КАТАЛИТИЧЕСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2001 года по МПК F23D14/18 

Изобретение относится к энергетике, к технике сжигания природных и сжиженных газов на каталитических нагревательных элементах, используемых для получения тепла.

Изобретение может быть использовано в автономных отопительных водогрейных системах, служащих для обогрева бытовых и производственных помещений. Диапазон мощностей, которые обеспечивает данный нагревательный элемент, находится в интервале 10-100 кВт.

Известно, что для получения тепла при каталитическом окислении газообразных углеводородных газов используются химические реакторы с неподвижным слоем катализатора [Ю.Ш.Матрос, А.С.Носков, В.А.Чумаченко. "Каталитическое обезвреживание отходящих газов промышленных производств" - Новосибирск: Наука СО РАН, 220 с.]. Они, как правило, выполняются в виде многоступенчатых аппаратов, в которых получение тепла является вторичным фактором их эксплуатации. Минимальная тепловая экономически целесообразная мощность, получаемая в таких аппаратах, находится на уровне нескольких мВт. Это, естественно, ограничивает их применение ввиду сложности и экономической целесообразности в автономных отопительных системах.

Известен вариант использования катализаторов блочного типа при сжигании природного газа с целью получения рабочего тела для газотурбинных установок [S. T.Kolaczkowski. Catalytic stationary gas turbine combustors: a review of the challenges faced to clear the next set of hurdles //Trans. Inst. Chem. Eng. , 1995, v. 73, part A, p. 168-191]. В этом случае метан, нагретый до 350^oC, при давлении 20 атм подается в реактор с блочным катализатором, содержащим Pt/Al₂O₃, Pt/SiO₂, либо La, Pd, Pt на Al₂O₃ или Pd, Pt/ZrO₂. Температура газа на выходе устройства соответствует 1300^oC. Далее нагретый газ подается в газовую турбину для получения электрической энергии.

Известен вариант устройства с двухступенчатым каталитическим окислением метана [A. Schuler, K.Ledjeff-Hey. Catalytic combustion-basics and technological aspects. In: Proceedings of the First European Conference on Small Burner Technology and Heating Equipment. Zurich, September 25-26, 1996, v. 1, p. 127-132] . В этом устройстве первая ступень состоит из двух концентрических труб. Катализатор нанесен на внешнюю поверхность внутренней трубы, на которой происходит реакция гетерогенного окисления метана, а в межтрубном пространстве - реакция гомогенного окисления. Внешняя труба устройства выполнена из керамики. Отвод тепла осуществляется из зоны реакции через керамическую трубу к воде, циркулирующей вдоль ее внешней поверхности. На этой ступени осуществляется примерно 60-80% превращения метана. Вторая ступень состоит из блочного катализатора, на котором происходит полное окисление оставшегося метана. Недостатками данной конструкции по соображениям авторов [A. Schuler, K. Ledjeff-Hey. Catalytic combustion-basics and technological aspects. In: Proceedings of the First European Conference on Small Burner Technology and Heating Equipment. Zurich, September 25-26, 1996, v. 1, p. 127-132] являются:
- значительные градиенты температуры по длине трубки на первой ступени;
- низкая энергонапряженность устройства, связанная со снижением температуры по длине устройства и переходом реакции окисления в кинетическую область уже при температуре 600^oC.

Известна конструкция каталитического нагревательного элемента [Патент РФ N 2062402, 6 F 23 D 14/18, БИ N 17, 1996], в которой для окисления углеводородных газов с целью получения тепла используют каталитический нагревательный элемент трубчатого типа. Нагревательный элемент состоит из перфорированной металлической трубки, заглушенной с одной стороны. Для обеспечения равномерного распределения газа и равномерного тепловыделения по длине трубки на ее внешней поверхности расположен слой порометалла, спеченного со стенкой, и параллельно оси намотано несколько слоев проницаемых армированных плоских и гофрированных лент с нанесенным гетерогенным катализатором.

Ленты расположены таким образом, что их нечетные ряды гофрированы, а четные состоят из плоских не гофрированных лент, но витки последующего ряда перекрывают ряды предыдущего. Ленты образуют каталитически активные каналы, на стенках которых происходит окисление газовоздушной смеси с образованием углекислого газа и воды, которые через каналы между лентами удаляются в окружающую среду. Передача тепла от поверхности нагревателя в объем осуществляется посредством конвекции и инфракрасного излучения. Катализаторами сжигания топлива являются армированный пористый материал, содержащий в качестве активных компонентов Co₃O₄, CuO, Cr₂O₃, Fe₂O₃, Al₂O₃, металлы VIII группы, закрепленные на металлических носителях на основе Ti и сплавов Ti с Al, Ni с Al, Ni с Cr, Ti с Si и т.д.

Основным недостатком данного изобретения является ограниченная мощность нагревательного элемента, не превышающая 3-5 кВт, и возможность значительного разогрева внутренней поверхности каталитического слоя из-за отсутствия теплосъема внутри нагревателя.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является конструкция каталитического нагревательного устройства, приведенного в [П.Брокерхофф, Б. Эмонгс. Каталитическая двухкомпонентная горелка. - Второй Европейский конгресс по экономике и менеджменту в области промышленной энергетики, Есторил, Португалия, 5-9 апреля 1994 г, 7 с.]. Основной частью данного устройства является каталитическая горелка. Она представляет собой цилиндрическую пористую структуру 300 мм длиной, изготовленную из волокнистого материала на основе смеси оксидов (носитель). Внешний и внутренний диаметры соответственно равны 100 мм и 40 мм. Принцип работы устройства следующий. Компоненты газового топлива (метан + водород) подаются в коллектор и смешиваются затем с воздухом в смесителе. Образовавшаяся смесь движется сквозь волокнистый носитель в радиальном направлении от входного отверстия. На внешней поверхности носителя установлена сетка из нержавеющей стали, покрытая платиной. Количество платины на одну ячейку сетки составляет 1,0, 0.5 и 0.25 г. Катализатор служит для поджигания газовоздушной смеси и осуществления гетерогенного окисления и поддержания гомогенной реакции окисления. Значительная часть производимого тепла передается путем радиации на теплообменник, расположенный вокруг волокнистого носителя. Часть остающегося тепла поглощается из отходящего газа рекуперативным теплообменником, расположенным на выходе из устройства. Мощность данного устройства находится на уровне 10 кВт. Оно работает на смесях, состоящих из природного газа, водорода и воздуха, температура поверхности волокнистого каталитического носителя составляет 560-800^oC, содержание CO в выбрасываемых газах находится в интервале 6 мг/(кВт•ч), что соответствует ≈15 ppm, содержание NO_x = 6 мг/(кВт•ч) или 4 ppm.

1. Экспериментальные данные тех же авторов [B.Emonts, P.Brockerhoff. Lowemission natural gas combustion in a catalytic heaters. In: Proceedings of the First European Conference on Small Burner Technology and Heating Equipment. Zurich, September 25-26, 1996, v. 1, p. 119-126], полученные на подобном устройстве, как и в [П.Брокерхофф, Б.Эмонтс. Каталитическая двухкомпонентная горелка. - Второй Европейский конгресс по экономике и менеджменту в области промышленной энергетики, Есторил, Португалия, 5-9 апреля 1994 г, 7 с.], но при окислении метановоздушной смеси указывают, что экологически безопасный диапазон регулирования мощности не превышает интервала 8-10 кВт. Так, снижение мощности устройства уже до 6 кВт приводит к увеличению концентрации CO в отходящих газах до 120 ppm. Основными недостатками рассмотренной конструкции, взятой в дальнейшем в качестве прототипа, являются:
- ограниченная мощность нагревателя;
- необходимость добавок водорода в метано-воздушную смесь;
- наличие гомогенно-гетерогенной реакции окисления;
- ограниченный диапазон регулирования мощности устройства.

Изобретение решает задачу создания нагревательного элемента мощностью 10-100 кВт, использующего для получения тепла принцип каталитического окисления природного газа, а также других углеводородных газов. Каталитический нагревательный элемент обеспечивает экологически чистое окисление углеводородных газов, так что содержание CO в отходящих газах соответствует концентрации не более 10 ppm, отсутствие оксидов азота, содержание метана не более 30 ppm.

Поставленная задача решается путем создания следующей конструкции каталитического нагревательного элемента.

Каталитический нагревательный элемент содержит трубчатую конструкцию цилиндрической или овальной формы и два стакана, служащих продолжением трубчатой конструкции, со слоем катализатора на их поверхности, газораспределительного устройства с узлом подачи газовоздушной смеси, мест ввода и вывода охлаждающей воды;
катализатор выполнен в виде газопроницаемых плоских и гофрированных армированных лент, навитых и спеченных с трубчатой конструкцией и стаканами, с зазорами между витками с образованием газовоздушных каналов между лентами;
внешний слой катализатора имеет размер гофр больше критического размера каналов для проникновения пламени внутрь слоя катализатора;
ширина слоя катализатора превосходит ширину трубчатой конструкции на ширину стаканов, развязанных по тепловому контакту со слоем катализатора;
газораспределительное устройство содержит одну или несколько перфорированных газораспределительных трубок с диаметром отверстий перфорации, меньших критического диаметра для проникновения пламени внутрь газораспределительной трубки и рассекателя струй, вытекающих из отверстий перфорации;
трубчатая конструкция выполнена в виде водоохлаждаемого трубчатого теплообменника;
в качестве катализатора используют армированный пористый материал, содержащий в качестве активных компонентов Cо₃O₄, CuO, Cr₂O₃, Fe₂O₃, Al₂O₃, металлы VIII группы, закрепленные на металлических носителях с помощью сплавов Ti - Al, Ni - Al, Ni - Cr, Ti - Si.

Каталитический нагревательный элемент (фиг. 1) представляет собой трубчатую цилиндрическую или овальную конструкцию, состоящую из трубчатого теплообменника кольцевого типа - 1, внутри которого расположено газораспределительное устройство, представляющее собой одну или несколько перфорированных труб - 2, внутрь которых подается газовоздушная смесь. Вокруг газораспределительной трубы для лучшего распределения газа и подавления скорости истекающих из отверстия струй расположен рассекатель - 3. Катализатор - 4 в виде плоских - 5 и гофрированных - 6 лент навит на трубки теплообменника - 1 и спечен с ними. Слой катализатора превосходит по ширине трубчатый теплообменник на величину стаканов - 7, развязанных по теплу с коллекторами - 8 теплообменника. Для подачи холодной воды и отвода нагретой устройство оборудовано штуцерами - 9 и 10 соответственно. Для улучшения динамических характеристик нагревательного элемента внешний слой катализатора - 11 имеет размер гофр больше критического размера каналов для проникновения пламени внутрь пористой структуры.

Предварительно подготовленную газовоздушную смесь с избытком воздуха 15-20% относительно стехиометрического подают внутрь газораспределительной трубки - 2, заглушенной с противоположной стороны. За счет подбора количества отверстий перфорации и их диаметра газовоздушная смесь распределяется равномерно по длине трубы, вытекая через отверстие в межтрубное пространство. Из соображений безопасности эксплуатации диаметр отверстий выбирается меньшим критического для проникновения возможного пламени внутрь газораспределительной трубки. Для подавления скорости струй, вытекающих через отверстия перфорации, вокруг газораспределительной трубки расположен рассекатель струи. В простейшем случае рассекателем может быть металлическая сетка либо перфорированная обечайка. После рассекателя газовоздушная смесь, обтекая трубки газообменника - 1, поступает в слой катализатора. Трубки теплообменника объединены коллекторами - 8 в кольцевую конструкцию, в которую по штуцеру - 9 подается холодная вода, выходящая из следующего коллектора после нагрева по штуцеру - 10. Количество трубок теплообменника и их диаметр выбираются таким образом, чтобы создать опорную конструкцию для слоя катализатора и обеспечить минимальное гидравлическое сопротивление при прохождении через них воды.

Слой катализатора - 1 образуется из плоских - 5 и гофрированных - 6 армированных сеткой газопроницаемых лент, намотанных на трубки теплообменника и спеченных с ними. Ленты расположены таким образом, что их нечетные ряды гофрированы, а четные состоят из плоских негофрированных лент, но витки последующего перекрывают витки предыдущего. Ленты образуют каталитически активные каналы, на стенках которых происходит окисление газовоздушной смеси с образованием углекислого газа и воды, которые через каналы между лентами удаляются в окружающую среду. Передача тепла от поверхности нагревателя в объем осуществляется посредством конвекции и инфракрасного излучения.

Катализаторами сжигания топлива являются армированный пористый материал, содержащий в качестве активных компонентов Cо₃O₄, CuO, Cr₂O₃, Fe₂O₃, Al₂O₃, металлы VIII группы, закрепленные на металлических носителях на основе Ti и сплавов Ti с Al, Ni с Al, Ti с Si и т.д.

Тепло, образующееся в результате реакции окисления в слое катализатора, частично (≈60%) уносится в окружающую нагреватель среду продуктами реакции, частично (≈40%) за счет теплопроводности передается воде, циркулирующей в трубках теплообменника. Для герметизации торцевых уплотнений слой катализатора продлен относительно теплообменника на ширину стаканов - 7, развязанных по теплу с теплообменником - 1. Это достигается образованием зазора между коллекторами и стаканами, на которые нанесен катализатор.

Отличительными признаками технического решения по отношению к прототипу являются:
каталитический нагревательный элемент содержит трубчатую конструкцию цилиндрической или овальной формы и два стакана, служащих продолжением трубчатой конструкции, со слоем катализатора на их поверхности, газораспределительного устройства с узлом подачи газовоздушной смеси, мест ввода и вывода охлаждающей воды;
в каталитическом нагревательном элементе катализатор выполнен в виде газопроницаемых плоских и гофрированных армированных лент, навитых и спеченных с трубчатой конструкцией и стаканами, с зазорами между витками с образованием газовоздушных каналов между лентами;
каталитический нагревательный элемент имеет внешний слой катализатора с размером гофр больше критического размера каналов для проникновения пламени внутрь слоя катализатора;
каталитический нагревательный элемент, в котором ширина слоя катализатора превосходит ширину трубчатой конструкции на ширину стаканов, развязанных по тепловому контакту со слоем катализатора;
каталитический нагревательный элемент имеет газораспределительное устройство, содержащее одну или несколько перфорированных газораспределительных трубок с диаметром отверстий перфорации, меньших критического диаметра для проникновения пламени внутрь газораспределительной трубки и рассекателя струй, вытекающих из отверстий перфорации;
трубчатая конструкция каталитического нагревательном элементе выполнена и виде водоохлаждаемого трубчатого теплообменника;
в каталитическом нагревательном элементе в качестве катализатора используется армированный пористый материал, содержащий в качестве активных компонентов Cо₃O₄, CuO, Cr₂O₃, Fe₂O₃, Al₂O₃, металлы VIII группы, закрепленные на металлических носителях с помощью сплавов Ti - Al, Ni - Al, Ni - Cr, Ti - Si.

Вариант технической реализации автономной водогрейной отопительной системы с применением каталитического нагревательного элемента дан на фиг. 2. Принципиальная схема автономной отопительной системы состоит из следующих узлов. Природный газ (или пропан-бутан) по трубе - 1 поступает в редуктор - 3, где редуцируется до необходимого давления, и затем подается в смесительное устройство - 5. Воздух из атмосферы по трубе - 1 вентилятором - 4 в необходимых количествах подается в смеситель - 5, где происходит образование метановоздушной смеси с коэффициентом избытка воздуха 1,05. Затем эта смесь подается в устройство поджига смеси-6, которое работает только на режимах запуска, в стационарном режиме оно отключено. Из устройства поджига смесь подается в трубчатый каталитический нагревательный элемент - 7. Принцип его действия был описан выше. Нагревательный элемент окружен теплообменной поверхностью - 8, куда подается вода из расширительного бака - 13. Нагрев жидкости происходит за счет радиационной и конвективной теплопередачи от нагревательного элемента, причем радиационная составляющая составляет ~40% от общего теплового потока. Нагреваемая вода после теплообменника-8 поступает в регенеративный теплообменник - 9, где происходит утилизация оставшейся части тепла в продуктах сгорания, последние через трубу - 10 удаляются в атмосферу. Нагретая вода циркуляционным насосом - 11 подается в отопительный прибор - 12, а из него - в расширительный бак - 13. Система оборудована устройством слива воды - 14.

Пример 1. Каталитический нагревательный элемент имеет размеры:
диаметр - 210 мм
длина - 286 мм
толщина слоя катализатора - 20 мм
На нагревательный элемент подается 463 см³/с природного газа состава (в объемных %) CH₄ = 0.828, C₂⁺= 0.016, C₃⁺ = 0.023, C₄⁺ = 0.064, CO₂ = 0.005,
N₂ = 0.064 и 6800 см³/с воздуха. Во внутренний теплообменник подается вода расходом 40 г/с при температуре входа 15^oC.

В результате осуществления каталитической реакции окисления природного газа получено:
температура поверхности нагревателя - 832^oC;
содержание CO в отходящих от поверхности газах - 6 ppm;
содержание NO_x - 0;
содержание метана - 18 ppm;
общая мощность нагревателя - 20 кВт, из них 7.5 кВт используется на нагрев воды во внутреннем теплообменнике до температуры 60^oC;
перепад давления при движении газовоздушной смеси - 21 мм H₂O.

Пример 2. Нагревательный элемент имеет те же размеры, что и в примере 1. Состав природного газа, подаваемого на нагреватель, совпадает с примером 1:
расход газа - 624 см³/с;
расход воздуха - 8330 см³/с;
расход воды - 63 г/с.

Получено:
температура поверхности нагревательного элемента - 910^oC;
содержание CO - 11 ppm;
содержание CH₄ - 5 ppm;
содержание NO_x - 0;
общая мощность - 25 кВт;
мощность на нагрев воды - 9.5 кВт;
температура воды на выходе - 50^oC;
перепад давления - 34 мм H₂O.

Пример 3. Нагревательный элемент имеет те же размеры, что и в примере 1. Состав природного газа, подаваемого на нагреватель, совпадает с примером 1:
расход газа - 365 см³/с;
расход воздуха - 5200 см³/с;
расход воды - 43 г/с.

Получено:
температура поверхности нагревательного элемента - 770^oC;
содержание CO - 5-9 ppm;
содержание CH₄ - 115 ppm;
содержание NO_x - нет;
общая мощность - 17 кВт;
мощность на нагрев воды - 7.2 кВт;
температура воды на выходе из нагревателя - 55^oC;
перепад давления - 10 мм H₂O.

Предлагаемое изобретение позволяет создать нагревательный элемент мощностью 10-100 кВт, использующий для получения тепла принцип каталитического окисления природного газа, а также других углеводородных газов. Каталитический нагревательный элемент обеспечивает экологически чистое окисление углеводородных газов, так что содержание CO в отходящих газах соответствует концентрации не более 10 ppm, отсутствие оксидов азота, содержание метана не более 30 ppm.

Изобретение может быть использовано в автономных отопительных водогрейных системах, служащих для обогрева бытовых и производственных помещений.

Изобретение относится к технике сжигания природных и сжиженных газов на каталитических нагревательных элементах, используемых для получения тепла. Каталитический нагревательный элемент содержит трубчатую конструкцию цилиндрической или овальной формы и два стакана, служащих продолжением трубчатой конструкции, со слоем катализатора, расположенным на поверхности трубчатой конструкции и стаканов, газораспределительное устройство с узлом подачи газовоздушной смеси, места ввода и вывода охлаждающей воды. Изобретение позволяет обеспечить экологически чистое окисление углеводородных газов так, что содержание СО в отходящих газах соответствует концентрации не более 10 ppm, отсутствие оксидов азота, содержание метана не более 30 ppm. 6 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Каталитический нагревательный элемент, содержащий трубчатую конструкцию цилиндрической или овальной формы и два стакана, служащих продолжением трубчатой конструкции, со слоем катализатора, расположенным на поверхности трубчатой конструкции и стаканов, газораспределительное устройство с узлом подачи газовоздушной смеси, места ввода и вывода охлаждающей воды. 2. Каталитический нагревательный элемент по п.1, в котором катализатор выполнен в виде газопроницаемых плоских и гофрированных армированных лент, навитых и спеченных с трубчатой конструкцией и стаканами, с зазорами между витками с образованием газовоздушных каналов между лентами. 3. Каталитический нагревательный элемент по пп.1 и 2, в котором внешний слой катализатора имеет размер гофр больше критического размера каналов для проникновения пламени внутрь слоя катализатора. 4. Каталитический нагревательный элемент по п.1, в котором ширина слоя катализатора превосходит ширину трубчатой конструкции на ширину стаканов, развязанных по тепловому контакту со слоем катализатора. 5. Каталитический нагревательный элемент по п.1, в котором газораспределительное устройство содержит одну или несколько перфорированных газораспределительных трубок с диаметром отверстий перфорации, меньших критического диаметра для проникновения пламени внутрь газораспределительной трубки, и рассекателя струй, вытекающих из отверстий перфорации. 6. Каталитический нагревательный элемент по п.1, в котором трубчатая конструкция выполнена в виде водоохлаждаемого трубчатого теплообменника. 7. Каталитический нагревательный элемент по п.1, в котором в качестве катализатора используют армированный пористый материал, содержащий в качестве активных компонентов Co₃O₄, CuO, Cr₂O₃, Fe₂O₃, Al₂O₃, металлы VIII группы, закрепленные на металлических носителях с помощью сплавов Ti - Al, Ni - Al, Ni - Cr, Ti - Si.