相火焰，使混合气体在气相燃烧区内燃烧殆尽，并向燃烧器外排放废气；

(3)根据设定的运行时间间隔，利用四通阀切换贫燃预混气和富燃预混气的输送路线，使两个催化燃烧区切换使用不同的预混气；富燃预混气在燃烧时在催化剂表面留存的积碳，会逐渐被贫燃预混气中的过量氧气消耗掉，从而减缓催化剂积碳失效。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述催化燃烧区和气相燃烧区之间以筛板隔离，在两者相接处的气相燃烧区一侧设有用于扰流的旋流片。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，燃烧器的主体为中空结构且呈轴向对称，其轴向剖面是下述任意一种形状：长方形、正方形、圆形、椭圆形或鼓形；利用隔板或套管将燃烧器主体的部分空间分隔成两个催化燃烧区，并使其呈平行间隔、平行嵌套或相互对置的布局方式。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃气管路和/或燃气通道环绕在催化燃烧器的外壁面上。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述贫燃预混气的当量比为0.60～0.75，富燃预混气的当量比为1.2～1.4；两种预混气经催化燃烧后，在气相燃烧区内混合后的整体当量比为0.95～1。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述两部分催化燃烧区中填充的催化剂种类、装载量、空速比参数完全相同，能保证燃气切换后的两部分的催化反应正常进行。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按1～4小时的运行时间间隔切换四通阀。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，催化燃烧区内催化燃烧反应仅消耗部分燃料，其燃烧效率为20％～30％。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述催化剂中贵金属的负载量为1％～

5％；所述泡沫型分子筛的孔径为20～50PPI，空隙率55～75％。

说明书：一种贫燃富燃交替式催化燃烧器及运行方法技术领域[0001] 本发明涉及催化燃烧技术，属于交替式耦合燃烧装置，具体涉及催化燃烧与气相燃烧耦合的燃烧装置及方法。

背景技术[0002] 催化燃烧是提高燃烧效率、降低污染物排放和稳定燃烧的重要手段，因此被广泛应用。当燃料含有较多长链烷烃(汽油/柴油/煤油)时，催化剂易发生积碳、烧结团聚和氧

化，影响了催化剂使用寿命。浙江大学提出过一种基于燃料多效预处理和无焰燃烧的燃油

燃烧装置及方法的发明专利，能够实现燃油气体在多孔介质内的雾化、蒸发和催化预处理，

但存在高温烟气氧气含量低、成分复杂、催化剂容易积碳失活等问题，从而导致催化剂寿命

低、催化剂消耗量大、燃烧不完全等缺陷。因此，本发明基于催化剂低效易积碳失活问题提

出了一种贫燃富燃交替式催化燃烧器及运行方法。

发明内容[0003] 本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中存在的不足，提供一种贫燃富燃交替式催化燃烧器及运行方法。

[0004] 为解决技术问题，本发明的解决方案是：[0005] 提供一种贫燃富燃交替式催化燃烧器，包括相互连通的催化燃烧区和气相燃烧区，催化燃烧区的起始端设有燃气进口，气相燃烧区的末端设有废气出口；在催化燃烧区内

填充催化剂，在气相燃烧区的内部设有点火器；所述催化燃烧区分为两部分，具有相同的通

流面积和通流体积，且呈平行间隔、平行嵌套或对称设置的布局方式；两个催化燃烧区的燃

气进口分别通过燃气管路连接至四通阀，四通阀的剩余接口分别连接至用于输送贫燃预混

气和富燃预混气的燃气通道。

[0006] 本发明中，所述催化燃烧区和气相燃烧区之间以筛板隔离，在两者相接处的气相燃烧区一侧设有用于扰流的旋流片。

[0007] 本发明中，燃烧器的主体为中空结构且呈轴向对称，其轴向剖面是下述任意一种形状：长方形、正方形、圆形、椭圆形或鼓形；利用隔板或套管将燃烧器主体的部分空间分隔

成两个催化燃烧区，并使其呈平行间隔、平行嵌套或相互对置的布局方式。

[0008] 本发明中，所述燃气管路和/或燃气通道环绕在催化燃烧器的外壁面上。利用燃烧放热加热管道内混合气，可以提高能量利用效率。燃烧器启动阶段燃烧器放热量不足时，燃

气管道可用电加热设备短暂代替加热保温。

[0009] 本发明进一步提供了利用前所述催化燃烧器实现贫燃富燃交替运行的方法，包括以下步骤：

[0010] (1)通过燃气通道和四通阀，向两部分催化燃烧区分别持续通入贫燃预混气和富燃预混气；

[0011] (2)两种预混气在各自的催化燃烧区内发生催化燃烧，然后进入气相燃烧区充分混合；通过点火器点火形成稳定的气相火焰，使混合气体在气相燃烧区内燃烧殆尽，并向燃

烧器外排放废气；

[0012] (3)根据设定的运行时间间隔，利用四通阀切换贫燃预混气和富燃预混气的输送路线，使两个催化燃烧区切换使用不同的预混气；富燃预混气在燃烧时在催化剂表面留存

的积碳，会逐渐被贫燃预混气中的过量氧气消耗掉，从而减缓催化剂积碳失效。

[0013] 本发明中，所述贫燃预混气的当量比为0.60～0.75，富燃预混气的当量比为1.2～1.4；两种预混气经催化燃烧后，在气相燃烧区内混合后的整体当量比为0.95～1。

[0014] 本发明中，所述两部分催化燃烧区中填充的催化剂种类、装载量、空速比参数完全相同，保证燃气切换后的两部分的催化反应正常进行。

[0015] 本发明中，按1～4小时的运行时间间隔切换四通阀。[0016] 本发明中，催化燃烧区内催化燃烧反应仅消耗部分燃料，其燃烧效率为20％～30％。本发明中，燃料分别通过催化反应段和气相燃烧段完全消耗，由于燃料主要由气相燃

烧段消耗，减少了催化剂使用量，降低了成本。气相燃烧释放的大量热量通过热反馈传递给

催化燃烧区，稳定了催化燃烧区的温度。而且，催化燃烧区消耗掉整体20％～30％的燃料，

使得进入气相段的气体温度升高，为气相燃烧提供良好条件，便于气相点火和燃烧稳定。

[0017] 本发明中，催化燃烧区内填充的催化剂是铂铑钯三元/二元/单组分贵金属催化剂，催化剂载体是颗粒型分子筛或者泡沫型分子筛，贵金属负载量为1％～5％；所述泡沫型

分子筛的孔径为20～50PPI，空隙率55～75％。

[0018] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：[0019] 1、本发明的燃烧器能缓解催化剂积碳，提高催化剂的使用寿命。由于同时采用了催化反应与气相反应耦合的燃烧方法，上游催化反应仅消耗部分燃料，降低了催化剂的使

用量，提高了气相段的来流燃气温度，从而降低了下游点火难度，增强了燃烧稳定性。

[0020] 2、本发明的燃烧器属于中小型燃烧器，适用于供热、发电和尾气处理等和领域，具有燃料适应面广，催化剂使用寿命长、燃烧稳定高效等优点。

附图说明[0021] 图1为燃烧器的剖面示意图；[0022] 图2为燃烧器催化燃烧区A?A剖面图；[0023] 图3为实施案例二的剖面图；[0024] 附图标记：1第一燃气通道；2第二燃气通道；3四通阀；4燃气进口；5催化燃烧区；6隔板；7旋流片；8点火器；9气相燃烧段；10燃气出口。

具体实施方式[0025] 下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。[0026] 具体实施例1[0027] 设备结构及组成：参照图1，第一燃气通道1和第二燃气通道2与四通阀3相连以实现贫燃/富燃预混气的切换，四通阀3通过燃气管道分别与两个燃气进口4连通，燃气进口4

后面即为催化燃烧区5。燃烧器轴向剖面为正方形，在燃烧器本体内部沿燃气流动方向依次

同轴布置有催化燃烧区5和气相燃烧区9。催化燃烧区5沿轴向被隔板6中间隔成上下两个独

立部分，这两部分的主要几何尺寸(通流面积和体积)相同，且催化剂参数(种类、装载量、空

速比参数)相同。催化燃烧区5与气相燃烧区9之间同轴布置有旋流片7。气相燃烧区9壁面上

设有点火器8，点火器8垂直于壁面布置。气相燃烧区9末端端面中心沿轴向布置有燃气出口

10。

[0028] 本实施例以甲醇为燃料，甲醇燃料量为0.35ml/min，功率100W，燃气整体当量比0.97。贫燃预混气中的燃料占总燃料量的40％，当量比为0.75；富燃预混气中的燃料占总燃

料量的60％，当量比为1.2。贫燃预混气和富燃预混气分别经过第一燃气通道1和第二燃气

通道2，再由燃气入口4进入催化燃烧区5。由四通阀3控制周期切换后续燃气通道。催化燃烧

区5被催化燃烧区隔板6中间截断成容积相等的两部分，在分别通入贫燃预混气和富燃预混

气后可称为富燃催化燃烧区和贫燃催化燃烧区。催化燃烧区5负载铂钯催化剂，催化剂载体

构型是泡沫型，铂、钯负载量为1％；所述泡沫型载体的孔径为50PPI，空隙率55％。催化燃烧

区5消耗掉整体大约20％的燃料，催化反应释放的热量也使得气相燃烧区点火更加容易。富

燃催化燃烧区和贫燃催化燃烧区中剩余的燃料和高温催化反应产物经过旋流片7充分混合

后进入到气相燃烧区9。气相燃烧区的燃气通过点火器8点火形成稳定的气相火焰，剩余燃

料燃烧殆尽。气相燃烧产生的热量通过辐射和壁面传导加热等多种方式回馈给上游催化燃

烧区，稳定了催化燃烧区的温度。每运行3小时，转动四通阀3，切换贫燃预混气和富燃预混

气的燃气通道，富燃催化燃烧区和贫燃催化燃烧区对调，使先前富燃催化燃烧区产生的积

碳通过贫燃混气中过量的氧气慢慢氧化消耗掉，从而延长催化剂使用寿命。

[0029] 具体实施例2[0030] 设备结构及组成：参照图3，第一燃气通道1和第二燃气通道2与四通阀3相连以实现贫燃/富燃预混气的切换，第一燃气通道和B末端与2个燃气进口4连通，燃气进口4后面即

为催化燃烧区5。燃烧器为圆柱形中空结构，气相燃烧区9布置在燃烧器本体中间，催化燃烧

区5分为富燃催化燃烧区和贫燃催化燃烧区，在气相燃烧区9两侧对称布置。富燃和贫燃催

化燃烧区的主要几何尺寸(通流面积和体积)相同，且催化剂参数(种类、装载量、空速比参

数)相同。燃气进口4位于两侧催化燃烧区5外端面中心。燃气出口10在气相燃烧区9壁面中

间垂直于壁面布置。点火器8与燃气出口10关于燃烧器本体轴线对称设置且两者轴线重合。

[0031] 本实施例以正癸烷为燃料，燃料量1.7ml/min，功率为1000W。正癸烷加入汽化后与空气混合，形成贫燃和富燃两股预混气。贫燃预混气燃料量占总燃料量的32％，当量比为

0.6；其余68％的燃料混入富燃预混气，其当量比为1.3。正癸烷与空气的混合气整体当量比

为0.95。两股燃气经第一燃气通道和B由两端同轴布置的燃气进口4送入各自催化燃烧区5。

催化燃烧区5装载铂催化剂，催化剂载体构型是泡沫型，铂负载量为5％；泡沫型载体的孔径

为20PPI，空隙率75％。催化燃烧区5消耗掉大约整体25％的燃料；富燃催化燃烧区和贫燃催

化燃烧区中剩余的燃料和高温催化反应产物进入到气相燃烧区9，通过点火器8点火形成稳

定的对冲火焰，消耗掉剩余燃料。每运行1小时，贫燃预混气和富燃预混气通过四通阀3切

换，使得富燃催化燃烧区和贫燃催化燃烧区对调，令先前富燃催化燃烧区产生的积碳通过

贫燃混气中过量的空气氧化消耗掉，从而延长催化剂使用寿命。

[0032] 具体实施例3[0033] 参照图1，第一燃气通道1和第二燃气通道2与四通阀3相连以实现贫燃/富燃预混气的切换，第一燃气通道和B末端与2个内外嵌套的燃气进口4连通，燃气进口4后面紧连着

催化燃烧区5。燃烧器为圆柱形中空结构，在燃烧器本体内部沿燃气流动方向依次同轴布置

有催化燃烧区5和气相燃烧区9。催化燃烧区5分为内部催化燃烧区和外环催化燃烧区，内部

和外环催化燃烧区的主要几何尺寸(通流面积和体积)相同，且催化剂参数(种类、装载量、

空速比参数)相同。催化燃烧区5与气相燃烧区9之间同轴布置有旋流片7。气相燃烧区9壁面

上设有点火器8，点火器/8垂直于壁面布置。气相燃烧区9末端端面中心沿轴向布置有燃气

出口10。

[0034] 本实施例功率为3000W，燃料为合成气(35％CO、15％H2、50％N2)，总燃料量为31.25ml/min，燃气的整体当量比为1。40％合成气混入贫燃预混气，该通道当量比为0.7；其

余60％合成气混入富燃预混气，当量比为1.4。贫燃预混气和富燃预混气经第一燃气通道1

和第二燃气通道2由燃气进口4分别送入内外催化燃烧区5。内外催化燃烧区5在分别通入贫

燃预混气和富燃预混气后可称为富燃催化燃烧区和贫燃催化燃烧区。催化剂是铂铑钯催化

剂，催化剂载体构型是泡沫型，铂、铑、钯负载量为3％；所述泡沫型载体的孔径为30PPI，空

隙率60％。在催化燃烧区5消耗掉30％的燃料，催化反应释放的热量也使得气相燃烧区点火

更加容易；富燃催化燃烧区和贫燃催化燃烧区中剩余的燃料和高温催化反应产物经过旋流

片7充分混合后进入到气相燃烧区9。气相燃烧区的燃气通过点火器8点火形成稳定的气相

火焰，燃烧掉所有燃料。每运行4小时，贫燃预混气和富燃预混气通过四通阀3切换，使得富

燃催化燃烧区和贫燃催化燃烧区对调，令先前富燃催化燃烧区产生的积碳通过贫燃混气中

过量的空气氧化消耗掉，从而延长催化剂使用寿命。

[0035] 以上所述仅用来说明本发明的技术实施方案，并不用于限制本发明的保护范围。与本发明权利要求书相关的任何改进、修改以及等同替换等，都认为是包括在权利要求书

的范围内。