一種對流式催化燃燒方法、燃燒器及其應用的制作方法

專利名稱：一種對流式催化燃燒方法、燃燒器及其應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及催化燃燒技術領域，尤其涉及一種對流式催化燃燒方法、燃燒器及其應用。
背景技術：
催化燃燒技術在低濃度有機廢氣處理方面被廣泛應用，如化工、汽車等行業的有機廢氣處理，煤礦排風的瓦斯處理，以及漆包線中的有機揮發物燃燒和熱量利用等，催化燃燒技術是當前大氣環保的重要手段之一。有機廢氣的種類很多，催化燃燒不同種類的有機廢氣可選擇不同的催化劑，但所有的處理過程都需要將有機廢氣加熱到相應的催化起燃溫度才能發生催化燃燒反應，且進入催化床的有機廢氣溫度決定了催化過程的效率和最終達到的凈化率。一般情況下，在催化劑可承受的溫度范圍內，溫度越高則催化效率越高，可達到的凈化率越高。因此，如何利用催化燃燒后的高溫氣體加熱尚未燃燒的有機廢氣，成為了減少能耗和提高凈化率的關鍵。在現有的催化燃燒技術中，普遍存在各種各樣的缺陷由換熱效率低導致的高能耗、由催化前端溫度偏低導致的前端催化效率低、由催化后端溫度偏高導致的后端催化劑損壞、由整體催化效率低導致的有害物質排放濃度高等。逆流式催化燃燒是一種被廣泛研究和應用的催化燃燒技術，其本質是蓄熱式換熱器，其缺點是需要切換氣體流向，導致結構比較復雜，不利于處理設備的制造、運行和保養；每次切換氣體流向時，已經進入儲熱材料但尚未進入催化床的有機廢氣，將被當做催化后氣體排出，造成間歇性高濃度污染排放，降低了整體的凈化效果。除此之外，在催化燃燒中應用更為廣泛的是間壁式換熱器，包括管殼式和板式等結構形式的間壁式換熱器。眾所周知，管殼式換熱器的換熱效率不高。而在應用換熱效率較高的板式換熱器時，通常未重視定向氣流之外的局部對流，氣流進出口及流向設計的不合理，常常使得局部對流擾亂了換熱器的運行效果。因此，有必要針對性地利用局部對流，來優化板式換熱器的設計。不論是蓄熱式換熱器，還是間壁式換熱器，換熱效率都不如混合式換熱器，都不能使受熱氣體的溫度達到或接近放熱氣體的溫度。當然，未燃燒的有機廢氣不能與燃燒后的清潔廢氣進行混合式換熱，否則催化燃燒無法持續。但在兩者的交匯點，也就是催化燃燒室，若能以某種方式達到混合式換熱的效果，必能大大提高接觸催化劑前的有機廢氣溫度。此外，若能使有機廢氣進入的催化前端和清潔廢氣離開的催化后端兩處的溫度接近，使整個催化過程都在催化效率最高的溫度下進行，必能提高整體的催化燃燒凈化率，降低清潔廢氣中的殘余有機物含量。可見，現有技術中的換熱器都存在一個共同的缺陷熱交換的熱源與冷源溫差較小時熱交換效率極低，所以有機廢氣可被加熱到的上限溫度大幅低于燃燒后氣體的溫度，無法使有機廢氣溫度大幅高于起燃溫度，達到較高的催化燃燒效率和凈化率。因此，現有技術還有待于改進和發展。

發明內容
鑒于上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種對流式催化燃燒方法、燃燒器及其應用，旨在解決現有的催化燃燒技術催化燃燒能耗高、效率低、凈化率低的問題。本發明的技術方案如下
一種對流式催化燃燒方法，用于對有機廢氣進行催化燃燒，其中，包括步驟
A、將有機廢氣從有機廢氣進口通入到設置在催化床上部的催前空腔上部，并通過所述催前空腔將有機廢氣向下的流速緩沖到預定速度；
B、將從有機廢氣進口通入的有機廢氣，與催化床中燃燒后的向上流動的高溫氣體在所述催前空腔中進行對流加熱，以將接觸催化劑前的有機廢氣加熱到預定溫度，以及將催化床上部的低溫氣體與催化床下部的高溫氣體在催化床的層間間隔及孔隙中進行對流加熱，以減小催化床上部與下部的溫差；
C、控制將加熱后的有機廢氣向下穿過催化床進行催化燃燒后從清潔廢氣出口排出。一種對流式催化燃燒器，用于對有機廢氣進行催化燃燒，其中，所述對流式催化燃燒器包括一燃燒器本體，在所述燃燒器本體上設有用于對有機廢氣進行催化燃燒的催化床，在所述催化床的上部設置有用于使有機廢氣向下的流速緩沖到預定速度的催前空腔，所述催前空腔的頂部設置有用于通入有機廢氣的有機廢氣進口 ；所述催前空腔還用于將從有機廢氣進口通入的有機廢氣，與催化床中燃燒后的向上流動的高溫氣體在所述催前空腔中進行對流加熱，用于將接觸催化劑前的有機廢氣加熱到預定溫度；催化床上部的低溫氣體與催化床下部的高溫氣體在催化床的層間間隔及孔隙中進行對流加熱，以減小催化床上部與下部的溫差，所述燃燒器本體上還設置有清潔廢氣出口，用于排出向下穿過催化床進行催化燃燒后生成的清潔廢氣。所述的對流式催化燃燒器，其中，所述催化床為固定式催化床，所述固定式催化床的催化劑載體為顆粒狀、蜂窩狀或絲團狀金屬或陶瓷。所述的對流式催化燃燒器，其中，在所述催前空腔的中部或者在有機廢氣進口之前設置有用于對有機廢氣進行加熱的催前電熱管或燃氣加熱裝置。所述的對流式催化燃燒器，其中，在所述催前空腔的下部設置有用于檢測接觸催化劑前的有機廢氣溫度的催前熱電偶。所述的對流式催化燃燒器，其中，所述催前空腔的高度大于其水平橫截面的短邊寬度，所述催前空腔的水平截面積與催化床的水平截面積的差值在預定范圍內。所述的對流式催化燃燒器，其中，所述催化床下部設置有一催后空腔，所述清潔廢氣出口設置在所述催后空腔的底部。所述的對流式催化燃燒器，其中，所述催化床下部設置有第一催中空腔，所述第一催中空腔的側邊連通設置有第二催中空腔，所述第二催中空腔的上部設置有水平截面積與催化床水平截面積的差值在所述預定范圍內的第二催化床，所述第二催化床的上部設置有催后空腔，所述清潔廢氣出口設置在所述催后空腔的頂部。一種如所述的對流式催化燃燒器的應用，其中，采用清潔廢氣出口排出的清潔廢氣對需加熱的氣體或液體進行加熱，在進行加熱時，采用空腔式換熱器進行換熱，所述空腔式換熱器包括至少一對換熱空腔，每一對換熱空腔包括一放熱空腔及設置在所述放熱空腔上部的吸熱空腔，所述放熱空腔與吸熱空腔之間設置有用于熱交換的導熱隔板。所述的對流式催化燃燒器的應用，其中，空腔式換熱器包括多對換熱空腔時，所述多對換熱空腔從上至下依次排列，每一放熱空腔與其相鄰的吸熱空腔之間設置有用于熱交換的導熱隔板，所述清潔廢氣出口連接處于頂部的放熱空腔的進口，清潔廢氣從清潔廢氣出口進入到頂部的放熱空腔的進口后，向下依次通過每一放熱空腔，從與底部的放熱空腔的出口連通的排廢煙囪排出，需加熱的氣體或液體從底部的吸熱空腔的進口進入，并向上依次通過每一吸熱空腔，從頂部的吸熱空腔的出口通入到需使用的目的地，或者當需加熱的對象是有機廢氣時，則直接將所述頂部的吸熱空腔的出口連通有機廢氣進口，以從所述有機廢氣進口進入到對流式催化燃燒器中，其中，每一吸熱空腔的出口設置在相應的吸熱空腔的頂部，每一放熱空腔的出口設置在相應的放熱空腔的底部，每一吸熱空腔的進口與出口、每一放熱空腔的進口與出口都相隔預定距離。有益效果本發明利用了催化燃燒前后氣體在催化床附近的交匯點，制造了催化前后氣體的直接對流換熱，大大提高了催化前氣體的溫度，減小了上層催化劑和下層催化劑的工作溫差，改善了全部催化劑的工作狀態，提高了催化燃燒效率，并延長了催化劑壽命，大大優于已有的催化燃燒設備結構。同時，本發明針對不同相對密度的有機廢氣，提出了一次催化與二次催化的結構和方法，有效地提高了有機廢氣被催化燃燒的幾率，進一步地提高了催化燃燒凈化率，減少了廢氣對大氣的污染。此外，本發明利用氣體的對流特性提出了空腔式換熱器和對其他換熱器結構的改進方法，提高了換熱效率，還為廢氣余熱的多級徹底利用提供了渠道。本發明的應用范圍廣，提高了換熱效率，節約了能源，降低了成本，具有實用性強的特點。


圖1為本發明對流式催化燃燒方法較佳實施例的流程示意圖。圖2為本發明對流式催化燃燒器第一實施例的結構示意圖。圖3為本發明對流式催化燃燒器第二實施例的結構示意圖。圖4為本發明對流式催化燃燒器與空腔式換熱器配合應用的較佳實施例的結構示意圖。圖5為圖4所示較佳實施例的側視圖。圖6為本發明對流式催化燃燒器與空腔式換熱器配合應用于多級串聯受熱體的結構示意圖。圖7為本發明對流式催化燃燒器在空腔式換熱器與回轉式吸附濃縮器的應用的結合示意圖。圖8為本發明對流式催化燃燒器在熱交換漆包機中應用的結構示意圖。圖9為本發明對流式催化燃燒器在熱風循環漆包機中應用的結構示意圖。圖10為本發明對流式催化燃燒器在立式漆包機中應用的結構示意圖。圖11為本發明對流式催化燃燒器在燃氣輪機中應用的結構示意圖。
具體實施例方式本發明提供一種對流式催化燃燒方法、燃燒器及其應用，為使本發明的目的、技術方案及效果更加清楚、明確，以下對本發明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。作為本發明對流式催化燃燒方法較佳實施例，如圖1所示，其包括步驟
S1、將有機廢氣從有機廢氣進口通入到設置在催化床上部的催前空腔上部，并通過所述催前空腔將有機廢氣向下的流速緩沖到預定速度；
本步驟實施例的方法中，采用在有機廢氣進入催化床催化燃燒前，先設置一個催前空腔來緩沖有機廢氣的流速，通過所述催前空腔將有機廢氣向下的流速緩沖到預定速度，以將從有機廢氣進口通入的有機廢氣，與催化床中燃燒后的向上流動的高溫氣體在所述催前空腔中進行對流加熱，以提高接觸催化劑前的有機廢氣的溫度，具體如步驟S2所述。S2、將從有機廢氣進口通入的有機廢氣，與催化床中燃燒后的向上流動的高溫氣體在所述催前空腔中進行對流加熱，以將接觸催化劑前的有機廢氣加熱到預定溫度，以及將催化床上部的低溫氣體與催化床下部的高溫氣體在催化床的層間間隔及孔隙中進行對流加熱，以減小催化床上部與下部的溫差；然后進入步驟S3。S3、控制將加熱后的有機廢氣向下穿過催化床進行催化燃燒后從清潔廢氣出口排出。本發明的核心之處在于通過將來自有機廢氣進口的較低溫有機廢氣與從底部上升的較高溫氣體形成局部對流加熱，將接觸催化劑前的有機廢氣加熱到預定溫度，以提高接觸催化劑前的有機廢氣的溫度，并且使催化床上部的較低溫氣體與催化床下部的較高溫氣體之間形成局部對流加熱，從而使得催化床中的催化劑在較佳的工作溫度下進行催化，提高所有催化劑的催化燃燒效率，在減少催前加熱能耗的同時達到較高的凈化率。須說明的是，所述催前的預定溫度(即步驟S2的預定溫度)應顯著高于起燃溫度，并且催化燃燒后的催后溫度還需低于催化劑上限溫度，而起燃溫度根據有機廢氣和催化劑種類的不同而有所不同，催化劑的上限溫度則是根據催化劑種類不同有所不同。例如，以二甲苯和甲酚為主的有機廢氣，同時配以蜂窩狀陶瓷鈀基催化劑的漆包線生產為例，起燃溫度為400°C，催化劑的上限溫度為650°C，那么催前的預定溫度優選至少達到500°C，同時還要保證催化燃燒后的催后溫度低于650°C，使催化劑的工作溫度在500°C飛50°C之間。基于上述實施例的對流式催化燃燒方法，本發明實施例還提供了一種對流式催化燃燒器，如圖2所示。下面結合對流式催化燃燒器來對本發明的對流式催化燃燒過程進行詳細說明。請參閱圖2，圖2為本發明對流式催化燃燒器較佳實施例的結構示意圖，如圖所示，所述對流式催化燃燒器包括一燃燒器本體100，在所述燃燒器本體100上端設置有一用于通入有機廢氣的有機廢氣進口 110，以及在所述燃燒器本體100下端設置有用于排出清潔廢氣的清潔廢氣出口 170，在所述有機廢氣進口 110與清潔廢氣出口 170之間依次設置有催前空腔130、第一催化床150 (為與下文中的第二催化床區分，以下將催化床150統稱為第一催化床150)以及催后空腔160。進一步地，在所述催前空腔130中設置有用于對所述有機廢氣進行加熱的電熱管120以及用于對接觸第一催化床150的催化劑前的有機廢氣的溫度進行檢測的熱電偶140，所述催前空腔130位于所述第一催化床150的上部。較佳地，采用所述有機廢氣進口 110設置在所述催前空腔130頂部，所述清潔廢氣出口 170設置在所述催后空腔160的底部，所述催前空腔130的水平截面積大于所述第一催化床150的水平截面積，所述催前空腔130的高度大于所述催前空腔130水平截面的短邊寬度，所述催前空腔130的水平截面積為所述有機廢氣進口 110截面積的數倍，這樣，夕卜部來的有機廢氣從有機廢氣進口 110進入催前空腔130，通過所述催前空腔130的緩沖，使有機廢氣的流速大幅降低，而在第一催化床150燃燒的有機廢氣產生的熱量使得第一催化床150及其附近的氣體溫度較高，較高溫度的氣體會與催前空腔130上部較冷的空氣產生局部對流，可以對接觸催化劑前的有機廢氣加熱到預定溫度，以提高接觸催化劑前的有機廢氣的溫度。并且有機廢氣在催前空腔130自上而下的流速大幅降低后，不足以阻止較熱氣體的向上對流，所以催前空腔130內部除了有機廢氣整體的向下流動外，還有大量較熱氣體向上、較冷氣體向下的局部對流存在，這樣的對流過程可以有效加熱催前空腔130中的有機廢氣，從而提高接觸催化劑前的有機廢氣的溫度，使有機廢氣接觸到第一催化床150時的溫度升高到一預定溫度(該預定溫度在前文中已有描述，故不再贅述)，接近于催化后的氣體溫度，通常高于催化起燃溫度，使整個催化燃燒過程在催化效率較高的溫度下進行，更有利于有機廢氣的催化燃燒。進一步地實施例，為了進一步提高機廢氣催化燃燒的溫度，還可以設置一用于對進入到催前空腔的有機廢氣進行加熱的催前加熱區。具體可以采用是將催前加熱區的出口連接催前空腔的有機廢氣進口，并且，將催前加熱區的進口高度設置為低于催前空腔的高度，使得進入催前空腔之前的通道或腔體盡量低于催前空腔，這樣，不會導致熱氣倒灌。同時，為了保證有機廢氣的溫度達到催化起燃的溫度，還可以在催前加熱區設置電熱管或者燃氣加熱裝置等各種加熱裝置，用來對有機廢氣進行催前加熱，當催前空腔的熱電偶檢測到有機廢氣達到催化起燃溫度即可停止加熱。本發明實施中，所述第一催化床150的催化劑可以為固定式催化床，其載體優選為顆粒狀、蜂窩狀或絲團狀金屬或陶瓷。當采用蜂窩狀陶瓷催化劑時，所述第一催化床150可以包括多層催化劑，其中，在每一層催化劑產生的熱量的積聚作用下，整體向下的氣流使得下層的催化劑溫度高于上部，而局部對流又使得下層催化劑產生的熱量向上流動，所以各層催化劑的溫差減小，溫差較小將使得每一層催化劑都在較高但又不太高的溫度下工作，這種對流催化燃燒過程有利于提高催化燃燒效率，同時有利于防止下層的催化劑被過高溫度破壞。因為，若催化劑工作溫度過低的話，盡管其溫度高于催化起燃溫度，可以使有機廢氣發生燃燒反應，但是因為反應自由能不高，催化燃燒速度也不高，即催化燃燒效率不高。另外，偏低的催化劑工作溫度還可能造成催化劑活性中心被未燃燒沉積物堵塞，使催化劑暫時性中毒。若催化劑工作溫度過高的話，則有可能造成催化劑的損壞，這是因為每種催化劑的工作溫度都有相應的上限，接近或超過上限的工作溫度就可能造成相應催化劑的損壞，導致催化燃燒效率下降。所以，本發明中的對流式催化燃燒過程減小了催化劑的溫差，既提高了催化燃燒效率，又能防止催化劑工作溫度過高被損壞。在有機廢氣向下通過第一催化床150后，有機廢氣的絕大部分有機揮發物都已經燃燒成二氧化碳和水，氣體溫度也已經升高，但是根據有機廢氣的相對密度的高低，其燃燒后的情況也不同。
對于相對密度小于空氣的有機廢氣，例如只含或者大部分為甲烷的有機廢氣，其未燃燒的部分有機揮發物分子還有可能上升，反復多次接觸第一催化床150下層的催化齊U，所以需要設置一個較大體積的催后空腔，為殘余的有機廢氣提供更多的再次催化燃燒的機會，如圖2所示，所述催后空腔160設置在所述第一催化床150的下部，所述清潔廢氣出口 170設置在所述催后空腔160的底部，所述催前空腔130的水平截面積與第一催化床150的水平截面積的差值在預定范圍內，該預定范圍應當使催前空腔130的水平截面積略大于第一催化床150的水平截面積，或者至少能使催前空腔130的水平截面積與第一催化床150的水平截面積基本相等即可。當有機廢氣從催后空腔160的清潔廢氣出口 170排出后，催化燃燒過程結束，清潔廢氣可以向下進入到需要的換熱器中，或者直接排入到大氣中。作為本發明另一實施例，對于相對密度大于空氣的有機廢氣，例如含有甲酚和二甲苯的漆包線中產生的有機廢氣，其未燃燒的較重的有機揮發物是向下流動，所以不會再次與上部的第一催化床150接觸，為此，如圖3所示，本發明將第一催化床150下部的空腔設置為第一催中空腔180，該第一催中空腔180的側邊連通設置第二催中空腔190，第一催中空腔180和第二催中空腔190合稱為催中空腔。并在所述第二催中空腔190的上部設置有第二催化床191，所述第二催化床191與所述第一催化床150的水平截面積之差在所述預定范圍之內，所述催后空腔160設置在所述第二催化床191的上部，所述清潔廢氣出口 170設置在所述催后空腔160的頂部，所述第一催化床150與所述第二催化床191的底部齊平，所述第一催中空腔180與所述第二催中空腔190的底部齊平，所述第一催化床150的催化劑層數比所述第二催化床191的催化劑層數多廣3倍，所述催前空腔130與所述催后空腔160的頂部齊平。第一催中空腔180和第二催中空腔190的體積不必過大，否則催中空腔中會積聚過多較重的有機揮發物分子。其中，催后空腔160的高度應當適當增大，這樣經過第一催化床150的催化燃燒后，殘余的有機廢氣到達催中空腔，并經過第二催化床191再次燃燒后，進入到催后空腔160，殘余的有機廢氣再次減少。并且在催后空腔160中，由于流速較小，較重的有機揮發物分子還會有下沉的趨勢，下沉的有機揮發物分子還會多次接觸第二催化床的催化劑，多次接觸帶來多次燃燒，這將大大提高相對密度較大的有機廢氣的催化燃燒效率。在漆包線生產中，有機廢氣中既包含了易燃的溶劑揮發物，如二甲苯和甲酚等，還包含了不易燃的低分子油漆揮發物，如聚氨酯或聚酯等。二甲苯和甲酚之類的溶劑揮發物都是碳鏈小于10的碳氫化合物，氣態相對密度約為3. 5 4，且在催化劑作用下可直接燃燒，按以上方式可達到較好的凈化效果。對于聚氨酯或聚酯之類的油漆，交聯反應后本應成為漆包線表面的固態漆膜，但在高溫下有部分分子鏈較短的低分子油漆會轉變為氣態，隨溶劑進入催化燃燒室。低分子油漆揮發物的分子鏈雖然在油漆中相對較短，但比溶劑的碳鏈大得多，所以其氣態相對密度也大得多，且在催化劑作用下不能直接燃燒，只能逐步裂解到較小碳鏈后才能被催化燃燒，所以需要較高的溫度和較長的反應時間。在以上結構的催后空腔中，超重的低分子油漆揮發物很難到達清潔廢氣出口，可長時間停留在溫度較高的第二催化床附近，有較多機會被裂解成較短的碳鏈，并燃燒成二氧化碳和水。除漆包線外，類似這種情況的有機廢氣還很多，如汽車噴漆、家具噴漆、輪胎生產等。通常的做法是在有機廢氣進入催化燃燒前，先用噴淋等方法將有機廢氣中的不易燃物質洗掉，因而又帶來了污水處理的問題。如果有機廢氣中所含不易燃燒物質是可裂解并最終燃燒的碳氫化合物，采用以上結構可省掉噴淋程序，直接通過催化燃燒處理干凈。另外，由于清潔廢氣出口 170設置在催后空腔160的頂部，所以燃燒后清潔廢氣從該清潔廢氣出口 170排出，而較重的有機揮發物分子較少，排放氣體的污染程度進一步降低，從該清潔廢氣出口 170排出后，有機廢氣的催化燃燒過程全部結束，可以向下進入到換熱器，或者直接向上排入大氣中。須說明的是，上述的設計只是較優選的實例，并不代表對本發明的限制，若采用本發明的原理即設置一個較大的催后空腔使較重的有機揮發物分子與下面的第二催化床進行多次催化燃燒，同樣能夠實現本發明的目的。另外，第一催化床150的催化劑層數應該比第二催化床191的催化劑層數多廣3倍，以使總的催化劑層數達到空速比要求的總數。從上述催后空腔中排出的清潔廢氣，其含有大量的熱量，為了有效利用這些熱量，本發明可將對流式催化燃燒器應用在各種熱交換裝置中。具體來說，結合圖4和圖5所示，為本發明的對流式催化燃燒器具體應用實施例，即為空腔式換熱裝置較佳實施例，如圖4和圖5所示，其包括上述的對流式催化燃燒器及連接于該對流式催化燃燒器的空腔式換熱器200，所述空腔式換熱器200連接在所述對流式催化燃燒器的下方，所述空腔式換熱器包括至少一換熱空腔，每一換熱空腔包括一個放熱空腔220和一個吸熱空腔210(為方便說明，圖中僅標識處于頂部的放熱空腔220及吸熱空腔210，其他換熱空腔按相同方式設置)，每一換熱空腔中，放熱空腔220位于吸熱空腔210的下部，并且，放熱空腔220與吸熱空腔210之間通過導熱隔板230相隔，該導熱隔板230是作為主要換熱面，還可在該導熱隔板230上設置翅片化吸熱片和散熱片，放熱空腔220和吸熱空腔210的體積和截面積需要足夠大，使得氣體進入到換熱空腔后的流速大大小于通道內的流速，以使氣體能夠在換熱空腔內產生充分的對流。下面具體描述對流式催化燃燒器與空腔式換熱器是如何配合應用的具體實施例。如圖4和圖5所示，所述清潔廢氣出口 250連接處于頂部的放熱空腔220的進口，清潔廢氣從清潔廢氣出口 250進入到頂部的放熱空腔220的進口后，向下依次通過每一放熱空腔，從與底部的放熱空腔的出口連通的排廢煙囪排出，需加熱的氣體或液體從底部的吸熱空腔的進口進入，并向上依次通過每一吸熱空腔，從頂部的吸熱空腔210的出口通入到需使用的目的地，或者當需加熱對象是有機廢氣時，則直接將所述頂部的吸熱空腔210的出口連通對流式催化燃燒器的有機廢氣進口，以從所述有機廢氣進口進入到對流式催化燃燒器中進行催化燃燒。另外，放熱空腔220的出口應設置在該放熱空腔220的下部，并使放熱空腔220的進口遠離其出口，或者采用擋板將進口和出口隔開，以保證經過對流后較冷的放熱氣體最先離開放熱空腔220。吸熱空腔210的出口設置在該吸熱空腔210的上部，并使吸熱空腔210的出口遠離其進口，或者也可以采用擋板隔開進口與出口，保證經過對流后較熱的吸熱氣體最先離開吸熱空腔210，另外，所述吸熱空腔210的出口連通所述有機廢氣進口，所述放熱空腔220的進口連通所述清潔廢氣出口，氣體流向參見附圖4和圖5。當設置較多對換熱空腔時，每對換熱空腔從上至下依次設置，放熱氣體由最上層的放熱空腔220中進入，通過連接通道逐層流向最下部的放熱空腔，并由最下部的放熱空腔離開空腔式換熱器，吸熱氣體由最下部的吸熱空腔進入，通過連接通道逐層流向最上部的吸熱空腔210，并由最上部的吸熱空腔離開空腔式換熱器。而換熱空腔之間也設置導熱隔板，換熱空腔之間的導熱隔板的上部是上一層放熱空腔的放熱氣體，下部是下一層吸熱空腔的吸熱氣體，兩者的溫差較小，是次要換熱面，次要換熱面一般設置為簡單的導熱隔板即可，但也可以在該次要換熱面上設置翅片化吸熱片和散熱片。放熱空腔之間以及吸熱空腔之間，是通過連接通道來流通氣體的，連接通道的形式可以制作為多種形狀，例如在對放熱氣體和吸熱氣體形態要求不高時，可以在空腔式換熱器的正面設置放熱氣體流流通的連接通道，同時在空腔式換熱器的側面設置吸熱氣體流通用的連接通道，以避免通道交叉的情況。若本發明應用于漆包線中，由于這種情況要求空腔式換熱器輸出的新鮮空氣在扁平通道內分布均勻，同時要求用扁平通道均勻地抽取催后氣體，此時可將空腔式換熱器的連接通道設置為間隔均勻的正交通道。另外，所有連接通道的橫截面應足夠大，以免流通阻力過大，連接通道與換熱空腔之間的隔板，以及連接通道與連接通道之間的隔板，都可以作為輔助換熱面，同樣具有換熱功能，這樣，在使用同樣的材料和熱交換面積的情況下，能達到最好的熱交換效果，并保留了進一步利用放熱氣體余熱的條件。本發明中，前述的放熱氣體是指所含熱量被利用后，最終要排向大氣的廢氣，對于催化燃燒來說，就是指大部分有機揮發物已經燃燒，所含氧氣大大減少，并且還含有較多的二氧化碳和水，無法再進入到工序的低污染廢氣，例如催化燃燒后的清潔廢氣。前述的吸熱氣體是指工序中需要使用的，并且在使用前需要加熱的氣體，可以是含有有機揮發物的有機廢氣，也可以是工序中需要的新鮮空氣或者其他氣體。另外通過空腔式換熱器的吸熱氣體的種類還可以超過一種，如果多種吸熱氣體要求的溫度都要求較高時，流量將受到限制，此時，可以采用并聯的方式來分享吸熱空腔，當多種吸熱氣體要求的溫度差異較大時，則可以通過串聯的方式來分享不同溫度的放熱氣體放出的熱量，即分級換熱。在分級換熱中，溫度要求較高的吸熱氣體，或者溫度要求相同且較重要的吸熱氣體，通過靠近上層的吸熱空腔來吸熱。吸熱氣體的流量保持固定時，此時不能控制其通過空腔式換熱器的溫度，所以需要通過補充加熱的方式來保證吸熱氣體達到需要的溫度，而吸熱氣體的流量可以改變時，則可以加大吸熱氣體的流量來降低其溫度，或者通過減小吸熱氣體的流量來提升溫度，即通過控制吸熱氣體的流量來控制吸熱氣體吸熱后的溫度。當然，實際應用時，不僅僅是氣體需要熱量，其他形式的流體也有可能需要熱量，例如液體，比如生活熱水或者蒸汽等，此時可以按照同樣的原則來使用空腔式換熱器，如圖6所示，有機廢氣從有機廢氣進口 340進入，經過對流式催化燃燒器的催化燃燒后生成清潔廢氣，清潔廢氣由最下一層的放熱空腔的清潔廢氣出口 310排出，冷水則由最下一層吸熱空腔底部的需加熱氣液體進口 320進入，加熱后的熱水由最上一層吸熱空腔頂部的需加熱氣液體出口 330流出，較大的空腔體積儲存了相當多的熱水，催化燃燒的連續運轉可保證連續的熱水供應，只不過熱水的溫度將與熱水的流量成反比，對熱水溫度要求較高時還應設置獨立的熱水保溫罐或進行后續加熱處理。本發明中的空腔熱換器與其他一些串聯的換熱器相比，其流體阻力不大，也沒有流體流量受限的問題，當本發明的熱換器體積受限時，則可以不使用空腔式換熱器，而直接對現有的板式、板翅式、或者板殼式的換熱器進行結構改造，以達到較好的換熱效果。當有機廢氣濃度較低或不穩定時，可通過吸附解附工藝提高有機廢氣濃度，為催化燃燒創造有利條件。使用大腔體式熱交換器加熱新鮮空氣，加熱后的新鮮空氣再用作解附熱氣流，解附到濃縮的有機廢氣后再進入空腔式換熱器，然后進入對流式催化燃燒工序。如附圖7所示，有機廢氣從有機廢氣進口 440通入，同時熱新鮮空氣從熱新鮮空氣進口 460進入后，經過了空腔式換熱器和解附電熱管420的加熱，先通入回轉式吸附濃縮器410的解附通道，解附到濃縮的有機廢氣后再進入空腔式換熱器，然后進入催前空腔，最后從清潔廢氣出口 470排出，新鮮空氣還從清潔廢氣出口 450排出。解附通道及其連接通道都設置有保溫層，解附電熱管420的加熱控制目標是保證解附熱電偶430測得的溫度達到最佳解附溫度。解附到的濃縮有機廢氣再進入空腔式換熱器加熱后，還是可以通過催前電熱管補充加熱，使催前溫度達到催化起燃溫度。當需要吸附的有機廢氣濃度較低時，用于解附的熱新鮮空氣流量應當小于需要吸附的有機廢氣流量，使解附后的有機廢氣濃度處于較高但不高于起爆點的濃度水平。當需要吸附的有機廢氣濃度或流量不穩定時，與回轉式吸附濃縮器配合，用于解附的熱新鮮空氣流量應當采用變頻調速風機來控制。當需要吸附的有機廢氣濃度或流量偏低時，回轉式吸附濃縮器410的回轉周期加長，同時降低熱新鮮空氣流量，使催化燃燒處于低速運行狀態。當需要吸附的有機廢氣濃度或流量偏高時，回轉式吸附濃縮器的回轉周期縮短，同時提高熱新鮮空氣流量，使催化燃燒處于高速運行狀態。如此，可最大限度地使催化燃燒處于自熱運行狀態，減少有機廢氣發熱量不足時的能量消耗，進一步減小環保技術應用的阻力。如圖8所示，圖8為本發明對流式催化燃燒器在熱交換漆包機中應用的結構示意圖，有機廢氣從左側的有機廢氣進口 510通入，直接進入到對流式催化燃燒器中進行催化燃燒，生成的清潔廢氣通過多個放熱空腔的放熱，最后從右側的清潔廢氣出520 口向上排出，而新鮮空氣則從右側的冷新鮮空氣進口 530進入到空腔式換熱器的吸熱空腔，經過電熱管的加熱后從熱新鮮空氣出口 540排出，通往爐膛。對于起始溫度較高的有機廢氣，如漆包機內的有機廢氣，即使其溫度略低于催化起燃溫度，因對流式催化燃燒的對流加熱作用，可以不設置換熱器來加熱有機廢氣。此時，催化后氣體的熱量可用于其它目的，對于漆包機來說，首先就是用來加熱新鮮空氣供應爐膛，減少預熱新鮮空氣的能耗。如附圖8所示，熱交換漆包機的催化后氣體全部進入空腔式換熱器，加熱新鮮空氣后排出。在空腔式換熱器中加熱了的新鮮空氣，經過電熱管補充加熱到所需溫度后，通往爐膛使用。此時新鮮空氣的流量接近于有機廢氣流量，使爐膛內氣體流量接近于平衡，減少爐口進入冷空氣的流量。如圖9所示，圖9為本發明對流式催化燃燒器在熱風循環漆包機中應用的結構示意圖，與熱交換漆包機不同的是，熱風循環漆包機的催化后氣體一部分被循環風機抽回爐膛，剩余的才通過空腔式換熱器排出，如圖9所示，對流式催化燃燒器設置在空腔式換熱器的左側(較佳實施例)，有機廢氣從空腔式換熱器的有機廢氣進口 610進入后，通過空腔式換熱器進入到對流式催化燃燒器中進行催化燃燒，催化燃燒后生成的清潔廢氣一部分從循環熱風出口 630被循環風機抽回爐膛，而剩余的一部分通過空腔式換熱器從清潔廢氣出口620排出。此時有機廢氣流量等于循環熱風流量與排出廢氣流量之和。通常熱風循環漆包機不需要熱新鮮空氣，空腔式換熱器還是用于加熱有機廢氣，所以參與熱交換的放熱氣體流量小于吸熱氣體流量。流量較小的放熱氣體在空腔式換熱器中停留的時間較長，從空腔式換熱器底部排出時的溫度，更接近于由底部通入的有機廢氣溫度，可更好地利用其余熱。而經過熱交換的有機廢氣溫度將更高，更高的催前溫度有利于提高催后溫度，從而彌補較大流量的循環風量帶來的有機廢氣濃度降低，及其導致的催化燃燒溫升偏低問題。如圖10所示，圖10為本發明對流式催化燃燒器在立式漆包機中應用的結構示意圖，立式漆包機的最佳設計也是一種熱風循環漆包機，所不同的只是擺放位置不同。因為立式漆包機高度方向空間限制較少，故而將對流式催化燃燒器設置在頂部，依次向下設置催前加熱區和空腔式換熱器。有機廢氣從空腔式換熱器的有機廢氣進口 710進入，通過空腔式換熱器，再經過催前加熱區的催前加熱，最后進入到對流式催化燃燒器中進行催化燃燒生成清潔廢氣，其中，一部分的清潔廢氣從循環熱風出口 730被循環風機抽回爐膛，而剩余的清潔廢氣則向下通入到空腔式換熱器中，從下部的清潔廢氣出口 720排出。由于立式漆包機的催前加熱功率要求比較大，催前空腔的體積可能不足以安裝足夠多的電熱管，所以需要專門設置催前加熱區，催前加熱區和催前空腔可同時安裝電熱管。這樣的排列方式最有利于將熱量保留在漆包機內，同時還提供了很好的可控性。在以上所述的臥式和立式漆包烘爐中，當總體熱量較少時，可適當減少排廢流量，加大循環熱風的比例，減少能耗。此時相應的有機廢氣濃度通常較低，循環熱風的含氧量降低幅度不大，不會過分影響催化燃燒效果。當有機廢氣濃度較高，造成總體熱量較多時，可以加大排廢流量，減少循環熱風的比例，使各工藝溫度降低到需要的水平。此時加熱能耗可接近于零，且大流量的新鮮空氣可保證催化燃燒所需氧氣。如圖11所示，其為本發明對流式催化燃燒器在燃氣輪機中應用的結構示意圖。催化燃燒產生的催后氣體溫度一般在600度左右，是非常好的燃氣輪機發電熱源。對于燃燒余熱沒有特別用途，且余熱產生量較為充足的情況，比如污水處理站的沼氣、煤礦的瓦斯、燃料電池的尾氣等場合，可以配合燃氣輪發電機進行發電。如圖11所示，首先，將有機廢氣從有機廢氣進口 810通入后，利用燃氣輪機的壓氣機820將有機廢氣加壓；然后，將加壓后的有機廢氣通入空腔式換熱器的吸熱空腔進行加熱，此時有機廢氣的壓力和溫度都有所升高。然后，將加壓加熱后的有機廢氣通入對流式催化燃燒器中進行催化燃燒，此時有機廢氣中的有機物轉化為二氧化碳和水，有機廢氣變為清潔廢氣，清潔廢氣的壓力和溫度都被大幅升高。高溫高壓的清潔廢氣進入燃氣輪機的渦輪830，驅動燃氣輪機的發電機850運轉并發電。在燃氣輪機中釋放了壓力的清潔廢氣再通入空腔式換熱器的放熱空腔，用于加熱加壓后的有機廢氣。最后，已將大部分熱量轉遞給加壓后的有機廢氣的清潔廢氣溫度已經不高，有機物含量也很低，可以直接從底部放熱空腔的清潔廢氣出口 840排放至大氣中，也可以再用于加熱生活熱水后再排放。綜上所述，本發明利用了催化燃燒前后氣體在催化床附近的交匯點，制造了催化前后氣體的直接對流換熱，大大提高了催化前氣體的溫度，減小了上層催化劑和下層催化劑的工作溫差，改善了全部催化劑的工作狀態，提高了催化燃燒效率，并延長了催化劑壽命，大大優于已有的催化燃燒設備結構。同時，本發明針對不同相對密度的有機廢氣，提出了一次催化與二次催化的結構和方法，有效地提高了有機廢氣被催化燃燒的幾率，進一步地提高了催化燃燒凈化率，減少了廢氣對大氣的污染。此外，本發明利用氣體的對流特性提出了空腔式換熱器和對其他換熱器結構的改進方法，提高了換熱效率，還為廢氣余熱的多級徹底利用提供了渠道。最后，在幾種應用案例中具體說明了應用原則和方法，使催化燃燒技術在現有的應用領域達到更好的效果，同時還可大幅降低其自熱運行的閥值，使得原來運行成本較高的工況可以大幅降低運行成本，甚至帶來額外收益，減小企業采用環保技術的阻力，推動了環保事業發展。應當理解的是，本發明的應用不限于上述的舉例，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，所有這些改進和變換都應屬于本發明所附權利要求的保護范圍。
權利要求
1.一種對流式催化燃燒方法，用于對有機廢氣進行催化燃燒，其特征在于，包括步驟 A、將有機廢氣從有機廢氣進口通入到設置在催化床上部的催前空腔上部，并通過所述催前空腔將有機廢氣向下的流速緩沖到預定速度； B、將從有機廢氣進口通入的有機廢氣，與催化床中燃燒后的向上流動的高溫氣體在所述催前空腔中進行對流加熱，以將接觸催化劑前的有機廢氣加熱到預定溫度，以及將催化床上部的低溫氣體與催化床下部的高溫氣體在催化床的層間間隔及孔隙中進行對流加熱，以減小化床上部與下部的溫差； C、控制將加熱后的有機廢氣向下穿過催化床進行催化燃燒后從清潔廢氣出口排出。
2.一種對流式催化燃燒器，用于對有機廢氣進行催化燃燒，其特征在于，所述對流式催化燃燒器包括一燃燒器本體，在所述燃燒器本體上設有用于對有機廢氣進行催化燃燒的催化床，在所述催化床的上部設置有用于使有機廢氣向下的流速緩沖到預定速度的催前空腔，所述催前空腔的頂部設置有用于通入有機廢氣的有機廢氣進口 ；所述催前空腔還用于將從有機廢氣進口通入的有機廢氣，與催化床中燃燒后的向上流動的高溫氣體在所述催前空腔中進行對流加熱，用于將接觸催化劑前的有機廢氣加熱到預定溫度；催化床上部的低溫氣體與催化床下部的高溫氣體在催化床的層間間隔及孔隙中進行對流加熱，以減小催化床上部與下部的溫差，所述燃燒器本體上還設置有用于排出向下穿過催化床進行催化燃燒后生成的清潔廢氣。
3.根據權利要求2所述的對流式催化燃燒器，其特征在于，所述催化床為固定式催化床，所述固定式催化床的催化劑載體為顆粒狀、蜂窩狀或絲團狀金屬或陶瓷。
4.根據權利要求2所述的對流式催化燃燒器，其特征在于，在所述催前空腔的中部或者在有機廢氣進口之前設置有用于將有機廢氣加熱到預定溫度的催前電熱管或燃氣加熱>j-U ρ α裝直。
5.根據權利要求4所述的對流式催化燃燒器，其特征在于，在所述催前空腔的下部設置有用于檢測接觸催化劑前的有機廢氣溫度的催前熱電偶。
6.根據權利要求2所述的對流式催化燃燒器，其特征在于，所述催前空腔的高度大于其水平橫截面的短邊寬度，所述催前空腔的水平截面積與催化床的水平截面積的差值在預定范圍內。
7.根據權利要求6所述的對流式催化燃燒器，其特征在于，所述催化床下部設置有一催后空腔，所述清潔廢氣出口設置在所述催后空腔的底部。
8.根據權利要求6所述的對流式催化燃燒器，其特征在于，所述催化床下部設置有第一催中空腔，所述第一催中空腔的側邊連通設置有第二催中空腔，所述第二催中空腔的上部設置有水平截面積與催化床水平截面積的差值在所述預定范圍內的第二催化床，所述第二催化床的上部設置有催后空腔，所述清潔廢氣出口設置在所述催后空腔的頂部。
9.一種如權利要求2所述的對流式催化燃燒器的應用，其特征在于，采用清潔廢氣出口排出的清潔廢氣對需加熱的氣體或液體進行加熱，在進行加熱時，采用空腔式換熱器進行換熱，所述空腔式換熱器包括至少一對換熱空腔，每一對換熱空腔包括一放熱空腔及設置在所述放熱空腔上部的吸熱空腔，所述放熱空腔與吸熱空腔之間設置有用于熱交換的導熱隔板。
10.根據權利要求9所述的對流式催化燃燒器的應用，其特征在于，空腔式換熱器包括多對換熱空腔時，所述多對換熱空腔從上至下依次排列，每一放熱空腔與其相鄰的吸熱空腔之間設置有用于熱交換的導熱隔板，所述清潔廢氣出口連接處于頂部的放熱空腔的進口，清潔廢氣從清潔廢氣出口進入到頂部的放熱空腔的進口后，向下依次通過每一放熱空腔，從與底部的放熱空腔的出口連通的排廢煙囪排出，需加熱的氣體或液體從底部的吸熱空腔的進口進入，并向上依次通過每一吸熱空腔，從頂部的吸熱空腔的出口通入到需使用的目的地，或者當需加熱對象是有機廢氣時，則直接將所述頂部的吸熱空腔的出口連通有機廢氣進口，以從所述有機廢氣進口進入到對流式催化燃燒器中，其中，每一吸熱空腔的出口設置在相應的吸熱空腔的頂部，每一放熱空腔的出口設置在相應的放熱空腔的底部，每一吸熱空腔的進口與出口、 每一放熱空腔的進口與出口都相隔預定距離。
全文摘要
本發明公開一種對流式催化燃燒方法、燃燒器及其應用，其中，所述對流式催化燃燒器包括一燃燒器本體，在所述燃燒器本體上設置有一用于通入有機廢氣的有機廢氣進口以及用于排出清潔廢氣的清潔廢氣出口，在所述有機廢氣進口與清潔廢氣出口之間依次設置有催前空腔、第一催化床以及催后空腔。本發明的應用范圍廣，提高了換熱效率，節約了能源，降低了成本，具有實用性強的特點。
文檔編號F23G7/07GK103062779SQ201310014050
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月15日 優先權日2013年1月15日
發明者周開勇 申請人:周開勇