带有换热系统的无焰燃烧器或无焰燃烧器组及应用

1.本发明涉及燃料燃烧器技术领域，尤其涉及催化燃烧技术领域。


背景技术：

2.燃烧根据有无可见火焰可分为两类：火焰燃烧和无焰燃烧。火焰燃烧有两大致命的缺点：(1)火焰燃烧是燃烧物质在自由基参与下的氧化反应，涉及到自由基(特别是氧自由基)的气相引发，不可避免地生成部分电子激发态产物，以可见光的形式释放能量，这部分能量无法利用而损失掉，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)自由基的气相引发使空气中的氮气参与燃烧反应而形成毒性污染物nox，低的燃烧效率产生可观的未完全燃烧的hc和co，排入大气会造成环境污染。
3.传统的燃烧器大多采用火焰燃烧的方式，这种方式即存在上述问题，造成气体燃料燃烧不完全、热效率低、燃料利用率低、co排放浓度高等问题。
4.相对于火焰燃烧，无焰燃烧可以让燃烧更加均匀稳定地进行，无局部高温，因此氮氧化物生成量极低。无焰燃烧包括高温空气无焰燃烧和催化无焰燃烧。高温空气燃烧利用高温空气加热燃气使其超过自燃温度，进而使无焰燃烧在一个相对宽广的区域发生，避免局部高温并有效降低nox排放。
5.解决火焰燃烧的低效和高排放的有效途径之一是催化燃烧，具有燃烧效率高(co和未完全燃烧的hc排放低)、燃烧温度低(<1200℃，因此nox排放低)、燃烧过程稳定可控(通过控制催化反应)等优点。催化燃烧是低碳烃在催化剂表面进行的氧化反应，是一种以无焰燃烧为主的燃烧方式。催化燃烧技术应用的关键是设计、研究和开发出高效催化燃烧器。
6.目前在燃气热水器和燃气锅炉等设备中使用的催化燃烧技术大致有以下两种：(1)用于热水器和锅炉的烟气处理，如专利号为n201820346415.8、名称为一种燃气锅炉系统的中国专利，烟气排出口处设有催化反应器，可除去燃气锅炉产生的烟气中的no；专利号为cn201810326008.5、名称为一种燃气锅炉氮氧化物高效控制装置及方法的中国专利，锅炉本体的烟气出口管道与催化反应装置连通，对烟气进行处理；如专利号为cn201711223180.x、名称为：催化反应装置和燃气热水器的中国专利，通过在壳体内设置催化反应装置(催化反应装置为在陶瓷基体上设置催化剂)，降低燃烧烟气中一氧化碳的含量。(2)通过催化燃烧器产生热量进行加热，如专利号为kr1020010058836a、名称为的韩国专利，燃烧单元通过金属纤维和载体上设有催化剂实现气相燃烧反应和催化化学反应；专利号为jp09254970、名称为
コンバインド
発電
プラント
的日本专利，在锅炉的炉体内设置催化燃烧装置实现催化燃烧；如专利号为201711005587.5、名称为燃气热水器以及专利号为201711018017.x、名称为燃气热水器的中国专利，在热水器壳体内设置预热燃烧器和催化燃烧器。
7.上述用于锅炉或热水器的催化燃烧装置，其催化剂安装于载体上或安装于炉体和热水器的壳体内，结构复杂、灵活性差；另外，由于催化剂在燃烧过程中产生高温，从而影响了催化剂的稳定性及使用寿命。


技术实现要素：

8.为了解决现有锅炉或热水器使用的催化燃烧装置存在的上述问题，本发明提供了一种带有换热系统的无焰燃烧器。
9.本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：带有换热系统的无焰燃烧器，由换热机构和催化器构成，换热机构为由金属管件构成的内部连通的框架式结构，换热机构上安装催化器，换热机构和催化器构成一个中空的燃烧器，换热机构一端设有燃气与助燃气混合气的气体入口，换热机构设有换热介质入口和换热介质出口；催化器为多孔催化剂结构。
10.所述催化器包裹式密封安装于换热机构框架孔内，或催化器支撑式安装于换热机构框架上。
11.所述换热机构为由金属管件构成的中空的柱形或筒形结构，柱形或筒形结构除气体入口2一侧面外各面均安装催化器。
12.包括一个或一个以上由换热机构和催化器构成的燃烧器，一个以上由换热机构和催化器构成的燃烧器嵌套式安装，燃烧器一端设有共同的气体入口。
13.所述换热介质为水或导热油。
14.带有换热系统的无焰燃烧器，其为中空的密闭腔体，其部分或全部外壁面采用催化器、或换热机构和催化器构成，于密闭腔体的外壁面上设有燃气与助燃气混合气的气体入口；
15.催化器为1个或2个以上的块状或板状的多孔催化剂结构；换热机构为2个以上的金属管件内部连通的框架式结构，构成一金属管换热器，2个以上的金属管件间相互连通，于金属管换热器上设有换热介质入口和换热介质出口；
16.每个块状或板状的多孔催化剂的上面、下面、左面、右面、前面、后面的六个面中至少有二个面上设有与多孔催化剂相贴接的金属管件。
17.无焰燃烧器为中空密闭的长方形筒体，其一侧端面由带有通孔的端板构成的进气端面，通孔作为气体入口，其余5个端面均由金属管件围成的框架及位于金属管框架内的多孔催化剂构成，金属管件和多孔催化剂位于筒体的外壁面上，所述金属管框架中的金属管间相互连通，构成换热机构，于换热机构上设有换热介质入口和换热介质出口；
18.或，无焰燃烧器为中空密闭的圆筒，其一底面由带有通孔的端板构成的进气端面，通孔作为气体入口，另一个底面和侧壁面均由金属管件围成的框架及位于金属管框架内的多孔催化剂构成，金属管件和多孔催化剂位于筒体的另一个底面和侧壁面上；所述金属管框架中的金属管间相互连通，构成换热机构，于换热机构上设有换热介质入口和换热介质出口。
19.长方形筒体的无焰燃烧器，除进气端面之外的其余5个端面的外壁面均是由金属管件围绕成的长方形，长方形内部设有1个或2个以上的块状或板状的多孔催化剂；当设有2个以上的多孔催化剂时，相邻多孔催化剂由1个金属管件间隔；
20.或，圆筒无焰燃烧器，另一个底面金属管件围绕成的圆形，圆形内部设有1个或2个以上的块状或板状的多孔催化剂；当设有2个以上的多孔催化剂时，相邻多孔催化剂由1个金属管件间隔；侧壁面由2个以上的块状或板状的多孔催化剂和2个以上的金属管件依次间隔而成；所述金属管框架中的金属管间相互连通，构成换热机构，于换热机构上设有换热介
质入口和换热介质出口。
21.无焰燃烧器为中空密闭的筒体，
22.所述筒体的外壁面上开设有与筒体内部连通的气体入口，于筒体的外壁面上开设有2个以上的通孔，于通孔处填充有用于密封通孔区域的多孔催化剂、或多孔催化剂和金属管件，通孔面积之和为筒体外表面的80％以上；
23.所述催化剂包裹式密封安装于金属管件围成的框架孔内，或催化剂支撑式安装于金属管件围成的框架上。
24.多孔催化剂为块状或板状多孔整体催化剂或填充于中空容器内的颗粒催化剂，且无焰燃烧器腔体内和腔体外的容器壁面上开设有气体通孔；
25.金属管件为方形或圆形金属管，金属管件的中轴线与多孔催化剂的板体表面平行；金属管件垂直板体表面的宽度或直径与多孔催化剂板体的厚度相当。
26.所述金属管换热器内装填有水或导热油作为换热介质。
27.一种带有换热系统的无焰燃烧器组，所述的无焰燃烧器为无焰燃烧器套组，是由2个以上所述无焰燃烧器从内至外依次相互嵌套构成；从内至外相邻气体入口依次串连；不同所述无焰燃烧器的金属管换热器间依次串联或并联或串并混联。
28.所述的无焰燃烧器为无焰燃烧器套组，是由2个所述无焰燃烧器相互嵌套构成；即一个所述无焰燃烧器置于另一个所述无焰燃烧器的腔体内；从内至外相邻气体入口依次串连；2个所述无焰燃烧器间依次串联。
29.所述无焰燃烧器或无焰燃烧器组在燃气热水器或燃气锅炉中的应用。
30.所述无焰燃烧器或无焰燃烧器组置于燃气热水器或燃气锅炉中，首先自气体入口通入高温气体，将催化器加热到红热或600摄氏度以上，然后将高温气体切换为燃气热水器或燃气锅炉的燃气和助燃气的混合气开始进行催化无焰燃烧，加热燃气热水器或燃气锅炉。
31.本发明的带有换热系统的无焰燃烧器，通过在换热金属管件上安装催化器来构成燃烧器，使催化剂在无焰燃烧过程中通过换热降低温度，对催化剂进行保护，延长了催化剂的使用寿命；将该无焰燃烧器与风机组成燃烧机，结构简单、灵活性强；可以与锅炉或热水器组装使用，二者的换热机构可采用并联或者串联结构，易于安装，产热量高。
附图说明
32.图1是本发明实施例一包裹式结构的带有换热系统的无焰燃烧器主视结构图。
33.图2是本发明实施例一包裹式结构的带有换热系统的无焰燃烧器左视结构图。
34.图3是本发明实施例一包裹式结构的带有换热系统的无焰燃烧器右视结构图。
35.图4是本发明实施例二支撑式结构的带有换热系统的无焰燃烧器主视结构图。
36.图5是本发明实施例二支撑式结构的带有换热系统的无焰燃烧器左视结构图。
37.图6是本发明实施例二支撑式结构的带有换热系统的无焰燃烧器右视结构图。
38.图7是本发明实施例三包裹式结构的带有换热系统的双层无焰燃烧器主视结构图。
39.图8是本发明实施例三包裹式结构的带有换热系统的双层无焰燃烧器左视结构图。
40.图9是本发明实施例三包裹式结构的带有换热系统的双层无焰燃烧器右视结构图。
41.图10是本发明带有换热系统的无焰燃烧器与锅炉组装主视结构图。
42.图中：1、换热介质入口，2、混合气体入口，3、换热介质出口，4、催化器，5、换热机构，6、风机，7、控制器，8、点火器，9、燃气喷头，10、布风器，11、排烟管路，12、锅炉，13、锅炉换热器，14、锅炉换热器换热介质入口，15、锅炉换热器换热介质出口，16、比例阀。
具体实施方式
43.实施例一，带换热系统的单层包裹式无焰燃烧器结构如图1-3所示，由换热机构5和催化器4构成，换热机构5为由金属管件构成的内部连通的框架式结构，催化器4包裹式密封安装于换热机构5框架孔内，换热机构5和催化器4构成一个中空的燃烧器，换热机构5一端设有燃气与助燃气混合气的气体入口2，换热机构5设有换热介质入口1和换热介质出口3；催化器4为多孔催化剂结构。换热机构5为由金属管件构成的中空的柱形或筒形结构，柱形或筒形结构除气体入口2一侧面外各面均安装催化器4。换热介质为水或导热油等介质。
44.具体结构为：
45.无焰燃烧器为中空密闭的长方形筒体，其一侧端面由带有通孔的端板构成的进气端面，通孔作为气体入口2，其余5个端面均由金属管件围成的框架及位于金属管框架内的多孔催化剂构成，金属管件和多孔催化剂位于筒体的外壁面上，所述金属管框架中的金属管间相互连通，构成换热机构5，于换热机构5上设有换热介质入口1和换热介质出口3。长方形筒体的无焰燃烧器，除进气端面之外的其余5个端面的外壁面均是由金属管件围绕成的长方形，长方形内部设有2个平板状的多孔整体催化剂；相邻多孔催化剂由1个金属管件间隔。
46.实施例二，带换热系统的单层支撑式无焰燃烧器结构如图4-6所示，由换热机构5和催化器4构成，换热机构5为由金属管件构成的内部连通的框架式结构，催化器4支撑式安装于换热机构5框架上，换热机构5和催化器4构成一个中空的燃烧器，换热机构5一端设有燃气与助燃气混合气的气体入口2，换热机构5设有换热介质入口1和换热介质出口3；催化器4为多孔催化剂结构。换热机构5为由金属管件构成的中空的筒体结构，筒体结构除气体入口2一侧面外各面均安装催化器4。换热介质为水或导热油等介质。
47.具体结构为：
48.无焰燃烧器为中空密闭的长方形筒体，其一侧端面由带有通孔的端板构成的进气端面，通孔作为气体入口2，除进气端面之外的其余5个端面为金属壁面，金属壁面上开孔安装催化器4，四个侧面上每个侧面设有2个平板状的多孔整体催化剂，2个相邻多孔催化剂由金属壁面间隔。底面设有1个平板状的多孔整体催化剂，换热机构5为相互连通金属管件围成的上下两层结构，将催化器4夹持在上下两层金属管件之间，内层金属管件支撑平板状的多孔整体催化剂的边缘，外层金属管件夹持于平板状的多孔整体催化剂中间部位，于换热机构5上设有换热介质入口1和换热介质出口3。
49.实施例三，带换热系统的双层支撑式无焰燃烧器结构如图7-9所示，包括两个由换热机构5和催化器4构成的燃烧器，两个燃烧器嵌套式安装，燃烧器一端设有共同的气体入口2，换热机构5为由金属管件构成的内部连通的框架式结构，催化器4包裹式密封安装于换
热机构5框架孔内，换热机构5和催化器4构成一个中空的燃烧器，两层燃烧器的换热机构5之间为联通的或独立的结构，若两层换热机构5为联通结构，则公用一个换热介质入口1和一个换热介质出口3，若两层换热机构5位独立结构，则各层换热机构5分别设有换热介质入口1和换热介质出口3。
50.具体结构为：
51.无焰燃烧器为中空密闭的两个长方形筒体共用一个端面嵌套在一起，在该端面上设置通孔作为气体入口2，内、外长方体的其余5个端面外部均由金属管件围成的框架及位于金属管框架内的多孔催化剂构成，金属管件和多孔催化剂位于筒体的外壁面上，所述内外两层金属管框架中的金属管间相互连通，构成换热机构5，于换热机构5上设有换热介质入口1和换热介质出口3。内层长方形筒体上除进气端面之外的其余5个端面的外壁面均是由金属管件围绕成的长方形，长方形内部设有2个平板状的多孔整体催化剂；相邻多孔催化剂由1个金属管件间隔。外层长方体筒体的4个侧面上每个侧面内部设有6个平板状的多孔整体催化剂，相邻多孔催化剂由1个金属管件间隔，外层长方形筒体与设有进气口2的端面相对的端面上设有4个平板状的多孔整体催化剂，相邻多孔催化剂由1个金属管件间隔.
52.实施例四，带有换热系统的无焰燃烧器在锅炉中的安装结构如图10所示，首先将本发明带有换热系统的无焰燃烧器的混合气体入口2与风机6的出风通道密封连接形成燃烧机，风机6为鼓风机，风机6的出风口通道连接燃气管路，风机6的出风口与无焰燃烧器的混合气入口2之间形成的通道中安装燃气喷头9、点火器8和布风器10，燃气喷头9位于燃气管路出口处。将燃烧机从锅炉12一端安装于锅炉12上，使燃烧机的燃烧器位于锅炉12内部，锅炉内部设有锅炉换热器13，锅炉12连接排烟管路11，无焰燃烧器的换热机构5与锅炉换热器13有两种组装结构：(1)无焰燃烧器的换热机构5的金属管件与锅炉换热器13的管路串联连接，即二者具有共同的介质入口和介质出口，比如：将燃烧器的换热介质入口1作为介质入口，燃烧器的换热介质出口3连接锅炉换热器换热介质入口14，锅炉换热介质出口15作为总的介质出口。(2)无焰燃烧器的换热机构5的金属管件与锅炉换热器13的管路并联，即无焰燃烧器的换热机构5和锅炉换热器13的管路互相独立设置，二者分别设有介质入口和介质出口。上述实施例中，催化器4为整体的催化剂结构或在器壁上密布小孔的容器内填充催化剂形成的结构。布风器10是用于使气体均匀混合的装置，如多孔的板状结构。
53.原理：通过风机6和比例阀16调节助燃气与燃气的比例，助燃气和燃气经布风器10混合均匀，混合气经气体入口2进入催化燃烧器的中空腔体内，通过点火器8(点火电极)点燃，燃气燃烧加热催化器4，在催化器的温度达到催化起燃温度以上时控制燃气火焰熄灭，助燃气和燃气的混合气穿透催化剂的孔在催化剂表面进行无焰催化燃烧，释放热量，图中虚线为燃气和助燃气混合气流方向，通过控制器7控制风机6进风量以及燃气管路阀门的通断。催化器4通过燃烧器的换热机构5进行冷却，对催化剂进行降温保护，燃烧器产生的热量通过锅炉换热器13进行热交换。
54.本发明是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。