基于熱風預熱的催化燃燒系統(tǒng)研究

同濟大學 伊帥帥 馮 良 陳 露

0 前言

天然氣被視為最清潔的化石能源，具有熱值高、污染物排放量少等優(yōu)點，但是傳統(tǒng)的燃燒過程中，火焰溫度可以達到 1100℃甚至更高，不可避免的會產生污染氣體，比如NOx等，加劇環(huán)境負擔。為了響應增加能源利用率的要求以及嚴厲的排放法規(guī)，催化燃燒應運而生。催化燃燒技術通過改變化學反應路徑，可以實現(xiàn)低溫低濃度起燃，滿足低溫加熱需求，并且能夠實現(xiàn)近零污染排放。

1 預熱式催化燃燒系統(tǒng)設計

1.1 預熱系統(tǒng)的設計

催化劑實現(xiàn)有效的催化作用需要一定的起燃溫度，而預熱系統(tǒng)的設計旨在提供熱量給催化劑，使其按照要求達到相應的溫度?，F(xiàn)有的催化燃燒系統(tǒng)運行過程中存在一些弊端，如通過高溫燃燒使催化劑達到起燃溫度導致催化劑燒結失活及運行控制不穩(wěn)定等。本研究設計了一套新型的熱風發(fā)生器作為催化燃燒的預熱系統(tǒng)——天然氣全預混直混式熱風發(fā)生器，利用全預混燃燒技術提供高溫熱風達到規(guī)定起燃溫度，具有以下優(yōu)勢：風管內燃燒產生的煙氣和空氣直接混合，熱效率接近 100%；全預混燃燒有效的降低了CO、NOx等污染物的排放，煙氣可以直接排放，不會對工藝設備產生影響。

預熱系統(tǒng)的工作原理：先在溫控器上設置催化劑所需熱風溫度，再開啟鼓風機，然后啟動燃燒控制器開關，助燃風機先運轉對燃燒器進行預吹掃，排空腔室內殘留的可燃氣體，防止點燃時發(fā)生爆燃現(xiàn)象。隨后點火針點火，1～2 s后燃氣閥打開，燃氣和空氣按照設定的空燃比進行預混，混合后進入燃燒室燃燒。燃燒器中的離子針實時監(jiān)控里面的燃燒情況。如果未檢測到火焰，燃氣閥自動關閉，風機進行后吹掃。順利燃燒后，高溫煙氣和空氣進行混合換熱，當熱風溫度偏離設定溫度時，控制器接收溫控器的4～20 mA信號，調節(jié)助燃風機的PWM，風壓也隨之變化，并將信號傳給電磁閥，電磁閥根據(jù)預定空燃比調節(jié)閥門開度，完成空燃比的控制，從而調整熱風維持在設定溫度。

1.2 催化燃燒系統(tǒng)設計

1.2.1 催化劑

本實驗采用整體型催化劑，又叫蜂窩陶瓷催化劑，具有相互平行的直通通道，尺寸為100×100×50，貴金屬含量為0.5%?；钚越M分為貴金屬Pt和Pd，第二載體為γ-Al2O3。催化劑實物如圖1所示。

圖1 催化劑實物

制備方法是采用浸漬法，在第二載體上負載金屬活性組分，然后將其涂覆到孔道內壁。對于甲烷催化燃燒，貴金屬催化劑具有較好的低溫催化活性，顯著降低甲烷燃燒的起燃溫度，特別適合應用在低溫紅外加熱器上。

1.2.2 催化燃燒室設計

已有研究表明甲烷催化燃燒溫度在300～800℃，因此以陶瓷纖維板為材料設計煙道。陶瓷纖維板具有高溫穩(wěn)定、抗火焰、低導熱率、低容重、高強度、易加工、易切割和安裝使用方便等眾多優(yōu)點，可承受 1000℃高溫。煙道截面積尺寸為 102×102mm，燃燒室實物圖如圖2所示。

圖2 燃燒室實物

煙道外殼上側開鉆有兩處小孔，一處用來布置J型熱電偶測量催化煙道內部催化劑前的煙氣溫度，熱電偶連接AT4532多路溫度測試儀從而能夠對煙道內部溫度進行實時監(jiān)測。另一處小孔用于煙氣取樣便于進行煙氣成分分析。

1.3 控制系統(tǒng)設計

隨著自動控制技術的迅猛發(fā)展，依現(xiàn)有技術已完全能夠實現(xiàn)預熱式催化燃燒的自動調節(jié)與安全控制等要求。自動化控制系統(tǒng)可大大提高熱風質量，同時也降低熱消耗指標、減輕勞動強度，而且可保證生產安全、可靠、經濟，減少環(huán)境污染。預熱式催化燃燒的控制系統(tǒng)主要包括燃燒過程控制和溫度控制。

1.3.1 燃燒過程控制

燃燒過程控制包括自動點火、熄火保護和空壓不足保護等。選用 Danfoss(丹佛斯)EBI 1P(單電極)052F0040型點火變壓器。丹佛斯點火變壓器能安全快速點燃燃氣和空氣的混合氣體，使燃燒器的運行更安全。選用離子探針型火焰探測器對燃燒狀況進行實時監(jiān)測，一旦點火不成功或者中間熄火，探測器立即把信號反饋到控制器，立即切斷燃氣閥，并進行后吹掃。防止燃氣滯留腔室，發(fā)生爆炸。本次實驗使用的是上海梅帝燃氣設備技術有限公司自主研發(fā)的燃燒控制器，控制效果安全、可靠、抗干擾能力強。

1.3.2 溫度控制系統(tǒng)

預熱系統(tǒng)的關鍵作用就是提供穩(wěn)定、可控的高溫熱風使得催化燃燒系統(tǒng)得以起燃，這就要求建立精確的、高性能的、穩(wěn)定的溫度控制系統(tǒng)。PID控制是傳統(tǒng)的控制方法，適用于溫度、壓力、流量等，不同的設備只需要調節(jié)比例、積分、微分參數(shù)值就可以達到很好的控制效果，因此溫控器使用的關鍵就在于設定合適的PID參數(shù)值。

實驗系統(tǒng)即采用PID溫控器，溫控器連接預熱燃燒控制器和E型熱電偶，輸入端為熱電偶信號，輸出端為4～20 mA電流信號。對應風機最小至最大PWM 值，即燃燒器最小功率至最大功率。通過溫控器和燃燒控制器的精準控制，誤差維持在1℃。

1.4 實驗系統(tǒng)及流程

實驗系統(tǒng)及流程見圖3。

圖3 預熱式催化燃燒實驗系統(tǒng)

實驗流程：①打開鼓風機通入常溫空氣。②燃燒控制器控制依次開啟助燃風機、空燃比調節(jié)閥，金屬纖維表面燃燒器燃燒產生高溫煙氣。③常溫空氣與高溫煙氣混合產生熱風，通入催化燃燒室，逐漸加熱蜂窩陶瓷催化劑到設定預熱溫度。④溫控器實時監(jiān)測催化劑前熱風溫度，待溫度恒定后打開后置空燃比調節(jié)閥，熱風通過混合器引射燃氣進入催化燃燒室。⑤測溫儀實時監(jiān)測催化劑表面反應溫度，可通過判斷催化劑前熱風及催化劑表面溫度判斷其是否開始催化燃燒。⑥煙道出口放置煙氣分析儀，監(jiān)測煙氣污染物濃度。

2 實驗及結論

通過實驗將催化劑分別預熱到不同的溫度：380℃、400℃、420℃和450℃，待達到相應溫度后，通入天然氣觀察蜂窩陶瓷催化劑表面的實驗現(xiàn)象，并且通過熱電偶和溫度測試記錄儀測量表面溫度，結果如圖4所示：

圖4 催化劑表面溫度隨預熱溫度的變化

由圖4可以看出，隨著預熱溫度的升高，催化劑表面溫度升高。預熱溫度為380 ℃時，溫度催化劑表面溫度上升不明顯，說明催化反應不夠充分。當預熱溫度達到 400 ℃以上，催化反應效果顯著。溫度繼續(xù)升高，催化反應效果并不明顯，說明該濃度下400～450℃為較好預熱溫度范圍。

比較確定最佳的預熱溫度和燃氣濃度，結果見表1。

表1 實驗確定該催化劑最佳工作參數(shù)

在上面表格數(shù)據(jù)前提下測得污染物排放情況為：NOx濃度為12×10-6，CO為0×10-6(包含預熱燃燒器尾氣)遠低于國家標準，能夠有效抑制 NOx的產生，燃燒完全，無CO產生。

3 結語

熱風預熱系統(tǒng)具有容易精確控制溫度、預熱均勻、預熱速度快、節(jié)約能源等優(yōu)勢，非常具有推廣潛力。催化燃燒為無焰燃燒，燃燒表面溫度低，適用于溫度要求不太高的場合，可用于遠紅外加熱，節(jié)能效果顯著，能夠實現(xiàn)近零污染排放，契合當下節(jié)能減排的主題。