CN103062779B - 一种对流式催化燃烧方法、燃烧器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种对流式催化燃烧方法、燃烧器及其应用，其中，所述对流式催化燃烧器包括：一燃烧器本体，在所述燃烧器本体上设置有一用于通入有机废气的有机废气进口以及用于排出清洁废气的清洁废气出口，在所述有机废气进口与清洁废气出口之间依次设置有催前空腔、第一催化床以及催后空腔。本发明的应用范围广，提高了换热效率，节约了能源，降低了成本，具有实用性强的特点。

Description

一种对流式催化燃烧方法、燃烧器及其应用

技术领域

本发明涉及催化燃烧技术领域，尤其涉及一种对流式催化燃烧方法、燃烧器及其应用。

背景技术

催化燃烧技术在低浓度有机废气处理方面被广泛应用，如化工、汽车等行业的有机废气处理，煤矿排风的瓦斯处理，以及漆包线中的有机挥发物燃烧和热量利用等，催化燃烧技术是当前大气环保的重要手段之一。

有机废气的种类很多，催化燃烧不同种类的有机废气可选择不同的催化剂，但所有的处理过程都需要将有机废气加热到相应的催化起燃温度才能发生催化燃烧反应，且进入催化床的有机废气温度决定了催化过程的效率和最终达到的净化率。一般情况下，在催化剂可承受的温度范围内，温度越高则催化效率越高，可达到的净化率越高。

因此，如何利用催化燃烧后的高温气体加热尚未燃烧的有机废气，成为了减少能耗和提高净化率的关键。在现有的催化燃烧技术中，普遍存在各种各样的缺陷：由换热效率低导致的高能耗、由催化前端温度偏低导致的前端催化效率低、由催化后端温度偏高导致的后端催化剂损坏、由整体催化效率低导致的有害物质排放浓度高等。

逆流式催化燃烧是一种被广泛研究和应用的催化燃烧技术，其本质是蓄热式换热器，其缺点是：需要切换气体流向，导致结构比较复杂，不利于处理设备的制造、运行和保养；每次切换气体流向时，已经进入储热材料但尚未进入催化床的有机废气，将被当做催化后气体排出，造成间歇性高浓度污染排放，降低了整体的净化效果。

除此之外，在催化燃烧中应用更为广泛的是间壁式换热器，包括管壳式和板式等结构形式的间壁式换热器。众所周知，管壳式换热器的换热效率不高。而在应用换热效率较高的板式换热器时，通常未重视定向气流之外的局部对流，气流进出口及流向设计的不合理，常常使得局部对流扰乱了换热器的运行效果。因此，有必要针对性地利用局部对流，来优化板式换热器的设计。

不论是蓄热式换热器，还是间壁式换热器，换热效率都不如混合式换热器，都不能使受热气体的温度达到或接近放热气体的温度。当然，未燃烧的有机废气不能与燃烧后的清洁废气进行混合式换热，否则催化燃烧无法持续。但在两者的交汇点，也就是催化燃烧室，若能以某种方式达到混合式换热的效果，必能大大提高接触催化剂前的有机废气温度。此外，若能使有机废气进入的催化前端和清洁废气离开的催化后端两处的温度接近，使整个催化过程都在催化效率最高的温度下进行，必能提高整体的催化燃烧净化率，降低清洁废气中的残余有机物含量。

可见，现有技术中的换热器都存在一个共同的缺陷：热交换的热源与冷源温差较小时热交换效率极低，所以有机废气可被加热到的上限温度大幅低于燃烧后气体的温度，无法使有机废气温度大幅高于起燃温度，达到较高的催化燃烧效率和净化率。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种对流式催化燃烧方法、燃烧器及其应用，旨在解决现有的催化燃烧技术催化燃烧能耗高、效率低、净化率低的问题。

本发明的技术方案如下：

一种对流式催化燃烧方法，用于对有机废气进行催化燃烧，其中，包括步骤：

A、将有机废气从有机废气进口通入到设置在催化床上部的催前空腔上部，并通过所述催前空腔将有机废气向下的流速缓冲到预定速度；

B、将从有机废气进口通入的有机废气，与催化床中燃烧后的向上流动的高温气体在所述催前空腔中进行对流加热，以将接触催化剂前的有机废气加热到预定温度，以及将催化床上部的低温气体与催化床下部的高温气体在催化床的层间间隔及孔隙中进行对流加热，以减小催化床上部与下部的温差；

C、控制将加热后的有机废气向下穿过催化床进行催化燃烧后从清洁废气出口排出。

一种对流式催化燃烧器，用于对有机废气进行催化燃烧，其中，所述对流式催化燃烧器包括一燃烧器本体，在所述燃烧器本体上设有用于对有机废气进行催化燃烧的催化床，在所述催化床的上部设置有用于使有机废气向下的流速缓冲到预定速度的催前空腔，所述催前空腔的顶部设置有用于通入有机废气的有机废气进口；所述催前空腔还用于将从有机废气进口通入的有机废气，与催化床中燃烧后的向上流动的高温气体在所述催前空腔中进行对流加热，用于将接触催化剂前的有机废气加热到预定温度；催化床上部的低温气体与催化床下部的高温气体在催化床的层间间隔及孔隙中进行对流加热，以减小催化床上部与下部的温差，所述燃烧器本体上还设置有清洁废气出口，用于排出向下穿过催化床进行催化燃烧后生成的清洁废气。

所述的对流式催化燃烧器，其中，所述催化床为固定式催化床，所述固定式催化床的催化剂载体为颗粒状、蜂窝状或丝团状金属或陶瓷。

所述的对流式催化燃烧器，其中，在所述催前空腔的中部或者在有机废气进口之前设置有用于对有机废气进行加热的催前电热管或燃气加热装置。

所述的对流式催化燃烧器，其中，在所述催前空腔的下部设置有用于检测接触催化剂前的有机废气温度的催前热电偶。

所述的对流式催化燃烧器，其中，所述催前空腔的高度大于其水平横截面的短边宽度，所述催前空腔的水平截面积与催化床的水平截面积的差值在预定范围内。

所述的对流式催化燃烧器，其中，所述催化床下部设置有一催后空腔，所述清洁废气出口设置在所述催后空腔的底部。

所述的对流式催化燃烧器，其中，所述催化床下部设置有第一催中空腔，所述第一催中空腔的侧边连通设置有第二催中空腔，所述第二催中空腔的上部设置有水平截面积与催化床水平截面积的差值在所述预定范围内的第二催化床，所述第二催化床的上部设置有催后空腔，所述清洁废气出口设置在所述催后空腔的顶部。

一种如所述的对流式催化燃烧器的应用，其中，采用清洁废气出口排出的清洁废气对需加热的气体或液体进行加热，在进行加热时，采用空腔式换热器进行换热，所述空腔式换热器包括至少一对换热空腔，每一对换热空腔包括一放热空腔及设置在所述放热空腔上部的吸热空腔，所述放热空腔与吸热空腔之间设置有用于热交换的导热隔板。

所述的对流式催化燃烧器的应用，其中，空腔式换热器包括多对换热空腔时，所述多对换热空腔从上至下依次排列，每一放热空腔与其相邻的吸热空腔之间设置有用于热交换的导热隔板，所述清洁废气出口连接处于顶部的放热空腔的进口，清洁废气从清洁废气出口进入到顶部的放热空腔的进口后，向下依次通过每一放热空腔，从与底部的放热空腔的出口连通的排废烟囱排出，需加热的气体或液体从底部的吸热空腔的进口进入，并向上依次通过每一吸热空腔，从顶部的吸热空腔的出口通入到需使用的目的地，或者当需加热的对象是有机废气时，则直接将所述顶部的吸热空腔的出口连通有机废气进口，以从所述有机废气进口进入到对流式催化燃烧器中，其中，每一吸热空腔的出口设置在相应的吸热空腔的顶部，每一放热空腔的出口设置在相应的放热空腔的底部，每一吸热空腔的进口与出口、每一放热空腔的进口与出口都相隔预定距离。

有益效果：本发明利用了催化燃烧前后气体在催化床附近的交汇点，制造了催化前后气体的直接对流换热，大大提高了催化前气体的温度，减小了上层催化剂和下层催化剂的工作温差，改善了全部催化剂的工作状态，提高了催化燃烧效率，并延长了催化剂寿命，大大优于已有的催化燃烧设备结构。同时，本发明针对不同相对密度的有机废气，提出了一次催化与二次催化的结构和方法，有效地提高了有机废气被催化燃烧的几率，进一步地提高了催化燃烧净化率，减少了废气对大气的污染。此外，本发明利用气体的对流特性提出了空腔式换热器和对其他换热器结构的改进方法，提高了换热效率，还为废气余热的多级彻底利用提供了渠道。本发明的应用范围广，提高了换热效率，节约了能源，降低了成本，具有实用性强的特点。

附图说明

图1为本发明对流式催化燃烧方法较佳实施例的流程示意图。

图2为本发明对流式催化燃烧器第一实施例的结构示意图。

图3为本发明对流式催化燃烧器第二实施例的结构示意图。

图4为本发明对流式催化燃烧器与空腔式换热器配合应用的较佳实施例的结构示意图。

图5为图4所示较佳实施例的侧视图。

图6为本发明对流式催化燃烧器与空腔式换热器配合应用于多级串联受热体的结构示意图。

图7为本发明对流式催化燃烧器在空腔式换热器与回转式吸附浓缩器的应用的结合示意图。

图8为本发明对流式催化燃烧器在热交换漆包机中应用的结构示意图。

图9为本发明对流式催化燃烧器在热风循环漆包机中应用的结构示意图。

图10为本发明对流式催化燃烧器在立式漆包机中应用的结构示意图。

图11为本发明对流式催化燃烧器在燃气轮机中应用的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种对流式催化燃烧方法、燃烧器及其应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

作为本发明对流式催化燃烧方法较佳实施例，如图1所示，其包括步骤：

S1、将有机废气从有机废气进口通入到设置在催化床上部的催前空腔上部，并通过所述催前空腔将有机废气向下的流速缓冲到预定速度；

本步骤实施例的方法中，采用在有机废气进入催化床催化燃烧前，先设置一个催前空腔来缓冲有机废气的流速，通过所述催前空腔将有机废气向下的流速缓冲到预定速度，以将从有机废气进口通入的有机废气，与催化床中燃烧后的向上流动的高温气体在所述催前空腔中进行对流加热，以提高接触催化剂前的有机废气的温度，具体如步骤S2所述。

S2、将从有机废气进口通入的有机废气，与催化床中燃烧后的向上流动的高温气体在所述催前空腔中进行对流加热，以将接触催化剂前的有机废气加热到预定温度，以及将催化床上部的低温气体与催化床下部的高温气体在催化床的层间间隔及孔隙中进行对流加热，以减小催化床上部与下部的温差；然后进入步骤S3。

S3、控制将加热后的有机废气向下穿过催化床进行催化燃烧后从清洁废气出口排出。

本发明的核心之处在于：通过将来自有机废气进口的较低温有机废气与从底部上升的较高温气体形成局部对流加热，将接触催化剂前的有机废气加热到预定温度，以提高接触催化剂前的有机废气的温度，并且使催化床上部的较低温气体与催化床下部的较高温气体之间形成局部对流加热，从而使得催化床中的催化剂在较佳的工作温度下进行催化，提高所有催化剂的催化燃烧效率，在减少催前加热能耗的同时达到较高的净化率。须说明的是，所述催前的预定温度（即步骤S2的预定温度）应显著高于起燃温度，并且催化燃烧后的催后温度还需低于催化剂上限温度，而起燃温度根据有机废气和催化剂种类的不同而有所不同，催化剂的上限温度则是根据催化剂种类不同有所不同。例如，以二甲苯和甲酚为主的有机废气，同时配以蜂窝状陶瓷钯基催化剂的漆包线生产为例，起燃温度为400℃，催化剂的上限温度为650℃，那么催前的预定温度优选至少达到500℃，同时还要保证催化燃烧后的催后温度低于650℃，使催化剂的工作温度在500℃~650℃之间。

基于上述实施例的对流式催化燃烧方法，本发明实施例还提供了一种对流式催化燃烧器，如图2所示。下面结合对流式催化燃烧器来对本发明的对流式催化燃烧过程进行详细说明。

请参阅图2，图2为本发明对流式催化燃烧器较佳实施例的结构示意图，如图所示，所述对流式催化燃烧器包括一燃烧器本体100，在所述燃烧器本体100上端设置有一用于通入有机废气的有机废气进口110，以及在所述燃烧器本体100下端设置有用于排出清洁废气的清洁废气出口170，在所述有机废气进口110与清洁废气出口170之间依次设置有催前空腔130、第一催化床150（为与下文中的第二催化床区分，以下将催化床150统称为第一催化床150）以及催后空腔160。

进一步地，在所述催前空腔130中设置有用于对所述有机废气进行加热的电热管120以及用于对接触第一催化床150的催化剂前的有机废气的温度进行检测的热电偶140，所述催前空腔130位于所述第一催化床150的上部。

较佳地，采用所述有机废气进口110设置在所述催前空腔130顶部，所述清洁废气出口170设置在所述催后空腔160的底部，所述催前空腔130的水平截面积大于所述第一催化床150的水平截面积，所述催前空腔130的高度大于所述催前空腔130水平截面的短边宽度，所述催前空腔130的水平截面积为所述有机废气进口110截面积的数倍，这样，外部来的有机废气从有机废气进口110进入催前空腔130，通过所述催前空腔130的缓冲，使有机废气的流速大幅降低，而在第一催化床150燃烧的有机废气产生的热量使得第一催化床150及其附近的气体温度较高，较高温度的气体会与催前空腔130上部较冷的空气产生局部对流，可以对接触催化剂前的有机废气加热到预定温度，以提高接触催化剂前的有机废气的温度。

并且有机废气在催前空腔130自上而下的流速大幅降低后，不足以阻止较热气体的向上对流，所以催前空腔130内部除了有机废气整体的向下流动外，还有大量较热气体向上、较冷气体向下的局部对流存在，这样的对流过程可以有效加热催前空腔130中的有机废气，从而提高接触催化剂前的有机废气的温度，使有机废气接触到第一催化床150时的温度升高到一预定温度（该预定温度在前文中已有描述，故不再赘述），接近于催化后的气体温度，通常高于催化起燃温度，使整个催化燃烧过程在催化效率较高的温度下进行，更有利于有机废气的催化燃烧。

进一步地实施例，为了进一步提高机废气催化燃烧的温度，还可以设置一用于对进入到催前空腔的有机废气进行加热的催前加热区。具体可以采用是将催前加热区的出口连接催前空腔的有机废气进口，并且，将催前加热区的进口高度设置为低于催前空腔的高度，使得进入催前空腔之前的通道或腔体尽量低于催前空腔，这样，不会导致热气倒灌。

同时，为了保证有机废气的温度达到催化起燃的温度，还可以在催前加热区设置电热管或者燃气加热装置等各种加热装置，用来对有机废气进行催前加热，当催前空腔的热电偶检测到有机废气达到催化起燃温度即可停止加热。

本发明实施中，所述第一催化床150的催化剂可以为固定式催化床，其载体优选为颗粒状、蜂窝状或丝团状金属或陶瓷。当采用蜂窝状陶瓷催化剂时，所述第一催化床150可以包括多层催化剂，其中，在每一层催化剂产生的热量的积聚作用下，整体向下的气流使得下层的催化剂温度高于上部，而局部对流又使得下层催化剂产生的热量向上流动，所以各层催化剂的温差减小，温差较小将使得每一层催化剂都在较高但又不太高的温度下工作，这种对流催化燃烧过程有利于提高催化燃烧效率，同时有利于防止下层的催化剂被过高温度破坏。

因为，若催化剂工作温度过低的话，尽管其温度高于催化起燃温度，可以使有机废气发生燃烧反应，但是因为反应自由能不高，催化燃烧速度也不高，即催化燃烧效率不高。另外，偏低的催化剂工作温度还可能造成催化剂活性中心被未燃烧沉积物堵塞，使催化剂暂时性中毒。若催化剂工作温度过高的话，则有可能造成催化剂的损坏，这是因为每种催化剂的工作温度都有相应的上限，接近或超过上限的工作温度就可能造成相应催化剂的损坏，导致催化燃烧效率下降。所以，本发明中的对流式催化燃烧过程减小了催化剂的温差，既提高了催化燃烧效率，又能防止催化剂工作温度过高被损坏。

在有机废气向下通过第一催化床150后，有机废气的绝大部分有机挥发物都已经燃烧成二氧化碳和水，气体温度也已经升高，但是根据有机废气的相对密度的高低，其燃烧后的情况也不同。

对于相对密度小于空气的有机废气，例如只含或者大部分为甲烷的有机废气，其未燃烧的部分有机挥发物分子还有可能上升，反复多次接触第一催化床150下层的催化剂，所以需要设置一个较大体积的催后空腔，为残余的有机废气提供更多的再次催化燃烧的机会，如图2所示，所述催后空腔160设置在所述第一催化床150的下部，所述清洁废气出口170设置在所述催后空腔160的底部，所述催前空腔130的水平截面积与第一催化床150的水平截面积的差值在预定范围内，该预定范围应当使催前空腔130的水平截面积略大于第一催化床150的水平截面积，或者至少能使催前空腔130的水平截面积与第一催化床150的水平截面积基本相等即可。当有机废气从催后空腔160的清洁废气出口170排出后，催化燃烧过程结束，清洁废气可以向下进入到需要的换热器中，或者直接排入到大气中。

作为本发明另一实施例，对于相对密度大于空气的有机废气，例如含有甲酚和二甲苯的漆包线中产生的有机废气，其未燃烧的较重的有机挥发物是向下流动，所以不会再次与上部的第一催化床150接触，为此，如图3所示，本发明将第一催化床150下部的空腔设置为第一催中空腔180，该第一催中空腔180的侧边连通设置第二催中空腔190，第一催中空腔180和第二催中空腔190合称为催中空腔。

并在所述第二催中空腔190的上部设置有第二催化床191，所述第二催化床191与所述第一催化床150的水平截面积之差在所述预定范围之内，所述催后空腔160设置在所述第二催化床191的上部，所述清洁废气出口170设置在所述催后空腔160的顶部，所述第一催化床150与所述第二催化床191的底部齐平，所述第一催中空腔180与所述第二催中空腔190的底部齐平，所述第一催化床150的催化剂层数比所述第二催化床191的催化剂层数多1~3倍，所述催前空腔130与所述催后空腔160的顶部齐平。第一催中空腔180和第二催中空腔190的体积不必过大，否则催中空腔中会积聚过多较重的有机挥发物分子。其中，催后空腔160的高度应当适当增大，这样经过第一催化床150的催化燃烧后，残余的有机废气到达催中空腔，并经过第二催化床191再次燃烧后，进入到催后空腔160，残余的有机废气再次减少。并且在催后空腔160中，由于流速较小，较重的有机挥发物分子还会有下沉的趋势，下沉的有机挥发物分子还会多次接触第二催化床的催化剂，多次接触带来多次燃烧，这将大大提高相对密度较大的有机废气的催化燃烧效率。在漆包线生产中，有机废气中既包含了易燃的溶剂挥发物，如二甲苯和甲酚等，还包含了不易燃的低分子油漆挥发物，如聚氨酯或聚酯等。二甲苯和甲酚之类的溶剂挥发物都是碳链小于10的碳氢化合物，气态相对密度约为3.5~4，且在催化剂作用下可直接燃烧，按以上方式可达到较好的净化效果。对于聚氨酯或聚酯之类的油漆，交联反应后本应成为漆包线表面的固态漆膜，但在高温下有部分分子链较短的低分子油漆会转变为气态，随溶剂进入催化燃烧室。低分子油漆挥发物的分子链虽然在油漆中相对较短，但比溶剂的碳链大得多，所以其气态相对密度也大得多，且在催化剂作用下不能直接燃烧，只能逐步裂解到较小碳链后才能被催化燃烧，所以需要较高的温度和较长的反应时间。在以上结构的催后空腔中，超重的低分子油漆挥发物很难到达清洁废气出口，可长时间停留在温度较高的第二催化床附近，有较多机会被裂解成较短的碳链，并燃烧成二氧化碳和水。除漆包线外，类似这种情况的有机废气还很多，如汽车喷漆、家具喷漆、轮胎生产等。通常的做法是：在有机废气进入催化燃烧前，先用喷淋等方法将有机废气中的不易燃物质洗掉，因而又带来了污水处理的问题。如果有机废气中所含不易燃烧物质是可裂解并最终燃烧的碳氢化合物，采用以上结构可省掉喷淋程序，直接通过催化燃烧处理干净。

另外，由于清洁废气出口170设置在催后空腔160的顶部，所以燃烧后清洁废气从该清洁废气出口170排出，而较重的有机挥发物分子较少，排放气体的污染程度进一步降低，从该清洁废气出口170排出后，有机废气的催化燃烧过程全部结束，可以向下进入到换热器，或者直接向上排入大气中。

须说明的是，上述的设计只是较优选的实例，并不代表对本发明的限制，若采用本发明的原理即设置一个较大的催后空腔使较重的有机挥发物分子与下面的第二催化床进行多次催化燃烧，同样能够实现本发明的目的。

另外，第一催化床150的催化剂层数应该比第二催化床191的催化剂层数多1~3倍，以使总的催化剂层数达到空速比要求的总数。

从上述催后空腔中排出的清洁废气，其含有大量的热量，为了有效利用这些热量，本发明可将对流式催化燃烧器应用在各种热交换装置中。

具体来说，结合图4和图5所示，为本发明的对流式催化燃烧器具体应用实施例，即为空腔式换热装置较佳实施例，如图4和图5所示，其包括上述的对流式催化燃烧器及连接于该对流式催化燃烧器的空腔式换热器200，所述空腔式换热器200连接在所述对流式催化燃烧器的下方，所述空腔式换热器包括至少一换热空腔，每一换热空腔包括一个放热空腔220和一个吸热空腔210（为方便说明，图中仅标识处于顶部的放热空腔220及吸热空腔210，其他换热空腔按相同方式设置），每一换热空腔中，放热空腔220位于吸热空腔210的下部，并且，放热空腔220与吸热空腔210之间通过导热隔板230相隔，该导热隔板230是作为主要换热面，还可在该导热隔板230上设置翅片化吸热片和散热片，放热空腔220和吸热空腔210的体积和截面积需要足够大，使得气体进入到换热空腔后的流速大大小于通道内的流速，以使气体能够在换热空腔内产生充分的对流。

下面具体描述对流式催化燃烧器与空腔式换热器是如何配合应用的具体实施例。

如图4和图5所示，所述清洁废气出口250连接处于顶部的放热空腔220的进口，清洁废气从清洁废气出口250进入到顶部的放热空腔220的进口后，向下依次通过每一放热空腔，从与底部的放热空腔的出口连通的排废烟囱排出，需加热的气体或液体从底部的吸热空腔的进口进入，并向上依次通过每一吸热空腔，从顶部的吸热空腔210的出口通入到需使用的目的地，或者当需加热对象是有机废气时，则直接将所述顶部的吸热空腔210的出口连通对流式催化燃烧器的有机废气进口，以从所述有机废气进口进入到对流式催化燃烧器中进行催化燃烧。

另外，放热空腔220的出口应设置在该放热空腔220的下部，并使放热空腔220的进口远离其出口，或者采用挡板将进口和出口隔开，以保证经过对流后较冷的放热气体最先离开放热空腔220。吸热空腔210的出口设置在该吸热空腔210的上部，并使吸热空腔210的出口远离其进口，或者也可以采用挡板隔开进口与出口，保证经过对流后较热的吸热气体最先离开吸热空腔210，另外，所述吸热空腔210的出口连通所述有机废气进口，所述放热空腔220的进口连通所述清洁废气出口，气体流向参见附图4和图5。

当设置较多对换热空腔时，每对换热空腔从上至下依次设置，放热气体由最上层的放热空腔220中进入，通过连接通道逐层流向最下部的放热空腔，并由最下部的放热空腔离开空腔式换热器，吸热气体由最下部的吸热空腔进入，通过连接通道逐层流向最上部的吸热空腔210，并由最上部的吸热空腔离开空腔式换热器。而换热空腔之间也设置导热隔板，换热空腔之间的导热隔板的上部是上一层放热空腔的放热气体，下部是下一层吸热空腔的吸热气体，两者的温差较小，是次要换热面，次要换热面一般设置为简单的导热隔板即可，但也可以在该次要换热面上设置翅片化吸热片和散热片。

放热空腔之间以及吸热空腔之间，是通过连接通道来流通气体的，连接通道的形式可以制作为多种形状，例如在对放热气体和吸热气体形态要求不高时，可以在空腔式换热器的正面设置放热气体流流通的连接通道，同时在空腔式换热器的侧面设置吸热气体流通用的连接通道，以避免通道交叉的情况。若本发明应用于漆包线中，由于这种情况要求空腔式换热器输出的新鲜空气在扁平通道内分布均匀，同时要求用扁平通道均匀地抽取催后气体，此时可将空腔式换热器的连接通道设置为间隔均匀的正交通道。另外，所有连接通道的横截面应足够大，以免流通阻力过大，连接通道与换热空腔之间的隔板，以及连接通道与连接通道之间的隔板，都可以作为辅助换热面，同样具有换热功能，这样，在使用同样的材料和热交换面积的情况下，能达到最好的热交换效果，并保留了进一步利用放热气体余热的条件。

本发明中，前述的放热气体是指所含热量被利用后，最终要排向大气的废气，对于催化燃烧来说，就是指大部分有机挥发物已经燃烧，所含氧气大大减少，并且还含有较多的二氧化碳和水，无法再进入到工序的低污染废气，例如催化燃烧后的清洁废气。前述的吸热气体是指工序中需要使用的，并且在使用前需要加热的气体，可以是含有有机挥发物的有机废气，也可以是工序中需要的新鲜空气或者其他气体。

另外通过空腔式换热器的吸热气体的种类还可以超过一种，如果多种吸热气体要求的温度都要求较高时，流量将受到限制，此时，可以采用并联的方式来分享吸热空腔，当多种吸热气体要求的温度差异较大时，则可以通过串联的方式来分享不同温度的放热气体放出的热量，即分级换热。在分级换热中，温度要求较高的吸热气体，或者温度要求相同且较重要的吸热气体，通过靠近上层的吸热空腔来吸热。吸热气体的流量保持固定时，此时不能控制其通过空腔式换热器的温度，所以需要通过补充加热的方式来保证吸热气体达到需要的温度，而吸热气体的流量可以改变时，则可以加大吸热气体的流量来降低其温度，或者通过减小吸热气体的流量来提升温度，即通过控制吸热气体的流量来控制吸热气体吸热后的温度。

当然，实际应用时，不仅仅是气体需要热量，其他形式的流体也有可能需要热量，例如液体，比如生活热水或者蒸汽等，此时可以按照同样的原则来使用空腔式换热器，如图6所示，有机废气从有机废气进口340进入，经过对流式催化燃烧器的催化燃烧后生成清洁废气，清洁废气由最下一层的放热空腔的清洁废气出口310排出，冷水则由最下一层吸热空腔底部的需加热气液体进口320进入，加热后的热水由最上一层吸热空腔顶部的需加热气液体出口330流出，较大的空腔体积储存了相当多的热水，催化燃烧的连续运转可保证连续的热水供应，只不过热水的温度将与热水的流量成反比，对热水温度要求较高时还应设置独立的热水保温罐或进行后续加热处理。

本发明中的空腔热换器与其他一些串联的换热器相比，其流体阻力不大，也没有流体流量受限的问题，当本发明的热换器体积受限时，则可以不使用空腔式换热器，而直接对现有的板式、板翅式、或者板壳式的换热器进行结构改造，以达到较好的换热效果。

当有机废气浓度较低或不稳定时，可通过吸附解附工艺提高有机废气浓度，为催化燃烧创造有利条件。使用大腔体式热交换器加热新鲜空气，加热后的新鲜空气再用作解附热气流，解附到浓缩的有机废气后再进入空腔式换热器，然后进入对流式催化燃烧工序。如附图7所示，有机废气从有机废气进口440通入，同时热新鲜空气从热新鲜空气进口460进入后，经过了空腔式换热器和解附电热管420的加热，先通入回转式吸附浓缩器410的解附通道，解附到浓缩的有机废气后再进入空腔式换热器，然后进入催前空腔，最后从清洁废气出口470排出，新鲜空气还从清洁废气出口450排出。解附通道及其连接通道都设置有保温层，解附电热管420的加热控制目标是保证解附热电偶430测得的温度达到最佳解附温度。解附到的浓缩有机废气再进入空腔式换热器加热后，还是可以通过催前电热管补充加热，使催前温度达到催化起燃温度。

当需要吸附的有机废气浓度较低时，用于解附的热新鲜空气流量应当小于需要吸附的有机废气流量，使解附后的有机废气浓度处于较高但不高于起爆点的浓度水平。当需要吸附的有机废气浓度或流量不稳定时，与回转式吸附浓缩器配合，用于解附的热新鲜空气流量应当采用变频调速风机来控制。当需要吸附的有机废气浓度或流量偏低时，回转式吸附浓缩器410的回转周期加长，同时降低热新鲜空气流量，使催化燃烧处于低速运行状态。当需要吸附的有机废气浓度或流量偏高时，回转式吸附浓缩器的回转周期缩短，同时提高热新鲜空气流量，使催化燃烧处于高速运行状态。如此，可最大限度地使催化燃烧处于自热运行状态，减少有机废气发热量不足时的能量消耗，进一步减小环保技术应用的阻力。

如图8所示，图8为本发明对流式催化燃烧器在热交换漆包机中应用的结构示意图，有机废气从左侧的有机废气进口510通入，直接进入到对流式催化燃烧器中进行催化燃烧，生成的清洁废气通过多个放热空腔的放热，最后从右侧的清洁废气出520口向上排出，而新鲜空气则从右侧的冷新鲜空气进口530进入到空腔式换热器的吸热空腔，经过电热管的加热后从热新鲜空气出口540排出，通往炉膛。

对于起始温度较高的有机废气，如漆包机内的有机废气，即使其温度略低于催化起燃温度，因对流式催化燃烧的对流加热作用，可以不设置换热器来加热有机废气。此时，催化后气体的热量可用于其它目的，对于漆包机来说，首先就是用来加热新鲜空气供应炉膛，减少预热新鲜空气的能耗。如附图8所示，热交换漆包机的催化后气体全部进入空腔式换热器，加热新鲜空气后排出。在空腔式换热器中加热了的新鲜空气，经过电热管补充加热到所需温度后，通往炉膛使用。此时新鲜空气的流量接近于有机废气流量，使炉膛内气体流量接近于平衡，减少炉口进入冷空气的流量。

如图9所示，图9为本发明对流式催化燃烧器在热风循环漆包机中应用的结构示意图，与热交换漆包机不同的是，热风循环漆包机的催化后气体一部分被循环风机抽回炉膛，剩余的才通过空腔式换热器排出，如图9所示，对流式催化燃烧器设置在空腔式换热器的左侧（较佳实施例），有机废气从空腔式换热器的有机废气进口610进入后，通过空腔式换热器进入到对流式催化燃烧器中进行催化燃烧，催化燃烧后生成的清洁废气一部分从循环热风出口630被循环风机抽回炉膛，而剩余的一部分通过空腔式换热器从清洁废气出口620排出。此时有机废气流量等于循环热风流量与排出废气流量之和。通常热风循环漆包机不需要热新鲜空气，空腔式换热器还是用于加热有机废气，所以参与热交换的放热气体流量小于吸热气体流量。流量较小的放热气体在空腔式换热器中停留的时间较长，从空腔式换热器底部排出时的温度，更接近于由底部通入的有机废气温度，可更好地利用其余热。而经过热交换的有机废气温度将更高，更高的催前温度有利于提高催后温度，从而弥补较大流量的循环风量带来的有机废气浓度降低，及其导致的催化燃烧温升偏低问题。

如图10所示，图10为本发明对流式催化燃烧器在立式漆包机中应用的结构示意图，立式漆包机的最佳设计也是一种热风循环漆包机，所不同的只是摆放位置不同。因为立式漆包机高度方向空间限制较少，故而将对流式催化燃烧器设置在顶部，依次向下设置催前加热区和空腔式换热器。

有机废气从空腔式换热器的有机废气进口710进入，通过空腔式换热器，再经过催前加热区的催前加热，最后进入到对流式催化燃烧器中进行催化燃烧生成清洁废气，其中，一部分的清洁废气从循环热风出口730被循环风机抽回炉膛，而剩余的清洁废气则向下通入到空腔式换热器中，从下部的清洁废气出口720排出。由于立式漆包机的催前加热功率要求比较大，催前空腔的体积可能不足以安装足够多的电热管，所以需要专门设置催前加热区，催前加热区和催前空腔可同时安装电热管。这样的排列方式最有利于将热量保留在漆包机内，同时还提供了很好的可控性。

在以上所述的卧式和立式漆包烘炉中，当总体热量较少时，可适当减少排废流量，加大循环热风的比例，减少能耗。此时相应的有机废气浓度通常较低，循环热风的含氧量降低幅度不大，不会过分影响催化燃烧效果。当有机废气浓度较高，造成总体热量较多时，可以加大排废流量，减少循环热风的比例，使各工艺温度降低到需要的水平。此时加热能耗可接近于零，且大流量的新鲜空气可保证催化燃烧所需氧气。

如图11所示，其为本发明对流式催化燃烧器在燃气轮机中应用的结构示意图。催化燃烧产生的催后气体温度一般在600度左右，是非常好的燃气轮机发电热源。对于燃烧余热没有特别用途，且余热产生量较为充足的情况，比如污水处理站的沼气、煤矿的瓦斯、燃料电池的尾气等场合，可以配合燃气轮发电机进行发电。

如图11所示，首先，将有机废气从有机废气进口810通入后，利用燃气轮机的压气机820将有机废气加压；然后，将加压后的有机废气通入空腔式换热器的吸热空腔进行加热，此时有机废气的压力和温度都有所升高。然后，将加压加热后的有机废气通入对流式催化燃烧器中进行催化燃烧，此时有机废气中的有机物转化为二氧化碳和水，有机废气变为清洁废气，清洁废气的压力和温度都被大幅升高。高温高压的清洁废气进入燃气轮机的涡轮830，驱动燃气轮机的发电机850运转并发电。在燃气轮机中释放了压力的清洁废气再通入空腔式换热器的放热空腔，用于加热加压后的有机废气。最后，已将大部分热量转递给加压后的有机废气的清洁废气温度已经不高，有机物含量也很低，可以直接从底部放热空腔的清洁废气出口840排放至大气中，也可以再用于加热生活热水后再排放。

综上所述，本发明利用了催化燃烧前后气体在催化床附近的交汇点，制造了催化前后气体的直接对流换热，大大提高了催化前气体的温度，减小了上层催化剂和下层催化剂的工作温差，改善了全部催化剂的工作状态，提高了催化燃烧效率，并延长了催化剂寿命，大大优于已有的催化燃烧设备结构。同时，本发明针对不同相对密度的有机废气，提出了一次催化与二次催化的结构和方法，有效地提高了有机废气被催化燃烧的几率，进一步地提高了催化燃烧净化率，减少了废气对大气的污染。此外，本发明利用气体的对流特性提出了空腔式换热器和对其他换热器结构的改进方法，提高了换热效率，还为废气余热的多级彻底利用提供了渠道。最后，在几种应用案例中具体说明了应用原则和方法，使催化燃烧技术在现有的应用领域达到更好的效果，同时还可大幅降低其自热运行的阀值，使得原来运行成本较高的工况可以大幅降低运行成本，甚至带来额外收益，减小企业采用环保技术的阻力，推动了环保事业发展。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种对流式催化燃烧方法，用于对有机废气进行催化燃烧，其特征在于，包括步骤：

A、将有机废气从有机废气进口通入到设置在第一催化床上部的催前空腔上部，并通过所述催前空腔将有机废气向下的流速缓冲到预定速度；

B、将从有机废气进口通入的有机废气，与第一催化床中燃烧后的向上流动的高温气体在所述催前空腔中进行对流加热，以将接触催化剂前的有机废气加热到预定温度，以及将第一催化床上部的低温气体与第一催化床下部的高温气体在第一催化床的层间间隔及孔隙中进行对流加热，以减小催化床上部与下部的温差；

C、控制将加热后的有机废气向下穿过第一催化床进行催化燃烧后从清洁废气出口排出；

所述预定温度应高于起燃温度，并且催化燃烧后的催后温度低于催化剂上限温度；

所述步骤A还包括：对进入到催前空腔的有机废气在催前加热区进行加热，当催前空腔的热电偶检测到有机废气达到催化起燃温度停止加热；

所述第一催化床下部设置有第一催中空腔，所述第一催中空腔的侧边连通设置有第二催中空腔，所述第二催中空腔的上部设置有水平截面积与第一催化床水平截面积的差值在预定范围内的第二催化床，所述第二催化床的上部设置有催后空腔，所述清洁废气出口设置在所述催后空腔的顶部；

第一催化床的催化剂层数比第二催化床的催化剂层数多1~3倍。

2.一种对流式催化燃烧器，用于对有机废气进行催化燃烧，其特征在于，所述对流式催化燃烧器包括一燃烧器本体，在所述燃烧器本体上设有用于对有机废气进行催化燃烧的第一催化床，在所述第一催化床的上部设置有用于使有机废气向下的流速缓冲到预定速度的催前空腔，所述催前空腔的顶部设置有用于通入有机废气的有机废气进口；所述催前空腔还用于将从有机废气进口通入的有机废气，与第一催化床中燃烧后的向上流动的高温气体在所述催前空腔中进行对流加热，用于将接触催化剂前的有机废气加热到预定温度；第一催化床上部的低温气体与第一催化床下部的高温气体在第一催化床的层间间隔及孔隙中进行对流加热，以减小第一催化床上部与下部的温差，所述燃烧器本体上还设置有用于排出向下穿过第一催化床进行催化燃烧后生成的清洁废气出口；

在所述催前空腔的中部或者在有机废气进口之前设置有用于将有机废气加热到预定温度的催前电热管或燃气加热装置；

所述第一催化床为固定式催化床，所述固定式催化床的催化剂载体为颗粒状、蜂窝状或丝团状金属或陶瓷；

在所述催前空腔的下部设置有用于检测接触催化剂前的有机废气温度的催前热电偶；

所述催前空腔的高度大于其水平横截面的短边宽度，所述催前空腔的水平截面积与第一催化床的水平截面积的差值在预定范围内；

所述第一催化床下部设置有第一催中空腔，所述第一催中空腔的侧边连通设置有第二催中空腔，所述第二催中空腔的上部设置有水平截面积与第一催化床水平截面积的差值在所述预定范围内的第二催化床，所述第二催化床的上部设置有催后空腔，所述清洁废气出口设置在所述催后空腔的顶部；

所述对流式催化燃烧器还设置有一用于对进入到催前空腔的有机废气进行加热的催前加热区，催前加热区的出口连接催前空腔的有机废气进口，将催前加热区的进口高度设置为低于催前空腔的高度，当催前空腔的热电偶检测到有机废气达到催化起燃温度停止加热；

第一催化床的催化剂层数比第二催化床的催化剂层数多1~3倍。

3.根据权利要求2所述的对流式催化燃烧器，其特征在于，所述第一催化床下部设置有一催后空腔，所述清洁废气出口设置在所述催后空腔的底部。

4.一种如权利要求2所述的对流式催化燃烧器的应用，其特征在于，采用清洁废气出口排出的清洁废气对需加热的气体或液体进行加热，在进行加热时，采用空腔式换热器进行换热，所述空腔式换热器包括至少一对换热空腔，每一对换热空腔包括一放热空腔及设置在所述放热空腔上部的吸热空腔，所述放热空腔与吸热空腔之间设置有用于热交换的导热隔板；

空腔式换热器包括多对换热空腔时，所述多对换热空腔从上至下依次排列，每一放热空腔与其相邻的吸热空腔之间设置有用于热交换的导热隔板，所述清洁废气出口连接处于顶部的放热空腔的进口，清洁废气从清洁废气出口进入到顶部的放热空腔的进口后，向下依次通过每一放热空腔，从与底部的放热空腔的出口连通的排废烟囱排出，需加热的气体或液体从底部的吸热空腔的进口进入，并向上依次通过每一吸热空腔，从顶部的吸热空腔的出口通入到需使用的目的地，或者当需加热对象是有机废气时，则直接将所述顶部的吸热空腔的出口连通有机废气进口，以从所述有机废气进口进入到对流式催化燃烧器中，其中，每一吸热空腔的出口设置在相应的吸热空腔的顶部，每一放热空腔的出口设置在相应的放热空腔的底部，每一吸热空腔的进口与出口、每一放热空腔的进口与出口都相隔预定距离。