WO2015183120A1 - Method for the flameless ignition of a catalytic device - Google Patents

Method for the flameless ignition of a catalytic device Download PDF

Info

Publication number
WO2015183120A1
WO2015183120A1 PCT/RU2014/000377 RU2014000377W WO2015183120A1 WO 2015183120 A1 WO2015183120 A1 WO 2015183120A1 RU 2014000377 W RU2014000377 W RU 2014000377W WO 2015183120 A1 WO2015183120 A1 WO 2015183120A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
catalyst
hydrogen
catalytic
water
catalytic device
Prior art date
Application number
PCT/RU2014/000377
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Александр Иванович НИЗОВСКИЙ
Александр Владимирович КУЛИКОВ
Андрей Викторович ПОРСИН
Владимир Николаевич РОГОЖНИКОВ
Эмилио ДИАЗ БЕХАРАНО
Сандро МАКИЕТТО
Франческо КОЛЕТТИ
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Уникат"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Уникат" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Уникат"
Publication of WO2015183120A1 publication Critical patent/WO2015183120A1/en

Links

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
    • F23C13/02—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material characterised by arrangements for starting the operation, e.g. for heating the catalytic material to operating temperature
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/12—Radiant burners
    • F23D14/18—Radiant burners using catalysis for flameless combustion
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Definitions

  • the invention relates to a technology for producing thermal energy by catalytic combustion of a hydrocarbon or other gaseous fuel in a catalytic device.
  • Natural gas, propane-butane gas mixture, gaseous fractions of diesel fuel, alcohol vapors or other combustible gaseous compounds can be used as fuel in the catalytic device.
  • the invention relates to the stage of flameless starting of a catalytic device, in which the necessary energy for heating the catalyst to operating temperatures is obtained by catalytic combustion of hydrogen.
  • Radiation heat sources based on catalytic combustion of fuel are widely used for heating various objects, materials, coolant in the heat exchanger apparatus, while cooking, as heaters of indoor premises.
  • catalytic method of burning fuel complete combustion of the fuel is achieved and no nitrogen oxides hazardous to the environment are formed, as with flare.
  • the cost of heat obtained by catalytic combustion of fuel is several times lower than the cost of heat obtained by electric heating.
  • Catalytic devices designed to burn various fuels have a starting mode.
  • the catalyst In order for the catalyst to begin to operate stably and efficiently, it must be heated to operating temperature.
  • This temperature depends on the composition of the fuel and the properties of the catalyst. In general, this temperature may be in the range of 150-500 ° C. Therefore, to start the catalytic device using various methods of heating the catalyst.
  • the easiest way to heat up the catalyst is to flare the fuel, which when the required operating temperature is reached passes into diffusion combustion.
  • it is impossible to control the flare zone and the use of this method can lead to undesirable overheating of other objects in the vicinity or parts of the catalytic device. This poses a certain danger from the point of view of ignition of foreign objects, especially in the vicinity of flammable or explosive substances.
  • the flame temperature reaches high temperatures (1300 ° C), at which harmful nitrogen oxides are formed.
  • Patents and applications US 3024836, US 3270798, US 6045355, US 6470876, US 7431076, US 20090053664, US 20110123940 describe catalytic heating devices in which electric current is used to preheat the catalyst.
  • the disadvantage of electric heating is the need to use an electric current source.
  • the power, mass and dimensions of the electric current source will depend on the total heat capacity of the catalyst, heat exchange conditions of the electric heater with the catalyst, ambient temperature and other conditions on which the temperature of the catalyst will depend.
  • the heating elements are embedded inside the catalyst layer (US patents 3024836, US 3270798). In this case, the catalyst heating time can sometimes reach 10-30 min. To accelerate heating, it is necessary to increase the current strength.
  • the most suitable gas for a flameless start is hydrogen, since hydrogen begins to burn on a platinum catalyst at a temperature below room temperature.
  • US 3518036 and US 3681002 describe a method in which hydrogen obtained from the electrolysis of water is used to preheat the catalyst.
  • oxygen and hydrogen obtained by electrolysis of water are mixed with fuel.
  • US patent 3681002 a small amount of hydrogen is mixed with natural gas.
  • the main disadvantage of this method is that electrolysis of water requires an electrolyzer and an electric power source of increased power, since a large amount of energy is needed to decompose a water molecule.
  • the present invention solves the problem of effective heating of the catalyst in the catalytic device on the starting mode.
  • the technical result is an autonomous flameless starting mode of the catalytic device without supplying additional energy from the outside, which simplifies the design of the catalytic device and improves technical and environmental safety when starting the catalytic device.
  • the problem is solved by starting the catalytic heating device, in which the catalyst is heated in the starting mode to the flameless catalytic combustion temperature of the gaseous fuel by the heat released on the catalyst as a result of the catalytic oxidation of hydrogen by oxygen, while the hydrogen supplied to the catalyst is formed as a result of the chemical reaction of activated aluminum with a liquid reagent containing water.
  • hydrogen is supplied to the catalyst in an amount necessary to heat the catalyst, and then gaseous fuel, or hydrogen and gaseous fuel are supplied to the catalyst simultaneously.
  • a liquid reagent containing water in an amount of from 10 to 100 may be used. % To start at low temperatures, a solution of water and alcohol with a water content of May 10 to 100 is used. %
  • the task is achieved due to the fact that to start the catalytic device uses hydrogen supplied to the catalyst, on which the catalytic oxidation of hydrogen by oxygen contained in the air.
  • the catalyst is heated.
  • Oxygen can be supplied to the reaction zone (to the surface of the catalyst) both due to diffusion from the environment, and by mixing air and hydrogen in a catalytic device before being fed to the catalyst.
  • Fuel can be supplied after heating the catalyst to the required temperature or simultaneously with the supply of hydrogen.
  • the present invention proposes to use water as a source of hydrogen. Hydrogen is released as a result of a chemical reaction of water and activated aluminum:
  • aluminum hydroxide is formed, which is safe from a technical and environmental point of view and can be further used as a useful product for the production of adsorbents or catalyst supports based on aluminum oxide.
  • a water-containing solution having a lower freezing temperature can be used.
  • a solution of water and alcohol may be suitable for this.
  • the ratio of water and alcohol is selected based on what freezing temperature of the solution is necessary to obtain.
  • the evaporating alcohol during heating of the solution at the stage of the interaction of water and aluminum together with hydrogen enters the catalyst. Since the catalytic oxidation of alcohol begins at a lower temperature than hydrocarbon fuel, the resulting additional thermal effect from the combustion of fuel as a whole additionally accelerates the process of starting the catalytic device.
  • a tank designed for the reaction of activated aluminum with water can be structurally integrated with the catalytic device, for example, in the form of a replaceable part. To accelerate the launch of the catalytic device at low temperatures, the amount of activated aluminum and water is proportionally increased.
  • Example 1 start at room temperature with separate supply of hydrogen and fuel.
  • the input of a catalytic device with a platinum catalyst and a rated power of 500 W, designed to burn propane, butane or a propane-butane gas mixture, is connected to a sealed with a capacity of 200 ml, in which 10 g of activated aluminum is placed. 100 ml of water is introduced into the indicated container through an additional special fitting, after which it is tightly closed. Within 2-4 minutes, the water is heated due to the positive heat. the effect of the reaction of activated aluminum with water, accompanied by rapid expulsion of hydrogen for several minutes. Hydrogen is oxidized on the catalyst with heat absorption and water formation.
  • gas fuel propane, butane or a propane-butane gas mixture
  • a flow rate of 5-8 cm 3 / s is supplied to the catalytic device with a flow rate of 5-8 cm 3 / s. Further, the temperature necessary for the operation of the catalytic device is maintained due to the heat generated during combustion of the fuel.
  • Example 2 start at room temperature with the simultaneous supply of hydrogen and fuel.
  • the input of a catalytic device with a platinum or palladium catalyst and a power of 500 W, designed to burn propane, butane or natural gas, is connected to a sealed container of 200 ml in which 10 g of activated aluminum is placed. Then, 100 ml of water is introduced into the indicated container through an additional special fitting, after which it is tightly closed. Within 2-4 minutes, water is heated due to the positive thermal effect of the reaction of activated aluminum with water, accompanied by rapid evolution of hydrogen for several minutes. Hydrogen in the inner cavity of the catalytic device is mixed with simultaneously supplied fuel with a flow rate of 5-8 cm 3 / s. The resulting gas-hydrogen-gas mixture is fed to a catalyst on which hydrogen oxidizes with heat.
  • the catalytic device starts up. Further, the temperature necessary for the operation of the catalytic device is maintained due to the heat generated during combustion of the fuel. Excess hydrogen is burned on the catalyst with the fuel. Example 3 (start at low temperature).
  • the launch of the catalytic device is carried out in a similar manner as described in examples 1, 2 with the difference that instead of water, a solution containing water and ethanol is used.
  • the concentration of ethanol in water May 10. %

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

This invention relates to a technique for obtaining heat energy during the catalytic combustion of a hydrocarbon or other gaseous fuel in a catalytic device. The invention concerns a flameless ignition stage for a catalytic device, in which the energy necessary to heat a catalyst to working temperatures is obtained in the catalytic oxidation of hydrogen with oxygen in the air. Hydrogen is obtained as a result of a chemical reaction between activated alumina and water or any other liquid reagent contained in water. The technical result is an autonomous flameless startup mode for a catalytic device without the need for an additional external energy supply, and thus a simplified design for a catalytic device and increased technical and environmental safety during ignition of the device.

Description

СПОСОБ БЕСПЛАМЕННОГО ЗАПУСКА КАТАЛИТИЧЕСКОГО METHOD FOR FLAMELESS STARTING OF CATALYTIC
УСТРОЙСТВА DEVICES
Изобретение относится к технологии получения тепловой энергии при каталитическом сжигании углеводородного или другого газообразного топлива в каталитическом устройстве. В качестве топлива в каталитическом устройстве может быть использован природный газ, пропан-бутановая газовая смесь, газообразные фракции дизельного топлива, пары спиртов или другие горючие газообразные соединения. Изобретение касается стадии беспламенного запуска каталитического устройства, при котором необходимая энергия для разогрева катализатора до рабочих температур получается за счет каталитического сжигания водорода. The invention relates to a technology for producing thermal energy by catalytic combustion of a hydrocarbon or other gaseous fuel in a catalytic device. Natural gas, propane-butane gas mixture, gaseous fractions of diesel fuel, alcohol vapors or other combustible gaseous compounds can be used as fuel in the catalytic device. The invention relates to the stage of flameless starting of a catalytic device, in which the necessary energy for heating the catalyst to operating temperatures is obtained by catalytic combustion of hydrogen.
Радиационные источники тепла на основе каталитического сжигания топлива широко используются для нагрева различных предметов, материалов, теплоносителя в теплообменник аппаратах, при приготовлении пищи, в качестве обогревателей внутренних помещений. При каталитическом способе сжигания топлива достигается полное сжигание топлива и не образуются опасные для окружающей среды оксиды азота, как при факельном сжигании. Стоимость тепла, получаемого при каталитическом сжигании топлива, в несколько раз ниже стоимости тепла, получаемого с помощью электрического нагрева.  Radiation heat sources based on catalytic combustion of fuel are widely used for heating various objects, materials, coolant in the heat exchanger apparatus, while cooking, as heaters of indoor premises. With the catalytic method of burning fuel, complete combustion of the fuel is achieved and no nitrogen oxides hazardous to the environment are formed, as with flare. The cost of heat obtained by catalytic combustion of fuel is several times lower than the cost of heat obtained by electric heating.
Каталитические устройства, предназначенные для сжигания различных топлив, таких как природный газ, пропан, бутан или их газовые смеси, имеют пусковой режим. Для того чтобы катализатор начал устойчиво и эффективно работать, его необходимо нагреть до рабочей температуры. Эта температура зависит от состава топлива и свойств катализатора. В общем случае эта температура может быть в диапазоне 150-500 °С. Поэтому для запуска каталитического устройства используют различные способы разогрева катализатора. Наиболее простым способом для разогрева катализатора является факельное горение топлива, которое при достижении необходимой рабочей температуры переходит в диффузионное горение. Однако, при факельном горении невозможно управлять зоной факела и использование такого способа может привести к нежелательному перегреву других предметов, находящихся в близи, или частей каталитического устройства. Это представляет определенную опасность с точки зрения воспламенения посторонних предметов, особенно вблизи легковоспламеняющихся или взрывоопасных веществ. Кроме того, известно, что при факельном горении температура пламени достигает высоких температур (1300 °С), при которых образуются вредные оксиды азота. Catalytic devices designed to burn various fuels, such as natural gas, propane, butane or gas mixtures thereof, have a starting mode. In order for the catalyst to begin to operate stably and efficiently, it must be heated to operating temperature. This temperature depends on the composition of the fuel and the properties of the catalyst. In general, this temperature may be in the range of 150-500 ° C. Therefore, to start the catalytic device using various methods of heating the catalyst. The easiest way to heat up the catalyst is to flare the fuel, which when the required operating temperature is reached passes into diffusion combustion. However, during flare, it is impossible to control the flare zone and the use of this method can lead to undesirable overheating of other objects in the vicinity or parts of the catalytic device. This poses a certain danger from the point of view of ignition of foreign objects, especially in the vicinity of flammable or explosive substances. In addition, it is known that during flaring, the flame temperature reaches high temperatures (1300 ° C), at which harmful nitrogen oxides are formed.
В патентах и заявках US 3024836, US 3270798, US 6045355, US 6470876, US 7431076, US 20090053664, US 20110123940 описаны каталитические нагревательные устройства, в которых для предварительного разогрева катализатора используют электрический ток. Недостатком электрического разогрева является необходимость использования электрического источника тока. Мощность, масса и габариты электрического источника тока будут зависеть от суммарной теплоемкости катализатора, условий теплообмена электронагревателя с катализатором, температуры окружающей среды и других условий, от которых будет зависеть температура катализатора. Для повышения эффективности прогрева нагревательные элементы встраивают внутри слоя катализатора (патенты US 3024836, US 3270798). При этом время разогрева катализатора иногда может достигать 10-30 мин. Для ускорения прогрева необходимо увеличивать силу тока. Так, например, в патенте US 7431076 прогрев катализатора до 200-350 °С достигается в течение 2-3 мин при величине тока 10 ампер. Возможность образования локальных перегревов или образования искр в результате короткого замыкания представляют опасность при использовании такого устройства из-за возможного неконтролируемого взаимодействия искры с используемым топливом или другими легковоспламеняющимися веществами, находящимися в рабочей зоне. Конструкции таких устройств должны иметь взрывозащищенное исполнение, что неизбежно приводит к их усложнению и удорожанию. В заявке US 201 10123940 для ускорения прогрева катализатора, работающего на природном газе, пропане, бутане, для предварительного разогрева используют дополнительное самовоспламеняющееся топливо, например, спирт, и дополнительный катализатор для инициирования окисления спирта. За счет этого исчезает необходимость использования внешнего источника электричества. Но и в этом случае необходим дополнительный подвод тепла, хотя и в меньшем количестве, поскольку спирт начинает окисляться на катализаторе при меньшей температуре, чем, например, природный газ. Тем не менее, существующие катализаторы не способны зажигать пары спирта при пониженных температурах, например, при комнатной температуре. Поэтому и при данном способе также необходим подвод тепла для подогрева жидкого спирта, чтобы повысить концентрацию паров спирта за счет соответствующего повышения давления насыщенных паров и создать необходимые условия для устойчивого каталитического горения. Кроме того, в данном способе используется дополнительное устройство для дозированного подвода спирта, что в целом усложняет часть устройства, предназначенную для предварительного разогрева. Patents and applications US 3024836, US 3270798, US 6045355, US 6470876, US 7431076, US 20090053664, US 20110123940 describe catalytic heating devices in which electric current is used to preheat the catalyst. The disadvantage of electric heating is the need to use an electric current source. The power, mass and dimensions of the electric current source will depend on the total heat capacity of the catalyst, heat exchange conditions of the electric heater with the catalyst, ambient temperature and other conditions on which the temperature of the catalyst will depend. To increase the efficiency of heating, the heating elements are embedded inside the catalyst layer (US patents 3024836, US 3270798). In this case, the catalyst heating time can sometimes reach 10-30 min. To accelerate heating, it is necessary to increase the current strength. So, for example, in patent US 7431076 heating of the catalyst to 200-350 ° C is achieved within 2-3 minutes at a current value of 10 amperes. The possibility of localized overheating or sparking due to a short circuit is dangerous when using such a device due to the possible uncontrolled interaction of the spark with the fuel used or other flammable substances in the working area. The design of such devices must have an explosion-proof design, which inevitably leads to their complexity and cost. In the application US 201 10123940 to accelerate the heating of a catalyst that runs on natural gas, propane, butane, for preheating use additional self-igniting fuel, for example, alcohol, and an additional catalyst to initiate the oxidation of alcohol. Due to this, the need to use an external source of electricity disappears. But in this case, an additional supply of heat is required, albeit in a smaller amount, since the alcohol begins to oxidize on the catalyst at a lower temperature than, for example, natural gas. However, existing catalysts are not able to ignite alcohol vapors at low temperatures, for example, at room temperature. Therefore, with this method, heat supply is also necessary to heat liquid alcohol in order to increase the concentration of alcohol vapor due to a corresponding increase in saturated vapor pressure and create the necessary conditions for stable catalytic combustion. In addition, this method uses an additional device for the dosed supply of alcohol, which generally complicates the part of the device intended for preheating.
Наиболее подходящим газом для беспламенного старта является водород, поскольку водород начинает гореть на платиновом катализаторе при температуре ниже комнатной температуры.  The most suitable gas for a flameless start is hydrogen, since hydrogen begins to burn on a platinum catalyst at a temperature below room temperature.
В патентах US 3518036 и US 3681002 описан способ, когда для предварительного разогрева катализатора используют водород, получаемый при электролизе воды. В патенте US 3518036 полученные с помощи электролиза воды кислород и водород подмешивают к топливу. В патенте US 3681002 небольшое количество водорода подмешивают к природному газу. Главный недостаток такого способа заключается в том, что для электролиза воды нужен электролизер и электрический источник питания повышенной мощности, поскольку для разложения молекулы воды необходимо большое количество энергии.  US 3518036 and US 3681002 describe a method in which hydrogen obtained from the electrolysis of water is used to preheat the catalyst. In US Pat. No. 3,518,036, oxygen and hydrogen obtained by electrolysis of water are mixed with fuel. In US patent 3681002 a small amount of hydrogen is mixed with natural gas. The main disadvantage of this method is that electrolysis of water requires an electrolyzer and an electric power source of increased power, since a large amount of energy is needed to decompose a water molecule.
В патенте US 4021183 предлагается использовать для воспламенения в различных технологических процессах, включая разогрев катализатора, водород, который хранится в виде металлогидридных соединений. Недостатком данного способа является то, что железо-титановые гидридные соединения находятся в сосуде под давлением выше 20 атмосфер. Кроме того, система подачи водорода включает в себя редуктор и запорный вентиль. In the patent US 4021183 proposed to use for ignition in various technological processes, including heating the catalyst, hydrogen, which is stored in the form of metal hydride compounds. The disadvantage of this method is that the iron-titanium hydride the compounds are in a vessel under pressure above 20 atmospheres. In addition, the hydrogen supply system includes a gearbox and a shutoff valve.
Наиболее близкий способ беспламенного разогрева при помощи каталитического окисления водорода к предлагаемому изобретению, описан в патенте US 6932593, F23D14/18, 23.08.2005. Данный способ включает в себя стадию приготовления газовой смеси водорода и азота при объемном отношении водорода к азоту от 95:5 до 5:95. Водородсодержащая газовая смесь при температуре окружающей среды (без дополнительного нагрева) подается на катализатор, где водород окисляется кислородом, содержащимся в окружающей среде, на время достаточное для достижения необходимой температуры катализатора. Подача водород-азотной смеси осуществляется по тому же подводу, что и топливо (природный газ). Недостатком данного способа является то, что для хранения водород- азотной смеси используются баллоны под давлением. Для контролируемой подачи водород-азотной смеси в каталитическое устройство необходимо также использовать редуктор, расходомер и запорный вентиль.  The closest method of flameless heating using catalytic oxidation of hydrogen to the present invention is described in patent US 6932593, F23D14 / 18, 08.23.2005. This method includes the step of preparing a gas mixture of hydrogen and nitrogen with a volume ratio of hydrogen to nitrogen from 95: 5 to 5:95. The hydrogen-containing gas mixture at ambient temperature (without additional heating) is fed to the catalyst, where hydrogen is oxidized by oxygen contained in the environment for a time sufficient to achieve the required catalyst temperature. The supply of the hydrogen-nitrogen mixture is carried out through the same supply as the fuel (natural gas). The disadvantage of this method is that pressurized cylinders are used to store the hydrogen-nitrogen mixture. To control the supply of hydrogen-nitrogen mixture to the catalytic device, it is also necessary to use a gearbox, a flow meter and a shut-off valve.
Предлагаемое изобретение решает задачу эффективного разогрева катализатора в каталитическом устройстве на пусковом режиме.  The present invention solves the problem of effective heating of the catalyst in the catalytic device on the starting mode.
Технический результат - автономный беспламенный пусковой режим каталитического устройства без подвода дополнительный энергии извне, обеспечивающий упрощение конструкции каталитического устройства и повышение технической и экологической безопасности при запуске каталитического устройства.  The technical result is an autonomous flameless starting mode of the catalytic device without supplying additional energy from the outside, which simplifies the design of the catalytic device and improves technical and environmental safety when starting the catalytic device.
Задача решается способом запуска каталитического нагревательного устройства, при котором разогрев катализатора в пусковом режиме до температуры беспламенного каталитического горения газообразного топлива осуществляется теплом, вьщеляемым на катализаторе в результате каталитического окисления водорода кислородом, при этом водород, подаваемый на катализатор, образуется в результате химической реакции активированного алюминия с жидким реагентом, содержащим воду.  The problem is solved by starting the catalytic heating device, in which the catalyst is heated in the starting mode to the flameless catalytic combustion temperature of the gaseous fuel by the heat released on the catalyst as a result of the catalytic oxidation of hydrogen by oxygen, while the hydrogen supplied to the catalyst is formed as a result of the chemical reaction of activated aluminum with a liquid reagent containing water.
Сначала на катализатор подают водород, в количестве необходимом для разогрева катализатора, а затем подают газообразное топливо, или водород и газообразное топливо подаются на катализатор одновременно. First, hydrogen is supplied to the catalyst in an amount necessary to heat the catalyst, and then gaseous fuel, or hydrogen and gaseous fuel are supplied to the catalyst simultaneously.
Используют жидкий реагент, содержащий воду в количестве от 10 до 100 мае. %. Для запуска при пониженных температурах используют раствор воды и спирта с содержанием воды от 10 до 100 мае. %.  Use a liquid reagent containing water in an amount of from 10 to 100 may. % To start at low temperatures, a solution of water and alcohol with a water content of May 10 to 100 is used. %
Задача достигается за счет того, что для запуска каталитического устройства используется водород, подаваемый на катализатор, на котором происходит каталитическое окисление водорода кислородом, содержащемся в воздухе. При этом за счет экзотермического эффекта химической реакции происходит нагрев катализатора. Кислород может подводиться к зоне реакции (к поверхности катализатора) как за счет диффузии из окружающей среды, так и при смешении воздуха и водорода в каталитическом устройстве до подачи на катализатор. Подача топлива может осуществляться после разогрева катализатора до необходимой температуры или одновременно с подачей водорода.  The task is achieved due to the fact that to start the catalytic device uses hydrogen supplied to the catalyst, on which the catalytic oxidation of hydrogen by oxygen contained in the air. In this case, due to the exothermic effect of the chemical reaction, the catalyst is heated. Oxygen can be supplied to the reaction zone (to the surface of the catalyst) both due to diffusion from the environment, and by mixing air and hydrogen in a catalytic device before being fed to the catalyst. Fuel can be supplied after heating the catalyst to the required temperature or simultaneously with the supply of hydrogen.
В настоящем изобретении предлагается использовать воду в качестве источника водорода. Выделение водорода осуществляется в результате химической реакции воды и активированного алюминия:  The present invention proposes to use water as a source of hydrogen. Hydrogen is released as a result of a chemical reaction of water and activated aluminum:
А1 + 2Н20 = Al(OOH) + 1.5 Н2 A1 + 2H 2 0 = Al (OOH) + 1.5 N 2
Кроме водорода образуется гидроксид алюминия, который является безопасным с технической и экологической точки зрения и может быть в дальнейшем использован как полезный продукт для получения адсорбентов или носителей катализатора на основе оксида алюминия.  In addition to hydrogen, aluminum hydroxide is formed, which is safe from a technical and environmental point of view and can be further used as a useful product for the production of adsorbents or catalyst supports based on aluminum oxide.
На 1 г алюминия выделяется 1,24 л водорода (Nizovskii A.I. et al. Peculiarities of aluminium interaction with Ga85Ini 5 и 5, pp. 693-699.). Достоинством данного способа является то, что оба реагента являются стабильными и безопасными при хранении, при котором не требуется обеспечение каких-либо особых условий для обеспечения технической и экологической безопасности. Обязательным условием при хранении активированного алюминия является отсутствие контакта с водой. 1.24 L of hydrogen is released per 1 g of aluminum (Nizovskii AI et al. Peculiarities of aluminum interaction with Ga 85 Ini 5 and 5, pp. 693-699.). The advantage of this method is that both reagents are stable and safe during storage, which does not require any special conditions to ensure technical and environmental safety. A prerequisite for the storage of activated aluminum is the absence of contact with water.
Химическая реакция активированного алюминия с водой может начинаться при комнатной температуре и ниже и протекает при атмосферном давлении. Для повышения реакционной способности алюминия при атмосферном давлении и комнатной температуре алюминий активируют с использованием легкоплавких соединений галлия по способу, описанном в патенте RU 2414424, C01F7/00, 20.03.201 1. Таким образом, для реализации данного способа не требуется каких-либо повышенных требований к конструкции устройства, используемого для этой цели, связанных с повышенным давлением или температурой, что значительно позволяет упростить его конструкцию. The chemical reaction of activated aluminum with water can begin at room temperature or lower and proceeds at atmospheric pressure. To increase the reactivity of aluminum at atmospheric pressure and room temperature, aluminum activated using low-melting compounds of gallium according to the method described in patent RU 2414424, C01F7 / 00, 03/20/2011 1. Thus, to implement this method does not require any high requirements for the design of the device used for this purpose, associated with increased pressure or temperature, which greatly simplifies its design.
При пониженной температуре, например, близкой к нулю или ниже, вместо воды можно использовать содержащий воду раствор, имеющий более низкую температуру замерзания. В частности для этого может подойти раствор воды и спирта. Соотношение и воды и спирта подбирают исходя из того, какую температуру замерзания раствора необходимо получить. При этом испаряющийся спирт при разогреве раствора на стадии взаимодействия воды и алюминия вместе с водородом поступает на катализатор. Поскольку каталитическое окисление спирта начинается при более низкой температуре, чем углеводородное топлива, то получаемый дополнительный тепловой эффект от сжигания топлива в целом дополнительно ускоряет процесс запуска каталитического устройства.  At a reduced temperature, for example, close to zero or lower, instead of water, a water-containing solution having a lower freezing temperature can be used. In particular, a solution of water and alcohol may be suitable for this. The ratio of water and alcohol is selected based on what freezing temperature of the solution is necessary to obtain. In this case, the evaporating alcohol during heating of the solution at the stage of the interaction of water and aluminum together with hydrogen enters the catalyst. Since the catalytic oxidation of alcohol begins at a lower temperature than hydrocarbon fuel, the resulting additional thermal effect from the combustion of fuel as a whole additionally accelerates the process of starting the catalytic device.
С целью снижения тепловых потерь и соответствующего снижения количества реагентов, необходимых для запуска каталитического устройства емкость, предназначенная для проведения реакции активированного алюминия с водой, может быть конструктивно интегрирована с каталитическим устройством, например, в виде заменяемой части. Для ускорения запуска каталитического устройства при низких температурах пропорционально увеличивается количество активированного алюминия и воды.  In order to reduce heat loss and a corresponding reduction in the number of reagents needed to start the catalytic device, a tank designed for the reaction of activated aluminum with water can be structurally integrated with the catalytic device, for example, in the form of a replaceable part. To accelerate the launch of the catalytic device at low temperatures, the amount of activated aluminum and water is proportionally increased.
Сущность изобретения можно проиллюстрировать следующими примерами. Пример 1 (запуск при комнатной температуре с раздельной подачей водорода и топлива). The invention can be illustrated by the following examples. Example 1 (start at room temperature with separate supply of hydrogen and fuel).
Вход каталитического устройства с платиновым катализатором и номинальной мощностью 500 Вт, предназначенным для сжигания пропана, бутана или пропан-бутановой газовой смеси, соединяется с герметичной емкостью объемом 200 мл, в которую помещают 10 г активированного алюминия. В указанную емкость через дополнительный специальный штуцер вводят 100 мл воды, после чего плотно закрывают. В течение 2-4 мин происходит разогрев воды за счет положительного теплового . эффекта реакции активированного алюминия с водой, сопровождающийся бурным вьщелением водорода в течение нескольких минут. Водород окисляется на катализаторе с вьщелением тепла и образованием воды. После разогрева катализатора до температуры 250-350 °С в каталитическое устройство подается газовое топливо (пропан, бутан или пропан-бутановая газовая смесь) с расходом 5-8 см3/сек. Далее температура, необходимая для работы каталитического устройства, поддерживается за счет тепла выделяемого при сжигании топлива. The input of a catalytic device with a platinum catalyst and a rated power of 500 W, designed to burn propane, butane or a propane-butane gas mixture, is connected to a sealed with a capacity of 200 ml, in which 10 g of activated aluminum is placed. 100 ml of water is introduced into the indicated container through an additional special fitting, after which it is tightly closed. Within 2-4 minutes, the water is heated due to the positive heat. the effect of the reaction of activated aluminum with water, accompanied by rapid expulsion of hydrogen for several minutes. Hydrogen is oxidized on the catalyst with heat absorption and water formation. After heating the catalyst to a temperature of 250-350 ° C, gas fuel (propane, butane or a propane-butane gas mixture) is supplied to the catalytic device with a flow rate of 5-8 cm 3 / s. Further, the temperature necessary for the operation of the catalytic device is maintained due to the heat generated during combustion of the fuel.
Пример 2 (запуск при комнатной температуре с одновременной подачей водорода и топлива). Example 2 (start at room temperature with the simultaneous supply of hydrogen and fuel).
Вход каталитического устройства с платиновым или палладиевым катализатором и мощностью 500 Вт, предназначенным для сжигания пропана, бутана или природного газа, соединяется с герметичной емкостью объемом 200 мл, в которую помещают 10 г активированного алюминия. Затем в указанную емкость через дополнительный специальный штуцер вводят 100 мл воды, после чего плотно закрывают. В течение 2-4 мин происходит разогрев воды за счет положительного теплового эффекта реакции активированного алюминия с водой, сопровождающийся бурным выделением водорода в течение нескольких минут. Водород во внутренней полости каталитического устройства смешивается с одновременно подаваемым топливом с расходом 5-8 см3/сек. Образованная в результате смешение газовая топливо-водородная смесь подается на катализатор, на котором происходит окисление водорода с выделением тепла. При достижении температуры катализатора уровня, достаточного для инициирования зажигания топлива, который достигается в течение нескольких минуг, происходит запуск каталитического устройства. Далее температура, необходимая для работы каталитического устройства, поддерживается за счет тепла выделяемого при сжигании топлива. Избыток водорода дожигается на катализаторе вместе с топливом. Пример 3 (запуск при пониженной температуре). The input of a catalytic device with a platinum or palladium catalyst and a power of 500 W, designed to burn propane, butane or natural gas, is connected to a sealed container of 200 ml in which 10 g of activated aluminum is placed. Then, 100 ml of water is introduced into the indicated container through an additional special fitting, after which it is tightly closed. Within 2-4 minutes, water is heated due to the positive thermal effect of the reaction of activated aluminum with water, accompanied by rapid evolution of hydrogen for several minutes. Hydrogen in the inner cavity of the catalytic device is mixed with simultaneously supplied fuel with a flow rate of 5-8 cm 3 / s. The resulting gas-hydrogen-gas mixture is fed to a catalyst on which hydrogen oxidizes with heat. When the temperature of the catalyst reaches a level sufficient to initiate ignition of the fuel, which is achieved within a few minutes, the catalytic device starts up. Further, the temperature necessary for the operation of the catalytic device is maintained due to the heat generated during combustion of the fuel. Excess hydrogen is burned on the catalyst with the fuel. Example 3 (start at low temperature).
При температуре, равной минус 1 °С запуск каталитического устройства осуществляется аналогичным образом, как описано в примерах 1 , 2 с тем отличием, что вместо воды используется раствор, содержащий воду и этанол. Концентрация этанола в воде 10 мае. %.  At a temperature equal to minus 1 ° C, the launch of the catalytic device is carried out in a similar manner as described in examples 1, 2 with the difference that instead of water, a solution containing water and ethanol is used. The concentration of ethanol in water May 10. %
Таким образом, использование данного способа позволяет осуществлять запуск каталитического устройства без открытого пламени или использования электрического тока, обеспечивая тем самым более высокий уровень безопасности и расширение возможностей использования каталитических нагревательных устройств.  Thus, the use of this method allows you to start the catalytic device without an open flame or the use of electric current, thereby providing a higher level of security and expanding the possibilities of using catalytic heating devices.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ CLAIM
1. Способ запуска каталитического устройства, при котором разогрев катализатора в пусковом режиме до температуры беспламенного каталитического горения газообразного топлива осуществляется теплом, выделяемым на катализаторе в результате каталитического окисления водорода кислородом, о тличающийся тем, что водород, подаваемый на катализатор, образуется в результате химической реакции активированного алюминия с жидким реагентом, содержащим воду. 1. A method of starting a catalytic device, in which the catalyst is heated in a starting mode to the flameless catalytic combustion temperature of gaseous fuel by the heat released on the catalyst as a result of catalytic oxidation of hydrogen by oxygen, characterized in that the hydrogen supplied to the catalyst is formed as a result of a chemical reaction activated aluminum with a liquid reagent containing water.
2. Способ по п. I , отличающийся тем, что сначала на катализатор подают водород, в количестве необходимом для разогрева катализатора, а затем подают газообразное топливо.  2. The method according to p. I, characterized in that first, hydrogen is supplied to the catalyst in an amount necessary for heating the catalyst, and then gaseous fuel is supplied.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что водород и газообразное топливо подают на катализатор одновременно.  3. The method according to p. 1, characterized in that hydrogen and gaseous fuel are fed to the catalyst at the same time.
4. Способ по п. 1 , отличающийся тем, что для запуска при пониженных температурах используют жидкий реагент, а именно, раствор воды и спирта с содержанием воды от 10 до 100 масс. %.  4. The method according to p. 1, characterized in that to start at low temperatures using a liquid reagent, namely, a solution of water and alcohol with a water content of from 10 to 100 mass. %
PCT/RU2014/000377 2014-05-26 2014-05-26 Method for the flameless ignition of a catalytic device WO2015183120A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014120943 2014-05-26
RU2014120943/06A RU2014120943A (en) 2014-05-26 2014-05-26 METHOD FOR FLAMELESS STARTING OF THE CATALYTIC DEVICE

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2015183120A1 true WO2015183120A1 (en) 2015-12-03

Family

ID=54699332

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2014/000377 WO2015183120A1 (en) 2014-05-26 2014-05-26 Method for the flameless ignition of a catalytic device

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2014120943A (en)
WO (1) WO2015183120A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114251653A (en) * 2021-12-23 2022-03-29 大连大学 Catalytic combustion hydrogen storage and release device and method

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3681002A (en) * 1969-10-20 1972-08-01 Esher R Weller Self-igniting burners
JPH0611119A (en) * 1992-06-24 1994-01-21 Sanyo Electric Co Ltd Catalyst combustion device
US6932593B2 (en) * 2001-12-03 2005-08-23 New England Catalytic Technologies, Inc. Method of preheating catalytic heater
RU2338684C2 (en) * 2005-07-13 2008-11-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет" Hydroreactive mixture
RU2356830C2 (en) * 2007-06-26 2009-05-27 ОАО Научно-производственное предприятие "Квант" Method of obtaining hydrogen
RU87573U1 (en) * 2008-11-18 2009-10-10 Объединенный институт высоких температур Российской Академии Наук (ОИВТ РАН) HYDROGEN GENERATOR FOR AN AUTONOMOUS POWER SUPPLY ON FUEL CELLS
RU2444472C2 (en) * 2005-06-13 2012-03-10 Сосьете Бик Fuel for hydrogen-generating cartridges

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3681002A (en) * 1969-10-20 1972-08-01 Esher R Weller Self-igniting burners
JPH0611119A (en) * 1992-06-24 1994-01-21 Sanyo Electric Co Ltd Catalyst combustion device
US6932593B2 (en) * 2001-12-03 2005-08-23 New England Catalytic Technologies, Inc. Method of preheating catalytic heater
RU2444472C2 (en) * 2005-06-13 2012-03-10 Сосьете Бик Fuel for hydrogen-generating cartridges
RU2338684C2 (en) * 2005-07-13 2008-11-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет" Hydroreactive mixture
RU2356830C2 (en) * 2007-06-26 2009-05-27 ОАО Научно-производственное предприятие "Квант" Method of obtaining hydrogen
RU87573U1 (en) * 2008-11-18 2009-10-10 Объединенный институт высоких температур Российской Академии Наук (ОИВТ РАН) HYDROGEN GENERATOR FOR AN AUTONOMOUS POWER SUPPLY ON FUEL CELLS

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114251653A (en) * 2021-12-23 2022-03-29 大连大学 Catalytic combustion hydrogen storage and release device and method

Also Published As

Publication number Publication date
RU2014120943A (en) 2015-12-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10196265B2 (en) Reformer of system preparing hydrogen with an aqueous solution of methanol, system preparing hydrogen with an aqueous solution of methanol, method of preparing hydrogen
US3810732A (en) Method and apparatus for flameless combustion of gaseous or vaporous fuel-air mixtures
KR20210090170A (en) Hydrogen gas production equipment
US20100319355A1 (en) Heating a reaction chamber
JPH11166705A (en) Method and apparatus for combusting emulsion of water/ fossil fuel mixture
CA2591407C (en) Reactor for simultaneous separation of hydrogen and oxygen from water
JP2010255999A (en) Combustion device of hot air machine and boiler
ES2749350T3 (en) Multistage procedure for the production of hydrogen-containing propellant gas and heating gas generating installation
WO2015183120A1 (en) Method for the flameless ignition of a catalytic device
WO2015041555A1 (en) Process and installation for production of synthesis gas
KR101630374B1 (en) Apparatus for generating hydrogen using catalyst and waste heat
KR101630376B1 (en) Apparatus for generating hydrogen using catalyst chamber
RU194450U1 (en) Boiler
JPS61197402A (en) Apparatus for reforming fuel for fuel cell
RU2540198C1 (en) Independent catalytic heater
CN113091052B (en) Catalytic combustion ignition starting device and method utilizing thermochemical heat storage
RU162650U1 (en) DEVICE FOR PRODUCING SYNTHESIS GAS
CN111086973B (en) Hydrogen production process and application thereof
Polianczyk et al. CONVERSION OF 2-PROPANOL TO SYNGAS VIA PARTIAL OXIDATION IN FILTRATION COMBUSTION
CN211202123U (en) Carbon removing equipment
RU171622U1 (en) DEVICE FOR PRODUCING SYNTHESIS GAS
EP2683650A1 (en) A method for oxidising hydrogen and a device for oxidising hydrogen
Solomenko et al. Hybrid plasma-catalytic reforming of ethanol aerosol
WO2010134385A1 (en) Method of combustion utilizing electroactive functional water and apparatus therefor
CN2515557Y (en) Hydrogen producing reformer start igniting device

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14893631

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 14893631

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1