一种干蒸汽氢氧催化燃烧系统的制作方法

[0001]
本发明属于纯氧催化燃烧领域，特别是涉及一种干蒸汽氢氧催化燃烧系统，用于纯氧安全可控的燃烧。


背景技术：

[0002]
纯氧燃烧与常规燃烧相比，火焰温度非常高，常规燃烧的绝热燃烧温度为1950℃，而纯氧燃烧温度可达2500℃，这对燃烧器和热量转化装置材料要求非常苛刻。因此需要降低纯氧燃烧温度，这对燃烧器选材以及系统安全性保障具有非常重要的意义。
[0003]
纯氧催化燃烧技术由于能实现燃料在低温下燃烧，这种无焰催化燃烧方式由于降低了燃烧温度，具有更好的安全性和更高的热效率。为了进一步提高系统的安全性，采用水蒸汽作为稀释剂来调节反应温度。
[0004]
但研究表明，水蒸气的存在对催化燃烧是不利的影响，随着气体中水汽分压的增大，转化率有所下降。研究认为反应气中含有的水汽以及反应过程中生成的气态水会在催化剂内表面凝结形成一个个微小的水斑，将助燃气扩散的孔道和部分活性中心覆盖，而干蒸汽不会吸附在催化剂表面。
[0005]
因此，干蒸汽可以被用作热稀释剂加入，对纯氧进行反应性控制，同时根据反应温度，可以策略性的增加或减少干蒸汽的加入量，可有效调节反应温度，这对纯氧催化燃烧反应的安全性保障具有重要意义。


技术实现要素：

[0006]
针对现有技术的以上改进需求，本发明提供了一种干蒸汽氢氧催化燃烧系统，可以实现氢气在纯氧中安全可控的燃烧，并能简单高效地进行冷凝水回收，尤其适合无空气源的使用场合。
[0007]
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种干蒸汽氢氧催化燃烧系统，包括干蒸汽纯氧预混子系统、与干蒸汽纯氧预混子系统出口相连的混合气布气子系统、配置在混合气布气子系统下游的催化燃烧子系统以及分别与干蒸汽纯氧预混子系统、混合气布气子系统和催化燃烧子系统连接的余热利用子系统；所述的干蒸汽纯氧预混子系统包括双层套管结构的蒸汽喷管和与蒸汽喷管连接的蒸汽喷嘴，所述蒸汽喷管的内管通过蒸汽控制阀连接蒸发干燥罐，蒸汽喷管的外层夹管入口端连接饱和蒸汽进管，用于引入外部饱和蒸汽，出口端连接蒸发干燥罐，用于将饱和蒸汽送至蒸发干燥罐进行重蒸发，变成干蒸汽后通过所述内管利用饱和蒸汽潜热进行加热保温同时进入蒸汽喷嘴，所述的蒸汽喷嘴上垂直连有纯氧进管，蒸汽喷嘴将处理成干蒸汽的饱和蒸汽与一定比例的纯氧进行均匀预混后供给至混合气布气子系统；所述的混合气布气子系统为同轴旋流均布结构，包括连接蒸汽喷嘴的干蒸汽-纯氧进管和套设在干蒸汽-纯氧进管外的氢气进管，氢气进入外环形通道氢气进管，干蒸汽-纯氧混合气体进入内环形通道干蒸汽-纯氧进管，所述的干蒸汽-纯氧进管和氢气进管出口处连接有氢气-干蒸汽-纯氧出口，所述的干蒸汽-纯氧进管和氢气-干蒸汽-纯
氧出口内分别设置有旋流叶片，使流过的气体形成旋流；所述的催化燃烧子系统包括一个带反应气进口和烟气出口的催化燃烧反应器，所述的反应气进口与氢气-干蒸汽-纯氧出口连接，使喷射的氢气与干蒸汽-纯氧混合气体进行催化燃烧反应，释放大量热量并产生高温烟气；所述的余热利用子系统主要包括一级冷凝器、与一级冷凝器连接的二级冷凝器和与二级冷凝器连接的气液分离器，所述的一级冷凝器分别与纯氧进管、氢气进管和烟气出口连接，用于对冷流体氢气和纯氧以及热流体高温烟气三种工质进行换热，利用高温烟气余热对氢气和纯氧进行预热，二级冷凝器对烟气进一步冷却，使蒸汽冷凝成水进行回收，一级冷凝器上还设置有燃料气进口和纯氧气进口，二级冷凝器上还设置有冷却水进口和冷却水出口，气液分离器上设置有尾气出口和冷凝水出口，用于回收烟气中的冷凝水。
[0008]
其中，所述的蒸汽喷管内管进入蒸汽喷嘴的干蒸汽干度大于95%。
[0009]
进一步，所述的干蒸汽在蒸汽喷嘴中以与轴向成100～120
°
夹角进行逆向喷射，与轴向流入的纯氧进行均匀预混。
[0010]
更进一步，所述的蒸汽喷嘴为多孔不锈钢喷嘴，喷嘴孔径为0.1～0.4mm。
[0011]
所述的一种干蒸汽氢氧催化燃烧系统，其旋流叶片包括旋转角度为15～45
°
、旋转方向相反的内环形通道旋流叶片和外环形通道旋流叶片。
[0012]
所述的一种干蒸汽氢氧催化燃烧系统，其催化燃烧反应器为填充催化剂的圆柱形固定床反应、板式反应器或其它形式反应器。
[0013]
所述的一种干蒸汽氢氧催化燃烧系统，其催化燃烧反应器内设置有反应器温度传感器。反应器温度传感器测量反应床层温度，并与蒸汽控制阀进行连锁，通过控制干蒸汽的量来调节反应床层温度。
[0014]
本发明的有益效果在于：1，本发明通过对饱和蒸汽进行提干处理制得干度大于95%的干蒸汽，干蒸汽作为热稀释剂，不会吸附在催化剂表面，能有效抑制反应产生的水蒸气在催化剂表面凝结阻塞催化反应进行，同时能够降低燃料在纯氧中燃烧速率以及调节反应床层温度，极大提高纯氧反应器的安全性。
[0015]
2，本发明通过优化旋流均布器叶片角度调节燃料与干蒸汽-纯氧旋流强度，能够保证混合气均匀性，从而有效保障催化反应器温度场均匀和运行安全性。
[0016]
3，本发明为氢在无空气源、依赖纯氧等场合使用提供了可能性；特别是氢气在干蒸汽纯氧中催化燃烧，产生尾气中只有水蒸气，使得尾气处理非常简单，并且冷凝水回收后可利用。
附图说明
[0017]
图1是本发明的结构系统示意图；图2是本发明干蒸汽纯氧预混子系统的结构示意图；图3是本发明混合气布气子系统的结构示意图；图4是本发明混合气布气子系统的左视图；图5是本发明催化燃烧子系统的结构示意图；图6是本发明余热利用子系统的结构示意图；图7是利用本发明提供的氢气干蒸汽氢氧催化燃烧系统物质流动示意图。
[0018]
各附图标记为：1—干蒸汽纯氧预混子系统，2—混合气布气子系统，3—催化燃烧子系统，4—余热利用子系统，11—饱和蒸汽进管，12—蒸发干燥罐，13—蒸汽控制阀，14—蒸汽喷管，15—纯氧进管，16—蒸汽喷嘴，21—氢气进管，22—干蒸汽-纯氧进管，23—氢气-干蒸汽-纯氧出口，24—外环形通道旋流叶片，25—内环形通道旋流叶片，31—催化燃烧反应器，32—反应气进口，33—烟气出口，34—反应器温度传感器，41—一级冷凝器，42—二级冷凝器，43—气液分离器。
具体实施方式
[0019]
为使本发明的技术方案更清楚明白，结合以下附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
[0020]
如图1所示，本发明提供了一种干蒸汽氢氧催化燃烧系统，包括干蒸汽纯氧预混子系统1、混合气布气子系统2、催化燃烧子系统3和余热利用子系统4。
[0021]
所述混合气布气子系统2与干蒸汽纯氧预混子系统1出口相连，将引入的氢气与干蒸汽-纯氧混合气体进行均布；所述催化燃烧子系统3配置在所述混合气布气子系统2下游，利用喷射的氢气与干蒸汽-纯氧进行催化燃烧反应，释放大量热量并产生高温烟气；所述余热利用子系统4利用催化燃烧产生的高温烟气对氢气和纯氧进行预热，并回收烟气中冷凝水。
[0022]
如图2所示，干蒸汽纯氧预混子系统1包括双层套管结构的蒸汽喷管14和与蒸汽喷管14连接的蒸汽喷嘴16，蒸汽喷管14的内管通过蒸汽控制阀13连接蒸发干燥罐12，蒸汽喷管14的外层夹管入口端连接饱和蒸汽进管11，出口端连接蒸发干燥罐12，蒸汽喷嘴16上垂直连有纯氧进管15，饱和蒸汽由外部提供，与一定比例的纯氧分别由饱和蒸汽进管11和纯氧进管15被供给至干蒸汽纯氧预混子系统1，饱和蒸汽经蒸发干燥罐12进行重蒸发与干燥处理后，干度可达95%以上；干蒸汽通过蒸汽喷管14，该喷管为双层蒸汽套管，外层夹管中为饱和蒸汽，内管中为干蒸汽，利用饱和蒸汽潜热进行加热保温，有效保证内管蒸汽的干度，杜绝冷凝；其中蒸汽喷嘴16为多孔不锈钢喷嘴，喷嘴孔径为0.1～0.4mm，干蒸汽在蒸汽喷嘴16中以与轴向成100～120
°
夹角进行逆向喷射，与轴向流入的纯氧进行均匀预混。
[0023]
如图3和图4所示，所述的混合气布气子系统2为同轴旋流均布结构，包括连接蒸汽喷嘴16的干蒸汽-纯氧进管22和套设在干蒸汽-纯氧进管22外的氢气进管21，预混后的干蒸汽和纯氧从干蒸汽-纯氧进管22进入混合气布气子系统2，与此同时氢气从氢气进管21进入混合气布气子系统2，该系统为同轴旋流均布结构，氢气进入外环形通道，干蒸汽-纯氧混合气体进入内环形通道，内外环形通道内均装有旋流叶片，气体通过叶片形成旋流；外环形通道旋流叶片24和内环形通道旋流叶片25旋转角度为15～45
°
，旋转方向相反；正反两股旋流在氢气-干蒸汽-纯氧出口23端形成回流区，使气流强烈混合；两股气流旋流强度可以通过选择叶片旋转角度调节。
[0024]
如图5所示，所述的催化燃烧子系统3配置在混合气布气子系统2下游，包括带反应气进口32和烟气出口33的催化燃烧反应器31，回流区混合气体由反应气进口32进入催化燃烧反应器31中进行低温催化反应，释放大量热量和产生高温烟气。催化燃烧反应器31为圆柱形固定床反应器、板式反应器或其它形式反应器，反应床中填充催化剂。
[0025]
干蒸汽作为热稀释剂通入的策略是基于反应安全和床层温度两方面考虑。所以，
一方面燃气与助燃气纯氧严格按照化学计量比通入催化燃烧反应器31中，但从反应安全性出发，燃气必须消耗干净，故助燃气纯氧过量系数可取1.0～1.1；另一方面，反应床层中应设有温度传感器34用来测量反应床层温度，并与蒸汽控制阀13进行连锁，通过控制干蒸汽的通入量来反馈调节床层温度；如图6所示，所述的余热利用子系统4主要包括一级冷凝器41、与一级冷凝器41连接的二级冷凝器42和与二级冷凝器42连接的气液分离器43，所述的一级冷凝器41分别与纯氧进管15、氢气进管21和烟气出口33连接，催化燃烧反应产生的高温烟气经烟气出口33排出进入余热利用子系统4中，首先经过一级冷凝器41，为三种工质换热，冷流体为氢气和纯氧，热流体为催化燃烧高温烟气，利用高温烟气余热对氢气和纯氧进行预热以提高系统热量利用率，经一级冷凝后的高温烟气进入二级冷凝器42进一步冷凝，此时烟气中的水蒸气冷凝成液体水，再通过气液分离器43将冷凝水与烟气中燃烧尾气进行分离；氢燃料按化学计量比催化燃烧后产生的烟气中只含有水蒸气，水蒸气冷凝后回收，实现真正的零排放。
[0026]
一级冷凝器41上还设置有燃料气进口和纯氧气进口，二级冷凝器42上还设置有冷却水进口和冷却水出口，气液分离器43上设置有尾气出口和冷凝水出口，用于回收烟气中的冷凝水。
[0027]
本发明用于氢气在纯氧中催化燃烧，干蒸汽作为热稀释剂能够降低燃料在纯氧中燃烧速率以及调节反应床层温度，极大提高纯氧反应器的安全性；同时，通过优化旋流均布器叶片角度调节燃料与干蒸汽-纯氧旋流强度，能够保证混合气均匀性，从而有效保障催化反应器温度场均匀和运行安全性；本发明为氢在无空气源、依赖纯氧等场合使用提供了可能性，氢氧催化燃烧产生尾气中只有水蒸气，使得尾气处理非常简单，并且冷凝水回收后可利用。
[0028]
下面对本发明提供的干蒸汽氢氧催化燃烧系统，以氢气为燃气的一种工况作进一步说明。纯氧反应非常活泼，出于安全考量需要用干蒸汽对纯氧进行稀释，以下实施例中干蒸汽与纯氧按氮氧比例进行稀释以产生类似空气的反应性质。
[0029]
如图7所示，体积分数80%的饱和蒸汽由外部提供，与体积分数20%的纯氧分别由饱和蒸汽进管11和纯氧进管15被供给至干蒸汽纯氧预混子系统1，饱和蒸汽首先在蒸汽喷管14的外层夹管中沿轴向运动，利用潜热对内管进行加热保温，保证内管蒸汽的干度；轴向流动折返后进入蒸发干燥罐12进行重蒸发与干燥处理后，干度可达95%以上；通过蒸汽控制阀13自动控制干蒸汽进入喷嘴的量，干蒸汽进入蒸汽喷嘴16后，以与轴向成100～120
°
夹角进行逆向喷射，与轴向流入的纯氧进行均匀预混；预混后干蒸汽纯氧从干蒸汽-纯氧进管22进入混合气布气子系统2的同轴旋流均布结构的内环形通道，与此同时化学计量比的氢气从氢气进管21进入混合气布气子系统2的同轴旋流均布结构的外环形通道，外环形通道旋流叶片24旋转角度与轴向成30
°
，顺时针旋转，内环形通道旋流叶片25旋转角度与轴向成30
°
，逆时针旋转，两者形成强混流，正反两股旋流在氢气-干蒸汽-纯氧出口23端形成回流区，使气流强烈混合。回流区混合气体由反应气进口32进入催化燃烧反应器31中进行低温催化反应，释放大量热量和产生高温烟气，此时干蒸汽作为热稀释剂对床层温度进行调节；反应床层中设有温度传感器34用来测量反应床层温度，与蒸汽控制阀13进行连锁，通过控制干蒸汽的通入量来反馈调节床层温度。催化燃烧反应中氢氧按化学计量比完全反应，唯一的反应产物高温水蒸气经烟气出口33排出进入余热利用子系统4中。首先经过一级冷凝器41，冷
流体为氢气和纯氧，热流体为催化燃烧高温水蒸气，利用高温水蒸气余热对氢气和纯氧进行预热以提高系统热量利用率。经一级冷凝后的水蒸气进入二级冷凝器42进一步冷凝，此时水蒸气冷凝成液体水，再通过气液分离器43将冷凝水回收，实现真正的零排放。
[0030]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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