RU2380612C1 - Catalytic heat generator - Google Patents
Catalytic heat generator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2380612C1 RU2380612C1 RU2009102307/06A RU2009102307A RU2380612C1 RU 2380612 C1 RU2380612 C1 RU 2380612C1 RU 2009102307/06 A RU2009102307/06 A RU 2009102307/06A RU 2009102307 A RU2009102307 A RU 2009102307A RU 2380612 C1 RU2380612 C1 RU 2380612C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat
- heat generator
- catalytic
- fuel
- combustion
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к теплоэнергетике - к технике генерирования тепловой энергии на принципе беспламенного каталитического окисления различных видов топлив и может быть использовано в промышленности, сельском хозяйстве, жилищно-коммунальном хозяйстве, на транспорте и других областях для автономного водяного отопления воздушного обогрева, а также горячего водоснабжения жилых и производственных помещений, зданий и сооружений: гаражей, теплиц, хранилищ, ферм, дачных домиков и т.д. Кроме того, изобретение может быть использовано в составе различных технологических установок для сушки различных материалов.The invention relates to a power system - to a technique for generating thermal energy on the principle of flameless catalytic oxidation of various types of fuels and can be used in industry, agriculture, housing and communal services, transport and other fields for autonomous water heating of air heating, as well as domestic hot water and industrial premises, buildings and structures: garages, greenhouses, storages, farms, country houses, etc. In addition, the invention can be used in various process plants for drying various materials.
Известны различные модификации генераторов тепловой энергии, основанных на экологически чистом каталитическом сжигании различных видов топлива: твердого, жидкого, газообразного.There are various modifications of thermal energy generators based on environmentally friendly catalytic combustion of various types of fuel: solid, liquid, gaseous.
Беспламенное каталитическое сжигание является перспективным методом увеличения эффективности сжигания топлива и снижения вредных выбросов. При этом в процессе горения реакции окисления топлива протекают на поверхности катализатора при низких температурах, обеспечивая полную конверсию топлива без образования оксидов азота и эффективный теплосъем. Известные каталитические генераторы тепла (например, печи) различаются по мощности, по функциональному назначению и могут быть использованы не только в системах теплоснабжения и при сжигании топлива для нагрева рабочих тел, а также для уничтожения путем каталитического сжигания опасных органических отходов.Flameless catalytic combustion is a promising method for increasing fuel combustion efficiency and reducing harmful emissions. At the same time, during the combustion process, fuel oxidation reactions proceed on the surface of the catalyst at low temperatures, providing complete fuel conversion without the formation of nitrogen oxides and effective heat removal. Known catalytic heat generators (for example, furnaces) vary in power, in functional purpose and can be used not only in heat supply systems and in burning fuel to heat working fluids, but also for eliminating hazardous organic waste by catalytic burning.
Известно устройство последовательного постадийного каталитического сжигания топлива, в котором обедненная смесь топлива и воздуха предварительно нагревается горячим газом, поступающим от горелки. Предварительно нагретая смесь затем катализируется в каталитическом реакторе и далее сжигается для получения горячего газа, нагретого до температуры, превышающей температуру зажигания топлива. Вторая и третья порции обедненной топливовоздушной смеси затем последовательно вводятся в горячий газ, при этом их температура превышает температуру зажигания, что способствует гомогенному сжиганию этих порций смеси. Такое гомогенное сжигание усиливается благодаря присутствию трех радикалов, создаваемых в процессе катализации первой порции смеси. Далее каталитический реактор действует таким образом, чтобы обеспечить стабильность сжигания обедненной смеси (второй и третьей порций) (Method and apparatus for sequentially staged combustion using a catalyst. Пат. США №5623819, МКИ F23R 003/40, 1997 г.).A device for sequential stepwise catalytic combustion of fuel is known, in which a lean mixture of fuel and air is preheated with hot gas coming from the burner. The preheated mixture is then catalyzed in a catalytic reactor and then burned to produce hot gas heated to a temperature above the fuel ignition temperature. The second and third portions of the depleted air-fuel mixture are then sequentially introduced into the hot gas, while their temperature exceeds the ignition temperature, which contributes to the homogeneous burning of these portions of the mixture. This homogeneous combustion is enhanced by the presence of three radicals created during the catalysis of the first portion of the mixture. Further, the catalytic reactor operates in such a way as to ensure the stability of the combustion of the lean mixture (second and third portions) (Method and apparatus for sequentially staged combustion using a catalyst. US Pat. US No. 5623819, MKI F23R 003/40, 1997).
Однако данное техническое решение предназначено для сжигания топлива в мощных промышленных стационарных котельных установках, газовых турбинах и т.д. В таких установках используются, как правило, мощные воздушные компрессоры с мощным электрическим приводом и большим расходом электроэнергии. Кроме того, такие установки рассчитаны на работу только на газообразном топливе. Устройства для осуществления данного способа чрезвычайно сложны по конструкции, дороги в изготовлении, обслуживании, ремонте, и поэтому не могут быть использованы в средствах малой энергетики.However, this technical solution is intended for burning fuel in powerful industrial stationary boiler plants, gas turbines, etc. In such installations, as a rule, powerful air compressors with a powerful electric drive and high energy consumption are used. In addition, such installations are designed to operate only on gaseous fuels. Devices for implementing this method are extremely complex in design, expensive to manufacture, maintain, repair, and therefore cannot be used in small-scale energy.
Наибольшее количество разработок в области создания различных типов обогревательных устройств, в основу которых заложен принцип каталитического сжигания топлива, принадлежит Институту катализа СО РАН. В институте разработаны четыре типа систем для каталитического сжигания топлива:The largest number of developments in the field of creating various types of heating devices, which are based on the principle of catalytic combustion of fuel, belongs to the Institute of Catalysis SB RAS. The Institute has developed four types of systems for catalytic combustion of fuel:
- каталитические генераторы тепла, основанные на сжигании топлив в псевдоожиженном слое катализатора (мощностью до 200 кВт и выше);- catalytic heat generators based on the combustion of fuels in the fluidized bed of a catalyst (power up to 200 kW and above);
- газовые каталитические теплогенераторы (воздухонагреватели ВГСК) с двухстадийным сжиганием топлива с сотовыми катализаторами (10-100 кВт);- gas catalytic heat generators (VGSK air heaters) with two-stage combustion of fuel with cellular catalysts (10-100 kW);
- бытовые каталитические обогреватели помещений (камины) с волокнистыми или керамическими катализаторами (до 3 кВт);- domestic catalytic room heaters (fireplaces) with fibrous or ceramic catalysts (up to 3 kW);
- каталитические водогрейные котлы на основе высокопористых ячеистых керамических и металлических материалов (10 кВт).- catalytic boilers based on highly porous cellular ceramic and metal materials (10 kW).
В каталитических генераторах тепла (КГТ) окисление топлива происходит на поверхности гранул специальных оксидных катализаторов, поддерживаемых в псевдоожиженном состоянии в потоке топлива, воздуха и продуктов горения. Отвод тепла из слоя производится через теплообменные поверхности, находящиеся в слое, или путем прямого контакта катализатора с рабочим телом.In catalytic heat generators (CHG), fuel oxidation occurs on the surface of granules of special oxide catalysts maintained in a fluidized state in the flow of fuel, air and combustion products. Heat is removed from the layer through heat exchange surfaces located in the layer, or by direct contact of the catalyst with the working fluid.
Особенностью и преимуществом аппаратов КГТ, разработанных в Институте катализа, является наличие в слое горизонтальной секционирующей решетки, которая тормозит свободную циркуляцию катализатора и разделяет псевдоожиженный слой на две зоны - нижнюю с температурой 600-750°C, достаточной для полного окисления топлива, и верхнюю, температура которой может быть понижена до 200-300°C за счет отвода тепла. Это минимизирует потери теплоты с отходящими газами и позволяет проводить эффективно при контролируемой температуре различные технологические процессы, такие как нагрев, сушку и термообработку различных порошковых материалов.A feature and advantage of QGT devices developed at the Institute of Catalysis is the presence of a horizontal sectioning lattice in the layer, which inhibits the free circulation of the catalyst and divides the fluidized bed into two zones - the lower one with a temperature of 600-750 ° C, sufficient for complete oxidation of the fuel, and the upper one the temperature of which can be lowered to 200-300 ° C due to heat dissipation. This minimizes the loss of heat with the exhaust gases and allows various processes to be carried out efficiently at a controlled temperature, such as heating, drying and heat treatment of various powder materials.
В установках использованы катализаторы полного окисления на алюмооксидных сферических носителях с высокой механической прочностью и термостабильностью, полученные методом аммиачно-углеводородного формования. При этом использованы составы активного компонента на основе смешанных оксидов хрома, магния, меди и кобальта, нанесенные на носитель методом пропитки с последующей сушкой и термообработкой.The plants used catalysts for complete oxidation on alumina spherical supports with high mechanical strength and thermal stability, obtained by the method of ammonia-hydrocarbon molding. In this case, the compositions of the active component based on mixed oxides of chromium, magnesium, copper and cobalt used on the carrier by impregnation followed by drying and heat treatment were used.
Известные газовые каталитические обогреватели диффузионного типа "Термокат-1", "Термокат-2", "Термокат-3" работают 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.Known gas catalytic diffusion heaters such as "Thermocat-1", "Thermocat-2", "Thermocat-3" operate on pre-mixed gas-air mixtures (Z.R. Ismagilov, M.A. Kerzhentsev. Catalysts and catalytic combustion processes. Chem. prom., 1996, 3, p .97). The devices "Thermocat-1" and "Thermocat-2" operate on liquefied gas - a propane-butane mixture, and the apparatus "Thermocat-3" - on natural gas. These air heaters use full oxidation catalysts of the type IR-12-30.
Известен способ сжигания топлива для получения тепла и воздухонагреватель для его осуществления - воздухонагреватель газовый смесительный каталитический (ВГСК) (З.Р.Исмагилов, М.А.Керженцев. Катализаторы и процессы каталитического горения. Хим. пром., 1996, 3, с.197, а также Смесительный каталитический воздухонагреватель ВГСК, рассмотренный в статье Исмагилова З.Р. и Керженцева М.А. «Экологически чистое сжигание топлив и каталитическая очистка дымовых газов ТЭС от оксидов азота: состояние и перспективы»). Известный ВГСК представляет собой установку двухстадийного сжигания природного газа. Способ включает подачу топлива в горелку с одновременной подачей первичного воздуха, сжигание топлива в смеси с первичным воздухом в жаровой трубе камеры сгорания, последующий ввод в жаровую трубу вторичного воздуха, дожигание не сгоревшего в топочных газах топлива в камере дожигания, разбавление воздухом потока горячих газов, выходящих из камеры дожигания, и вывод нагретого воздуха для использования по целевому назначению. При этом способе во всей полости жаровой трубы камеры сгорания осуществляют многофакельное сжигание топлива (природного газа), обеспечивая высокую (не менее 85%) степень сжигания. Для этого предварительно разделяют объем топлива на несколько малых объемов с помощью достаточно сложного многофорсуночного горелочного устройства. Устройство (ВГСК) включает горелку с вентилятором первичного воздуха, камеру сгорания с внешним корпусом и жаровой трубой, имеющей отверстия для ввода в нее вторичного воздуха, размещенную во внешнем корпусе с образованием кольцевого канала между жаровой трубой и внешним корпусом, а также камеру дожигания не сгоревшего в топочных газах топлива, 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°C 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. Воздухонагреватель ВГСК снабжен сложным многофорсуночным горелочным устройством для сжигания природного газа.A known method of burning fuel to generate heat and an air heater for its implementation is a gas mixing catalytic air heater (VGSK) (Z.R. Ismagilov, MA Kerzhentsev. Catalysts and catalytic combustion processes. Chemical industry., 1996, 3, p. 197, as well as the VGSK Mixing Catalytic Air Heater, considered in the article by Z. R. Ismagilov and M. A. Kerzhentsev "Environmentally friendly burning of fuels and catalytic cleaning of flue gases of thermal power plants from nitrogen oxides: state and prospects"). Well-known VGSK is a two-stage natural gas combustion plant. The method includes supplying fuel to the burner while supplying primary air, burning fuel mixed with primary air in the flame tube of the combustion chamber, then introducing secondary air into the flame tube, afterburning the fuel not burnt in the combustion gases in the afterburner, diluting with air the flow of hot gases, coming out of the afterburner, and the conclusion of the heated air for use for its intended purpose. With this method, in the entire cavity of the combustion tube of the combustion chamber, multi-torch combustion of fuel (natural gas) is carried out, providing a high (at least 85%) degree of combustion. For this, the fuel volume is preliminarily divided into several small volumes using a rather complicated multi-burner device. The device (VGSK) includes a burner with a primary air fan, a combustion chamber with an outer casing and a flame tube having openings for introducing secondary air into it, placed in the outer casing with the formation of an annular channel between the flame tube and the outer casing, as well as an afterburner in flue gases of fuel, where a catalytic cassette, assembled from catalytic blocks, is installed. The cassette is a circle with a diameter of 500 mm and a height of 50-150 mm, assembled from a catalyst in the form of hexagonal blocks of a honeycomb structure. The temperature of the flue gases in front of the catalytic cartridge 427-827 ° C is sufficient for the complete oxidation of products of incomplete combustion of fuel and carbon monoxide, as well as the reduction of nitrogen oxides with an excess of carbon monoxide. The flue gases, additionally diluted with air, are supplied from the VGSK to heat the room. The VGSK air heater is equipped with a complex multi-nozzle burner device for burning natural gas.
Известен каталитический теплогенератор (Патент на изобретение RU №2232942), также разработанный авторами Института катализа им. Г.К.Борескова СО РАН (RU), с регулированием тепловой мощности за счет изменения поверхности теплообмена, контактирующей с псевдоожиженным слоем катализатора и используемый в системах теплоснабжения и при сжигании топлива для нагрева рабочих тел, где сжигание различных топлив происходит в псевдоожиженном слое. Каталитический теплогенератор состоит из вертикального корпуса с патрубками подачи воздуха и топлива в нижней части, патрубками отвода дымовых газов и загрузки катализатора в верхней части, внутри корпуса между патрубками подачи воздуха и топлива размещена газораспределительная решетка, на которой расположен слой гранулированного катализатора окисления, выше решетки последовательно размещены неизотермическая насадка и теплообменник, на корпусе под неизотермической насадкой расположен патрубок для отгрузки катализатора и патрубок для догрузки катализатора, расположенный выше неизотермической насадки. На корпусе выше неизотермической насадки может быть расположены два или более патрубка для отгрузки катализатора. Над газораспределительной решеткой перед неизотермической насадкой размещена объемная организующая насадка с живым сечением 50-90% с величиной отверстий 2-15 диаметров частиц катализатора и долей свободного объема в пакете насадок 85-95%. На выходе дымовых газов размещено устройство против уноса частиц катализатора. Для слива воды из теплообменника он содержит сифон. Контактирующие с псевдоожиженным слоем теплообменные поверхности расположены выше неизотермической решетки. Способ регулирования мощности каталитического теплогенератора заключается в том, что регулирование тепловой мощности теплогенератора проводят за счет изменения количества катализатора, находящегося в теплогенераторе. Изобретение позволяет разработать каталитический теплогенератор, эффективно использующий тепло при сжигании топлива, обеспечивающий экологическую чистоту отходящих газов и позволяющий регулировать его тепловую мощность.Known catalytic heat generator (Patent for invention RU No. 2232942), also developed by the authors of the Institute of Catalysis named after GK Boreskova SB RAS (RU), with the regulation of thermal power due to changes in the heat exchange surface in contact with the fluidized bed of the catalyst and used in heat supply systems and when burning fuel to heat working fluids, where various fuels are burned in the fluidized bed. The catalytic heat generator consists of a vertical casing with air and fuel supply pipes in the lower part, flue gas pipes and catalyst loading pipes in the upper part, a gas distribution grid is located between the air and fuel supply pipes, on which there is a layer of granular oxidation catalyst, above the grate in series a non-isothermal nozzle and a heat exchanger are placed, on the housing under the non-isothermal nozzle there is a pipe for shipment of the catalyst and pipe for reload catalyst upstream nonisothermal nozzle. On the housing above the non-isothermal nozzle, two or more nozzles may be located for dispatching the catalyst. Above the gas distribution grille, in front of the non-isothermal nozzle, a volumetric organizing nozzle with a live section of 50-90% with openings of 2-15 diameters of the catalyst particles and a free volume fraction in the nozzle pack of 85-95% is placed. At the exit of the flue gases there is a device against the entrainment of catalyst particles. To drain the water from the heat exchanger, it contains a siphon. Heat exchange surfaces in contact with the fluidized bed are located above the non-isothermal lattice. A method of controlling the power of the catalytic heat generator is that the thermal power of the heat generator is controlled by changing the amount of catalyst in the heat generator. EFFECT: invention makes it possible to develop a catalytic heat generator that efficiently uses heat when burning fuel, ensures the environmental cleanliness of the exhaust gases and makes it possible to regulate its heat output.
Однако перечисленные выше конструкции не позволяют обеспечить высокую (не менее 85%) степень сжигания топлива при однофакельном горении его в жаровой трубе камеры сгорания, а при меньшей степени основного сжигания топлива камера дожигания не выполняет свою функцию.However, the above designs do not allow for a high (at least 85%) degree of fuel combustion during single-flame combustion in the flame tube of the combustion chamber, and with a lower degree of primary fuel combustion, the afterburner does not fulfill its function.
Наиболее близким к заявляемому является каталитический теплогенератор (патент РФ на изобретение №2124674), состоящий из вертикального корпуса с патрубками подачи воздуха и топлива в нижней части, между которыми внутри корпуса размещена газораспределительная решетка со слоем гранулированного катализатора окисления, в средней части генератора размещен теплообменник из U-образных трубок, под которыми расположена неизотермическая насадка, на внешней поверхности корпуса имеется охлаждающая рубашка, причем рубашка выполнена водяной и состоит из независимых секций, работающих параллельно и подключенных последовательно к теплообменнику. Наличие водяной секционной рубашки на корпусе выше и ниже уровня неизотермической насадки позволяет регулировать количество теплоты, отводимой из зоны горения, за счет отключения или включения секций водяной рубашки.Closest to the claimed one is a catalytic heat generator (RF patent for the invention No. 2124674), consisting of a vertical casing with air and fuel supply pipes in the lower part, between which inside the casing there is a gas distribution grid with a layer of granular oxidation catalyst, in the middle part of the generator there is a heat exchanger made of U-shaped tubes, under which a non-isothermal nozzle is located, on the outer surface of the housing there is a cooling jacket, and the shirt is made water and m of independent sections operated in parallel and connected in series to the heat exchanger. The presence of a water sectional jacket on the case above and below the level of the non-isothermal nozzle allows you to adjust the amount of heat removed from the combustion zone by disabling or enabling sections of the water jacket.
Однако данная конструкция предназначена для использования газообразного топлива, что ограничивает область ее применения. Устройство также не обеспечивает длительности процесса окисления топлива, что снижает эффективность теплосъема. Наличие водяной рубашки на корпусе приводит к сильному охлаждению слоя катализатора в зоне горения топлива и, как следствие, увеличению выбросов CO и NOx. Кроме того, наличие на корпусе водяной рубашки в зоне горения топлива затрудняет запуск теплогенератора, т.к. рабочая температура не достигает необходимой минимальной температуры, обеспечивающей активность катализатора.However, this design is designed to use gaseous fuels, which limits its scope. The device also does not provide the duration of the fuel oxidation process, which reduces the efficiency of heat removal. The presence of a water jacket on the housing leads to strong cooling of the catalyst layer in the fuel combustion zone and, as a result, an increase in CO and NO x emissions. In addition, the presence of a water jacket on the body in the fuel combustion zone makes it difficult to start the heat generator, because operating temperature does not reach the required minimum temperature, ensuring the activity of the catalyst.
Задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в разработке каталитического теплогенератора, эффективно использующего тепло при сжигании различного вида топлива любой влажности, обеспечивающего экологическую чистоту отходящих газов и позволяющего регулировать его тепловую мощность.The problem solved by the present invention is to develop a catalytic heat generator that efficiently uses heat when burning various types of fuel of any moisture content, ensuring the environmental cleanliness of the exhaust gases and allowing its heat output to be regulated.
Технический результат заключается в обеспечении возможности непрерывного режима работ устройства в течение отопительного сезона, а также длительности процесса окисления топлива, экономичном расходовании топлива, повышении КПД и защите атмосферы от токсичных продуктов их горения. Кроме того, за чет использования блока подачи воздуха оригинальной конструкции достигается высокая пожаробезопасность устройства.The technical result consists in providing the possibility of a continuous mode of operation of the device during the heating season, as well as the duration of the fuel oxidation process, economical fuel consumption, increased efficiency and protection of the atmosphere from toxic products of their combustion. In addition, due to the use of the air supply unit of the original design, a high fire safety of the device is achieved.
Поставленная задача решается тем, что каталитический теплогенератор содержит вертикально ориентированный корпус с входом для подачи топлива и выходом для отработанных газов, включающий, по крайней мере, три камеры: камеру горения в нижней части корпуса и расположенные над ней две камеры дожига, при этом камеры образованы горизонтально ориентированными перегородками, имеющими зазоры для прохода продуктов горения; решетку с неподвижным слоем катализатора, размещенную в верхней части камеры горения, при этом катализатор представляет собой термостойкий пористый носитель с нанесенными на него оксидом никеля и оксидом меди, при следующем соотношении компонентов, мас.%: оксид меди - 1,0-3,0; оксид никеля - 1,0-2,5; носитель - остальное; блок регулированной подачи воздуха, расположенный в нижней части камеры горения; канал подачи вторичного воздуха в камеру дожига; теплообменный блок. Теплогенератор может быть снабжен водяной рубашкой. Корпус выполнен теплоизолированным. Кроме того, устройство может быть снабжено дополнительной решеткой с неподвижным слоем катализатора, расположенной в верхней части камеры дожига. Зазор между перегородкой, разделяющей камеру горения и камеру дожига, и стенками корпуса выполнен по периметру корпуса, при этом зазор со стороны передней стенки выполнен регулируемым. Блок регулированной подачи воздуха выполнен в виде лотка с расположенными в нем перфорированными трубами, имеющими торцевые стенки со стороны выхода и регулируемые заглушки со стороны входа.The problem is solved in that the catalytic heat generator comprises a vertically oriented housing with an input for supplying fuel and an outlet for exhaust gases, including at least three chambers: a combustion chamber in the lower part of the housing and two afterburners located above it, while the chambers are formed horizontally oriented partitions having gaps for the passage of combustion products; a lattice with a fixed catalyst bed located in the upper part of the combustion chamber, while the catalyst is a heat-resistant porous carrier coated with nickel oxide and copper oxide, in the following ratio, wt.%: copper oxide - 1.0-3.0 ; nickel oxide - 1.0-2.5; the carrier is the rest; a regulated air supply unit located at the bottom of the combustion chamber; channel for supplying secondary air to the afterburner; heat exchange unit. The heat generator may be equipped with a water jacket. The housing is thermally insulated. In addition, the device can be equipped with an additional lattice with a fixed catalyst bed located in the upper part of the afterburner. The gap between the partition separating the combustion chamber and the afterburner, and the walls of the housing is made around the perimeter of the housing, while the clearance from the front wall is adjustable. The regulated air supply unit is made in the form of a tray with perforated pipes located in it having end walls on the output side and adjustable plugs on the input side.
Заявляемое устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично представлен общий вид спереди в разрезе, на фиг.2 - вид сбоку, на фиг.3-5 - конструкция блока для регулировки подачи воздуха (вид спереди, сверху, сбоку соответственно), на фиг.6 - вид сбоку на регулируемую заглушку, гдеThe inventive device is illustrated by drawings, where Fig. 1 schematically shows a general front view in section, in Fig. 2 is a side view, in Figs. 3-5 is a block structure for adjusting the air supply (front, top, side, respectively), 6 is a side view of an adjustable plug, where
1 - корпус теплогенератора;1 - heat generator body;
2, 3 - перегородки;2, 3 - partitions;
4 - камера горения;4 - combustion chamber;
5, 6 - камеры дожига;5, 6 - afterburning chambers;
7 - зазоры между перегородками и стенками корпуса;7 - gaps between the partitions and the walls of the housing;
8 - шиберная заслонка;8 - slide gate;
9 - рычаг шиберной заслонки;9 - lever slide gate;
10 - решетка;10 - a lattice;
11 - катализатор;11 - catalyst;
12 - дополнительная решетка;12 - additional lattice;
13 - лоток;13 - tray;
14 - перфорированные трубы;14 - perforated pipes;
15 - регулируемые заглушки;15 - adjustable plugs;
16 - изолирующие прокладки;16 - insulating gaskets;
17 - канал подачи вторичного воздуха;17 - channel for supplying secondary air;
18 - водяная рубашка;18 - water shirt;
19, 20 - вход и выход канала подачи вторичного воздуха;19, 20 - input and output of the secondary air supply channel;
21 - газоотвод;21 - gas outlet;
22 - шиберная заслонка;22 - slide gate;
23 - патрубок для слива конденсата;23 - pipe for draining the condensate;
24 - дверца загрузочного окна.24 - door loading window.
Устройство содержит вертикально ориентированный корпус 1, полость которого разделена, по крайней мере, двумя горизонтально ориентированными перегородками 2, 3 на три камеры: камеру горения 4 в нижней части корпуса и расположенные над ней две камеры дожига: среднюю 5 и верхнюю 6. При этом камера сгорания имеет объем, превышающий, по крайней мере, в 2-3 раза объем каждой камеры дожига. Перегородки расположены с зазором 7 по отношении к стенкам корпуса. Зазоры 7 могут быть образованы перегородками и противоположными стенками корпуса для увеличения пути прохождения генераторного газа. Нижняя перегородка 2, отделяющая нижнюю камеру горения 4 от соседней камеры дожига 5, может быть расположена с зазором 7 по периметру корпуса. Зазор 7 со стороны передней стенки корпуса может быть выполнен регулируемым посредством шиберной заслонки 8, снабженной рычагом 9, вынесенным за переднюю стенку корпуса. Стенки корпуса и днище, как правило, выполнены двойными. Боковые, задняя и верхняя стенки корпуса 1 выполнены теплоизолированными от внешней среды, например в виде двойного теплоизолирующего кожуха. При этом в необходимых случаях передняя стенка также может быть выполнена теплоизолированной. В верхней части камеры горения размещена решетка 10 с неподвижным слоем катализатора 11. Решетка 11 может быть разборной для обеспечения ее обслуживания и замены. Катализатор может быть помещен в перфорированную съемную кассету (на чертеже не показана). Катализатор 11 представляет собой термостойкий пористый носитель с нанесенными на него оксидом никеля и оксидом меди, при следующем соотношении компонентов, мас.%: оксид меди - 1,0-3,0; оксид никеля - 1,0-2,5; носитель - остальное. Носитель выполнен из оксида алюминия или шамота. Решетка 10 представляет собой, например, пластину из тугоплавкого металла с равномерно распределенными отверстиями, размер которых меньше размера гранул катализатора 11. Устройство может быть снабжено дополнительной решеткой 12 с катализатором, расположенной в верхней части средней камеры 5. Решетки 10, 12 закреплены на стенках камеры и перегородках 2, 3. В камере горения выполнено загрузочное окно с герметично закрывающейся дверцей 24 для загрузки твердого топлива и/или ввод для подачи газообразного или жидкого топлива. В нижней части камеры горения 4 расположен блок регулированной подачи воздуха в количестве, необходимом для протекания каталитических реакций неполного окисления топлива. Блок регулированной подачи воздуха может быть выполнен в виде выдвижного лотка 13 или нескольких лотков с расположенными в нем (них) перфорированными трубами 14. Перфорированные трубы 14 со стороны выхода имеют торцевые стенки, со стороны входа - регулируемые заглушки 15. Внутренняя поверхность передней стенки лотка 13 и регулируемой заглушки 15 имеют асбестовые изолирующие прокладки 16. Теплогенератор снабжен каналом подачи вторичного воздуха 17 в среднюю камеру, выполненный с возможностью подогрева. Канал образован двойными стенками днища и передней двойной стенкой корпуса, с входом со стороны задней стенки устройства и выходом в средней части камеры дожига 5. Теплосъем с генератора может быть обеспечен различными способами с использованием водяного или воздушного теплоносителя. При использовании водяного теплоносителя теплогенератор снабжен водяной рубашкой 18, при этом стенки корпуса, представляющие собой теплообменные элементы, выполнены двойными из листового материала. Возможен вариант выполнения теплогенератора, в котором боковые и задняя стенки образованы системой труб, обеспечивающих непрерывность подачи теплоносителя от входа 19 к выходу 20. В последнем случае верхняя стенка выполнена также двойной. При использовании воздушного теплоносителя теплосъем обеспечивается двойными стенками корпуса. Для увеличения теплосъема перегородки также могут быть выполнены двойными из листового материала. В верхней части корпуса расположен выход для отработанных газов 21 (газоотвод), смещенный за пределы корпуса для организации тяги и снабженный шиберной заслонкой 22 и патрубком для слива конденсата 23. Газоотвод выполнен с возможностью чистки его внутренней поверхности от твердых отложений. Теплогенератор на передней стенке имеет в зоне камеры горения загрузочное окно для загрузки твердого топлива с герметично закрывающейся дверцей 24. Возможен вариант исполнения теплогенератора для работы на жидком и газообразном топливе. При этом устройство снабжено газовой горелкой с каналом подвода топлива.The device comprises a vertically oriented
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
Осуществляют розжиг и прогрев каталитического теплогенератора при выдвинутых лотке 13 и выдвинутых заглушках 15 до достижения необходимой температуры теплоносителя (50-60°C). Затем осуществляют основную загрузку твердого топлива через загрузочное окно, задвигают лоток 13, оставляя регулируемые заглушки 15 открытыми. При этом для основной загрузки может быть использовано твердое топливо с влажностью до 60%. Через 5-10 мин заглушки 15 закрывают, обеспечивая тем самым ограничение подачи воздуха, в результате работа теплогенератора переходит в режим беспламенного горения. При этом в камере горения 4 процесс горения происходит в присутствии катализатора с образованием генераторного газа.The catalytic heat generator is ignited and heated with the
В отличие от классического факельного горения топлива, протекающего по быстрой реакции глубокого окисления с образованием углекислого газа и воды CH4+2O2=CO2+2H2O, в каталитическом теплогенераторе первоначально идет неполное окисление топлива с образованием оксида углерода (II) и водорода по экзотермической (с выделением тепла) реакции CH4+0,5O2↔CO+2H2 (ΔH<0). Образовавшийся оксид углерода способен взаимодействовать с парами воды, доокисляясь до CO2, давая водород и дополнительное тепло. Параллельно протекает реакция взаимодействия CO+3H2=CH4+H2O, сопровождающаяся образованием углеводорода - источника большого количества теплоты при окислении. Протекающие реакции паровой и воздушной конверсии топлива обладают разным тепловым эффектом. Состав газа в зоне горения, а значит и тепловой эффект газификации топлива определяется активностью используемого катализатора, концентрацией воздуха в камере горения и размерами зоны горения топлива. На топливо в процессе горения воздействует комбинация из никель медных элементов катализатора, которые изменяют химический состав генераторного газа, подаваемого на дожигание.In contrast to the classical flame combustion of a fuel proceeding through a rapid deep oxidation reaction with the formation of carbon dioxide and water CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O, incomplete oxidation of the fuel with the formation of carbon monoxide and hydrogen occurs in the catalytic heat generator. by the exothermic (with heat evolution) reaction CH 4 + 0.5O 2 ↔CO + 2H 2 (ΔH <0). The resulting carbon monoxide is able to interact with water vapor, oxidizing to CO 2 , giving hydrogen and additional heat. In parallel, the reaction of interaction CO + 3H 2 = CH 4 + H 2 O, accompanied by the formation of a hydrocarbon - a source of a large amount of heat during oxidation. The ongoing reactions of steam and air conversion of fuel have different thermal effects. The composition of the gas in the combustion zone, and hence the thermal effect of gasification of fuel, is determined by the activity of the catalyst used, the concentration of air in the combustion chamber and the size of the fuel combustion zone. Combustion of nickel copper catalyst elements, which change the chemical composition of the generator gas supplied for afterburning, affects the fuel during combustion.
Роль катализатора заключается в перераспределении основных реакций горения топлив (этим объясняется теплотворная способность) и каталитической очистке отходящих газов горения. Подобранный состав катализатора позволяет увеличивать длительность горения и экологическую чистоту образующихся газов.The role of the catalyst is to redistribute the main reactions of fuel combustion (this explains the calorific value) and catalytic purification of the combustion exhaust gases. The selected composition of the catalyst allows to increase the duration of combustion and the environmental cleanliness of the gases formed.
Образующийся в камере сгорания 4 генераторный газ поступает в среднюю камеру дожига 5 через слой катализатора 11 и зазоры 7 между перегородкой и стенками камеры. Вторичный воздух по каналу 17 поступает в зону средней камеры, смешивается с образовавшимся генераторным газом, осуществляя его доокисление. При наличии в этой камере второй решетки с катализатором 12 эффективность дожига (доокисления) увеличивается. Затем генераторный газ поступает в верхнюю камеру 6, где завершается процесс дожига. Отходящие газы выводятся из устройства через газоотвод 21. Шиберной заслонкой 22 регулируют гидродинамику газового потока, дополнительно обеспечивая пожаробезопасность теплогенератора. По мере образования генераторного газа и его продвижения к выходу осуществляется теплообмен с теплоносителем.Generator gas generated in the combustion chamber 4 enters the middle afterburner 5 through the catalyst bed 11 and the gaps 7 between the partition and the walls of the chamber. Secondary air through the
Проведенные исследования по сжиганию различных топлив показали, что использование заявляемой конструкции теплогенератора в совокупности с предложенным катализатором позволяет повысить КПД (приближающийся к 100%), исключить образование продуктов недожига: сажи и канцерогенных углеводородов, и значительно снизить выбросы CO, NOx и токсичных кислородсодержащих органических соединений. Результаты исследований по составу отходящих газов при горении топлив приведены в Таблице 1.Studies on the combustion of various fuels showed that the use of the inventive design of the heat generator in combination with the proposed catalyst can increase the efficiency (approaching 100%), eliminate the formation of products of underburning: soot and carcinogenic hydrocarbons, and significantly reduce emissions of CO, NOx and toxic oxygen-containing organic compounds . The results of studies on the composition of the exhaust gases during fuel combustion are shown in Table 1.
Высокая эффективность каталитического теплогенератора обеспечивается конверсией топлива и его полупродуктов в присутствии гетерогенного катализатора.The high efficiency of the catalytic heat generator is ensured by the conversion of fuel and its intermediates in the presence of a heterogeneous catalyst.
Используемый катализатор обеспечивает протекание реакций, способствующих обезвреживанию токсичных веществ, образующихся при сжигании топлив и обезвреживает газовые выбросы от токсичных примесей на 99,5-100%.The catalyst used ensures the occurrence of reactions that contribute to the neutralization of toxic substances generated during the combustion of fuels and neutralizes gas emissions from toxic impurities by 99.5-100%.
Заявляемый каталитический теплогенератор предназначен для обогрева промышленных и бытовых помещений, может работать на различных видах топлива любой влажности (газ, торф, дрова, щепа, ветки, опилки, органические отходы, ДСП).The inventive catalytic heat generator is designed for heating industrial and domestic premises, can operate on various types of fuel of any moisture (gas, peat, firewood, wood chips, branches, sawdust, organic waste, chipboard).
Предложенная конструкция может использоваться не только как теплогенератор, но и как термохимический утилизатор промышленных и бытовых отходов различного состава, например автомобильных шин.The proposed design can be used not only as a heat generator, but also as a thermochemical utilizer of industrial and household waste of various compositions, for example, car tires.
Таким образом, многоступенчатое сжигание, низкотемпературный и длительный режим горения (8-24 часов на одной загрузке топлива), снижение коэффициента избытка воздуха и частичная рециркуляция продуктов сгорания обеспечивают экологическую чистоту и высокую эффективность теплогенераторной установки.Thus, multi-stage combustion, low-temperature and long-term combustion (8-24 hours on a single fuel load), a decrease in the coefficient of excess air and partial recirculation of combustion products ensure environmental cleanliness and high efficiency of the heat generator.
Пример 1. Был изготовлен опытный образец каталитического теплогенератора с использованием воды в качестве теплоносителя, технические характеристики которого приведены в Таблице 2.Example 1. A prototype of a catalytic heat generator was manufactured using water as a coolant, the technical characteristics of which are shown in Table 2.
Изготовленное устройство было подключено к емкости с водой, выполняющей функцию отопительной системы, из которой происходил забор и возврат воды для обеспечения циркуляции теплоносителя с использованием насоса. Теплота горения топлива в теплогенераторе за счет теплопроводности передавалась воде, подаваемой под давлением в трубы теплообменника по нагнетательной линии. Из теплообменника нагретая вода возвращалась в емкость с водой.The manufactured device was connected to a tank with water, which acts as a heating system, from which water was drawn in and returned to ensure circulation of the coolant using a pump. The heat of combustion of the fuel in the heat generator due to heat conduction was transferred to the water supplied under pressure to the pipes of the heat exchanger via the discharge line. From the heat exchanger, the heated water was returned to the water tank.
При проведении экспериментов были использованы следующие виды топлив: природный газ, древесина (сосна), древесностружечная плита. Катализатор помещался в топку печи на специальный держатель, конструктивно представляющий собой металлическую сетку, находящуюся в верхней части топки.During the experiments, the following types of fuels were used: natural gas, wood (pine), chipboard. The catalyst was placed in the furnace of the furnace on a special holder, structurally representing a metal grid located in the upper part of the furnace.
На базе заявленной конструкции могут быть изготовлены теплогенераторы различной мощности - водогрейный котел, воздухонагреватель, позволяющий осуществлять прямой нагрев помещения нагретыми газами с содержанием вредных примесей ниже ПДК для закрытых помещений.Based on the claimed design, heat generators of various capacities can be manufactured - a hot water boiler, an air heater, which allows direct heating of the room with heated gases with a content of harmful impurities below the maximum permissible concentration for closed rooms.
Пример 2. Был изготовлен опытный образец каталитического теплогенератора с использованием воздуха в качестве теплоносителя, технические характеристики которого приведены в Таблице 3.Example 2. A prototype of a catalytic heat generator was manufactured using air as a coolant, the technical characteristics of which are shown in Table 3.
Испытания показали, что достигнутые параметры обеспечивают высокий КПД устройства, длительный режим горения, что (до 24 часов на одной загрузке топлива), что подтверждает высокую эффективность заявляемого теплогенератора, а также осуществляет детоксикацию токсичных газовых выбросов.Tests have shown that the achieved parameters provide a high efficiency of the device, a long burning mode, which (up to 24 hours on one fuel load), which confirms the high efficiency of the inventive heat generator, and also detoxifies toxic gas emissions.
Таким образом, заявляется каталитический теплогенератор характеризуется следующим.Thus, the claimed catalytic heat generator is characterized as follows.
- Высоким коэффициентом полезного использования топлива (около 100%) за счет его полного сгорания, что приводит к значительной экономии топлива.- High fuel efficiency (about 100%) due to its complete combustion, which leads to significant fuel savings.
- Санитарно-гигиенической безопасностью, обеспечиваемой каталитическим сжиганием (пониженной по сравнению с традиционными методами температурой в рабочей зоне).- Sanitary and hygienic safety provided by catalytic combustion (lower temperature in the working area compared to traditional methods).
- Отсутствием каких-либо токсичных выбросов в атмосферу.- The absence of any toxic emissions into the atmosphere.
- Универсальностью, выраженной в возможности использования без переналадки установок топлив с изменяющимися в широком диапазоне свойствами, в том числе органическими отходами различного происхождения;- Universality, expressed in the possibility of using fuels with non-readjustment facilities with variable properties over a wide range, including organic waste of various origins;
- Отсутствием длительной работы в подготовительном режиме с повышенными выбросами в атмосферу (в отличие от использования традиционных горелок).- Lack of prolonged operation in preparatory mode with increased emissions into the atmosphere (in contrast to the use of traditional burners).
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009102307/06A RU2380612C1 (en) | 2009-01-27 | 2009-01-27 | Catalytic heat generator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009102307/06A RU2380612C1 (en) | 2009-01-27 | 2009-01-27 | Catalytic heat generator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2380612C1 true RU2380612C1 (en) | 2010-01-27 |
Family
ID=42122190
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009102307/06A RU2380612C1 (en) | 2009-01-27 | 2009-01-27 | Catalytic heat generator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2380612C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2451876C1 (en) * | 2010-11-18 | 2012-05-27 | Учреждение Российской академии наук Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения РАН | Method to control heat generator capacity with fluidised bed |
| RU2515568C1 (en) * | 2012-11-01 | 2014-05-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (национальный исследовательский университет) (ФГБОУ ВПО "ЮУрГУ" (НИУ)) | Boiler |
| RU2528192C1 (en) * | 2013-07-08 | 2014-09-10 | Павел Николаевич Попов | Pyrolysis boiler |
-
2009
- 2009-01-27 RU RU2009102307/06A patent/RU2380612C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2451876C1 (en) * | 2010-11-18 | 2012-05-27 | Учреждение Российской академии наук Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения РАН | Method to control heat generator capacity with fluidised bed |
| RU2515568C1 (en) * | 2012-11-01 | 2014-05-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (национальный исследовательский университет) (ФГБОУ ВПО "ЮУрГУ" (НИУ)) | Boiler |
| RU2528192C1 (en) * | 2013-07-08 | 2014-09-10 | Павел Николаевич Попов | Pyrolysis boiler |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU153204U1 (en) | HEATING BOILER | |
| RU2380612C1 (en) | Catalytic heat generator | |
| US9080766B2 (en) | Enhanced emission control for outdoor wood-fired boilers | |
| RU2439437C1 (en) | Gas generator heating device | |
| RU2715764C1 (en) | Heating boiler | |
| RU2506495C1 (en) | Device for combustion of fuels and heating of process media, and fuel combustion method | |
| RU2650997C2 (en) | Gradual oxidation with heat transfer | |
| RU2379596C1 (en) | Heat generator | |
| CN201561425U (en) | Fuel oil combustor without thermal radiation | |
| RU2750638C1 (en) | Device for flameless obtaining of thermal energy from hydrocarbon fuels | |
| CN2802286Y (en) | Verticle boiler using water as fuel | |
| KR101727692B1 (en) | Pellet Stove | |
| CN208136153U (en) | Low order pulverized coal pyrolysis device | |
| EA020432B1 (en) | Heating boiler | |
| RU2425294C1 (en) | Thermal gas chemical plant | |
| RU2443759C1 (en) | Rabika gas generator | |
| RU45510U1 (en) | CONDENSATION TYPE GAS BOILER | |
| RU2705535C1 (en) | Device for burning coal-water fuel with a ceramic flame stabilizer and backlight | |
| RU2248507C2 (en) | Inertialess gas generator | |
| RU201414U1 (en) | REMOTE FURNACE FOR OBTAINING GASEOUS COOLANT BY COMBUSTION OF GASEOUS FUEL | |
| RU2707778C1 (en) | Catalytic solid-fuel furnace | |
| CN2793552Y (en) | Horizontal water-fired boiler | |
| CN111503649B (en) | Adsorption concentration type heat accumulation type catalytic combustion device | |
| RU201654U1 (en) | Pyrolysis waste heat boiler | |
| RU2515568C1 (en) | Boiler |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TK4A | Correction to the publication in the bulletin (patent) |
Free format text: AMENDMENT TO CHAPTER -FG4A- IN JOURNAL: 3-2010 FOR TAG: (73) |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140128 |