无焰燃烧机及其控制方法

技术领域

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

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。

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。

低氮火焰燃烧技术是通过降低火焰温度来一定程度上减少热力型NOx的生成，或通过形成高温还原性气氛将已生成NOx还原为N2，最终达到低NOx排放的目的。现有低氮火焰燃烧技术主要包括空气分级燃烧技术、燃料分级燃烧技术、烟气再循环技术、贫燃预混燃烧技术和全预混表面燃烧技术等。空气分级燃烧首先利用富燃区的贫氧燃烧降低燃烧速度和温度，然后利用燃尽区的富氧燃烧燃尽燃料同时避免火焰温度过高，从而降低热力型NOx的生成；燃料分级燃烧是利用二次燃料在高温下燃烧形成的还原性碳氢基团将主燃烧区已生成的NOx还原为N2以实现NOx减排；烟气再循环是将部分烟气返回至送气系统吸热并降低混合气氧浓度，从而降低燃烧速度和温度抑制NOx生成，但循环烟气在增加排烟热损失的同时，酸性的烟气冷凝水容易腐蚀风机叶轮和燃烧器内部元件；贫燃预混燃烧是指少量燃气与大量空气在分子层面完全混合后再均匀燃烧以降低火焰温度减少NOx生成，同时富氧条件下均匀而充分的燃烧使HC和CO的排放也得到显著降低，但是过量的空气既增加了排烟热损失又增加了风机负荷，热效率低能耗大；全预混表面燃烧是在燃气与空气分子完全混合的基础上使燃烧在多孔均流板等网状材料的表面进行，燃烧速度快，火焰长度短温度低，能够大幅度降低热力型NOx的生成，但是所用金属纤维编织物等容易堵塞，使燃烧机性能大大降低。目前不同功率的燃气锅炉通常采用以上一种或多种燃烧技术来达到降低NOx排放的目的，上述技术的缺陷使得当前燃烧器普遍价格昂贵且操作复杂。

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。

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。

目前应用于热水器和锅炉等设备的燃烧器，大致分为两种：(1)金属纤维燃烧器，如专利号为CN201821021248.6、名称为一种全预混铸铝冷凝锅炉的中国专利，通过金属纤维燃烧器实现红外燃烧；专利号为CN201610518699.X、名称为全预混式金属纤维燃烧器及采用该燃烧器的锅炉的中国专利，通过金属纤维燃烧器实现红外燃烧。(2)催化燃烧器，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)催化燃烧器，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。其催化剂安装于集热罩内或热水器的壳体内，结构复杂、灵活性差、产热量低。

发明内容

为了解决现有催化燃烧器在应用过程中存在的上述问题，本发明提供了一种独立的无焰燃烧机。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：无焰燃烧机，包括控制器、混风器和无焰燃烧器，混风器的出风口与无焰燃烧器的燃烧腔入口密封连接，无焰燃烧器为中空的整体的催化器或为中空的壳体上安装催化器，壳体一端或整体的催化器一端设有燃气与助燃气混合气的气体入口，气体入口连接燃烧腔入口，催化器为多孔结构。

所述混风器包括鼓风机、燃气控制阀、燃气喷头和布风器，鼓风机的出风口通道连接安装有控制阀的燃气管路，鼓风机的出风口与无焰燃烧器的燃烧腔入口形成的通道中安装燃气喷头、点火器和布风器。

所述混风器包括全预混风机、燃气控制阀、和布风器，安装有控制阀的燃气管路出口与全预混风机的空气进口连接，所述全预混风机的出风口与无焰燃烧器的燃烧腔入口形成的通道中安装点火器和布风器。

所述整体催化器的无焰燃烧器为柱形或筒形结构；所述无焰燃烧器的壳体为柱形或筒形结构，催化器密封安装于壳体上的安装孔内；所述壳体为锥形结构，锥形结构的顶部连接燃烧腔入口，锥形结构的底部安装催化器。

所述壳体为耐高温金属或陶瓷材料。

用于权利要求1-5的无焰燃烧机的控制方法，包括三个步骤：

a)、助燃气和燃气比例控制；

b)、燃烧过程中点火、熄火控制，开启点火器点火后，加热壳体内的无焰燃烧腔及催化器，催化器至红热或600摄氏度以上，熄火；

c)、调回助燃气与燃气燃烧比例。

所述步骤a)中，助燃气为空气，助燃气和燃气比例控制方法为：1)空气和燃气的比例为1.01-2.5；2)根据本领域普通技术人员已知的所用燃料的回火线速度与脱火线速度，调节预混气的线速度介于回火线速度与脱火线速度之间。

所述步骤b)中，熄火方法为以下两种：1)增加预混气线速度到脱火线速度以上，使火焰熄灭；2)降低燃气浓度至0-4％。

所述步骤c)中，调回助燃气与燃气燃烧比例方法为：1)调节预混气的线速度大于回火线速度；2)调节空气和燃气的比例为1.01-2.5。

本发明的无焰燃烧机，将混风器与催化无焰燃烧器相结合构成整体的燃烧机结构，催化无焰燃烧器采用单层穿透式结构，整个无焰燃烧机结构简单，可应用于热水器、锅炉等设备中，易于安装，产热量高；通过其控制方法，实现点火后火焰燃烧快速转变为催化无焰燃烧，从而避免局部燃烧温度过高，减少NOx的生成，同时催化无焰燃烧效率高，不完全燃烧产物CO和HC生成量小，燃烧尾气可满足直接排放要求。

附图说明

图1是本发明实施例一采用鼓风机的无焰燃烧机主视结构图。

图2是本发明实施例二采用全预混风机的无焰燃烧机主视结构图。

图中：1、鼓风机，2、控制器，3、点火器，4、燃气喷头，5、布风器，6、壳体，7、催化器，8、燃烧腔入口，9、比例阀，10、混风器出风口，11、全预混风机。

具体实施方式

实施例一，采用鼓风机的无焰燃烧机，结构如图1所示，包括控制器2、混风器和无焰燃烧器，混风器中风机为鼓风机1，鼓风机1的出风口与无焰燃烧器的燃烧腔入口8密封连接，鼓风机的出风口通道连接安装有控制阀(9)的燃气管路，鼓风机1的出风口与无焰燃烧器的燃烧腔入口8之间形成的通道中安装燃气喷头4、点火器3和布风器5，燃气喷头4位于燃气管路出口处。无焰燃烧器为中空的壳体6上安装催化器7，壳体6一端或整体的催化器7一端设有燃气与助燃气的气体入口，气体入口连接燃烧腔入口8，催化器7为多孔催化剂结构。无焰燃烧器的壳体6为柱形或筒形结构，催化器7密封安装于壳体6上的安装孔内，或催化器7安装于壳体6的内侧；壳体6为耐高温金属或陶瓷材料。

实施例二，采用全预混风机的无焰燃烧机，结构如图2所示，包括控制器2、混风器和无焰燃烧器，混风器中风机为全预混风机11，安装有控制阀(9)的燃气管路出口与全预混风机(11)的空气进口连接，全预混风机11的出风口与无焰燃烧器的燃烧腔入口8密封连接，全预混风机11的出风口与无焰燃烧器的燃烧腔入口8之间形成的通道中安装点火器3和布风器5。无焰燃烧器为中空的壳体6上安装催化器7，壳体6一端或整体的催化器7一端设有燃气与助燃气混合气的的气体入口，气体入口连接燃烧腔入口8，催化器7为多孔催化剂结构。无焰燃烧器的壳体6为柱形或筒形结构，催化器7密封安装于壳体6上的安装孔内，或催化器7安装于壳体6的内侧；

壳体6还可以为锥形结构，锥形结构的顶部连接燃烧腔入口8，锥形结构的底部安装催化器7。

原理：助燃气和燃气经混风器进行混合，经布风器混合均匀，混合气经燃烧腔入口8进入催化燃烧器的中空腔体内，通过点火器(点火电极)点燃，燃气燃烧加热催化器，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催化无焰燃烧，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2控制风机进风量以及燃气管路阀门的通断，通过比例阀9控制燃气的进气量，与风机进气量配合调节助燃气与燃气的比例。

本发明无焰燃烧机的控制方法如下，包括三个步骤：

a)、助燃气和燃气比例控制，助燃气为空气，助燃气和燃气比例控制方法为：1)空气和燃气的比例为1.01-2.5；2)根据本领域普通技术人员已知的所用燃料的回火线速度与脱火线速度，调节预混气的线速度介于回火线速度与脱火线速度之间；

b)、燃烧过程中点火、熄火控制，开启点火器3点火后，加热壳体6内的无焰燃烧腔及催化器7，催化器7至红热或600摄氏度以上，熄火，熄火方法为以下两种：1)增加预混气线速度到脱火线速度以上，使火焰熄灭；2)降低燃气浓度至0-4％；

c)、调回助燃气与燃气燃烧比例，调回助燃气与燃气燃烧比例方法为：1)调节预混气的线速度大于回火线速度；2)调节空气和燃气的比例为1.01-2.5。

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。