Воздухонагреватель и способ его работы

 

Изобретение относится к теплоэнергетике - к технике генерирования тепловой энергии на принципе беспламенного каталитического окисления природного газа и может быть использовано для автономного воздушного отопления жилых и производственных помещений, а также для сушки различных материалов, подкормки углекислым газом растений и создания защитной атмосферы для овощехранилищ. Изобретение решает задачу создания эффективного воздухонагревателя мощностью до 25 кВт, в отходящих газах которого содержание оксида углерода не более 1 ppm, метана не более 30 ppm, оксиды азота отсутствуют. Задача решается конструкцией воздухонагревателя, в котором в качестве горелки служит каталитический генератор синтез-газа, представляющий собой реактор радиального типа, содержащий газораспределительную трубку с каталитическим слоем, выполненным в виде газопроницаемых плоских и гофрированных армированных лент, навитых и спеченных с газораспределительной трубкой, с зазорами между витками с образованием газовоздушных каналов между лентами. В качестве катализатора используют армированный пористый материал, содержащий активные компоненты: родий, никель, платину, палладий, железо, кобальт, рений, рутений или их смесь. Способ работы воздухонагревателя заключается в сжиганиии природного газа в две стадии. 2 с. и 5 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к теплоэнергетике - к технике генерирования тепловой энергии на принципе беспламенного каталитического окисления природного газа. Изобретение может быть использовано для автономного воздушного отопления жилых и производственных помещений: гаражей, теплиц, хранилищ, ферм, дачных домиков, а также для сушки различных материалов, подкормки углекислым газом растений и создания защитной атмосферы для овощехранилищ.

Известно, что для локального обогрева помещений используются газовые воздухонагреватели радиационного или конвективного действия [М.Б.Равич. "Газ и эффективность его использования в народном хозяйстве. "Изд-во "Недра", 1987 г., с.238]. Газовый отопительный аппарат "Амра" с отводом продуктов сгорания в дымоход снабжен горелкой инфракрасного излучения с керамической насадкой и работает на сжиженном газе [Н.Л.Стаскевич, Г.Н.Северинец, Д.Я.Вигдорчик. Справочник по газоснабжению и использованию газа. Л.: Недра, 1990, с.762]. Газовый отопительный аппарат АОГ-5 так же, как и аппарат "Амра", является камином, имеющим инжекционную горелку с огневой насадкой с выводом продуктов сгорания через дымоход из обогреваемого помещения. Отопление помещений воздухом, нагретым путем смешения с продуктами сгорания от пламенных горелок, является нежелательным из-за высоких концентраций окиси углерода и оксидов азота. Воздухонагреватели прямого смешения воздуха с продуктами сгорания используются для отопления теплиц или в качестве сушильного аппарата. В отличие от пламенного сжигания в устройствах с дымоходами, где существенная часть полезного тепла уходит с отходящими газами, что приводит к тепловым потерям и уменьшению КПД, системы каталитического сжигания имеют КПД около 100%.

Известны устройства, использующие каталитические нагреватели для палаток [Патент США 4588373, F 23 D 014/12, 1986], салонов автомобилей и кают самолетов [Патент Великобритании 2173123, F 23 D 14/18, 1986]. Основным преимуществом таких нагревателей является низкая концентрация оксидов азота и оксида углерода в продуктах сгорания. Разработаны газовые каталитические обогреватели диффузионного типа "Термокат-1", "Термокат-2", "Термокат-3", работающие на предварительно смешанных газовоздушных смесях [З.Р.Исмагилов, М.А. Керженцев. Катализаторы и процессы каталитического горения. Хим.пром., 1996, 3, с. 197]. Аппараты "Термокат-1" и "Термокат-2" работают на сжиженном газе - пропанбутановой смеси, а аппарат "Термокат-3" - на природном газе. В указанных воздухонагревателях используются катализаторы полного окисления типа ИК-12-30.

Известен воздухонагреватель газовый смесительный каталитический (ВГСК) [З.Р.Исмагилов, М.А.Керженцев. Катализаторы и процессы каталитического горения. Хим.пром., 1996, 3, с. 197]. Известный ВГСК представляет собой установку двухстадийного сжигания природного газа. На первой стадии осуществляется факельное сжигание природного газа. Затем топочные газы, разбавленные дополнительной подачей воздуха, подаются во вторую камеру, где установлена каталитическая кассета, набранная из каталитических блоков. Кассета представляет собой круг диаметром 500 мм и высотой 50-150 мм, собранный из катализатора в виде шестигранных блоков сотовой структуры. Температура топочных газов перед каталитической кассетой 427-827^oС достаточна для полного окисления продуктов неполного сгорания топлива и оксида углерода, а также восстановления оксидов азота при избытке оксида углерода. Топочные газы, дополнительно разбавленные воздухом, подают из ВГСК для обогрева помещения.

В данном воздухонагревателе сжигание природного газа на первой стадии в факельной горелке приводит к образованию термических оксидов азота, которые не удается полностью подавить на второй каталитической стадии. Наличие в продуктах сгорания непрореагированного метана после первой стадии приводит к образованию "горячей точки" в лобовой части каталитической кассеты, что является причиной его термического разрушения. Поэтому каталитический блок должен обладать рядом уникальных свойств: минимальной толщиной стенок и минимальным гидравлическим сопротивлением, а с другой стороны, быть максимально устойчивым к большим температурным перепадам при длительной эксплуатации. Материалом для изготовления блоков с такими свойствами является дорогостоящая циркониевая керамика, карбид кремния, кордиерит, муллит, специальные сплавы и ферритные стали. Использование металлов платиновой группы в качестве активного компонента, нанесенного на сотовые структуры или спиральные блоки, приводит к дальнейшему удорожанию каталитических устройств.

Наиболее близким к заявляемому устройству и способу является воздухонагреватель газовый [Патент РФ 215050, F 24 H 3/00, 27.01.2000 г.]. Известный воздухонагреватель содержит газосжигающее устройство в виде горелочного блока с трехстадийным сжиганием газа, к камере сгорания горелочного блока прикреплен теплообменный аппарат в виде изогнутой трубы, на внешней стороне которой смонтированы сетчатые интенсификаторы, на конце теплообменного аппарата установлен каталитический насадок, а на торце воздухонагревателя смонтирована камера смешения очищенных продуктов сгорания и нагреваемого воздуха от вентилятора-нагнетателя.

Недостатком известного решения является использование в качестве сжигающего устройства традиционной атмосферной горелки с вентиляционным наддувом, имеющей выбросы СО≈10-35 ppm, NO_x≈60-320 ppm [T.B.Jannemann. The Development of Atmospheric Burners with Respect to the Increasing Emissions Restictions. In: Proceedings of the First European Conference on Small Burner Technology and Heating Equipment. Zurich, September 25-26, 1996, v.1, p.23-34]. Каталитический насадок, применяемый в известном воздухоподогревателе, не решает проблему устранения окислов азота в газах сгорания и поэтому требуется их значительное разбавление дополнительным воздухом перед подачей в помещение.

Изобретение решает задачу создания эффективного воздухонагревателя мощностью до 25 кВт, в отходящих газах которого содержание оксида углерода не более 1 ppm, метана не более 30 ppm, оксиды азота отсутствуют.

Задача решается конструкцией воздухонагревателя, содержащего каркас, к которому крепятся смеситель воздуха и топлива, сжигающее устройство, смеситель дымовых газов и дополнительного воздуха, теплообменник, узел вывода газовоздушной смеси, в качестве сжигающего устройства он содержит каталитический генератор синтез-газа, расположенный за смесителем воздуха и топлива, а упомянутый теплообменник, выполненный каталитическим. Генератор синтез-газа представляет собой реактор радиального типа, содержащий газораспределительную трубку с каталитическим слоем, выполненным в виде газопроницаемых плоских и гофрированных армированных лент, навитых и спеченных с газораспределительной трубкой, с зазорами между витками с образованием газовоздушных каналов между лентами, имеющий устройство подогрева для запуска реактора в работу, содержащий газораспределительную трубку с диаметром отверстий перфорации, меньшим критического диаметра, для предотвращения проникновения пламени внутрь газораспределительной трубки, помещенный в водоохлаждаемый корпус.

В качестве катализатора используют армированный пористый материал, содержащий активные компоненты: родий, никель, платину, палладий, железо, кобальт, рений, рутений или их смесь. Каталитический теплообменник представляет собой набор каталитических тепловыделяющих трубок, имеющих снаружи каталитический слой в виде спеченных с трубкой плоских и гофрированных лент или монолитного слоя с оребрением либо набор плоских каталитических панелей, имеющих снаружи каталитический слой в виде спеченных плоских и гофрированных лент, образующих каналы по оси панели или под углом к ее оси.

Способ работы воздухонагревателя заключается в окислении природного газа в две стадии, при этом на первой стадии в генераторе синтез-газа происходит каталитическое окисление природного газа при недостатке кислорода в синтез-газ, а на второй стадии в каталитическом теплообменнике после ввода дополнительного количества кислорода воздуха осуществляют полное окисление синтез-газа с получением диоксида углерода и воды.

На фиг. 1 представлена технологическая схема воздухонагревателя. В нем после смешения природного газа и воздуха в смесителе 1 и поступления смеси в генератор синтез-газа 2 после предварительного нагрева каталитического слоя устройством 3 осуществляется каталитическое парциальное окисление природного газа с образованием синтез-газа и продуктов полного окисления метана по уравнению реакции CH₄+0,66(О₂+3,76N₂)-->0,89СО+1,79Н₂+0,11СО₂+0,21H₂О+2,48N₂ Затем после добавления вторичного воздуха из расчета соотношения СН₄/О₂= 1: 2.1 в смеситель 4 синтез-газ окисляется на каталитических трубках (кассете) 5 до конечных продуктов сгорания по уравнению реакции 0,89СО+1,79Н₂+0,11CО₂+0,21H₂0+2,48N₂+1,54(О₂+3,76N₂)= СО₂+2Н₂О+0,20О₂+8,27N₂ Воздухонагреватель состоит (фиг.2) из смесителя 1, генератора синтез-газа 2, помещенного в кожух 6. Кожух снабжен щелью 7 для выхода газов, над которой расположена воздухораспределительная трубка 4. С помощью фланца 8 к генератору синтез-газа прикреплен каталитический теплообменник 5 в кожухе 9, состоящий из набора пластин 10 с каталитическим слоем 11; в верхней части кожуха находится трубка 12 для подачи воздуха.

Принцип работы воздухонагревателя следующий. При запуске воздухонагревателя включают систему подогрева 3 (фиг.1) генератора синтез-газа 2. После того как с помощью термопары будет установлено, что температура каталитического слоя генератора синтез-газа достигла 600^oС, подогрев отключают и подают газ, а также воздух (воздух I) через смеситель 1; затем эту смесь по газораспределительной трубке подают внутрь генератора синтез-газа 2 и окисляют в каталитическом слое, который расположен снаружи трубки. Температура поверхности катализатора разогревается до рабочей температуры 750-850^oС, что соответствует номинальному режиму работы генератора синтез-газа.

Смесь газов из генератора синтез-газа смешивают с дополнительным количеством воздуха (воздух II) в смесителе 4 и направляют в каталитический теплообменник 5. Газовую смесь окисляют на каталитических трубках, при этом температура смеси на выходе поднимается до 500-550^oС. Добавляя в случае необходимости воздух (воздух III) в смесь газов на выходе из каталитического теплообменника, получают нужную температуру газовоздушной смеси.

Отключение воздухонагревателя производят выключением газового вентиля, который перекрывает подачу газа на смеситель 1. В течение нескольких минут продолжает работать подача воздуха для охлаждения аппарата, что обеспечивает защиту катализаторов от разрушения. Затем воздух также отключают.

Таким образом, генерацию тепла осуществляют в воздухонагревателе с помощью двух основных аппаратов: генератора синтез-газа 2 и каталитического теплообменника 5, позволяющих провести окисление природного газа в две стадии. При таком способе сжигания природного газа практически не образуются оксиды азота, а окись углерода полностью переходит в диоксид углерода.

Каталитическое парциальное окисление природного газа в генераторе синтез-газа осуществляют при недостатке кислорода и проводят, в основном, при атмосферном давлении и температуре не выше 1000^oС, катализаторами являются металлы VIII группы, такие как Ni, Rh, Ru, Pt, Ir и Pd или их смесь [М.А. Репа, J.P. Gomes, J.L.G. Fierro. New catalytic routes for syngas and hydrogen production (review)//Appl. Catal. A 144 (1996), p.7-57].

Предлагаемый генератор синтез-газа представляет собой цилиндрическую конструкцию с фланцами 18, внутри которой расположено газораспределительное устройство, представляющее собой перфорированную трубу 13 с отверстиями 17 и подогревом 6, заглушенную с одной стороны, внутрь которой подается газовоздушная смесь (фиг. 3). Слой катализатора 14 образуется из плоских 15 и гофрированных 16 армированных сеткой газопроницаемых лент, намотанных на газораспределительную трубку и спеченных с ней. 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 окиси углерода и воды, которые через каналы между лентами удаляются в корпус газогенератора. Окислы азота не образуются из-за низкой (~900^oС) температуры и недостатка кислорода. Подбором толщины каталитического слоя достигается полная конверсия метана.

Принцип работы генератора синтез-газа следующий. Для запуска включают разогрев реактора и, когда температура внутри аппарата поднимается до 600^oС, подогрев отключают. Предварительно подготовленную газовоздушную смесь с коэффициентом расхода воздуха 0,47 относительно стехиометрического, необходимого для полного сгорания газа, подают внутрь газораспределительной трубки 13 и затем в слой катализатора. За счет реакции парциального окисления температура поднимается до ~900^oС, а ближе к внешней поверхности слоя снижается до 750-850^oС. Подбором количества отверстий перфорации и их диаметра достигается условие, когда газовоздушная смесь распределяется равномерно по длине трубы, вытекая через отверстия в слой катализатора. Из соображений безопасности эксплуатации диаметр отверстий выбирается меньшим критического для предотвращения проникновения возможного пламени внутрь газораспределительной трубки.

Каталитический теплообменник 5 может быть реализован в виде набора каталитических тепловыделяющих трубок (КТТ) 19 (фиг.4) или плоских каталитических панелей (фиг.2), размещенных в металлическом кожухе над генератором синтез-газа.

Принцип работы трубчатого каталитического теплообменника следующий. Синтез-газ из генератора синтез-газа направляется снизу в каталитическую кассету и смешивают с дополнительным воздухом (воздух II), подаваемым по воздухораспределительной трубке 4 (фиг.4). Воздухораспределительная трубка имеет перфорацию по всей длине. Для лучшего смешения истечение воздуха из нее происходит навстречу потоку синтез-газа. Газовоздушная смесь направляется перегородками 20 на каталитические тепловыделяющие трубки 19, выполненные из металлических трубок 21 со спеченным на их внешней стороне каталитическим слоем 11. Для увеличения внешней поверхности каталитического слоя тепловыделяющие трубки имеют оребрение. Отходящие газы выводят из верхней части аппарата. Тепловыделяющие трубки 19, перегородки 20 и воздухораспределительная трубка помещены в кожух 9, который через фланец 8 присоединяется к генератору синтез-газа.

Каталитический слой на внешней стороне тепловыделяющей трубки может быть выполнен с использованием плоских и гофрированных лент, которые послойно наматываются и спекаются с металлической трубкой, образуя бидисперсную пористую структуру, обеспечивающую высокую степень использования каталитического слоя. Толщина намотки определяется необходимой степенью превращения углеводородсодержащего газа. Каталитический слой может быть выполнен в виде монолита, но для увеличения внешней поверхности необходимо оребрение.

Аналогичным образом изготовляют каталитический слой 11 на плоских каталитических панелях, который заполняет все пространство между пластинами 10 и кожухом 9 (фиг.2).

Катализаторами окисления синтез-газа в каталитической кассете являются армированный пористый материал, содержащий в качестве активных компонентов родий, никель, платину, палладий, железо, кобальт, рений, рутений или их смеси.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. На воздухонагреватель подается природный газ состава (об.%): метан - 97,46, этан - 1,11, пропан - 0,37, изобутан - 0,06, бутан - 0,06, пентан - 0,02. Номинальный расход (нм³/ч): газа - 0,54; воздуха - 14,76; газовоздушной смеси - 15,3. Давление газовоздушной смеси на входе в воздухонагреватель - 350 Па.

В результате работы воздухонагревателя получено: - номинальная теплопроизводительность, кВт - 5,6 - номинальная воздухопроизводительность, нм/ч - 14,0 - температура, ^oС: - синтез-газа на выходе из генератора - 750-850 - газовоздушной смеси на входе в
каталитическую кассету - 290
- газовоздушной смеси на выходе из
каталитической кассеты - 500-550
- коэффициент полезного действия - 99,0
- содержание в отходящих газах, ррm:
- монооксида углерода - следы
- метана - 13
- оксидов азота - следы
Пример 2. На воздухонагреватель подается природный газ того же состава, что и в примере 1. Номинальный расход (нм³/ч): газа - 1,08; воздуха - 29,7; газовоздушной смеси - 30,78. Давление газовоздушной смеси на входе в котел - 700 Па.

В результате работы воздухонагревателя получено:
- номинальная теплопроизводительность, кВт - 11,3
- номинальная воздухопроизводительность, нм³/ч - 28,3
- температура, ^oС:
- синтез-газа на выходе из генератора - 750-850
- газовоздушной смеси на входе в
каталитическую кассету - 290
- газовоздушной смеси на выходе из
каталитической кассеты - 500-550
- коэффициент полезного действия - 99,0
- содержание в отходящих газах, ррm:
- монооксида углерода - следы
- метана - 13
- оксидов азота - следы
Пример 3. На воздухонагреватель подается природный газ того же состава, что и в примере 1. Номинальный расход (нм³/ч): газа - 1,26; воздуха - 34,78; газовоздушной смеси - 36,04. Давление газовоздушной смеси на входе в котел - 1000 Па.

В результате работы воздухонагревателя получено:
- номинальная теплопроизводительность, кВт - 13,2
- номинальная воздухопроизводительность, нм³/ч - 33,2
- температура, ^oС:
- синтез-газа на выходе из генератора - 750-850
- газовоздушной смеси на входе в
каталитическую кассету - 290
- газовоздушной смеси на выходе из
- каталитической кассеты - 500-550
- коэффициент полезного действия - 99,0
- содержание в отходящих газах, ррm:
- монооксида углерода - следы
- метана - 13
- оксидов азота - следы
Как видно из примеров, предлагаемое изобретение позволяет создать воздухонагреватель мощностью 3-25 кВт, использующий для получения тепла принцип двухстадийного каталитического окисления природного газа, а также других углеводородных газов. Воздухонагреватель, работающий на указанном выше принципе, обеспечивает экологически чистое окисление углеводородных газов так, что содержание СО в отходящих газах соответствует концентрации не более 1 ppm, метана - не более 20 ppm при отсутствии оксидов азота.

Формула изобретения

1. Воздухонагреватель, содержащий каркас, к которому крепятся смеситель воздуха и топлива, сжигающее устройство, смеситель газов и дополнительного воздуха, каталитическая кассета, узел вывода газовоздушной смеси, отличающийся тем, что в качестве сжигающего устройства он содержит каталитический генератор синтез-газа, расположенный за смесителем воздуха и топлива и представляющий собой реактор радиального типа, содержащий газораспределительную трубку с каталитическим слоем, выполненным в виде газопроницаемых плоских и гофрированных армированных лент, навитых и спеченных с газораспределительной трубкой, с зазорами между витками с образованием газовоздушных каналов между лентами, имеющий устройство подогрева для запуска реактора в работу, содержащий газораспределительную трубку с диаметром отверстий перфорации, меньшим критического диаметра, для предотвращения проникновения пламени внутрь газораспределительной трубки, помещенный в металлический корпус.

2. Воздухонагреватель по п.1, отличающийся тем, что в качестве катализатора используют армированный пористый материал, содержащий в качестве активных компонентов родий, никель, платину, палладий, железо, кобальт, рений, рутений или их смесь.

3. Воздухонагреватель по п.1, отличающийся тем, что каталитическая кассета представляет собой набор каталитических тепловыделяющих трубок, имеющих снаружи каталитический слой в виде спеченных с трубкой плоских и гофрированных лент или монолитного слоя с оребрением.

4. Воздухонагреватель по п. 1 или 3, отличающийся тем, что в качестве катализатора используют армированный пористый материал, содержащий в качестве активных компонентов родий, никель, платину, палладий, железо, кобальт, рений, рутений или их смесь.

5. Воздухонагреватель по п. 1, отличающийся тем, что каталитическая кассета представляет собой набор плоских каталитических панелей, имеющих снаружи каталитический слой в виде спеченных плоских и гофрированных лент, образующих каналы по оси панели или под углом к ее оси.

6. Воздухонагреватель по п. 1 или 5, отличающийся тем, что в качестве катализатора используют армированный пористый материал, содержащий в качестве активных компонентов родий, никель, платину, палладий, железо, кобальт, рений, рутений или их смесь.

7. Способ работы воздухонагревателя, заключающийся в окислении природного газа в две стадии, одна из которых является каталитической, отличающийся тем, что окисление природного газа осуществляется на первой стадии в генераторе синтез-газа, где происходит каталитическое окисление природного газа при недостатке кислорода в синтез-газ, а на второй стадии в каталитической кассете после ввода дополнительного количества кислорода воздуха осуществляют полное окисление синтез-газа с получением диоксида углерода и воды.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4