[发明专利]全预混天然气催化燃烧装置弥散燃烧方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于分级燃烧，强化催化体非定向辐射传热和气相空间大火焰定向辐射传热原理的全预混型催化燃烧装置扩大火焰体积方法，具有安全稳定燃烧，高效节能，高燃烧效率，低CO和NO_x排放等优势，适用于以节能减排为使用目的，燃用天然气或富甲烷气的各种工业或民用催化燃烧锅炉或加热装置、高温工业炉窑使用。

背景技术

在常规火焰燃烧过程中，CO₂排放所引起的地球温室效应和NO_x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9～10×10⁹t。我国能源消费占世界8～9％，CO₂排放居世界第2位，NO_x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_x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_x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1×10⁶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，燃烧反应不彻底；局部高温区给NO_x生成创造了条件，NO_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/mol)降低到更低水平(40～80kJ/mol)，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NO_x排放；燃烧反应完全；燃烧板面温度维持在1000℃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1000℃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％，NO_x排放30～50ppm等良好效果。因此综合催化燃烧和低氧弥散燃烧关键技术，克服传统火焰燃烧缺点，开发高效节能、低NO_x和CO排放的天然气燃烧技术，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NO_x排放偏高等缺点，本发明综合催化燃烧，弥散燃烧，分级燃烧，催化体固体表面和气流通道的非定向辐射传热和气相空间大火焰的定向辐射传热等技术优势，提出一种全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，均孔型支撑板和蜂窝状中温催化体，全部燃气及全部空气通入预混室，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轴线重合。

使用上述装置时，将燃料全部通入催化体下游，设置25～50mm厚催化体，预混气流过催化体时间不超过0.1s，供应2～3.75倍理论燃烧所需空气，催化体温度控制在600～1000℃范围，催化体下游气相空间壁面温度调节到800℃以上。

在上述技术手段齐备时，流出催化体的预混气温度高于800℃且含氧浓度低于15％，催化体下游气相空间壁面温度高于800℃，能组织弥散燃烧并消耗剩余燃气。

发明实施简便，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，使用干净且无黑烟。以减少燃烧黑烟、CO和NO_x污染和节能降耗为使用目的，燃用天然气或富甲烷气的各种催化燃烧锅炉及催化燃烧加热装置，高温炉窑均可使用本发明。

附图说明