RU2575592C1 - Complex device for preparation and combustion of gaseous fuel - Google Patents

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: claimed device comprises turbulent burner fitted in the throat of furnace. The latter houses the converter arranged coaxially therein and consisting of cylindrical capsule made of heat-resistant material connected from the outer end of mixing chamber with gas pipe and steam pipe coaxially connected thereto. The capsule front part is located the flare area. The pipe made of heat-resistance material is arranged coaxially inside the capsule. Said pipe consists of the converted gas zone plugged from the outer end by conical bottom and communicated with primary air tangential elliptical pipes of converted gas discharge. Besides, it includes the reforming zones wherein the pipe is perforated and coated from inside and outside with nickel catalyst based on ceramic material. Note here that said tangential elliptical converted gas discharge pipes extend through the steam-water heating circular chamber. The latter is arranged between the capsule inner surface and the pipe inner surface, swirler vanes being fitted in the pipe inlet.

EFFECT: higher efficiency, non-polluting properties, simplified design.

4 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к энергетике и может быть использовано в теплогенерирующих установках, работающих на природном газе для уменьшения расхода топлива, а также загрязнения окружающей атмосферы диоксидом углерода и оксидами азота.The present invention relates to energy and can be used in heat generating plants operating on natural gas to reduce fuel consumption, as well as environmental pollution by carbon dioxide and nitrogen oxides.

Известна турбулентная горелка топки глиноземной печи для сжигания газообразного топлива, обеспечивающая подачу в зону горения топлива воздуха и водяного пара, причем последний подают в корень факела [Патент РФ №2054600, F23C 11/00, 1996].Known turbulent burner furnaces of an alumina furnace for burning gaseous fuels, providing air and water vapor to the combustion zone of the fuel, the latter being fed to the torch root [RF Patent No. 2054600, F23C 11/00, 1996].

Недостатком известного устройства является увеличение тепловых потерь с уходящими дымовыми газами, вызванное повышением их влагосодержания, что снижает эффективность теплогенерирующей установки.A disadvantage of the known device is the increase in heat loss with flue gases, caused by an increase in their moisture content, which reduces the efficiency of the heat-generating installation.

Более близким к предлагаемому изобретению является устройство для подготовки и сжигания газообразного топлива, содержащее два одинаковых конвертера, параллельно присоединенных к подводящим и отводящим коммуникациям, каждый из которых состоит из корпуса, внутри которого снизу вверх помещены: камера подготовки реакционной смеси (камера смешения), обечайка которой снабжена тангенциальными патрубками газообразного топлива и водяного пара, а верхний торец соединен с трубами, стенки которых выполнены из жаропрочного материала, в каждой из которых на входе закреплены лопатки завихрителя, образующие зону турбулизации, а остальная внутренняя поверхность, представляющая собой зону риформинга, покрыта слоем никелевого катализатора на керамической основе, верхний конец труб соединен с камерой усреднения, крышка которой снабжена патрубком выхода конвертированного газа, причем над камерой смешения помещена кольцевая камера сгорания, снабженная тангенциальной горелкой и сообщающаяся с конвективной шахтой, соединенной с кольцевым коллектором, снабженным патрубком дымовых газов, причем выходные торцы патрубков соединены с коллекторами конвертируемого природного газа, водяного пара, конвертированного газа и дымовых газов соответственно, горелки соединены с коллектором природного газа и коллектором воздуха, а коллекторы конвертированного газа соединены с горелками топки котла [Патент РФ № 2383819, F23C 99/00; F 23 C 13/00, 2010].Closer to the proposed invention is a device for the preparation and combustion of gaseous fuels, containing two identical converters, connected in parallel to the inlet and outlet communications, each of which consists of a housing, inside of which are placed from the bottom up: the chamber for preparing the reaction mixture (mixing chamber), the shell which is equipped with tangential nozzles of gaseous fuel and water vapor, and the upper end is connected to pipes, the walls of which are made of heat-resistant material, in each of of which the swirling blades are fixed at the inlet, forming a turbulization zone, and the remaining inner surface, which is a reforming zone, is coated with a ceramic-based nickel catalyst layer, the upper end of the pipes is connected to the averaging chamber, the cover of which is equipped with a converted gas outlet pipe, and is placed above the mixing chamber An annular combustion chamber equipped with a tangential burner and in communication with a convective shaft connected to an annular collector equipped with a flue gas pipe a call, and the outlet ends of the pipes are connected to collectors of convertible natural gas, water vapor, converted gas and flue gas, respectively, the burners are connected to a natural gas collector and an air collector, and the converted gas collectors are connected to the burners of the boiler furnace [RF Patent No. 2383819, F23C 99 / 00; F 23 C 13/00, 2010].

Основными недостатками известного устройства подготовки и сжигания газообразного топлива являются сложность и громоздкость его конструкции, в связи с чем узел подготовки вынесен за пределы топки, и обусловленный этим повышенный расход топлива, что снижает экономическую и экологическую эффективность теплогенерирующей установки.The main disadvantages of the known device for preparing and burning gaseous fuels are the complexity and bulkiness of its design, in connection with which the preparation unit is moved outside the furnace, and the resulting increased fuel consumption, which reduces the economic and environmental efficiency of the heat generating installation.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение экономической и экологической эффективности комплексного устройства для подготовки и сжигания газообразного топлива за счет упрощения его конструкции и компоновки конвертера в составе горелки.The technical result of the invention is to increase the economic and environmental efficiency of an integrated device for preparing and burning gaseous fuel by simplifying its design and layout of the converter in the burner.

Технический результат достигается комплексным устройством для подготовки и сжигания газообразного топлива, включающем турбулентную горелку, помещенную в амбразуру топки, в которой коаксиально расположен конвертер, состоящий из цилиндрической капсулы, выполненной из жаропрочного металла, соединенной с наружного торца камеры смешения с газовым патрубком и присоединенным к нему коаксиально паровым патрубком, фронтальная часть капсулы помещена в зону факела, внутри капсулы коаксиально помещена труба, выполненная из жаропрочного металла, стенка тыльной части которой выполнена из сплошного металла, образуя зону конвертированного газа, с наружного торца заглушенную коническим днищем, соединенную с каналом первичного воздуха тангенциальными эллиптическими патрубками выпуска конвертированного газа, а стенка фронтальной части трубы выполнена перфорированной и покрытой с наружной и внутренней сторон слоем никелевого катализатора на керамической основе, образуя собой зону риформинга, причем тангенциальные эллиптические патрубки выпуска конвертированного газа проходят через кольцевую камеру нагрева парогазовой смеси, расположенную между внутренней поверхностью капсулы и наружной поверхностью зон конвертированного газа и риформинга трубы, на входе в которую расположены лопатки завихрителя.The technical result is achieved by a complex device for the preparation and combustion of gaseous fuels, including a turbulent burner placed in the embrasure of the furnace, in which a converter is coaxially located, consisting of a cylindrical capsule made of heat-resistant metal, connected to the outer end of the mixing chamber with a gas pipe and attached to it coaxially by a steam nozzle, the front part of the capsule is placed in the torch zone, a tube made of heat-resistant metal is coaxially placed inside the capsule a, the wall of the back of which is made of solid metal, forming a zone of converted gas, drowned from the outer end by a conical bottom, connected to the primary air channel by tangential elliptical pipes for the release of converted gas, and the wall of the front of the pipe is perforated and coated with a layer on the outer and inner sides a ceramic-based nickel catalyst, forming a reforming zone, and the tangential elliptical nozzles of the converted gas outlet pass m heating chamber through the annular steam-gas mixture, disposed between the inner surface of the capsule and the outer surface areas of the converted gas and the reforming tube, the inlet to which the swirler blades are arranged.

Комплексное устройство для подготовки и сжигания газообразного топлива (КУПСГТ) изображено на фиг. 1-4 (на фиг. 1 - общий вид, на фиг. 2-3 - разрезы, на фиг. 4 - узел трубы).An integrated device for the preparation and combustion of gaseous fuels (KUPSGT) is shown in FIG. 1-4 (in Fig. 1 is a General view, in Fig. 2-3 - sections, in Fig. 4 - pipe assembly).

КУПСГТ включает помещенную в амбразуру топки (камеры сгорания) турбулентную горелку 1 с кольцевыми каналами первичного и вторичного воздуха 2 и 3, в которой коаксиально расположен конвертер 4, состоящий из цилиндрической капсулы 5, выполненной из жаропрочного металла, соединенной с наружного торца камеры смешения 6 с газовым патрубком 7 и присоединенным к нему коаксиально паровым патрубком 8, фронтальная часть капсулы 5 помещена в зону факела, внутри капсулы 5 коаксиально помещена труба 9, выполненная из жаропрочного металла, стенка тыльной части которой выполнена из сплошного металла, образуя зону конвертированного газа 10, с наружного торца заглушенную коническим днищем 11, соединенную с каналом первичного воздуха 2 тангенциальными эллиптическими патрубками выпуска конвертированного газа 12, а стенка фронтальной части трубы 9 выполнена перфорированной и покрытой с наружной и внутренней сторон слоем никелевого катализатора на керамической основе 13, образуя собой зону риформинга 14, причем тангенциальные эллиптические патрубки выпуска конвертированного газа 12 проходят через кольцевую камеру нагрева парогазовой смеси 15, расположенную между внутренней поверхностью капсулы 5 и наружной поверхностью зон конвертированного газа 10 и риформинга 14 трубы 9, на входе в которую расположены лопатки завихрителя 16.KUPSGT includes a turbulent burner 1 placed in the embrasure of the furnace (combustion chamber) with ring channels of primary and secondary air 2 and 3, in which the converter 4 is coaxially located, consisting of a cylindrical capsule 5 made of heat-resistant metal connected to the outer end of the mixing chamber for 6 s gas pipe 7 and a steam pipe 8 connected to it coaxially, the front part of the capsule 5 is placed in the torch zone, inside the capsule 5 is a coaxial pipe 9 made of heat-resistant metal, the rear wall is which is made of solid metal, forming a zone of converted gas 10, muffled from the outer end by a conical bottom 11, connected to the primary air channel 2 by tangential elliptical outlet pipes of the converted gas 12, and the wall of the front part of the pipe 9 is perforated and coated on the outer and inner sides a ceramic-based nickel catalyst layer 13, forming a reforming zone 14, and the tangential elliptical outlet pipes of the converted gas 12 pass through an annular chamber for heating the vapor-gas mixture 15, located between the inner surface of the capsule 5 and the outer surface of the zones of the converted gas 10 and the reforming 14 of the pipe 9, at the entrance to which the blades of the swirler 16 are located.

Предлагаемое КУПСГТ работает следующим образом. Поток природного газа подается на сжигание в горелку 1 топки (камеры сгорания) теплогенерирующей установки, через газовый патрубок 7, в котором смешивается с водяным паром, поступающим тангенциально из парового патрубка 8 в соотношении 1:1, откуда поступает в камеру смешения 6 капсулы 5 конвертера 4, где происходит окончательное образование парогазовой смеси. Из камеры смешения 6 парогазовая смесь поступает в кольцевую камеру нагрева парогазовой смеси 15, обходя тангенциальные эллиптические патрубки выпуска конвертированного газа 12, расположение и конструкция которых обеспечивает вращательное турбулентное движение этой смеси вокруг трубы 9 по всей ее длине. В кольцевой камере нагрева парогазовой смеси 15 по мере движения парогазовой смеси происходит ее нагрев до температуры (800-1100)°С за счет теплообмена через стенки капсулы 5 от факела, омывающего капсулу 5 в топке (камере сгорания), и начало процесса риформинга на поверхности катализатора 13. Далее, нагретая до температуры 1100°С парогазовая смесь проходит через завихритель 16 и поступает в зону риформинга 14 во внутрь трубы 9, где на никелевом катализаторе 13 происходит окончательная конверсия парогазовой смеси, а именно каталитическая реакция конверсии метана и воды (парового риформинга), которая увеличивает водородную часть топлива, с поглощением теплоты (кДж/моль) по уравнению [Д. Ю. Гамбург и др. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортировка и применение. Справ. изд. - М.: Химия, 1989, 4, с. 318]The proposed KUPSGT works as follows. The natural gas stream is fed to the burner 1 of the furnace (combustion chamber) of the heat generating installation through a gas pipe 7, in which it is mixed with water vapor tangentially coming from the steam pipe 8 in a 1: 1 ratio, from where 6 capsules 5 of the converter enter the mixing chamber 4, where the final formation of the vapor-gas mixture occurs. From the mixing chamber 6, the gas-vapor mixture enters the annular chamber for heating the gas-vapor mixture 15, bypassing the tangential elliptical nozzles for the outlet of the converted gas 12, the location and design of which ensures rotational turbulent movement of this mixture around the pipe 9 along its entire length. In the annular chamber for heating the vapor-gas mixture 15, as the vapor-gas mixture moves, it is heated to a temperature of (800-1100) ° C due to heat transfer through the walls of the capsule 5 from the torch washing the capsule 5 in the furnace (combustion chamber), and the reforming process begins on the surface catalyst 13. Further, the vapor-gas mixture heated to a temperature of 1100 ° C passes through the swirler 16 and enters the reforming zone 14 into the inside of the pipe 9, where the final conversion of the vapor-gas mixture takes place on the nickel catalyst 13, namely, the catalytic reaction the version of methane and water (steam reforming), which increases the hydrogen part of the fuel, with the absorption of heat (kJ / mol) according to the equation [D. Y. Hamburg and others. Hydrogen. Properties, receipt, storage, transportation and application. Ref. ed. - M .: Chemistry, 1989, 4, p. 318]

$$С{Н}_4+{Н}_2О\to СО+3{Н}_2-\mathrm{20,5}$$

, (1) $$\mathrm{FROM}{N}_{\mathrm{four}}+{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="N"\; filenames="00000009.png"\; state="\{\{state\}\}">N</figure-callout>}}_2\mathrm{ABOUT}\to \mathrm{FROM}\mathrm{ABOUT}+3N_2-20.5$$

, (one)

где тепло реакции получают в результате сгорания газовоздушной смеси в топке (камере сгорания), которое передается от нагретой парогазовой смеси через перфорированные стенки трубки 9 и слой катализатора 13. Из зоны риформинга 14 трубы 9 конвертированный газ поступает в зону конвертированного газа 10, откуда через тангенциальные эллиптические патрубки 12 в кольцевой канал первичного воздуха 2, где осуществляется его смешение с первичным воздухом и подача смеси в зону горения. В топке полученная горючая смесь сгорает по реакциям с выделением теплоты (кДж/моль)where the heat of reaction is obtained as a result of combustion of the gas-air mixture in the furnace (combustion chamber), which is transferred from the heated vapor-gas mixture through the perforated walls of the tube 9 and the catalyst layer 13. From the reforming zone 14 of the pipe 9, the converted gas enters the zone of the converted gas 10, from where through the tangential elliptical nozzles 12 into the annular channel of the primary air 2, where it is mixed with the primary air and the mixture is fed into the combustion zone. In the furnace, the resulting combustible mixture is burned by reactions with the release of heat (kJ / mol)

$$3{Н}_2+3/2{О}_2\to 3{Н}_{2}O+3\cdot \mathrm{241,6}$$

(2) $$3{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="N"\; filenames="00000009.png"\; state="\{\{state\}\}">N</figure-callout>}}_2+3/2{\mathrm{ABOUT}}_2\to 3N_{2}O+3\cdot 241.6$$

(2)

$$СO+1/2{О}_2\to С{О}_2+\mathrm{285,6}$$

. (3) $$\mathrm{FROM}O+\mathrm{one}/2{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="ABOUT"\; filenames="00000009.png"\; state="\{\{state\}\}">ABOUT</figure-callout>}}_2\to \mathrm{FROM}{\mathrm{ABOUT}}_2+285.6$$

. (3)

Из сравнения реакций (2), (3) и реакции горения метанаFrom a comparison of reactions (2), (3) and the methane combustion reaction

$$С{Н}_4+2{О}_2\to 2С{О}_2+2{Н}_{2}O+\mathrm{803,4}$$

(4) $$\mathrm{FROM}{N}_{\mathrm{four}}+2{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="ABOUT"\; filenames="00000009.png"\; state="\{\{state\}\}">ABOUT</figure-callout>}}_2\to 2\mathrm{FROM}{\mathrm{ABOUT}}_2+2N_{2}O+803.4$$

(four)

видно, что теплота сгорании конвертированного газа превышает теплоту сгорания метана, из которого, в основном, состоит природный газ, на 207,0 кДж/моль [Г. Н. Делягин и др. Теплогенерирующие установки. - М.: Стройиздат, 1986, c. 90].it is seen that the heat of combustion of the converted gas exceeds the heat of combustion of methane, of which mainly natural gas consists, by 207.0 kJ / mol [G. N. Delyagin and others. Heat-generating installations. - M .: Stroyizdat, 1986, p. 90].

Образующиеся в топке в процессе горения оксиды азота также взаимодействуют с водородом и оксидом углерода с образованием молекулярного азота по реакциямNitrogen oxides formed in the furnace during combustion also interact with hydrogen and carbon monoxide to form molecular nitrogen by the reactions

$$2{Н}_2+2N{О}_2\to 2{Н}_{2}O+N_2$$

(5) $$2{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="N"\; filenames="00000009.png"\; state="\{\{state\}\}">N</figure-callout>}}_2+2\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="N\; ABOUT"\; filenames="00000009.png"\; state="\{\{state\}\}">N\; </figure-callout>}{\mathrm{ABOUT}}_{}{}_2\to 2N_{2}O+N_2$$

(5)

$$2СO+2NО\to 2С{О}_2+N_2$$

(6). $$2\mathrm{FROM}O+2N\mathrm{ABOUT}\to 2\mathrm{FROM}{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="ABOUT"\; filenames="00000009.png"\; state="\{\{state\}\}">ABOUT</figure-callout>}}_2+N_2$$

(6).

При падении активности катализатора 13 его регенерируют, для чего конвертер 4 отключают от пара и в него через камеру усреднения 6 в трубу 9 подают метан или водород, который после его использования через тангенциальные эллиптические патрубки 12 поступает в кольцевой канал первичного воздуха 2, где осуществляется его смешение с воздухом и подача смеси в зону горения.When the activity of the catalyst 13 decreases, it is regenerated, for which the converter 4 is disconnected from the steam and methane or hydrogen is fed into the pipe 9 through the averaging chamber 6 into the pipe 9, which after its use through the tangential elliptical tubes 12 enters the annular channel of the primary air 2, where it is mixing with air and feeding the mixture into the combustion zone.

Сравнение теплоты сгорания метана (реакция (4)) и суммы теплот сгорания компонентов конвертированного газа (реакции (2), (3)) с учетом расхода теплоты на подогрев парогазовой смеси до температуры (800-1100)°С и проведение реакции риформинга (1) показывает, что предлагаемое устройство обеспечивает увеличение теплоты сгорания продуктов конверсии 1 моля метана (водорода и оксида углерода) по сравнению с теплотой сгорания самого метана на (120-130) кДж/моль или на (15-16)%, что при равном расходе природного газа автоматически позволяет снизить выбросы диоксида углерода также на (15-16)%.Comparison of the calorific value of methane (reaction (4)) and the sum of the calorific values of the components of the converted gas (reactions (2), (3)) taking into account the heat consumption for heating the gas mixture to a temperature of (800-1100) ° С and carrying out the reforming reaction (1 ) shows that the proposed device provides an increase in the calorific value of the products of conversion of 1 mole of methane (hydrogen and carbon monoxide) in comparison with the calorific value of methane itself by (120-130) kJ / mol or (15-16)%, which at an equal flow rate natural gas automatically reduces dioxide emissions and carbon also by (15-16)%.

Образующиеся в топке в процессе горения оксиды азота в результате взаимодействия с водородом и оксидом углерода по реакциям (5) и (6) восстанавливаются до молекулярного азота, что позволяет также значительно снизить количество оксидов азота ( $$N{O}_x$$

) в уходящих дымовых газах.Nitrogen oxides formed in the furnace during combustion as a result of interaction with hydrogen and carbon monoxide by reactions (5) and (6) are reduced to molecular nitrogen, which can also significantly reduce the amount of nitrogen oxides ( $$N{O}_x$$

) in the flue gas.

Кроме того, в результате упрощения конструкции путем компоновки конвертера 4 в самой горелке 1 (в предлагаемой конструкции нет специальной горелки для подогрева реакционной парогазовой смеси) и проведения процесса конверсии в самой топке (камере сгорания) КУПСГТ позволяет повысить надежность и снизить расход топлива на проведение этого процесса.In addition, as a result of simplifying the design by arranging the converter 4 in the burner 1 itself (the proposed design does not have a special burner for heating the reaction gas-vapor mixture) and carrying out the conversion process in the furnace itself (combustion chamber), KUPSGT improves reliability and reduces fuel consumption for this process.

Таким образом, предлагаемое устройство для подготовки и сжигания газообразного топлива, в основу которого положен процесс каталитической конверсии углеводородов (парового риформинга), увеличивающий водородную часть топлива, в результате компоновки конвертера в составе горелки позволяет по сравнению с аналогом, наряду со снижением диоксида углерода и оксидов азота, одновременно повысить надежность и снизить расход топлива, что увеличивает его экономическую и экологическую эффективность.Thus, the proposed device for the preparation and combustion of gaseous fuels, which is based on the process of catalytic conversion of hydrocarbons (steam reforming), which increases the hydrogen part of the fuel, as a result of the arrangement of the converter in the burner allows, in comparison with the analogue, along with a reduction in carbon dioxide and oxides nitrogen, at the same time increase reliability and reduce fuel consumption, which increases its economic and environmental efficiency.

Claims (1)

Комплексное устройство для подготовки и сжигания газообразного топлива, включающее конвертер, состоящий из камеры смешения с патрубками газобразного топлива и водяного пара, соединенной с трубой, стенка которой выполнена из жаропрочного материала, на входе в которую закреплены лопатки завихрителя, а внутренняя поверхность покрыта слоем никелевого катализатора на керамической основе, образуя зону риформинга, конец трубы соединен с патрубком выхода конвертированного газа, соединным трубопроводом с турбулентной горелкой топки котла, отличающееся тем, что конвертер расположен коаксиально в турбулентной горелке и состоит из цилиндрической капсулы, выполненной из жаропрочного металла, соединенной с наружного торца камеры смешения с газовым патрубком и присоединенным к нему коаксиально паровым патрубком, фронтальная часть капсулы помещена в зону факела, внутри капсулы коаксиально помещена труба, стенка тыльной части которой выполнена из сплошного металла, образуя зону конвертированного газа, с наружного торца заглушенную коническим днищем, соединенную с каналом первичного воздуха тангенциальными эллиптическими патрубками выпуска конвертированного газа, а стенка фронтальной части трубы выполнена перфорированной и покрыта с наружной и внутренней сторон слоем никелевого катализатора на керамической основе, образуя собой зону риформинга, причем тангенциальные эллиптические патрубки выпуска конвертированного газа проходят через кольцевую камеру нагрева парогазовой смеси, расположенную между внутренней поверхностью капсулы и наружной поверхностью зон конвертированного газа и риформинга трубы. A comprehensive device for the preparation and combustion of gaseous fuels, including a converter consisting of a mixing chamber with gaseous fuel and water vapor nozzles connected to a pipe, the wall of which is made of heat-resistant material, at the entrance to which blades of a swirler are fixed, and the inner surface is covered with a layer of nickel catalyst on a ceramic basis, forming a reforming zone, the end of the pipe is connected to the outlet pipe of the converted gas, a connecting pipe with a turbulent burner of the boiler furnace, o characterized in that the converter is located coaxially in a turbulent burner and consists of a cylindrical capsule made of heat-resistant metal, connected to the outer end of the mixing chamber with a gas pipe and a steam pipe connected to it coaxially, the front part of the capsule is placed in the torch zone, inside the capsule it is coaxially placed a pipe, the back wall of which is made of solid metal, forming a zone of converted gas, from the outer end plugged with a conical bottom, connected to the channel of the first air by tangential elliptical nozzles of the converted gas outlet, and the wall of the front part of the pipe is perforated and coated on the outer and inner sides with a ceramic-based nickel catalyst layer, forming a reforming zone, and the tangential elliptical nozzles of the converted gas outlet pass through the annular heating chamber of the gas-vapor mixture, located between the inner surface of the capsule and the outer surface of the zones of the converted gas and the reforming of the pipe.

Images