基于热风预热的催化燃烧系统研究

同济大学 伊帅帅 冯 良 陈 露

0 前言

天然气被视为最清洁的化石能源，具有热值高、污染物排放量少等优点，但是传统的燃烧过程中，火焰温度可以达到 1100℃甚至更高，不可避免的会产生污染气体，比如NOx等，加剧环境负担。为了响应增加能源利用率的要求以及严厉的排放法规，催化燃烧应运而生。催化燃烧技术通过改变化学反应路径，可以实现低温低浓度起燃，满足低温加热需求，并且能够实现近零污染排放。

1 预热式催化燃烧系统设计

1.1 预热系统的设计

催化剂实现有效的催化作用需要一定的起燃温度，而预热系统的设计旨在提供热量给催化剂，使其按照要求达到相应的温度。现有的催化燃烧系统运行过程中存在一些弊端，如通过高温燃烧使催化剂达到起燃温度导致催化剂烧结失活及运行控制不稳定等。本研究设计了一套新型的热风发生器作为催化燃烧的预热系统——天然气全预混直混式热风发生器，利用全预混燃烧技术提供高温热风达到规定起燃温度，具有以下优势：风管内燃烧产生的烟气和空气直接混合，热效率接近 100%；全预混燃烧有效的降低了CO、NOx等污染物的排放，烟气可以直接排放，不会对工艺设备产生影响。

预热系统的工作原理：先在温控器上设置催化剂所需热风温度，再开启鼓风机，然后启动燃烧控制器开关，助燃风机先运转对燃烧器进行预吹扫，排空腔室内残留的可燃气体，防止点燃时发生爆燃现象。随后点火针点火，1～2 s后燃气阀打开，燃气和空气按照设定的空燃比进行预混，混合后进入燃烧室燃烧。燃烧器中的离子针实时监控里面的燃烧情况。如果未检测到火焰，燃气阀自动关闭，风机进行后吹扫。顺利燃烧后，高温烟气和空气进行混合换热，当热风温度偏离设定温度时，控制器接收温控器的4～20 mA信号，调节助燃风机的PWM，风压也随之变化，并将信号传给电磁阀，电磁阀根据预定空燃比调节阀门开度，完成空燃比的控制，从而调整热风维持在设定温度。

1.2 催化燃烧系统设计

1.2.1 催化剂

本实验采用整体型催化剂，又叫蜂窝陶瓷催化剂，具有相互平行的直通通道，尺寸为100×100×50，贵金属含量为0.5%。活性组分为贵金属Pt和Pd，第二载体为γ-Al2O3。催化剂实物如图1所示。

图1 催化剂实物

制备方法是采用浸渍法，在第二载体上负载金属活性组分，然后将其涂覆到孔道内壁。对于甲烷催化燃烧，贵金属催化剂具有较好的低温催化活性，显著降低甲烷燃烧的起燃温度，特别适合应用在低温红外加热器上。

1.2.2 催化燃烧室设计

已有研究表明甲烷催化燃烧温度在300～800℃，因此以陶瓷纤维板为材料设计烟道。陶瓷纤维板具有高温稳定、抗火焰、低导热率、低容重、高强度、易加工、易切割和安装使用方便等众多优点，可承受 1000℃高温。烟道截面积尺寸为 102×102mm，燃烧室实物图如图2所示。

图2 燃烧室实物

烟道外壳上侧开钻有两处小孔，一处用来布置J型热电偶测量催化烟道内部催化剂前的烟气温度，热电偶连接AT4532多路温度测试仪从而能够对烟道内部温度进行实时监测。另一处小孔用于烟气取样便于进行烟气成分分析。

1.3 控制系统设计

随着自动控制技术的迅猛发展，依现有技术已完全能够实现预热式催化燃烧的自动调节与安全控制等要求。自动化控制系统可大大提高热风质量，同时也降低热消耗指标、减轻劳动强度，而且可保证生产安全、可靠、经济，减少环境污染。预热式催化燃烧的控制系统主要包括燃烧过程控制和温度控制。

1.3.1 燃烧过程控制

燃烧过程控制包括自动点火、熄火保护和空压不足保护等。选用 Danfoss(丹佛斯)EBI 1P(单电极)052F0040型点火变压器。丹佛斯点火变压器能安全快速点燃燃气和空气的混合气体，使燃烧器的运行更安全。选用离子探针型火焰探测器对燃烧状况进行实时监测，一旦点火不成功或者中间熄火，探测器立即把信号反馈到控制器，立即切断燃气阀，并进行后吹扫。防止燃气滞留腔室，发生爆炸。本次实验使用的是上海梅帝燃气设备技术有限公司自主研发的燃烧控制器，控制效果安全、可靠、抗干扰能力强。

1.3.2 温度控制系统

预热系统的关键作用就是提供稳定、可控的高温热风使得催化燃烧系统得以起燃，这就要求建立精确的、高性能的、稳定的温度控制系统。PID控制是传统的控制方法，适用于温度、压力、流量等，不同的设备只需要调节比例、积分、微分参数值就可以达到很好的控制效果，因此温控器使用的关键就在于设定合适的PID参数值。

实验系统即采用PID温控器，温控器连接预热燃烧控制器和E型热电偶，输入端为热电偶信号，输出端为4～20 mA电流信号。对应风机最小至最大PWM 值，即燃烧器最小功率至最大功率。通过温控器和燃烧控制器的精准控制，误差维持在1℃。

1.4 实验系统及流程

实验系统及流程见图3。

图3 预热式催化燃烧实验系统

实验流程：①打开鼓风机通入常温空气。②燃烧控制器控制依次开启助燃风机、空燃比调节阀，金属纤维表面燃烧器燃烧产生高温烟气。③常温空气与高温烟气混合产生热风，通入催化燃烧室，逐渐加热蜂窝陶瓷催化剂到设定预热温度。④温控器实时监测催化剂前热风温度，待温度恒定后打开后置空燃比调节阀，热风通过混合器引射燃气进入催化燃烧室。⑤测温仪实时监测催化剂表面反应温度，可通过判断催化剂前热风及催化剂表面温度判断其是否开始催化燃烧。⑥烟道出口放置烟气分析仪，监测烟气污染物浓度。

2 实验及结论

通过实验将催化剂分别预热到不同的温度：380℃、400℃、420℃和450℃，待达到相应温度后，通入天然气观察蜂窝陶瓷催化剂表面的实验现象，并且通过热电偶和温度测试记录仪测量表面温度，结果如图4所示：

图4 催化剂表面温度随预热温度的变化

由图4可以看出，随着预热温度的升高，催化剂表面温度升高。预热温度为380 ℃时，温度催化剂表面温度上升不明显，说明催化反应不够充分。当预热温度达到 400 ℃以上，催化反应效果显著。温度继续升高，催化反应效果并不明显，说明该浓度下400～450℃为较好预热温度范围。

比较确定最佳的预热温度和燃气浓度，结果见表1。

表1 实验确定该催化剂最佳工作参数

在上面表格数据前提下测得污染物排放情况为：NOx浓度为12×10-6，CO为0×10-6(包含预热燃烧器尾气)远低于国家标准，能够有效抑制 NOx的产生，燃烧完全，无CO产生。

3 结语

热风预热系统具有容易精确控制温度、预热均匀、预热速度快、节约能源等优势，非常具有推广潜力。催化燃烧为无焰燃烧，燃烧表面温度低，适用于温度要求不太高的场合，可用于远红外加热，节能效果显著，能够实现近零污染排放，契合当下节能减排的主题。