CN105255533B - 一种应用于天然气催化增效的节能装置 - Google Patents

Abstract

一种应用于天然气催化增效的节能装置属于天然气催化增效技术领域，尤其涉及一种应用于天然气催化增效的节能装置。本发明提供一种可大幅度提高天然气能效、降低成本的应用于天然气催化增效的节能装置。本发明包括底座，其结构要点底座上设置有立式增效剂储罐、电磁计量泵和混合器，增效剂储罐上端设置有竖向加液管和排空管，加液管上端连接有加液阀，排空管上端连接有排空阀；增效剂储罐下端出口通过第一管道与电磁计量泵下端进口相连，第一管道上设置有第一截止阀，电磁计量泵上端出口分别与第二管道一端、第三管道一端、第四管道一端相连。

Description

一种应用于天然气催化增效的节能装置

技术领域

本发明属于天然气催化增效技术领域，尤其涉及一种应用于天然气催化增效的节能装置。

背景技术

天然气在综合利用中，存在燃烧不充分，烟气中含有大量的未参与燃烧的天然气和氮氧化物，产生资源浪费和环保压力。现有天然气催化增效技术存在工艺简单、技术单一、操作繁琐、工作效率低等情况。此外，现有的混合器为缓冲罐，混合效果差，长时间使用底部容易产生积液影响使用。

另外，我国天然气进入能源领域时间较短，在整个能源领域仅占5%左右。天然气的主要成分是甲烷，氮、硫的含量低，是一种清洁能源，被认为是本世纪可替代煤炭和石油的主要能源之一。完全燃烧产物只有水和二氧化碳，不含硫化物和铅，相对于煤炭和石油等能源，使用天然气后一氧化碳降低80%，碳氢化合物降低60%，氮氧化合物降低70%。但由于传统燃烧过程中，由于空气/燃料比较低，甲烷不能被完全燃烧，产生大量CO。同时在火焰燃烧方式下，氧化反应主要按自由基机理进行，各种自由基相互作用也可产生CO。其次，由于天然气燃烧温度在1500℃～2000℃，此时空气中的N₂和O₂会被活化，反应产生NO_X。

现有天然气增效剂有。

1、贵金属增效剂。

贵金属增效剂Pd、Pt是常见的贵金属增效剂，它们对各种常见燃气均具有很好的完全氧化活性。但由于贵金属在高温在高温下发挥性、烧结、中毒和昂贵的价格，在催化燃烧中的应用受到一定限制，一般仅用在燃烧器中的低温起燃阶段。

2、复合氧化物增效剂。

复合氧化物增效剂容易形成氧化还原循环，可以使晶格氧顺利释放和修复。与贵金属增效剂相比，复合氧化物增效剂具有原料丰富、价格低廉等优点。但其在催化燃烧中的稳定性则太不理想。

结合以上天然气增效剂的不足，填补天然气催化燃烧领域的空缺，天然气增效剂必须改变原有的理念，来实现天然气燃耗所需真正有效的增效剂产品。

发明内容

本发明就是针对上述问题，提供一种可大幅度提高天然气能效、降低成本的应用于天然气催化增效的节能装置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明包括底座，其结构要点底座上设置有立式增效剂储罐、电磁计量泵和混合器，增效剂储罐上端设置有竖向加液管和排空管，加液管上端连接有加液阀，排空管上端连接有排空阀；增效剂储罐下端出口通过第一管道与电磁计量泵下端进口相连，第一管道上设置有第一截止阀，电磁计量泵上端出口分别与第二管道一端、第三管道一端、第四管道一端相连，第二管道另一端与所述增效剂储罐上端的回液口相连，第二管道上设置有第二截止阀；第三管道另一端连接有压力表，第三管道上设置有第三截止阀；第四管道另一端与所述混合器下部增效剂加注口相连，第四管道上设置有第四截止阀，混合器下端设置有天然气入口；混合器上端出口分别与第五管道一端、第六管道一端相连，第五管道另一端与竖向催化反应器上端进口相连，第五管道上设置有第五截止阀；第六管道另一端分别与第七管道一端、第八管道一端相连，第六管道上设置有第六截止阀；第七管道另一端与催化反应器下端出口相连，第七管道上设置有第七截止阀；第八管道另一端连接有第八截止阀。

作为一种优选方案，本发明所述混合器包括外壳，外壳内中部设置有磁化柱，围绕磁化柱由上至下设置有螺旋盘管，螺旋盘管下端与所述天然气入口相连，螺旋盘管上端与所述混合器上端出口相连；螺旋盘管上设置有通孔；所述增效剂加注口设置在外壳上与外壳内部连通；所述通孔为多个，沿螺旋盘管螺旋轨迹均布；所述磁化柱采用烧结钕铁硼。

作为另一种优选方案，本发明所述增效剂储罐上设置有液位计；所述底座采用钢制底座，底座下端设置有万向脚轮，底座上方罩有不锈钢箱体。

作为另一种优选方案，本发明所述催化反应器包括金属壳体，金属壳体两端为所述催化反应器上端进口和下端出口；金属壳体内设置有贵金属氧化剂，贵金属氧化剂成固态蜂窝状纳米吸附于金属壳体内壁上，所述贵金属氧化剂采用PD、PT和正辛基二茂铁贵金属氧化剂。

作为另一种优选方案，本发明所述电磁计量泵的控制信号输入端口与PLC的控制信号输出端口相连，PLC的检测信号输入端口与流量计的检测信号输出端口相连，流量计设置在所述天然气入口处。

作为另一种优选方案，本发明所述电磁计量泵采用DPMWA4/1.6-Ⅰ型电磁计量泵，电磁计量泵的加注频率为0～1200次/分钟，单次加药量为0.1g；所述流量计向PLC发送4～20mA流量信号；所述0次/分钟对应4mA流量信号，1200次/分钟对应20mA流量信号。

作为另一种优选方案，本发明所述混合器出口处混合气体各组分体积百分数含量为：天然气99%，乙二醇独丁醚0.1%，松节油0.15%，a-烷基脂0.05%，叔丁基铁茂0.1%，环烷酸钾0.1%，航空煤油0.5%。

作为另一种优选方案，本发明所述增效剂储罐内加注的增效剂各组分重量份数为：正辛基二茂铁2～10份、纳米级Ni和Cu-Zn合金2～10份、Fe₃O₄3～13份、TiO₂3～12份、AL₂O₃3～10份、SiO₂0.5～1.5份、120号溶剂油45～60份、分散剂0.5～1.5份。

其次，本发明所述增效剂采用抗氧剂T-155或抗氧剂T501。

另外，本发明所述增效剂的制备方法包括以下步骤。

1）将纳米级Ni和Cu-Zn合金、Fe₃O₄、TiO₂、AL₂O₃、SiO₂溶于120号溶剂油中得到混合液。

2）用超声波粉碎机将混合液各组分进一步分散，再加温到40～45℃搅拌后，加入正辛基二茂铁，再次加温到40～45℃后，用研磨机研磨100～120分钟后分装至镀锌包装桶中。

本发明有益效果。

本发明设置第六截止阀便于更换催化反应器，保持连续生产。

本发明通过各部件、设备的配合使用，得到了一种自动化程度高、操作简单及催化增效为一体的高效节能装置。

本发明催化反应器出口可连接到工作现场相关设备上进行使用。

本发明设置压力表，便用于检测电磁计量泵液体压力。

本发明设置催化反应器，使混合后的天然气形成低能量的表面自由基，生成振动激发态产物，并以红外辐射方式释放出能量；有效地抑制生成有毒有害物质的副反应发生，基本上不产生或很少产生NOx、CO和HC等污染物。

本发明采用先增效再催化的连接设置，将天然气燃烧热效率发挥到极致，真正实现高效节能，低排环保；天然气能效提高8～12%，成本降低10～20%，降低氮氧化物排放20～35%。提高了企业的工作效率、降低了运营成本、改善了生活环境。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明混合器结构示意图。

图3是本发明催化反应器结构示意图。

图4是使用本发明增效剂窑炉内火焰温度场分布图（带颜色才能清楚表达）。

图5是使用本发明增效剂前的测试结果表格。

图6是使用本发明增效剂后的测试结果表格。

图中，1.底座、2.为增效剂储罐、3.为液位计、4.为加液管、5.为排空阀、6.第一截止阀、7.电磁计量泵、8.压力表、9.天然气入口、10.增效剂加注口、11.混合器、12.混合器上端出口、13.催化反应器、14.第六截止阀、15.不锈钢箱体、16.螺旋盘管、17.外壳、18.磁化柱、19.蜂窝状、20.金属壳体。

具体实施方式

如图所示，本发明包括底座1，底座1上设置有立式增效剂储罐2、电磁计量泵7和混合器11，增效剂储罐2上端设置有竖向加液管4和排空管，加液管4上端连接有加液阀，排空管上端连接有排空阀5；增效剂储罐2下端出口通过第一管道与电磁计量泵7下端进口相连，第一管道上设置有第一截止阀6，电磁计量泵7上端出口分别与第二管道一端、第三管道一端、第四管道一端相连，第二管道另一端与所述增效剂储罐2上端的回液口相连，第二管道上设置有第二截止阀；第三管道另一端连接有压力表8，第三管道上设置有第三截止阀；第四管道另一端与所述混合器11下部增效剂加注口10相连，第四管道上设置有第四截止阀，混合器11下端设置有天然气入口9；混合器上端出口12分别与第五管道一端、第六管道一端相连，第五管道另一端与竖向催化反应器13上端进口相连，第五管道上设置有第五截止阀；第六管道另一端分别与第七管道一端、第八管道一端相连，第六管道上设置有第六截止阀14；第七管道另一端与催化反应器13下端出口相连，第七管道上设置有第七截止阀；第八管道另一端连接有第八截止阀。

所述混合器11包括外壳17，外壳17内中部设置有磁化柱18，围绕磁化柱18由上至下设置有螺旋盘管16，螺旋盘管16下端与所述天然气入口9相连，螺旋盘管16上端与所述混合器上端出口12相连；螺旋盘管16上设置有通孔；所述增效剂加注口10设置在外壳17上与外壳17内部连通；所述通孔为多个，沿螺旋盘管16螺旋轨迹均布；所述磁化柱18采用烧结钕铁硼。本发明混合器11通过内部的磁化柱18，使天然气中的氢原子由逆氢转为正氢，燃气分子由负电变为带正电，碳氢燃料群组分子团变小遍散，受氧面积增加，吸引氧气分子的能力增强，使得燃气得到充分燃烧，使天然气和雾状增效剂通过强磁使两者高效混合成一体，具有混合充分、无残留等特点；极大的提升增效天然气的使用效果。

本发明磁化柱18采用烧结钕铁硼，具有极高的磁化效果，大幅度提高增效剂和天然气的活性。

本发明混合器11将天然气增效剂分子提高到纳米级别，通过磁场催化提高天然气和增效剂的混合效果；有效解决天然气与增效剂间混合不充分，混合比例波动太大的问题。

天然气通过混合器11下端的天然气入口9进到螺旋盘管16中，由螺旋盘管16上的通孔进入外壳17内与增效剂混合，并由磁化柱18加速增效剂与天然气的聚合反应，对天然气的碳氢链进行重组，有效激活天然气的活性分子，使天然气中的碳原子活性增加数倍，加快碳原子在燃烧过程中裂变速度，释放出更多碳微粒。

所述增效剂储罐2上设置有液位计3；所述底座1采用钢制底座1，底座1下端设置有万向脚轮，底座1上方罩有不锈钢箱体15。设置液位计3便于检测增效剂储罐2内液体余量。

所述催化反应器13包括金属壳体20，金属壳体20两端为所述催化反应器13上端进口和下端出口；金属壳体20内设置有贵金属氧化剂，贵金属氧化剂成固态蜂窝状19纳米吸附于金属壳体20内壁上，所述贵金属氧化剂采用PD、PT和正辛基二茂铁贵金属氧化剂。增效天然气通过本发明催化反应器13后可充分激活氧化活性，使燃烧更加充分，减少氮氧化物排放，具有高效、节能、环保等特点。

所述电磁计量泵7的控制信号输入端口与PLC的控制信号输出端口相连，PLC的检测信号输入端口与流量计的检测信号输出端口相连，流量计设置在所述天然气入口9处。

所述电磁计量泵7采用DPMWA4/1.6-Ⅰ型电磁计量泵7，电磁计量泵7的加注频率为0～1200次/分钟，单次加药量为0.1g；所述流量计向PLC发送4～20mA流量信号；所述0次/分钟对应4mA流量信号，1200次/分钟对应20mA流量信号。PLC系统根据当前流量，控制电磁计量泵7高精度及时添加增效剂。

所述混合器11出口处混合气体各组分体积百分数含量为：天然气99%，乙二醇独丁醚0.1%，松节油0.15%，a-烷基脂0.05%，叔丁基铁茂0.1%，环烷酸钾0.1%，航空煤油0.5%。

所述增效剂储罐2内加注的增效剂各组分重量份数为：正辛基二茂铁2～10份、纳米级Ni和Cu-Zn合金2～10份、Fe₃O₄3～13份、TiO₂3～12份、AL₂O₃3～10份、SiO₂0.5～1.5份、120号溶剂油45～60份、分散剂0.5～1.5份。本发明增效剂具有助燃、阻聚、催化、裂化等功效，与天然气能完全反应、燃烧，可以改变火焰的频率及波状，激活母气充分迅速燃烧，提高热效率20%。

利用上述纳米级磁场混合催化、贵金属氧化剂催化及正辛基二茂铁的优化配置组合，在天然气燃烧过程中，贵金属氧化物的催化CO氧化和SO₂的还原反应，由于其分子本身结构粒径小，促使接触作用表面积更大，表面的原子数较多，每个结构衍生物都呈现单磁结构,为超顺磁状态，吸附力强，有较高的化学反应活性，可完全吸附于炭结构体中,在燃烧分解中起磁化作用。再加上本身所含的AL₂O₃可与CH₄在热分解中产生高磁化效能，以及Fe₃O₄本身所具备的强磁作用，对天然气的完全燃烧方面具有不可比拟的优越性，高活性的整体式燃烧催化剂改变了燃烧反应的能量释放方式，也因为高磁化燃烧温度较高,可将废气中的氮、硫等有毒物质经伴燃作用(强氧燃烧)后烧尽,达到大幅降低废气污染的效果。

本发明中的120号溶剂油为有机溶剂，可有效的将多种原料融为一体，提高增效剂的融合度和稳定性。

所述增效剂采用抗氧剂T-155或抗氧剂T501。抗氧剂T501是采用对甲酚和异丁烯为原料制得的燃料添加剂，在燃料中起到抗氧化及防胶作用，该产品油溶解性好，不溶于水，是一种广谱抗氧剂。抗氧剂T-155为聚异丁烯多丁二酰亚胺类无灰添加剂，具有较好的分散性和优异的高温稳定性。

所述增效剂的制备方法包括以下步骤。

1）将纳米级Ni和Cu-Zn合金、Fe₃O₄、TiO₂、AL₂O₃、SiO₂溶于120号溶剂油中得到混合液。

2）用超声波粉碎机将混合液各组分进一步分散，再加温到40～45℃搅拌后，加入正辛基二茂铁，再次加温到40～45℃后，用研磨机研磨100～120分钟后分装至镀锌包装桶中。

实施例1。

用于天然气燃烧的增效节能的添加剂，包括以下重量份数的组分。

正辛基二茂铁2g

纳米级Ni和Cu-Zn合金2g

Fe₃O₄3g

TiO₂3g

AL₂O₃3g

SiO₂0.5g

120号溶剂油45g。

实施例2。

用于天然气燃烧的增效节能的添加剂，包括一下重量份数的组分。

正辛基二茂铁4g

纳米级Ni和Cu-Zn合金4g

Fe₃O₄6g

TiO₂6g

AL₂O₃6g

SiO₂2g

异丙醇5g

6号溶剂油55g。

一种用于提高天然气燃烧效率的增效节能添加剂及其制备方法，包括以下步骤：将纳米级材料Ni和Cu-Zn合金、Fe₃O₄、TiO₂、AL₂O₃、SiO₂、异丙醇溶于6号溶剂油中用超声波粉碎机将纳米金属材料进一步分散，在加温到40～45℃搅拌后，加入正辛基二茂铁，再次加温到40～45℃后，用研磨机研磨100～120分钟后分装至专用镀锌包装桶中。

实施例3。

用于天然气燃烧的增效节能的添加剂，包括一下重量份数的组分。

正辛基二茂铁6g

纳米级Ni和Cu-Zn合金6g

Fe₃O₄8g

TiO₂8g

AL₂O₃8g

SiO₂4g

190#汽油5g

航空煤油60g。

一种用于提高天然气燃烧效率的增效节能添加剂及其制备方法，包括以下步骤：将纳米级材料Ni和Cu-Zn合金、Fe3O4、TiO2、AL2O3、SiO2、190#汽油溶于航空煤油中用超声波粉碎机将纳米金属材料进一步分散，在加温到40～45℃搅拌后，加入正辛基二茂铁，再次加温到40～45℃后，用研磨机研磨100～120分钟后分装至专用镀锌包装桶中。

如图4所示，以实施例1增效剂配方进行实验，实验方法为以增加增效剂和天然气混合比例，观察窑炉内火焰温度场分布图的变化。

由上以上实验可看出窑炉内火焰温度场分布图随天然气和增效剂混合比例增加而提高，到达3‰比例时为最高，比例为5‰时不再变化。

本发明增效剂可用于采用天然气燃烧的窑炉、退火炉、热处理炉、燃烧器和汽车用气等工况。可为以上工况节省天然气使用量10～15%，减少废气排放15～20%，为企业节能减排提供重大意义。

本发明增效剂改变了燃烧反应的能量释放方式，燃烧能量完全以红外辐射方式释放，从而减少了由可见光造成的能量损失，使燃气燃烧的能量得到最充分和最有效的利用。通过降低维持燃烧反应所需要的反应温度，节省燃烧反应本身对燃料燃烧能量的消耗。与传统燃烧比较，可节能10-20%以上。

节能案例。

纯天然气。

客户：辽宁省营口市某耐火材料有限公司。

烈火Ⅲ窑炉增效剂用量：3-6g/m3。

天然气使用前天然气耗气量：44-45m3/h。

使用后天然气耗气量：36-40m3/h。

节能目标：节约燃气10%，用户成本降低5%。

实际效果：节约燃气用量12-20%，用户成本降低6.3%。

注：风机使用变频调节，频率经调节后由49Hz降到46Hz，减少助燃空气用量。

如图5所示，为使用本发明增效剂前的测试结果。

如图6所示，为使用本发明增效剂后的测试结果。

下面结合附图说明本发明的工作过程。

首先将增效剂通过加液管4添加到增效剂储罐2里，增效剂储罐2液位不能高于液位计3显示液面，关闭加液阀。开启第一截止阀6使增效剂流入第一管道里，开启第二截止阀，关闭第四截止阀，开启电磁计量泵7，使增效剂在管道里打回流，排净管道内空气，排净后关闭第二截止阀，开启第三截止阀，电磁计量泵7开始对管道内增效剂增压，观察压力表8到1Mpa后，开启第四截止阀，增效剂通过增效剂加注口10进入混合器11，开启天然气入口9进入混合器11与增效剂混合，混合器11内有磁化柱18，磁化柱18可将天然气分子中的负电转为正电状态，内部螺旋结构将增效剂的粒子状态变成纳米级别，使正电天然气与纳米状增效剂高效混合，合成增效天然气由出口进入催化反应器13里，将增效后的天然气通过贵金属氧化剂，激活增效天然气的氧化活性。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种应用于天然气催化增效的节能装置，包括底座，其特征在于底座上设置有立式增效剂储罐、电磁计量泵和混合器，增效剂储罐上端设置有竖向加液管和排空管，加液管上端连接有加液阀，排空管上端连接有排空阀；增效剂储罐下端出口通过第一管道与电磁计量泵下端进口相连，第一管道上设置有第一截止阀，电磁计量泵上端出口分别与第二管道一端、第三管道一端、第四管道一端相连，第二管道另一端与所述增效剂储罐上端的回液口相连，第二管道上设置有第二截止阀；第三管道另一端连接有压力表，第三管道上设置有第三截止阀；第四管道另一端与所述混合器下部增效剂加注口相连，第四管道上设置有第四截止阀，混合器下端设置有天然气入口；混合器上端出口分别与第五管道一端、第六管道一端相连，第五管道另一端与竖向催化反应器上端进口相连，第五管道上设置有第五截止阀；第六管道另一端分别与第七管道一端、第八管道一端相连，第六管道上设置有第六截止阀；第七管道另一端与催化反应器下端出口相连，第七管道上设置有第七截止阀；第八管道另一端连接有第八截止阀；

所述混合器包括外壳，外壳内中部设置有磁化柱，围绕磁化柱由上至下设置有螺旋盘管，螺旋盘管下端与所述天然气入口相连，螺旋盘管上端与所述混合器上端出口相连；螺旋盘管上设置有通孔；所述增效剂加注口设置在外壳上与外壳内部连通；所述通孔为多个，沿螺旋盘管螺旋轨迹均布；所述磁化柱采用烧结钕铁硼；

所述催化反应器包括金属壳体，金属壳体两端为所述催化反应器上端进口和下端出口；金属壳体内设置有贵金属氧化剂，贵金属氧化剂成固态蜂窝状纳米吸附于金属壳体内壁上，所述贵金属氧化剂采用PD、PT和正辛基二茂铁贵金属氧化剂；

所述电磁计量泵的控制信号输入端口与PLC的控制信号输出端口相连，PLC的检测信号输入端口与流量计的检测信号输出端口相连，流量计设置在所述天然气入口处；

所述电磁计量泵采用DPMWA4/1.6-I型电磁计量泵，电磁计量泵的加注频率为0～1200次/分钟，单次加药量为0.1g；所述流量计向PLC发送4～20mA流量信号；所述0次/分钟对应4mA流量信号，1200次/分钟对应20mA流量信号；

所述混合器出口处混合气体各组分体积百分数含量为；天然气99%，乙二醇独丁醚0.1%，松节油0.15%,a-皖基脂0.05%，叔丁基铁茂0.1%，环烷酸钾0.1%，航空煤油0.5%；

所述增效剂储罐内加注的增效剂各组分重量份数为:正辛基二茂铁 6g、纳米级Ni和Cu-Zn合金 6g、Fe304 8g、Ti02 8g、AL203 8g、SiO 4g、190#汽油 5g、航空煤油 60g。

2.根据权利要求1所述一种应用于天然气催化增效的节能装置，其特征在于所述增效剂储罐上设置有液位计；所述底座采用钢制底座，底座下端设置有万向脚轮，底座上方罩有不锈钢箱体。

3.根据权利要求1所述一种应用于天然气催化增效的节能装置，其特征在于所述增效剂采用抗氧剂T-155或抗氧剂T501。