початок розділу Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві	хитрощі майстру електроніка фізика технології винаходи	таємниці космосу таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу
Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання)

ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2206835

Повітронагрівачі І СПОСІБ ЙОГО РОБОТИ

Ім'я винахідника: Кирилов В.А .; Кузин Н.А .; Куликов А.В .; Лук'янов Б.Н .; Захарченко В.Б .; Єрмаков Ю.П .; Никифоров В.М .; Дрімлюг Л.В.
Ім'я патентовласника: Інститут каталізу ім. Г.К. Борескова СО РАН; Відкрите акціонерне товариство "Запсібгазпром"
Адреса для листування: 630090, Новосибірськ, пр. Акад. Лаврентьєва, 5, Інститут каталізу ім. Г.К. Борескова, патентний відділ, Т.Д. Юдіної
Дата початку дії патенту: 2001.09.27

Винахід відноситься до теплоенергетики - до техніки генерування теплової енергії на принципі беспламенного каталітичного окислення природного газу і може бути використано для автономного повітряного опалення житлових і виробничих приміщень, а й для сушіння різних матеріалів, підгодівлі вуглекислим газом рослин і створення захисної атмосфери для овочесховищ. Винахід вирішує задачу створення ефективного повітронагрівача потужністю до 25 кВт, в газах якого вміст оксиду вуглецю не більше 1 ppm, метану не більше 30 ppm, оксиди азоту відсутні. Завдання вирішується конструкцією повітронагрівача, в якому в якості пальника служить каталітичний генератор синтез-газу, що представляє собою реактор радіального типу, що містить газорозподільну трубку з каталітичним шаром, виконаним у вигляді газопроникних плоских і гофрованих армованих стрічок, навитих і спечених з газорозподільної трубкою, з зазорами між витками з утворенням газоповітряних каналів між стрічками. В якості каталізатора використовують армований пористий матеріал, що містить активні компоненти: родій, нікель, платину, паладій, залізо, кобальт, реній, рутеній або їх суміш. Спосіб роботи повітронагрівача полягає в спалюванні природного газу в дві стадії.

ОПИС ВИНАХОДИ

Винахід відноситься до теплоенергетики - до техніки генерування теплової енергії на принципі беспламенного каталітичного окислення природного газу. Винахід може бути використано для автономного повітряного опалення житлових і виробничих приміщень: гаражів, теплиць, сховищ, ферм, дачних будиночків, а й для сушіння різних матеріалів, підгодівлі вуглекислим газом рослин і створення захисної атмосфери для овочесховищ.

Відомо, що для локального обігріву приміщень використовуються газові повітронагрівачі радіаційного або конвективного дії [М.Б.Равіч. "Газ і ефективність його використання в народному господарстві." Вид-во "Надра", 1987 р, с.238]. Газовий опалювальний апарат "Амра" з відводом продуктів згоряння в димохід забезпечений пальником інфрачервоного випромінювання з керамічної насадкою і працює на зрідженому газі [Н.Л.Стаскевіч, Г.Н.Северінец, Д.Я.Вігдорчік. Довідник з газопостачання і використання газу. Л .: Недра, 1990, с.762]. Газовий опалювальний апарат АОГ-5 так само, як і апарат "Амра", є каміном, мають інжекційну пальник з вогневої насадкою з виводом продуктів згоряння через димохід з обігрівається. Опалення приміщень повітрям, нагрітим шляхом змішування з продуктами згоряння від полум'яних пальників, є небажаним через високі концентрацій окису вуглецю і оксидів азоту. Повітронагрівачі прямого змішування повітря з продуктами згоряння використовуються для опалення теплиць або в якості сушильного апарату. На відміну від полум'яного спалювання в пристроях з димоходами, де значна частина корисного тепла йде з газами, що відходять, що призводить до теплових втрат і зменшення ККД, системи каталітичного спалювання мають ККД близько 100%.

Відомі пристрої, що використовують каталітичні нагрівачі для наметів [Патент США 4588373, F 23 D 014/12, 1986], салонів автомобілів і кают літаків [Патент Великобританії 2173123, F 23 D 14/18, 1986]. Основною перевагою таких нагрівачів є низька концентрація оксидів азоту і оксиду вуглецю в продуктах згорання. Розроблено газові каталітичні обігрівачі дифузійного типу "Термокат-1", "Термокат-2", "Термокат-3", що працюють на попередньо змішаних газоповітряних сумішах [З.Р.Ісмагілов, М.А. Керженцев. Каталізатори і процеси каталітичного горіння. Хім.пром., 1996, 3, с. 197]. Апарати "Термокат-1" і "Термокат-2" працюють на зрідженому газі - пропанбутановой суміші, а апарат "Термокат-3" - на природному газі. У зазначених воздухонагревателях використовуються каталізатори повного окислення типу ІК-12-30.

Відомий воздухонагреватель газовий змішувальний каталітичний (ВГРК) [З.Р.Ісмагілов, М.А.Керженцев. Каталізатори і процеси каталітичного горіння. Хім.пром., 1996, 3, с. 197]. Відомий ВГРК є установкою двухстадийного спалювання природного газу. На першій стадії здійснюється смолоскипна спалювання природного газу. Потім топкові гази, розбавлені додатковою подачею повітря, подаються в другу камеру, де встановлена ​​каталітична касета, набрана з каталітичних блоків. Касета являє собою коло діаметром 500 мм і висотою 50-150 мм, зібраний з каталізатора у вигляді шестигранних блоків стільникової структури. Температура топкових газів перед каталітичної касетою 427-827 ^o С достатня для повного окислення продуктів неповного згоряння палива і оксиду вуглецю, а й відновлення оксидів азоту при надлишку оксиду вуглецю. Топкові гази, додатково розбавлені повітрям, подають з ВГРК для обігріву приміщення.

В даному воздухонагревателе спалювання природного газу на першій стадії в факельної пальнику призводить до утворення термічних оксидів азоту, які не вдається повністю придушити на другий каталітичної стадії. Наявність в продуктах згоряння, що не прореагував метану після першої стадії призводить до утворення "гарячої точки" в лобовій частині каталітичної касети, що є причиною його термічного руйнування. Тому каталітичний блок повинен володіти рядом унікальних властивостей: мінімальною товщиною стінок і мінімальним гідравлічним опором, а з іншого боку, бути максимально стійким до великих температурних перепадів при тривалій експлуатації. Матеріалом для виготовлення блоків з такими властивостями є дорога цирконієва кераміка, карбід кремнію, кордиерит, муллит, спеціальні сплави і ферритні стали. Використання металів платинової групи в якості активного компонента, нанесеного на стільникові структури або спіральні блоки, призводить до подальшого подорожчання каталітичних пристроїв.

Найбільш близьким до заявляється пристрою і способу є груба газовий [Патент РФ 215050, F 24 H 3/00, 27.01.2000 р]. Відомий воздухонагреватель містить газосжігающее пристрій у вигляді горілчаного блоку з трехстадийная спалюванням газу, до камери згоряння горілчаного блоку прикріплений теплообмінний апарат у вигляді зігнутої труби, на зовнішній стороні якої змонтовані сітчасті інтенсифікаторами, на кінці теплообмінного апарату встановлений каталітичний насадок, а на торці повітронагрівача змонтована камера змішання очищених продуктів згоряння і повітря, що нагрівається від вентилятора-нагнітача.

Недоліком відомого рішення є використання в якості спалює пристрої традиційної атмосферного пальника з вентиляційним наддувом, що має викиди СО ~ 10-35 ppm, _NO x ~ 60-320 ppm [TBJannemann. 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]. Каталітичний насадок, застосовуваний у відомому воздухоподогревателе, не вирішує проблему усунення оксидів азоту в газах згоряння і тому потрібно їх значне розведення додатковим повітрям перед подачею в приміщення.

Винахід вирішує задачу створення ефективного повітронагрівача потужністю до 25 кВт, в газах якого вміст оксиду вуглецю не більше 1 ppm, метану не більше 30 ppm, оксиди азоту відсутні.

Завдання вирішується конструкцією повітронагрівача, що містить каркас, до якого кріпляться змішувач повітря і палива, що спалює пристрій, змішувач димових газів і додаткового повітря, теплообмінник, вузол виведення газоповітряної суміші, в якості спалює пристрою він містить каталітичний генератор синтез-газу, розташований за змішувачем повітря і палива, а згаданий теплообмінник, виконаний каталітичним. Генератор синтез-газу являє собою реактор радіального типу, що містить газорозподільну трубку з каталітичним шаром, виконаним у вигляді газопроникних плоских і гофрованих армованих стрічок, навитих і спечених з газорозподільної трубкою, з зазорами між витками з утворенням газоповітряних каналів між стрічками, що має пристрій підігріву для запуску реактора в роботу, що містить газорозподільну трубку з діаметром отворів перфорації, меншим критичного діаметра, для запобігання проникнення полум'я всередину газорозподільної трубки, поміщений в водоохолоджуваний корпус.

В якості каталізатора використовують армований пористий матеріал, що містить активні компоненти: родій, нікель, платину, паладій, залізо, кобальт, реній, рутеній або їх суміш. Каталітичний теплообмінник являє собою набір каталітичних тепловиділяючих трубок, що мають зовні каталітичний шар у вигляді спечених з трубкою плоских і гофрованих стрічок або монолітного шару з ребрами або набір плоских каталітичних панелей, що мають зовні каталітичний шар у вигляді спечених плоских і гофрованих стрічок, що утворюють канали по осі панелі або під кутом до її осі.

Спосіб роботи повітронагрівача полягає в окисленні природного газу в дві стадії, при цьому на першій стадії в генераторі синтез-газу відбувається каталітичне окислення природного газу при нестачі кисню в синтез-газ, а на другій стадії в каталітичному теплообміннику після введення додаткової кількості кисню повітря здійснюють повне окислення синтез-газу з отриманням діоксиду вуглецю і води.

На фіг. 1 представлена ​​технологічна схема повітронагрівача. У ньому після змішування природного газу і повітря в змішувачі 1 і надходження суміші в генератор синтез-газу 2 після попереднього нагрівання каталітичного шару пристроєм 3 здійснюється каталітичне парціальне окиснення природного газу з утворенням синтез-газу і продуктів повного окислення метану за рівнянням реакції

CH ₄ +0,66 (О ₂ + 3,76N ₂₎ -> 0,89СО + 1,79Н ₂ + 0,11СО ₂ + 0,21H ₂ Про + 2,48N ₂

Потім після додавання вторинного повітря з розрахунку співвідношення _СН4 / _О2 = 1: 2.1 в змішувач 4 синтез-газ окислюється на каталітичних трубках (касеті) 5 до кінцевих продуктів згоряння за рівнянням реакції

0,89СО + 1,79Н ₂ + 0,11CО ₂ + 0,21H ₂ 0 + 2,48N ₂ +1,54 (О ₂ + 3,76N ₂₎ = СО ₂ + 2Н ₂ О + 0,20О ₂ + 8,27N ₂

Воздухонагреватель складається (фіг.2) з змішувача 1, генератора синтез-газу 2, поміщеного в кожух 6. Кожух забезпечений щілиною 7 для виходу газів, над якою розташована повітророзподільна трубка 4. За допомогою фланця 8 до генератора синтез-газу прикріплений каталітичний теплообмінник 5 в кожусі 9, що складається з набору пластин 10 з каталітичним шаром 11; у верхній частині кожуха знаходиться трубка 12 для подачі повітря.

Принцип роботи повітронагрівача наступний. При запуску нагрівача включають систему підігріву 3 (фіг.1) генератора синтез-газу 2. Після того як за допомогою термопари буде встановлено, що температура каталітичного шару генератора синтез-газу досягла 600 ^o С, підігрів відключають і подають газ, а й повітря ( повітря I) через змішувач 1; потім цю суміш по газорозподільної трубці подають всередину генератора синтез-газу 2 і окислюють в каталітичному шарі, який розташований зовні трубки. Температура поверхні каталізатора розігрівається до робочої температури 750-850 ^o С, що відповідає номінальному режиму роботи генератора синтез-газу.

Суміш газів з генератора синтез-газу змішують з додатковою кількістю повітря (повітря II) в змішувачі 4 і направляють в каталітичний теплообмінник 5. Газову суміш окислюють на каталітичних трубках, при цьому температура суміші на виході піднімається до 500-550 ^o С. Додаючи в разі необхідності повітря (повітря III) в суміш газів на виході з каталітичного теплообмінника, отримують потрібну температуру газоповітряної суміші.

Відключення повітронагрівача виробляють вимиканням газового вентиля, який перекриває подачу газу на змішувач 1. Протягом декількох хвилин продовжує працювати подача повітря для охолодження апарату, що забезпечує захист каталізаторів від руйнування. Потім повітря і відключають.

Таким чином, генерацію тепла здійснюють в воздухонагревателе за допомогою двох основних апаратів: генератора синтез-газу 2 і каталітичного теплообмінника 5, що дозволяють провести окислення природного газу в дві стадії. При такому способі спалювання природного газу практично не утворюються оксиди азоту, а окис вуглецю повністю переходить в діоксид вуглецю.

Каталітичне парціальне окиснення природного газу в генераторі синтез-газу здійснюють при нестачі кисню і проводять, в основному, при атмосферному тиску і температурі не понад 1000 ^o С, каталізаторами є метали VIII групи, такі як Ni, Rh, Ru, Pt, Ir і Pd або їх суміш [М.А. Ріпа, JP Gomes, JLG Fierro. New catalytic routes for syngas and hydrogen production (review) // Appl. Catal. A 144 (1996), p.7-57].

Пропонований генератор синтез-газу являє собою циліндричну конструкцію з фланцями 18, всередині якої розташоване газорозподільне пристрій, що представляє собою перфоровану трубу 13 з отворами 17 і підігрівом 6, заглушену з одного боку, всередину якої подається газоповітряна суміш (фіг. 3). Шар каталізатора 14 утворюється з плоских 15 і гофрованих 16 армованих сіткою газопроникних стрічок, намотаних на газорозподільну трубку і спечених з нею. Стрічки розташовані таким чином, що їх непарні ряди гофровані, а парні складаються з плоских негофрованих стрічок, але витки подальшого перекривають витки попереднього. Стрічки утворюють каталитически активні канали, на стінках яких відбувається окислення газоповітряної суміші з утворенням окису вуглецю і води, які через канали між стрічками видаляються в корпус газогенератора. Оксиди азоту не утворюються через низьку (~ 900 ^o С) температури і нестачі кисню. Підбором товщини каталітичного шару досягається повна конверсія метану.

Принцип роботи генератора синтез-газу наступного. Для запуску включають розігрів реактора і, коли температура всередині апарату піднімається до 600 ^o С, підігрів відключають. Попередньо підготовлену газоповітряну суміш з коефіцієнтом витрати повітря 0,47 щодо стехіометричного, необхідного для повного згоряння газу, подають всередину газорозподільної трубки 13 і потім в шар каталізатора. За рахунок реакції парціального окиснення температура піднімається до ~ 900 ^o С, а ближче до зовнішньої поверхні шару знижується до 750-850 ^o С. Підбором кількості отворів перфорації і їх діаметра досягається умова, коли газоповітряна суміш розподіляється рівномірно по довжині труби, витікаючи через отвори в шар каталізатора. З міркувань безпеки експлуатації діаметр отворів вибирається меншим критичного для запобігання проникнення можливого полум'я всередину газорозподільної трубки.

Каталітичний теплообмінник 5 може бути реалізований у вигляді набору каталітичних тепловиділяючих трубок (КТТ) 19 (фіг.4) або плоских каталітичних панелей (фіг.2), розміщених в металевому кожусі над генератором синтез-газу.

Принцип роботи трубчастого каталітичного теплообмінника наступний. Синтез-газ з генератора синтез-газу направляється знизу в каталітичну касету і змішують з додатковим повітрям (повітря II), що подається по повітророзподільної трубці 4 (фіг.4). Повітророзподільна трубка має перфорацію по всій довжині. Для кращого змішування витікання повітря з неї відбувається назустріч потоку синтез-газу. Газоповітряна суміш направляється перегородками 20 на каталітичні тепловиділяючі трубки 19, виконані з металевих трубок 21 зі спечених на їх зовнішній стороні каталітичним шаром 11. Для збільшення зовнішньої поверхні каталітичного шару тепловиділяючі трубки мають ребра. Відходять гази виводять з верхньої частини апарату. Тепловиділяючі трубки 19, перегородки 20 і повітророзподільна трубка поміщені в кожух 9, який через фланець 8 приєднується до генератора синтез-газу.

Каталітичний шар на зовнішній стороні тепловиділяючою трубки може бути виконаний з використанням плоских і гофрованих стрічок, які пошарово намотуються і спікається з металевою трубкою, утворюючи бідісперсную пористу структуру, що забезпечує високу ступінь використання каталітичного шару. Товщина намотування визначається необхідним ступенем перетворення углеводородсодержащих газу. Каталітичний шар може бути виконаний у вигляді моноліту, але для збільшення зовнішньої поверхні необхідно ребра.

Аналогічним чином виготовляють каталітичний шар 11 на плоских каталітичних панелях, який заповнює весь простір між пластинами 10 і кожухом 9 (фіг.2).

Каталізаторами окислення синтез-газу в каталітичної касеті є армований пористий матеріал, що містить в якості активних компонентів родій, нікель, платину, паладій, залізо, кобальт, реній, рутеній або їх суміші.

Суть винаходу ілюструється такими прикладами.

Приклад 1. На воздухонагреватель подається природний газ складу (об.%): Метан - 97,46, етан - 1,11, пропан - 0,37, ізобутан - 0,06, бутан - 0,06, пентан - 0,02 . Номінальна витрата (нм ³ / год): газу - 0,54; повітря - 14,76; газоповітряної суміші - 15,3. Тиск газоповітряної суміші на вході в воздухонагреватель - 350 Па.

В результаті роботи повітронагрівача отримано:

- Номінальна теплова потужність, кВт - 5,6

- Номінальна продуктивність повітря, нм / год - 14,0

- Температура, ^o С:

- Синтез-газу на виході з генератора - 750-850

- Газо-повітряної суміші на вході в

каталітичну касету - 290

- Газо-повітряної суміші на виході з

каталітичної касети - 500-550

- Коефіцієнт корисної дії - 99,0

- Вміст у відхідних газах, ррm:

- Монооксиду вуглецю - сліди

- Метану - 13

- Оксидів азоту - сліди

Приклад 2. На воздухонагреватель подається природний газ того ж складу, що і в прикладі 1. Номінальна витрата (нм ³ / год): газу - 1,08; повітря - 29,7; газоповітряної суміші - 30,78. Тиск газоповітряної суміші на вході в котел - 700 Па.

В результаті роботи повітронагрівача отримано:

- Номінальна теплова потужність, кВт - 11,3

- Номінальна продуктивність повітря, нм ³ / год - 28,3

- Температура, ^o С:

- Синтез-газу на виході з генератора - 750-850

- Газо-повітряної суміші на вході в

каталітичну касету - 290

- Газо-повітряної суміші на виході з

каталітичної касети - 500-550

- Коефіцієнт корисної дії - 99,0

- Вміст у відхідних газах, ррm:

- Монооксиду вуглецю - сліди

- Метану - 13

- Оксидів азоту - сліди

Приклад 3. На воздухонагреватель подається природний газ того ж складу, що і в прикладі 1. Номінальна витрата (нм ³ / год): газу - 1,26; повітря - 34,78; газоповітряної суміші - 36,04. Тиск газоповітряної суміші на вході в котел - 1000 Па.

В результаті роботи повітронагрівача отримано:

- Номінальна теплова потужність, кВт - 13,2

- Номінальна продуктивність повітря, нм ³ / год - 33,2

- Температура, ^o С:

- Синтез-газу на виході з генератора - 750-850

- Газо-повітряної суміші на вході в

каталітичну касету - 290

- Газо-повітряної суміші на виході з

- Каталітичної касети - 500-550

- Коефіцієнт корисної дії - 99,0

- Вміст у відхідних газах, ррm:

- Монооксиду вуглецю - сліди

- Метану - 13

- Оксидів азоту - сліди

Як видно з прикладів, пропоноване винахід дозволяє створити воздухонагреватель потужністю 3-25 кВт, який використовує для отримання тепла принцип двухстадийного каталітичного окислення природного газу, а й інших вуглеводневих газів. Воздухонагреватель, що працює на зазначеному вище принципі, забезпечує екологічно чисте окислення вуглеводневих газів так, що вміст СО у відхідних газах відповідає концентрації не більше 1 ppm, метану - не більше 20 ppm при відсутності оксидів азоту.

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Воздухонагреватель, що містить каркас, до якого кріпляться змішувач повітря і палива, що спалює пристрій, змішувач газів і додаткового повітря, каталітична касета, вузол виведення газоповітряної суміші, що відрізняється тим, що в якості спалює пристрою він містить каталітичний генератор синтез-газу, розташований за змішувачем повітря і палива і представляє собою реактор радіального типу, що містить газорозподільну трубку з каталітичним шаром, виконаним у вигляді газопроникних плоских і гофрованих армованих стрічок, навитих і спечених з газорозподільної трубкою, з зазорами між витками з утворенням газоповітряних каналів між стрічками, що має пристрій підігріву для запуску реактора в роботу, що містить газорозподільну трубку з діаметром отворів перфорації, меншим критичного діаметра, для запобігання проникнення полум'я всередину газорозподільної трубки, поміщений в металевий корпус.

2. Воздухонагреватель по п.1, що відрізняється тим, що в якості каталізатора використовують армований пористий матеріал, що містить в якості активних компонентів родій, нікель, платину, паладій, залізо, кобальт, реній, рутеній або їх суміш.

3. Воздухонагреватель по п.1, що відрізняється тим, що каталітична касета являє собою набір каталітичних тепловиділяючих трубок, що мають зовні каталітичний шар у вигляді спечених з трубкою плоских і гофрованих стрічок або монолітного шару з ребрами.

4. Воздухонагреватель по п. 1 або 3, який відрізняється тим, що в якості каталізатора використовують армований пористий матеріал, що містить в якості активних компонентів родій, нікель, платину, паладій, залізо, кобальт, реній, рутеній або їх суміш.

5. Воздухонагреватель по п. 1, який відрізняється тим, що каталітична касета являє собою набір плоских каталітичних панелей, що мають зовні каталітичний шар у вигляді спечених плоских і гофрованих стрічок, що утворюють канали по осі панелі або під кутом до її осі.

6. Воздухонагреватель по п. 1 або 5, що відрізняється тим, що в якості каталізатора використовують армований пористий матеріал, що містить в якості активних компонентів родій, нікель, платину, паладій, залізо, кобальт, реній, рутеній або їх суміш.

7. Спосіб роботи повітронагрівача, що полягає в окисленні природного газу в дві стадії, одна з яких є каталітичної, що відрізняється тим, що окислення природного газу здійснюється на першій стадії в генераторі синтез-газу, де відбувається каталітичне окислення природного газу при нестачі кисню в синтез- газ, а на другій стадії в каталітичної касеті після введення додаткової кількості кисню повітря здійснюють повне окислення синтез-газу з отриманням діоксиду вуглецю і води.

Версія для друку
Дата публікації 25.01.2007гг

НОВІ СТАТТІ ТА ПУБЛІКАЦІЇ
	Технологія виготовлення універсальних муфт для бесварочного, безрезьбовиє, бесфлянцевого з'єднання відрізків труб в трубопроводах високого тиску (мається відео)
	Технологія очищення нафти і нафтопродуктів
	Про можливість переміщення замкнутої механічної системи за рахунок внутрішніх сил
	Світіння рідини в тонких діелектричних каналох
	Взаємозв'язок між квантової і класичної механікою
	Міліметрові хвилі в медицині. Новий погляд. ММВ терапія
	магнітний двигун
	Джерело тепла на базі нососних агрегатів