同濟(jì)大學(xué) 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(dá)到 1100℃甚至更高，不可避免的會產(chǎn)生污染氣體，比如NOx等，加劇環(huán)境負(fù)擔(dān)。為了響應(yīng)增加能源利用率的要求以及嚴(yán)厲的排放法規(guī)，催化燃燒應(yīng)運而生。催化燃燒技術(shù)通過改變化學(xué)反應(yīng)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?qū)崿F(xiàn)近零污染排放。

1 預(yù)熱式催化燃燒系統(tǒng)設(shè)計

1.1 預(yù)熱系統(tǒng)的設(shè)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(yù)熱系統(tǒng)的設(shè)計旨在提供熱量給催化劑，使其按照要求達(dá)到相應(yīng)的溫度。現(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(dá)到起燃溫度導(dǎo)致催化劑燒結(jié)失活及運行控制不穩(wěn)定等。本研究設(shè)計了一套新型的熱風(fēng)發(fā)生器作為催化燃燒的預(yù)熱系統(tǒng)——天然氣全預(yù)混直混式熱風(fēng)發(fā)生器，利用全預(yù)混燃燒技術(shù)提供高溫?zé)犸L(fēng)達(dá)到規(guī)定起燃溫度，具有以下優(yōu)勢：風(fēng)管內(nèi)燃燒產(chǎn)生的煙氣和空氣直接混合，熱效率接近 100%；全預(yù)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(shè)備產(chǎn)生影響。

預(yù)熱系統(tǒng)的工作原理：先在溫控器上設(shè)置催化劑所需熱風(fēng)溫度，再開啟鼓風(fēng)機(jī)，然后啟動燃燒控制器開關(guān)，助燃風(fēng)機(jī)先運轉(zhuǎn)對燃燒器進(jìn)行預(yù)吹掃，排空腔室內(nèi)殘留的可燃?xì)怏w，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?xì)忾y打開，燃?xì)夂涂諝獍凑赵O(shè)定的空燃比進(jìn)行預(yù)混，混合后進(jìn)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?xì)忾y自動關(guān)閉，風(fēng)機(jī)進(jìn)行后吹掃。順利燃燒后，高溫?zé)煔夂涂諝膺M(jìn)行混合換熱，當(dāng)熱風(fēng)溫度偏離設(shè)定溫度時，控制器接收溫控器的4～20 mA信號，調(diào)節(jié)助燃風(fēng)機(jī)的PWM，風(fēng)壓也隨之變化，并將信號傳給電磁閥，電磁閥根據(jù)預(yù)定空燃比調(diào)節(jié)閥門開度，完成空燃比的控制，從而調(diào)整熱風(fēng)維持在設(shè)定溫度。

1.2 催化燃燒系統(tǒng)設(shè)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(fù)載金屬活性組分，然后將其涂覆到孔道內(nèi)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(yīng)用在低溫紅外加熱器上。

1.2.2 催化燃燒室設(shè)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(shè)計煙道。陶瓷纖維板具有高溫穩(wěn)定、抗火焰、低導(dǎo)熱率、低容重、高強(qiáng)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(cè)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(nèi)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?qū)煹纼?nèi)部溫度進(jìn)行實時監(jiān)測。另一處小孔用于煙氣取樣便于進(jìn)行煙氣成分分析。

1.3 控制系統(tǒng)設(shè)計

隨著自動控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，依現(xiàn)有技術(shù)已完全能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)熱式催化燃燒的自動調(diào)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(fēng)質(zhì)量，同時也降低熱消耗指標(biāo)、減輕勞動強(qiáng)度，而且可保證生產(chǎn)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)，減少環(huán)境污染。預(yù)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(hù)和空壓不足保護(hù)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?xì)夂涂諝獾幕旌蠚怏w，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(jìn)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?xì)忾y，并進(jìn)行后吹掃。防止燃?xì)鉁羟皇遥l(fā)生爆炸。本次實驗使用的是上海梅帝燃?xì)庠O(shè)備技術(shù)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(qiáng)。

1.3.2 溫度控制系統(tǒng)

預(yù)熱系統(tǒng)的關(guān)鍵作用就是提供穩(wěn)定、可控的高溫?zé)犸L(fēng)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(shè)備只需要調(diào)節(jié)比例、積分、微分參數(shù)值就可以達(dá)到很好的控制效果，因此溫控器使用的關(guān)鍵就在于設(shè)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(yù)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(yīng)風(fēng)機(jī)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(zhǔn)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(yù)熱式催化燃燒實驗系統(tǒng)

實驗流程：①打開鼓風(fēng)機(jī)通入常溫空氣。②燃燒控制器控制依次開啟助燃風(fēng)機(jī)、空燃比調(diào)節(jié)閥，金屬纖維表面燃燒器燃燒產(chǎn)生高溫?zé)煔狻＂鄢乜諝馀c高溫?zé)煔饣旌袭a(chǎn)生熱風(fēng)，通入催化燃燒室，逐漸加熱蜂窩陶瓷催化劑到設(shè)定預(yù)熱溫度。④溫控器實時監(jiān)測催化劑前熱風(fēng)溫度，待溫度恒定后打開后置空燃比調(diào)節(jié)閥，熱風(fēng)通過混合器引射燃?xì)膺M(jìn)入催化燃燒室。⑤測溫儀實時監(jiān)測催化劑表面反應(yīng)溫度，可通過判斷催化劑前熱風(fēng)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(jié)論

通過實驗將催化劑分別預(yù)熱到不同的溫度：380℃、400℃、420℃和450℃，待達(dá)到相應(yīng)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(jié)果如圖4所示：

圖4 催化劑表面溫度隨預(yù)熱溫度的變化

由圖4可以看出，隨著預(yù)熱溫度的升高，催化劑表面溫度升高。預(yù)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(yīng)不夠充分。當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到 400 ℃以上，催化反應(yīng)效果顯著。溫度繼續(xù)升高，催化反應(yīng)效果并不明顯，說明該濃度下400～450℃為較好預(yù)熱溫度范圍。

比較確定最佳的預(yù)熱溫度和燃?xì)鉂舛?，結(jié)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(yù)熱燃燒器尾氣)遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)，能夠有效抑制 NOx的產(chǎn)生，燃燒完全，無CO產(chǎn)生。

3 結(jié)語

熱風(fēng)預(yù)熱系統(tǒng)具有容易精確控制溫度、預(yù)熱均勻、預(yù)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(yuǎn)紅外加熱，節(jié)能效果顯著，能夠?qū)崿F(xiàn)近零污染排放，契合當(dāng)下節(jié)能減排的主題。