TWI386601B - 一種適用於節能多元燃料之可變旁通式觸媒駐焰燃燒器 - Google Patents

Description

一種適用於節能多元燃料之可變旁通式觸媒駐焰燃燒器

本發明係關於一種觸媒駐焰燃燒器，特別是一種具有高效率、低污染且可以節省多元燃料之適用於節能多元燃料之可變旁通式觸媒駐焰燃燒器。

請參照第1圖所示，其係為一習用觸媒燃燒裝置9，該觸媒燃燒裝置9係於一管通道91內設有一蜂巢狀觸媒92，該蜂巢狀觸媒92係位於一預混室93末端處，且該蜂巢狀觸媒92係作為該習用觸媒燃燒裝置9之燃燒室，該蜂巢狀觸媒92係連通一排氣導管94，使得經該蜂巢狀觸媒92燃燒後產生之高溫廢氣至該排氣導管94排出，其中該預混室93係用以混合燃料及空氣，且該蜂巢狀觸媒92係維持高溫環境，以供該燃料/空氣混合氣進行燃燒。藉此，係可以利用該蜂巢狀觸媒92之活性，加速該燃料/空氣混合氣於該蜂巢狀觸媒92內的燃燒反應，使得該燃料可以在較低的燃料/空氣混合比下，經由該蜂巢狀觸媒92產生相對傳統火焰燃燒的低溫反應或燃燒，以有效避免燃料高溫燃燒而排放大量氮氧化物，達到穩定該蜂巢狀觸媒92表面氧化反應，以及提升該燃料/空氣混合氣燃燒效率之功效。

然而，上述習用觸媒燃燒裝置9往往受限於觸媒點燃之溫度，而必須於燃料/空氣燃燒前，以較高的起始溫度，使得於該蜂巢狀觸媒92上的可燃氣跨越活化能障礙，才可 以點燃該蜂巢狀觸媒92上的表面氧化反應，進而持續該蜂巢狀觸媒92的表面氧化反應，以維繫該蜂巢狀觸媒92的高溫燃燒反應之進行。再者，由於觸媒燃燒乃以表面反應維繫整體燃燒反應之進行，長時間的高溫作用，係容易因該蜂巢狀觸媒92的不耐高溫，而導致該蜂巢狀觸媒92產生燒結或活性物質揮發，而影響該蜂巢狀觸媒92應有的活性，進而致使該蜂巢狀觸媒92產生燃料/空氣混合氣燃燒反應衰退，甚至反應熄滅之現象。

為了改善上述缺點，多數業者係選擇利用外加能量輔助裝置，或是觸媒燃燒點燃後自身釋放的能量再利用，以期望藉由上游能量供給之情形下，達到有效維繫觸媒燃燒反應之功效。

如中華民國公告第63137號、公告第252180號、及公告第517821號等專利案，均提出透過外加火焰燃燒器提供能量，促使燃料得以在觸媒中燃燒的不同觸媒點火用加熱器技術。此外，如中華民國公告第252180號專利案，其係揭示一種多段式觸媒裝置，以透過活性較高且具有較低點火溫度之點火器催化觸媒，藉此輕易跨越該觸媒的活化能障礙，而啟動該觸媒的燃燒反應，並藉以穩駐下游之觸媒燃燒反應。另外，如中華民國公告第505764號及公告第197484號等專利案，係分別闡述利用熱交換器與旁通管道支撐觸媒燃燒持續不滅之技術。甚至，如中華民國公告第517821號專利案，更針對觸媒燃燒前預混油氣的燃料噴注與混合裝置之設計進行改善，以達到燃料/空氣均勻混合之 功效，且避免該觸媒燃燒時，產生局部熱點而造成該觸媒損壞之現象。

該些專利案雖針對觸媒本身不耐高溫，而可能因長時間高溫導致觸媒活性物質揮發，甚至失去活性導致觸媒燃燒反應衰退乃至熄滅之缺點進行改善，然該些專利案仍然無法解決經觸媒反應後，該燃料/空氣混合氣於後段因高溫燃燒所衍生有觸媒損壞與燃燒不完全之問題。

於此，現今業者多利用多段式觸媒進行分段式觸媒燃燒，或者搭配觸媒出口之均勻氣相燃燒區，以期望解決上述該燃料/空氣混合氣燃燒不完全之現象，該些技術係詳見於中華民國公告第252180號、公告第197484號及公告第517821號等專利案，藉以透過高效率觸媒燃燒，達到有效提升該燃料/空氣混合氣燃燒效率之功效。

然而，上述專利案所揭示之技術手段，於實際運用時係容易衍生有如下之問題。由於該觸媒的燃燒效果係受限於該觸媒本身的可承受溫度，如此係導致上述專利案所揭示之現有技術均無法達成，甚至該些需作用於較高溫度條件之觸媒燃燒裝置無法使用；若直接於該觸媒燃燒裝置後段配置均勻氣相燃燒區，將因穩駐氣相燃燒所需的觸媒溫度過高而無法實現，更可能因此失去該觸媒本身應有的活性，而降低該觸媒的有效燃燒反應。此外，備受矚目的觸媒氣渦輪技術，也將因觸媒燃燒無法提供足夠的渦輪進氣溫度而降低其整體引擎熱效率。

為了保護該觸媒不受高溫損壞並增進該觸媒的使用壽命，如中華民國公告第252180號、公告第517821號及公告第283753號等專利案，皆選擇利用高、低溫觸媒分段搭配，或者選擇利用不同觸媒冷卻支撐結構，以進行觸媒冷卻之技術，以期望解決如上所述之問題。

然而，利用上述之高、低溫觸媒分段搭配的技術受限於耐高溫觸媒的發展，且會造成因觸媒長度增加導致的壓力損失增大；再且，利用該觸媒冷卻支撐結構，進行冷卻技術，更會導致熱效率大幅降低，而無法使觸媒燃燒獲得全面性且實用化之應用。

有鑑於此，確實有必要發展一種足以有效分段燃燒且具高效率之可變旁通式觸媒駐焰燃燒器，以改善如上所述觸媒因高溫燒結而失活等的問題。

本發明之主要目的乃改善上述缺點，以提供一種適用於節能多元燃料之可變旁通式觸媒駐焰燃燒器，其係能夠避免觸媒因高溫燃燒所產生的燒結或失去活性之現象，以增加該觸媒之燃燒反應及使用壽命。

本發明之次一目的係提供一種適用於節能多元燃料之可變旁通式觸媒駐焰燃燒器，係能夠有效維持燃料/空氣混合氣的氣相燃燒反應，以在觸媒不致高溫損壞下提高應用端所需之熱效率。

為達到前述發明目的，本發明之適用於節能多元燃料之可變旁通式觸媒駐焰燃燒器，係包含：一觸媒燃燒室， 係分為一預混段及一觸媒段，該預混段與該觸媒段之間係隔出一流道閘口，且該觸媒段與該觸媒燃燒室之內壁間係形成有一旁通道，該旁通道係透過該流道閘口連通該預混段；一氣相駐焰室，係連通於該觸媒燃燒室；及一漸縮管道，係位於該觸媒燃燒室與該氣相駐焰室之間，且與該觸媒段外側之旁通道相連通；其中，該流道閘口之徑寬或截面積係為可改變地，用以控制該旁通道之可燃氣進氣量。

本發明之適用於節能多元燃料之可變旁通式觸媒駐焰燃燒器，還可以於該漸縮管道內另設置數個參數感測器及一邏輯控制器，該參數感測器包含有一溫度感測件、一壓力感測件及一燃料濃度感測件，且該邏輯控制器係指利用該數個參數感測器，以及該氣相駐焰室之點火反應延遲時間與流速進行對比、判斷之邏輯線路。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：本發明可以搭配各種燃燒用觸媒，形成模組化的觸媒燃燒裝置，根據實際需求，以環狀或矩形陣列式排列，直接配置於家用加熱器(如家用瓦斯爐、熱水器之燃燒模組)或氣渦輪引擎之燃燒室。

請參照第2圖所示，其係本發明一較佳實施例，該適用於節能多元燃料之可變旁通式觸媒駐焰燃燒器，係包含 一觸媒燃燒室1及一氣相駐焰室2，該觸媒燃燒室1與該氣相駐焰室2之間係以一漸縮管道3相連通，且該觸媒燃燒室1較佳係選擇為一管狀通道，以方便應用於氣渦輪引擎之燃燒室。

該觸媒燃燒室1係分為一預混段11及一觸媒段12，該預混段11與觸媒段12之間係隔出一流道閘口13，該預混段11係為供燃料F及空氣G進行混合，以形成可燃氣100之區段，其中該燃料F的成分可以選擇為含碳、氫原子之燃氣或氣化合成氣(如固態石化燃料氣化、生質能燃料氣化、石化產品廢棄物氣化之氣體)；該觸媒燃燒室1係透過漸縮管道3與氣相駐焰室2相互連通，使得於該預混段11混合燃料F/空氣G所形成之可燃氣100，可同時經由該觸媒段12與流道閘口13分流形成可燃氣101、102後，進入該漸縮管道3至該氣相駐焰室2。再且，該觸媒段12與該觸媒燃燒室1之內壁間係形成有一旁通道121，該旁通道121係連通於該漸縮管道3，且透過該流道閘口13連通該預混段11。其中，該流道閘口13係為可以任意改變閘口徑寬或截面積之設計，特別係為蝶閥類裝置、可撓式金屬片或扇形金屬片等結構組成，用以控制該旁通道121之可燃氣102進氣量；該觸媒段12係可以選擇由直通平行管道蜂巢式擔體、網狀結構卷曲之瑞士卷式擔體、貴金屬或金屬氧化物塗佈之觸媒所形成，且該貴金屬或金屬氧化物塗佈之觸媒係直接將貴金屬觸媒電鍍、蒸鍍，或利用貴金屬觸媒與金屬氧化物觸媒之鹽類膠體溶液浸泡、基材擔體 混合燒結而成。此外，本實施例之旁通道121較佳係為環繞於該觸媒段12外側的一環形通道。

該氣相駐焰室2係用以供進入之可燃氣，可以於該氣相駐焰室2中產生氣相穩駐燃燒反應，達到完全燃燒釋放能量之目的。其中，進入該氣相駐焰室2的可燃氣係為一混合可燃氣103，該混合可燃氣103係由該可燃氣101經該觸媒段12燃燒後形成的一高溫氣體101’，與自旁通道121進入的該可燃氣102混合而成，此時，該經該觸媒段12燃燒後之高溫氣體101’係屬於高溫排氣，且更含有部份未燃燒完全之未燃可燃氣；該氣相駐焰室2係指能夠使該混合後之可燃氣體103於其上產生火焰燃燒釋放能量的裝置或空間。本實施例中，該氣相駐焰室2係由該漸縮管道3連結擴張管道或金屬網格所形成，用以促使該混合可燃氣103於該氣相駐焰室2產生回流區，以增進該混合可燃氣103的停滯時間，而形成穩定的氣相燃燒駐焰，並將經該氣相駐焰室2穩定駐焰燃燒後產生的高溫廢氣104排出。

該漸縮管道3係用以促使流經該旁通道之可燃氣102轉向，且與流經該觸媒段12且燃燒後的該高溫氣體101’進行相互衝擊之混合，以形成混合可燃氣103之漸縮機構。其中，該高溫氣體101’係代表經該觸媒段12燃燒後的高溫排氣，且該高溫排氣中係含有部份未燃燒完全之未燃可燃氣。於本實施例中，該漸縮管道3係可以選擇為簡單的幾何結構管道，且該漸縮管道3具有一上游端口31及一 下游端口32，該上游端口31係與該觸媒燃燒室1等口徑銜接，該下游端口32則與該氣相駐焰室2等口徑銜接，且該上游端口31較佳係朝該下游端口32漸縮，用以匯集經該觸媒段12燃燒後的高溫氣體101’，以及流經該旁通道之可燃氣102，達到該高溫氣體101’與可燃氣102混合之效果，以於該漸縮管道3的下游端口32排出混合後的該混合可燃氣103。藉此，係可以透過該漸縮管道3與連結於下游的渦流產生機構增進該混合可燃氣103的停滯時間，使得該混合可燃氣103進入該氣相駐焰室2後，具有穩駐的燃燒效果。本實施例之漸縮管道3可以選擇連結一擴張管道(如第3a圖所示)，或者選擇連結一金屬網格M，且該金屬網格M係設於該漸縮管道3的下游端口32處(如第3b圖所示)，以利用流體突張或經網格產生渦流增進混合與流體停滯時間，達到穩駐燃燒的效果。

此外，本發明還可以於該漸縮管道3內另設置數個參數感測器4，且該數參數感測器4係連接一邏輯控制器5，以藉由該數個參數感測器4及該邏輯控制器5，有效控制該流道閘口13之大小，且調整進入該觸媒段12與該旁通道121之可燃氣101、102的進氣量比，促使通過該漸縮管道3的高溫氣體101’、可燃氣102及該混合可燃氣103可達該氣相駐焰室2的氣相燃燒條件，且避免因高溫需求導致該觸媒段12所填入之觸媒損壞，達到提升本發明之適用於節能多元燃料之可變旁通式觸媒駐焰燃燒器的溫度適用範圍，以及提高熱燃燒效率之功效。其中，該參數感測 器4包含有一溫度感測件41、一壓力感測件42及一燃料濃度感測件43，且該邏制器5係指利用上述該數個參數感測器4，以及該氣相駐焰室2之點火反應延遲時間與流速進行對比、判斷之邏輯線路(如第4圖所示)。

請再參照第2圖所示，本發明於實際使用時，係於該觸媒燃燒室1之預混段11混合燃料F及空氣G，以形成該可燃氣100注入該觸媒燃燒室1，使得該可燃氣101經由該觸媒段12時先產生表面反應，以產生表面燃燒反應而釋放部份熱量，更使未經該觸媒段12之可燃氣102，透過可變閘口管徑或截面積之流道閘口13，進入該觸媒段12外側之旁通道121，以該觸媒段12之傳導熱提高未燃可燃氣102之溫度，使得該未燃可燃氣102與經該觸媒段12燃燒後的高溫氣體101’於該漸縮管道3混合，形成一混合可燃氣103以進入該氣相駐焰室2；於此，透過該流道閘口13的可變設計，可調整進入該旁通道121與進入該觸媒段12的可燃氣101、102比例，使得於該漸縮管道3內混合之高溫混合可燃氣103，可透過該混合可燃氣103的流量調整控制、通過該旁通道121的未燃燒之可燃氣102控制，以及經該觸媒段12之燃燒產物條件，達符合當時溫度、燃料濃度、與相對應所需之氣相燃燒點火反應延遲時間等條件，而於該氣相駐焰室2藉由其他駐焰機構的輔助，更可以產生氣相點火與燃燒而穩駐火焰，達到高效率氣相燃燒之功效。

經由上述得知，本發明之適用於節能多元燃料之可變 旁通式觸媒駐焰燃燒器，係可以應用於多元燃料的燃燒反應，更以貧油燃燒方式(意指小於可燃氣當量比之可燃氣條件)，達到降低燃燒污染及對石化燃料依賴之功效。此外，更可以將本發明之適用於節能多元燃料之可變旁通式觸媒駐焰燃燒器，應用於石化燃料與氣化合成氣(可由廢棄物或可再生之生質能等低熱值可燃物氣化產生)等多元燃料之燃燒，達到高效率且寬廣的操作溫度範圍之實用化應用功效。

甚至，本發明更可以有效、簡單地運用流量分配與階段性的燃燒反應，安全且高效率地穩駐極低燃料F/空氣G比(極低當量比)與低熱值燃料之燃燒，防止傳統觸媒燃燒裝置所產生的觸媒高溫燒結毀損之現象，並藉由該氣相駐焰室2的氣相燃燒條件控制，以氣相駐焰燃燒的方式，進一步提升本發明之適用於節能多元燃料之可變旁通式觸媒駐焰燃燒器的整體排氣溫度，達到有效提升本發明之適用於節能多元燃料之可變旁通式觸媒駐焰燃燒器的使用溫度範圍，以及強化本發明之適用於節能多元燃料之可變旁通式觸媒駐焰燃燒器實用性之功效，更進一步節省該適用於節能多元燃料之可變旁通式觸媒駐焰燃燒器之燃料，以適用於多元的燃料種類來源，降低石化燃料匱乏所帶來的衝擊，而於未來能源的開發與利用具有極大之幫助。

本發明之適用於節能多元燃料之可變旁通式觸媒駐焰燃燒器，其係能夠避免觸媒因高溫燃燒所產生的燒結或失活現象，以達到增加該觸媒燃燒反應及使用壽命之功效 。

本發明之適用於節能多元燃料之可變旁通式觸媒駐焰燃燒器，係能夠有效維持燃料F/空氣G混合氣的氣相燃燒效率，以避免產生該燃料F/空氣G混合氣燃燒不完全之現象，達到階段式有效燃燒之功效，而可以於該觸媒不致高溫損壞下，提高應用端所需之熱效率。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧觸媒燃燒室

11‧‧‧預混段

12‧‧‧觸媒段

121‧‧‧旁通道

13‧‧‧流道閘口

2‧‧‧氣相駐焰室

3‧‧‧漸縮管道

31‧‧‧上游端口

32‧‧‧下游端口

4‧‧‧參數感測器

41‧‧‧溫度感測件

42‧‧‧壓力感測件

43‧‧‧濃度感測件

5‧‧‧邏輯控制器

100‧‧‧燃料/空氣混合之可燃氣

101’‧‧‧流經觸媒段後之高溫氣體

102‧‧‧流經旁通道之部分可燃氣

103‧‧‧混合可燃氣

104‧‧‧高溫廢氣

M‧‧‧金屬網格

F‧‧‧燃料

G‧‧‧空氣

〔習知〕

9‧‧‧觸媒燃燒裝置

91‧‧‧管通道

92‧‧‧蜂巢狀觸媒

93‧‧‧預混室

94‧‧‧排氣導管

第1圖：習知觸媒燃燒裝置示意圖。

第2圖：本發明之結構示意圖。

第3a、3b圖：本發明之部分結構示意圖。

第4圖：本發明之操作控制示意圖。

1‧‧‧觸媒燃燒室

11‧‧‧預混段

12‧‧‧觸媒段

121‧‧‧旁通道

13‧‧‧流道閘口

2‧‧‧氣相駐焰室

3‧‧‧漸縮管道

31‧‧‧上游端口

32‧‧‧下游端口

4‧‧‧參數感測器

41‧‧‧溫度感測件

42‧‧‧壓力感測件

43‧‧‧濃度感測件

100‧‧‧燃料/空氣混合之可燃氣

101‧‧‧進入觸媒段之可燃氣

101’‧‧‧流經觸媒段後之高溫氣體

102‧‧‧流經旁通道之可燃氣

103‧‧‧混合可燃氣

104‧‧‧高溫廢氣

Claims (10)

1. 一種適用於節能多元燃料之可變旁通式觸媒駐焰燃燒器，係包含：一觸媒燃燒室，係分為一預混段及一觸媒段，該預混段與該觸媒段之間係隔出一流道閘口，且該觸媒段與該觸媒燃燒室之內壁間係形成有一旁通道，該旁通道係透過該流道閘口連通該預混段；一氣相駐焰室，係連通於該觸媒燃燒室；及一漸縮管道，係位於該觸媒燃燒室與該氣相駐焰室之間，且與該觸媒段外側之旁通道相連通；其中，該流道閘口之徑寬或截面積係為可改變地，用以控制該旁通道之可燃氣進氣量。
2. 依申請專利範圍第1項所述之適用於節能多元燃料之可變旁通式觸媒駐焰燃燒器，於該漸縮管道內另設置數個參數感測器及一邏輯控制器，該參數感測器包含有一溫度感測件、一壓力感測件及一燃料濃度感測件，且該邏輯控制器係指利用該數個參數感測器，以及該氣相駐焰室之點火反應延遲時間與流速進行對比、判斷之邏輯線路。
3. 依申請專利範圍第1或2項所述之適用於節能多元燃料之可變旁通式觸媒駐焰燃燒器，其中該漸縮管道連結有一擴張管道。
4. 依申請專利範圍第1或2項所述之適用於節能多元燃料之可變旁通式觸媒駐焰燃燒器，其中該漸縮管道連結有 一金屬網格。
5. 如申請專利範圍第1或2項所述之適用於節能多元燃料之可變旁通式觸媒駐焰燃燒器，其中旁通道係為環繞於該觸媒段外側的一環形通道。
6. 如申請專利範圍第1或2項所述之適用於節能多元燃料之可變旁通式觸媒駐焰燃燒器，其中該流道閘口係為蝶閥類裝置、可撓式金屬片或扇形金屬片等結構組成。
7. 如申請專利範圍第1或2項所述之適用於節能多元燃料之可變旁通式觸媒駐焰燃燒器，其中該觸媒段係由直通平行管道蜂巢式擔體、網狀結構卷曲之瑞士卷式擔體、貴金屬或金屬氧化物塗佈之觸媒所形成。
8. 如申請專利範圍第7項所述之適用於節能多元燃料之可變旁通式觸媒駐焰燃燒器，其中該貴金屬或金屬氧化物塗佈之觸媒係直接將貴金屬觸媒電鍍、蒸鍍，或利用貴金屬觸媒或金屬氧化物觸媒之鹽類膠體溶液浸泡、基材擔體混合燒結而成。
9. 如申請專利範圍第1或2項所述之適用於節能多元燃料之可變旁通式觸媒駐焰燃燒器，其中該可燃氣係由燃料混摻空氣所組成，且該燃料係為含碳、氫原子之燃氣或氣化合成氣。
10. 依申請專利範圍第9項所述之適用於節能多元燃料之可變旁通式觸媒駐焰燃燒器，其中該氣化合成氣係為固態石化燃料氣化、生質能燃料氣化、石化產品廢棄物氣化之氣體。