專(zhuān)利名稱(chēng)：一種脈動(dòng)金屬絲網(wǎng)催化燃燒裝置及燃燒方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及催化燃燒技術(shù)領(lǐng)域，具體地，本發(fā)明涉及一種脈動(dòng)金屬絲網(wǎng)催化燃燒裝置及燃燒方法。
背景技術(shù)：
在橡膠、合成皮革、藥品、漆包線、印刷品、鞋、涂料等生產(chǎn)工藝以及噴漆過(guò)程中產(chǎn)生易揮發(fā)性有機(jī)污染物(VOCs)，如烴類(lèi)、鹵代烴、芳香烴、多環(huán)芳烴、丙酮、吡啶、乙酸乙酯等，它們是環(huán)境中一類(lèi)重要的有毒有機(jī)污染物，對(duì)人類(lèi)健康危害極大。不斷嚴(yán)格的環(huán)保法律法規(guī)促進(jìn)了這類(lèi)污染物消除技術(shù)的研發(fā)，為此作為有效消除VOCs的催化燃燒技術(shù)受到了人們的普篇關(guān)注。蜂窩陶瓷催化燃燒技術(shù)是目前工業(yè)廣泛使用的用于消除VOCs的一種有效方法，它具有低阻力降、穩(wěn)定的凈化效果以及適用于大流量有機(jī)廢氣的處理等優(yōu)點(diǎn)，但是由于受到陶瓷材料本身特性的影響，存在導(dǎo)熱性差的缺點(diǎn)，從而帶來(lái)了催化燃燒產(chǎn)生的熱量不能得到有效的散發(fā)，出現(xiàn)局部高溫及催化劑燒結(jié)失活現(xiàn)象。另外，受到蜂窩陶瓷體結(jié)構(gòu)的限制，氣流在細(xì)直長(zhǎng)通道中流動(dòng)只能是層流，無(wú)法實(shí)現(xiàn)徑向?qū)α鳎目偡磻?yīng)速率主要受擴(kuò)散控制，因此帶來(lái)了傳質(zhì)效果差的缺點(diǎn)，特別是對(duì)于大流量低濃度有機(jī)污染物其催化燃燒效率較低。與蜂窩陶瓷相比，金屬絲網(wǎng)催化燃燒技術(shù)具有高比表面積、高機(jī)械強(qiáng)度、高傳熱傳質(zhì)系數(shù)及燃燒效率、催化劑床層不會(huì)出現(xiàn)局部熱點(diǎn)、中等阻力降、易組裝、可忽略孔隙擴(kuò)散及軸向滲透、催化劑阻塞及惡化易控制、清潔簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而有利于提高催化劑在起燃范圍內(nèi)廢氣的凈化效率。然而現(xiàn)有的金屬絲網(wǎng)催化燃燒中金屬載體采用的是正弦蜂窩狀結(jié)構(gòu)，它通過(guò)波紋箔帶與平箔帶疊合并卷繞而成，內(nèi)部為獨(dú)立的通道結(jié)構(gòu)并且徑向上沒(méi)有連通，氣體在通道內(nèi)部的流動(dòng)形式主要是層流，因此整體式催化載體界面之間的傳質(zhì)傳熱系數(shù)仍然較低。為了提高整體式金屬絲網(wǎng)催化燃燒的傳質(zhì)傳熱特性以及燃燒效率，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)其結(jié)構(gòu)作了大量的研究和改進(jìn)，典型的例子有:( 一 ) Azdrzej Kolodziej 等人(Chemical Engineering and Processing, 2007,46:637-648)基于管道入口段能大幅提高流體傳質(zhì)系數(shù)的原理設(shè)計(jì)了短通道正弦或三角形結(jié)構(gòu)的金屬絲網(wǎng)催化燃燒器，在沒(méi)有改變由波紋狀金屬箔與平板狀金屬箔疊在一起構(gòu)成的傳統(tǒng)老路條件下，結(jié)果將阻力降低1.5 2倍，但是與編織金屬絲網(wǎng)相比，反應(yīng)器長(zhǎng)度卻增加了 2 3倍，因此這種結(jié)構(gòu)盡管能提高傳質(zhì)效率，但仍具有不可滲透壁抑制了徑向傳質(zhì)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及流體湍動(dòng)強(qiáng)度不高的缺點(diǎn)。(二)蜂窩狀金屬絲網(wǎng)載體結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，突破不可滲透壁的限制。中國(guó)專(zhuān)利(申請(qǐng)?zhí)?200710010359.7 ;公開(kāi)號(hào):CN101049577A)以不銹鋼金屬絲網(wǎng)為載體骨架材料，將附著牢固氧化鋁涂層的多個(gè)平板狀和瓦楞狀金屬絲網(wǎng)交替堆積捆綁包裹成內(nèi)部為三維通透結(jié)構(gòu)的蜂窩狀金屬絲網(wǎng)載 體。其優(yōu)點(diǎn)為制備的蜂窩狀金屬具有徑向上傳質(zhì)和傳熱。缺點(diǎn):成型工藝較復(fù)雜。(三)Lifeng Wang 等人在 Applied Catalysis A:General, 2008, 350:150-156 上發(fā)表的文章“Design of novel Pt-structured catalyst on anodic aluminum supportfor V0C’scatalytic combustion”中，其方案是:將長(zhǎng)直通道加工成交錯(cuò)曲折型通道，以金屬鋁代替原先蜂窩陶瓷中的陶瓷材料以利成形，突破了長(zhǎng)直通道中的層流及傳熱限制。其優(yōu)點(diǎn):提高了傳熱傳質(zhì)效率。缺點(diǎn):沒(méi)有根本改變徑向傳質(zhì)的限制。以上幾個(gè)典型的例子中均以金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及制備工藝復(fù)雜化為代價(jià)來(lái)克服現(xiàn)有整體式金屬絲網(wǎng)催化燃燒中存在的缺陷。如果能夠找到一種實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)強(qiáng)化新方法使流體呈現(xiàn)擾動(dòng)甚至湍流，既能達(dá)到不增加或降低氣體通過(guò)催化劑載體床層的流動(dòng)阻力，就能為催化燃燒法處理大通量VOCs提高催化燃燒效率提供一條捷徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有整體式金屬絲網(wǎng)催化燃燒中存在的許多不足之處，提供一種用于易揮發(fā)性有機(jī)污染物脈動(dòng)金屬絲網(wǎng)催化燃燒裝置，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的反應(yīng)速率受擴(kuò)散控制或金屬絲網(wǎng)載體成型制備工藝復(fù)雜的問(wèn)題。本發(fā)明的再一目的在于提供了一種脈動(dòng)金屬絲網(wǎng)催化燃燒方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，所述裝置包括聲去耦室1、Ri jke管3，所述的裝置還包括金屬絲網(wǎng)催化床層2，該金屬絲網(wǎng)催化床層2設(shè)置于Rijke型脈動(dòng)金屬絲網(wǎng)催化燃燒器主體中。作為上述方案的一種改進(jìn)，所述金屬絲網(wǎng)催化床層設(shè)置于Rijke型脈動(dòng)燃燒器主體距離聲去耦室I的1/8 l/2Ri jke管高度處。作為上述方案的又一種改進(jìn)，所述金屬絲網(wǎng)催化床層所在的遠(yuǎn)離聲去耦室I的Rijke管的一端上設(shè)有熱交換面4,所述熱交換面4的換熱方式為水冷式。
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作為上述方案的再一種改進(jìn)，所述聲去耦室I體積為脈動(dòng)金屬絲網(wǎng)催化燃燒室主體體積的10 20倍。作為上述方案的還一種改進(jìn)，所述金屬絲網(wǎng)催化床層為若干正弦、三角形或正方形結(jié)構(gòu)的短通道金屬絲網(wǎng)堆疊而成的催化載體、流道呈曲折型的蜂窩金屬載體或具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的蜂窩狀金屬絲網(wǎng)載體。本發(fā)明還提供了一種脈動(dòng)金屬絲網(wǎng)催化燃燒的方法，所述方法為:含有毒有機(jī)污染物的廢氣首先進(jìn)入聲去耦室，然后流入Rijke管脈動(dòng)燃燒器主體，Rijke管產(chǎn)生的聲振與金屬絲網(wǎng)催化燃燒相互耦合激勵(lì)產(chǎn)生溫度、壓力、流動(dòng)速度呈周期性地變化，實(shí)現(xiàn)周期性振蕩催化反應(yīng)，有機(jī)污染物在位于聲去耦室上部的金屬絲網(wǎng)催化床層上充分進(jìn)行催化燃燒反應(yīng)。其中，所述方法還包括有機(jī)污染物催化燃燒后得到煙氣與換熱面進(jìn)行換熱冷卻的步驟。本發(fā)明提出的脈動(dòng)金屬絲網(wǎng)催化燃燒裝置，它具有聲去耦室，其上連接有Rijke型脈動(dòng)燃燒器主體，在離聲去耦室的1/8 l/2Rijke管高度處布設(shè)金屬絲網(wǎng)催化床層，在金屬絲網(wǎng)催化床層上部設(shè)有熱交換面以冷卻燃燒器回收熱量。從本質(zhì)上講采用的是自激式脈動(dòng)催化燃燒，利用熱聲振蕩原理使Ri jke管中氣體產(chǎn)生聲振，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的脈動(dòng)燃燒技術(shù)和金屬絲網(wǎng)催化燃燒技術(shù)的直接結(jié)合，徹底解決催化燃燒受傳質(zhì)擴(kuò)散控制的瓶頸。脈動(dòng)金屬絲網(wǎng)催化燃燒是一種聲振與金屬絲網(wǎng)催化燃燒相互耦合激勵(lì)的周期性振蕩催化燃燒過(guò)程，這種特殊的振蕩催化燃燒過(guò)程產(chǎn)生一個(gè)高強(qiáng)度的駐波聲場(chǎng)，能夠使脈動(dòng)金屬絲網(wǎng)催化燃燒器內(nèi)的溫度、壓力、流動(dòng)速度、燃燒熱釋放率等參數(shù)隨時(shí)間呈快速周期性地變化，從而達(dá)到強(qiáng)化傳熱、傳質(zhì)及動(dòng)量傳遞過(guò)程。與現(xiàn)有的金屬絲網(wǎng)催化燃燒器相比，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大、燃燒效率高、污染排放小、阻力降低、傳熱系數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為:1、催化燃燒效率高、污染物排放少由于氣流的脈動(dòng)強(qiáng)化了金屬絲網(wǎng)催化燃燒器中氣流的擾動(dòng)甚至湍動(dòng)，破壞了整體式金屬絲網(wǎng)催化燃燒或蜂窩式催化燃燒器中氣流呈層流的流動(dòng)狀態(tài)，使反學(xué)反應(yīng)速率不受擴(kuò)散所限制，加快了化學(xué)反應(yīng)速度，催化反應(yīng)充分完全，污染物排放少。2、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、投資費(fèi)用少脈動(dòng)金屬絲網(wǎng)催化燃燒技術(shù)具有優(yōu)良的傳熱、傳質(zhì)特性，使金屬絲網(wǎng)催化床層體積、燃燒器的體積及換熱面相應(yīng)地得到了減小。3、阻力降低由于氣流呈脈動(dòng)狀態(tài)，降低了邊界層流動(dòng)阻力，使得氣流通過(guò)金屬絲網(wǎng)催化床層時(shí)氣流阻力相應(yīng)地得到了降低。


·圖1為本發(fā)明的脈動(dòng)金屬絲網(wǎng)催化燃燒裝置示意圖。附圖標(biāo)識(shí)1、聲去耦室 2、金屬絲網(wǎng)催化床層 3、Rijke管4、換熱面
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。本發(fā)明的脈動(dòng)金屬絲網(wǎng)催化燃燒裝置如附圖1所示，含有毒有機(jī)污染物的廢氣先進(jìn)入聲去耦室1，然后直接流入Rijke管3，有機(jī)污染物在位于聲去耦室I上部的金屬絲網(wǎng)催化床層2上發(fā)生催化燃燒反應(yīng)，其燃燒后的高溫?zé)煔馀c換熱面4進(jìn)行換熱冷卻。由于Rijke型燃燒所產(chǎn)生的脈動(dòng)流強(qiáng)化金屬絲網(wǎng)催化燃燒，使得原先呈層流的氣流以湍動(dòng)方式流動(dòng)，強(qiáng)化了傳熱傳質(zhì)，從而極大地提高了催化燃燒效率及減少污染物排放的目的。所述的Rijke型脈動(dòng)金屬絲網(wǎng)催化燃燒中的金屬絲網(wǎng)位于聲去耦室上部1/8 l/2Ri jke管聞度處。所述的聲去耦室I體積是Rijke型脈動(dòng)金屬絲網(wǎng)催化燃燒室主體體積的10 20倍。所述的換熱方式主要為水冷式。所述的金屬絲網(wǎng)催化床層是指整體式金屬絲網(wǎng)催化載體，幾個(gè)正弦、三角形或正方形結(jié)構(gòu)的短通道金屬絲網(wǎng)堆疊而成的催化載體，流道呈曲折型的蜂窩金屬載體，具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的蜂窩狀金屬絲網(wǎng)載體等。實(shí)施例1本發(fā)明的脈動(dòng)金屬絲網(wǎng)催化燃燒裝置是由聲去耦室、Rijke型脈動(dòng)燃燒器主體、金屬絲網(wǎng)催化床層以及換熱冷卻裝置等部分構(gòu)成，其中整體式金屬絲網(wǎng)催化床層具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的蜂窩狀金屬絲網(wǎng)載體位于聲去耦室上部的Rijke管1/4高度處，以滿足來(lái)自橡膠、合成皮革、藥品、漆包線、印刷品、鞋、涂料等生產(chǎn)工藝以及噴漆過(guò)程中產(chǎn)生易揮發(fā)性有機(jī)污染物(VOCs)的凈化需要。實(shí)施例2本發(fā)明的脈動(dòng)金屬絲網(wǎng)催化燃燒裝置是由聲去耦室、Rijke型脈動(dòng)燃燒器主體、金屬絲網(wǎng)催化床層以及換熱冷卻裝置等部分構(gòu)成，其中位于聲去耦室上部Ri jke管1/8 1/3高度處的金屬絲網(wǎng)催化床層是由幾個(gè)正弦結(jié)構(gòu)、三角形結(jié)構(gòu)或正方形結(jié)構(gòu)的短通道金屬絲網(wǎng)堆疊而成，以滿足來(lái)自固定源排放的有機(jī)廢氣中污染物(如烴類(lèi)、鹵代烴、芳香烴、多環(huán)芳烴、丙酮、吡啶、乙酸乙酯等)的凈化需要。實(shí)施例3本發(fā)明的脈動(dòng)金屬絲網(wǎng)催化燃燒裝置是由聲去耦室、Rijke型脈動(dòng)燃燒器主體、金屬絲網(wǎng)催化床層以及換熱冷卻裝置等部分構(gòu)成，其中位于聲去耦室上部Ri jke管1/8 1/2高度處的金屬絲網(wǎng)催化床層是由上下兩段金屬絲網(wǎng)催化床層構(gòu)成，底層催化層主要用于氫氣的氧化反應(yīng)，而頂層催化層主要用于CO的氧化反應(yīng)，從而滿足鋼鐵行業(yè)以排空為主的高爐煤氣、合成氣基冶金還原氣尾氣、生物質(zhì)和可燃性廢棄物氣化氣等富含H2的低熱值氣體的高效利用與污染物減 排的需要。最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種脈動(dòng)金屬絲網(wǎng)催化燃燒裝置，所述裝置包括聲去耦室(l)、Rijke管(3)，其特征在于，所述裝置還包括金屬絲網(wǎng)催化床層(2)，該金屬絲網(wǎng)催化床層(2)設(shè)置于Rijke型脈動(dòng)金屬絲網(wǎng)催化燃燒器主體中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈動(dòng)金屬絲網(wǎng)催化燃燒裝置，其特征在于，所述金屬絲網(wǎng)催化床層(2)設(shè)置于Rijke型脈動(dòng)燃燒器主體中距離聲去耦室(I)的1/8 l/2Ri jke管高度處。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈動(dòng)金屬絲網(wǎng)催化燃燒裝置，其特征在于，所述金屬絲網(wǎng)催化床層(2)所在的遠(yuǎn)離聲去耦室(I)的Rijke管的一端上設(shè)有熱交換面(4)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的脈動(dòng)金屬絲網(wǎng)催化燃燒裝置，其特征在于，所述熱交換面(4)的換熱方式為水冷式。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈動(dòng)金屬絲網(wǎng)催化燃燒裝置，其特征在于，所述聲去耦室(I)體積為脈動(dòng)金屬絲網(wǎng)催化燃燒室主體體積的10 20倍。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈動(dòng)金屬絲網(wǎng)催化燃燒裝置，其特征在于，所述金屬絲網(wǎng)催化床層為若干正弦、三角形或正方形結(jié)構(gòu)的短通道金屬絲網(wǎng)堆疊而成的催化載體、流道呈曲折型的蜂窩金屬載體或具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的蜂窩狀金屬絲網(wǎng)載體。
7.一種基于權(quán)利要求1至6任一脈動(dòng)金屬絲網(wǎng)催化燃燒裝置的催化燃燒方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: 含有毒有機(jī)污染物的廢氣首先進(jìn)入聲去耦室，然后流入Rijke管脈動(dòng)燃燒器主體，Rijke管產(chǎn)生的聲振與金屬絲網(wǎng)催化燃燒相互耦合激勵(lì)產(chǎn)生溫度、壓力、流動(dòng)速度呈周期性地變化，實(shí)現(xiàn)周期性振蕩催化反應(yīng)，有機(jī)污染物在位于聲去耦室上部的金屬絲網(wǎng)催化床層上充分進(jìn)行催化燃燒反應(yīng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的脈動(dòng)金屬絲網(wǎng)催化燃燒方法，其特征在于，所述方法還包括有機(jī)污染物催化燃燒后的高溫?zé)煔馀c換熱面進(jìn)行換熱冷卻的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及催化燃燒技術(shù)領(lǐng)域，具體地，本發(fā)明涉及一種脈動(dòng)金屬絲網(wǎng)催化燃燒裝置及燃燒方法。所述裝置包括聲去耦室(1)、Rijke管(3)，所述裝置還包括金屬絲網(wǎng)催化床層(2)，該金屬絲網(wǎng)催化床層(2)設(shè)置于Rijke型脈動(dòng)金屬絲網(wǎng)催化燃燒器主體中。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為1、催化燃燒效率高、污染物排放少；2、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、投資費(fèi)用少；3、阻力降低，由于氣流呈脈動(dòng)狀態(tài)，降低了邊界層流動(dòng)阻力，使得氣流通過(guò)金屬絲網(wǎng)催化床層時(shí)氣流阻力相應(yīng)地得到了降低。本發(fā)明可用于固定源排放易揮發(fā)性有機(jī)污染物(VOCs)的凈化，還可用于低熱值可燃性富氫燃?xì)馊绺郀t煤氣的高效利用與污染物減排。
文檔編號(hào)F23G7/07GK103244958SQ20121002348
公開(kāi)日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2012年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月2日
發(fā)明者湯根土, 胡萬(wàn)起, 李竹川, 王曉嵐 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所