[发明专利]一种极低污染物排放的催化无焰燃烧装置及燃烧方法

说明书

本发明涉及一种燃烧装置，特别是关于一种极低污染物排放的催化无焰燃烧装置。包括燃料和助燃气进口，气体预混器，燃烧板及点火器，气体导流器，无焰燃烧腔及填充于其中的催化剂，集气室及排气口。本发明描述了一种用于起动极低污染物排放的催化无焰燃烧装置的方法，其包括初始利用小功率火焰燃烧加热无焰燃烧腔及填充于其中的催化剂，然后增大流速切换为大功率催化无焰燃烧。本发明催化无焰燃烧装置可用于各种非固体燃料燃烧取热过程，有益效果是：燃料完全燃烧，燃烧尾气中碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物的排放量都低于1ppm，具备高效、节能、环保、安全、结构简单、燃烧稳定性好等特点。

技术领域

本发明涉及一种燃料燃烧装置及燃烧方法，特别是关于一种极低氮氧化物排放的燃料无焰燃烧装置及燃烧方法。

背景技术

近年来，大气污染成为我国主要的环境问题之一。大气污染物主要来源于各种化石燃料的燃烧。相比于燃煤和燃油，天然气燃烧过程产生的粉尘、二氧化硫等污染物显著降低，是更为清洁的燃料，但一氧化碳(CO)，碳氢化合物(HC)和氮氧化物(NOx)的排放量仍在同一个量级。以北京市为例，现有燃气锅炉配置的都是传统燃烧机，根据有关部门抽样调查的结果，其中85％以上的燃气锅炉NOx值在150毫克/立方米以上。面对严峻的大气污染防治形势，我国环保法规对这些污染物的排放标准要求也越来越高，如2015年出台了《北京市锅炉大气污染污染物排放标准》 (DB11/139-2015)，要求到2017年4月1日，北京地区新建燃气锅炉氮氧化物排放浓度要降至30毫克/立方米以下，现有燃气锅炉要降低至80毫克 /立方米以下。目前一般采用改进燃烧技术减少污染物生成或通过尾气净化技术消除产生的污染物。CO和HC可通过增加空气与燃料的比例形成贫燃燃烧而大幅降低，也可通过在尾气中加装氧化催化剂实现氧化消除。但目前低NOx排放燃烧技术仍不能满足排放法规要求，需要加装尿素或者氨法催化选择还原脱硝装置，成本高，覆盖率低，大量分布式或小型的燃烧器仍需在燃烧技术上寻求突破。

燃烧根据有无可见火焰可分为两类：火焰燃烧和无焰燃烧。火焰燃烧实质上是燃气在自由基参与下发生的氧化反应，这种燃烧方式天然的具有如下两方面问题：1)燃烧不完全会产生甲醛，一氧化碳(CO)等有毒有害气体，且燃料利用率低；2)高温富氧条件下燃烧会导致热力型NOx的大量生成。火焰燃烧技术主要有传统扩散燃烧技术、分级燃烧技术(又称浓淡燃烧技术)、烟气再循环技术、贫燃预混燃烧技术等。传统扩散燃烧会产生明显的火焰面，温度太高，会产生大量NOx，温度梯度大，燃烧不均匀，不完全燃烧产物多；分级燃烧分为燃料分级和空气分级，形成温度较低的浓淡火焰面，可降低NOx生成，温度梯度小，不完全燃烧产物少；烟气再循环是将外部烟气或内部烟气重新进入燃烧区域，利用烟气吸热并降低氧浓度，使燃烧速度和炉内温度降低从而降低NOx生成，但过量烟气使得排烟热损失增大；贫燃预混燃烧是将大量空气与少量燃气在点燃之前在分子层面完全混合，并组织旋流燃烧过程，火焰温度相对较低，NOx生成量小，由于氧气充足且燃料与氧气混合均匀，碳烟和CO生成量较小，但存在排烟热损失和风机能耗过大的问题。无焰燃烧包含催化燃烧技术和高温空气燃烧技术。催化燃烧指在燃烧器入口处添加催化剂，使燃料分子和氧化剂分子在催化剂表面进行反应，常用于低于燃料点火浓度情况下可燃物的燃烧净化过程，而非高浓度燃气燃烧取热；高温空气燃烧是指通过预热空气使反应物超过自燃温度，燃烧反应弥散在一个宽广的区域，无局部高温区，因此NOx排放低。

目前催化燃烧器普遍采用顺流式结构，即燃料气与助燃气流经催化剂层时发生催化燃烧反应，然后流过催化剂层后不再返回；高温空气燃烧技术采用的无焰燃烧器也都采用顺流式结构，高温预混气在一个宽广的中空的燃烧腔内自燃，燃烧后气体顺流排出。这种顺流式结构往往导致气体分子横向扩散受限于气体预混程度以及气体流速，燃烧产物中仍存在较高浓度的各种污染物。

当前不同功率的燃烧器通常是应用其中的一种技术，降氮效果有限，不能满足日益严格的环保标准要求，且常伴随CO排放增加和热效率降低。

发明内容