RU2166696C1 - Каталитический нагревательный элемент - Google Patents
Каталитический нагревательный элемент Download PDFInfo
- Publication number
- RU2166696C1 RU2166696C1 RU2000105317A RU2000105317A RU2166696C1 RU 2166696 C1 RU2166696 C1 RU 2166696C1 RU 2000105317 A RU2000105317 A RU 2000105317A RU 2000105317 A RU2000105317 A RU 2000105317A RU 2166696 C1 RU2166696 C1 RU 2166696C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heating element
- gas
- tubular structure
- catalytic heating
- catalyst layer
- Prior art date
Links
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 title claims abstract description 55
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 title claims abstract description 42
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 41
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 23
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 19
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 12
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 12
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 7
- 229910020599 Co 3 O 4 Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims description 5
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 5
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 abstract description 45
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 42
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 abstract description 18
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 abstract description 14
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 abstract description 7
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 abstract description 7
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 abstract description 7
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 abstract description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 10
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Substances [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N nitrogen oxide Inorganic materials O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 5
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 239000008236 heating water Substances 0.000 description 4
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 4
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 4
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 2
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- -1 hydrocarbon gases Chemical compound 0.000 description 2
- VUZPPFZMUPKLLV-UHFFFAOYSA-N methane;hydrate Chemical compound C.O VUZPPFZMUPKLLV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 description 2
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- GEIAQOFPUVMAGM-UHFFFAOYSA-N ZrO Inorganic materials [Zr]=O GEIAQOFPUVMAGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 239000003570 air Substances 0.000 description 1
- HOWJQLVNDUGZBI-UHFFFAOYSA-N butane;propane Chemical compound CCC.CCCC HOWJQLVNDUGZBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000002657 fibrous material Substances 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 239000002638 heterogeneous catalyst Substances 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000006386 neutralization reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 239000002912 waste gas Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN A CARRIER GAS OR AIR
- F23C13/00—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Heterocyclic Carbon Compounds Containing A Hetero Ring Having Nitrogen And Oxygen As The Only Ring Hetero Atoms (AREA)
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
Abstract
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.
Description
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 350oC, 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 1300oC. 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 600oC.
- 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 600oC.
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 560-800oC, содержание CO в выбрасываемых газах находится в интервале 6 мг/(кВт•ч), что соответствует ≈15 ppm, содержание NOx = 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.
- 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.
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.
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 15oC.
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 15oC.
В результате осуществления каталитической реакции окисления природного газа получено:
температура поверхности нагревателя - 832oC;
содержание CO в отходящих от поверхности газах - 6 ppm;
содержание NOx - 0;
содержание метана - 18 ppm;
общая мощность нагревателя - 20 кВт, из них 7.5 кВт используется на нагрев воды во внутреннем теплообменнике до температуры 60oC;
перепад давления при движении газовоздушной смеси - 21 мм H2O.
температура поверхности нагревателя - 832oC;
содержание CO в отходящих от поверхности газах - 6 ppm;
содержание NOx - 0;
содержание метана - 18 ppm;
общая мощность нагревателя - 20 кВт, из них 7.5 кВт используется на нагрев воды во внутреннем теплообменнике до температуры 60oC;
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.
расход газа - 624 см3/с;
расход воздуха - 8330 см3/с;
расход воды - 63 г/с.
Получено:
температура поверхности нагревательного элемента - 910oC;
содержание CO - 11 ppm;
содержание CH4 - 5 ppm;
содержание NOx - 0;
общая мощность - 25 кВт;
мощность на нагрев воды - 9.5 кВт;
температура воды на выходе - 50oC;
перепад давления - 34 мм H2O.
температура поверхности нагревательного элемента - 910oC;
содержание CO - 11 ppm;
содержание CH4 - 5 ppm;
содержание NOx - 0;
общая мощность - 25 кВт;
мощность на нагрев воды - 9.5 кВт;
температура воды на выходе - 50oC;
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.
расход газа - 365 см3/с;
расход воздуха - 5200 см3/с;
расход воды - 43 г/с.
Получено:
температура поверхности нагревательного элемента - 770oC;
содержание CO - 5-9 ppm;
содержание CH4 - 115 ppm;
содержание NOx - нет;
общая мощность - 17 кВт;
мощность на нагрев воды - 7.2 кВт;
температура воды на выходе из нагревателя - 55oC;
перепад давления - 10 мм H2O.
температура поверхности нагревательного элемента - 770oC;
содержание CO - 5-9 ppm;
содержание CH4 - 115 ppm;
содержание NOx - нет;
общая мощность - 17 кВт;
мощность на нагрев воды - 7.2 кВт;
температура воды на выходе из нагревателя - 55oC;
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.
Claims (7)
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.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000105317A RU2166696C1 (ru) | 2000-03-03 | 2000-03-03 | Каталитический нагревательный элемент |
| PCT/RU2001/000065 WO2001065177A1 (en) | 2000-03-03 | 2001-02-19 | Catalytic heating element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000105317A RU2166696C1 (ru) | 2000-03-03 | 2000-03-03 | Каталитический нагревательный элемент |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2166696C1 true RU2166696C1 (ru) | 2001-05-10 |
Family
ID=20231393
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2000105317A RU2166696C1 (ru) | 2000-03-03 | 2000-03-03 | Каталитический нагревательный элемент |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2166696C1 (ru) |
| WO (1) | WO2001065177A1 (ru) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2212542C2 (ru) * | 2001-07-10 | 2003-09-20 | Юрий Иванович Баранов | Устройство для обогрева воздухоподающих стволов шахт |
| RU2315908C1 (ru) * | 2006-06-13 | 2008-01-27 | Институт Катализа Им. Г.К. Борескова Сибирского Отделения Российской Академии Наук | Устройство для каталитического сжигания природных и сжиженных газов |
| RU2334169C1 (ru) * | 2007-03-12 | 2008-09-20 | Институт Катализа Им. Г.К. Борескова Сибирского Отделения Российской Академии Наук | Устройство для каталитического сжигания природных и сжиженных газов |
| RU2451877C2 (ru) * | 2007-02-26 | 2012-05-27 | Ифп | Пористая водородная горелка без предварительного смешивания |
| RU2596900C1 (ru) * | 2015-09-21 | 2016-09-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Уникат" | Каталитическое нагревательное устройство с распределителем газового потока |
| RU2674231C1 (ru) * | 2018-03-07 | 2018-12-05 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук (ИК СО РАН) | Способ каталитического сжигания газообразных топлив и устройство для его осуществления |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4204320C1 (ru) * | 1992-02-13 | 1993-08-12 | Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung Ev, 8000 Muenchen, De | |
| DE4317554A1 (de) * | 1993-05-26 | 1994-12-01 | Fraunhofer Ges Forschung | Warmwasserbereiter |
| DE19527767A1 (de) * | 1994-07-25 | 1996-02-01 | Vaillant Joh Gmbh & Co | Heizgerät |
| RU2062402C1 (ru) * | 1994-02-24 | 1996-06-20 | Институт катализа им.Г.К.Борескова СО РАН | Каталитический нагревательный элемент |
| RU2110015C1 (ru) * | 1996-02-08 | 1998-04-27 | Институт катализа им.Г.К.Борескова СО РАН | Инфракрасный излучатель, способ проведения процесса горения углеводородного газового топлива и способ приготовления сложной керамики, активированной катализатором |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU506727A1 (ru) * | 1973-01-09 | 1976-03-15 | Саратовский филиал Специального конструкторского бюро Всесоюзного научно-производственного объединения "Союзгазавтоматика" | Каталитическа горелка |
-
2000
- 2000-03-03 RU RU2000105317A patent/RU2166696C1/ru not_active IP Right Cessation
-
2001
- 2001-02-19 WO PCT/RU2001/000065 patent/WO2001065177A1/ru not_active Ceased
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4204320C1 (ru) * | 1992-02-13 | 1993-08-12 | Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung Ev, 8000 Muenchen, De | |
| DE4317554A1 (de) * | 1993-05-26 | 1994-12-01 | Fraunhofer Ges Forschung | Warmwasserbereiter |
| RU2062402C1 (ru) * | 1994-02-24 | 1996-06-20 | Институт катализа им.Г.К.Борескова СО РАН | Каталитический нагревательный элемент |
| DE19527767A1 (de) * | 1994-07-25 | 1996-02-01 | Vaillant Joh Gmbh & Co | Heizgerät |
| RU2110015C1 (ru) * | 1996-02-08 | 1998-04-27 | Институт катализа им.Г.К.Борескова СО РАН | Инфракрасный излучатель, способ проведения процесса горения углеводородного газового топлива и способ приготовления сложной керамики, активированной катализатором |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2212542C2 (ru) * | 2001-07-10 | 2003-09-20 | Юрий Иванович Баранов | Устройство для обогрева воздухоподающих стволов шахт |
| RU2315908C1 (ru) * | 2006-06-13 | 2008-01-27 | Институт Катализа Им. Г.К. Борескова Сибирского Отделения Российской Академии Наук | Устройство для каталитического сжигания природных и сжиженных газов |
| RU2451877C2 (ru) * | 2007-02-26 | 2012-05-27 | Ифп | Пористая водородная горелка без предварительного смешивания |
| RU2334169C1 (ru) * | 2007-03-12 | 2008-09-20 | Институт Катализа Им. Г.К. Борескова Сибирского Отделения Российской Академии Наук | Устройство для каталитического сжигания природных и сжиженных газов |
| RU2596900C1 (ru) * | 2015-09-21 | 2016-09-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Уникат" | Каталитическое нагревательное устройство с распределителем газового потока |
| WO2017052398A1 (ru) * | 2015-09-21 | 2017-03-30 | Общество с ограниченной ответственностью "Уникат" | Каталитическое нагревательное устройство с распределителем газового потока |
| RU2674231C1 (ru) * | 2018-03-07 | 2018-12-05 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук (ИК СО РАН) | Способ каталитического сжигания газообразных топлив и устройство для его осуществления |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2001065177A1 (en) | 2001-09-07 |
| WO2001065177A8 (en) | 2001-11-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0913357B1 (en) | Reformer and method for operation thereof | |
| EP1394103B1 (en) | Cylindrical water vapor reforming unit | |
| US4214867A (en) | Method and apparatus for catalytic heat exchange | |
| US7182921B2 (en) | Cylindrical steam reforming unit | |
| US5464006A (en) | Water heater | |
| CN101432065A (zh) | 固定床吸热反应内燃交换反应器 | |
| KR100848047B1 (ko) | 낮은 전원 범위에서 기상 탄화수소로부터 수소를 생성하기위한 고효율, 소형 개질 장치 | |
| Kolios et al. | Heat-integrated reactor concepts for catalytic reforming and automotive exhaust purification | |
| EP2158962B1 (en) | Method for forming a fuel cell reformer | |
| Kunte et al. | A spiral microreactor for improved stability and performance for catalytic combustion of propane | |
| CN117069056B (zh) | 一种自热式氨分解反应系统及制氢方法 | |
| US4288346A (en) | Catalyst for catalytic heat exchange | |
| US20040005268A1 (en) | Method and multi-stage shift reactor for reducing the carbon monoxide content in a hydrogen-containing gas stream, and reformer installation | |
| US7497881B2 (en) | Heat exchanger mechanization to transfer reformate energy to steam and air | |
| US8133445B2 (en) | Reaction chamber promoting heat exchange between the reagents and the gases that are produced | |
| RU2166696C1 (ru) | Каталитический нагревательный элемент | |
| JP2005306658A (ja) | 水素生成装置 | |
| RU2062402C1 (ru) | Каталитический нагревательный элемент | |
| CN101913560A (zh) | 分布式天然气制氢反应器 | |
| JPH0794322B2 (ja) | メタノール改質装置 | |
| RU2209378C2 (ru) | Водогрейный котел и способ его работы | |
| RU2269725C1 (ru) | Каталитический водогрейный котел | |
| RU2206835C2 (ru) | Воздухонагреватель и способ его работы | |
| RU2009712C1 (ru) | Аппарат для проведения паровой каталитической конверсии углеводородов | |
| JPH0335241B2 (ru) |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080304 |