RU2166696C1 - Catalytic heating element - Google Patents
Catalytic heating element Download PDFInfo
- Publication number
- RU2166696C1 RU2166696C1 RU2000105317A RU2000105317A RU2166696C1 RU 2166696 C1 RU2166696 C1 RU 2166696C1 RU 2000105317 A RU2000105317 A RU 2000105317A RU 2000105317 A RU2000105317 A RU 2000105317A RU 2166696 C1 RU2166696 C1 RU 2166696C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heating element
- gas
- tubular structure
- catalytic heating
- catalyst layer
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN A CARRIER GAS OR AIR
- F23C13/00—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material
Abstract
Description
Изобретение относится к энергетике, к технике сжигания природных и сжиженных газов на каталитических нагревательных элементах, используемых для получения тепла. The invention relates to energy, to the technique of burning natural and liquefied gases on catalytic heating elements used to produce heat.
Изобретение может быть использовано в автономных отопительных водогрейных системах, служащих для обогрева бытовых и производственных помещений. Диапазон мощностей, которые обеспечивает данный нагревательный элемент, находится в интервале 10-100 кВт. The invention can be used in autonomous heating water heating systems used for heating domestic and industrial premises. The range of powers that this heating element provides is in the range of 10-100 kW.
Известно, что для получения тепла при каталитическом окислении газообразных углеводородных газов используются химические реакторы с неподвижным слоем катализатора [Ю.Ш.Матрос, А.С.Носков, В.А.Чумаченко. "Каталитическое обезвреживание отходящих газов промышленных производств" - Новосибирск: Наука СО РАН, 220 с.]. Они, как правило, выполняются в виде многоступенчатых аппаратов, в которых получение тепла является вторичным фактором их эксплуатации. Минимальная тепловая экономически целесообразная мощность, получаемая в таких аппаратах, находится на уровне нескольких мВт. Это, естественно, ограничивает их применение ввиду сложности и экономической целесообразности в автономных отопительных системах. It is known that to obtain heat during the catalytic oxidation of gaseous hydrocarbon gases, chemical reactors with a fixed catalyst bed are used [Yu.Sh. Matros, A.S. Noskov, V.A. Chumachenko. "Catalytic neutralization of waste gases from industrial production" - Novosibirsk: Science SB RAS, 220 pp.]. They, as a rule, are made in the form of multi-stage devices in which heat production is a secondary factor in their operation. The minimum thermal economically feasible power obtained in such devices is at the level of several mW. This, of course, limits their application due to the complexity and economic feasibility in autonomous heating systems.
Известен вариант использования катализаторов блочного типа при сжигании природного газа с целью получения рабочего тела для газотурбинных установок [S. T.Kolaczkowski. Catalytic stationary gas turbine combustors: a review of the challenges faced to clear the next set of hurdles //Trans. Inst. Chem. Eng. , 1995, v. 73, part A, p. 168-191]. В этом случае метан, нагретый до 350oC, при давлении 20 атм подается в реактор с блочным катализатором, содержащим Pt/Al2O3, Pt/SiO2, либо La, Pd, Pt на Al2O3 или Pd, Pt/ZrO2. Температура газа на выходе устройства соответствует 1300oC. Далее нагретый газ подается в газовую турбину для получения электрической энергии.A known option is the use of block type catalysts in the combustion of natural gas in order to obtain a working fluid for gas turbine plants [STKolaczkowski. Catalytic stationary gas turbine combustors: a review of the challenges faced to clear the next set of hurdles // Trans. Inst. Chem. Eng. 1995, v. 73, part A, p. 168-191]. In this case, methane, heated to 350 o C, at a pressure of 20 atm is fed into a reactor with a block catalyst containing Pt / Al 2 O 3 , Pt / SiO 2 , or La, Pd, Pt on Al 2 O 3 or Pd, Pt / ZrO 2 . The gas temperature at the outlet of the device corresponds to 1300 o C. Next, the heated gas is supplied to the gas turbine to obtain electrical energy.
Известен вариант устройства с двухступенчатым каталитическим окислением метана [A. Schuler, K.Ledjeff-Hey. Catalytic combustion-basics and technological aspects. In: Proceedings of the First European Conference on Small Burner Technology and Heating Equipment. Zurich, September 25-26, 1996, v. 1, p. 127-132] . В этом устройстве первая ступень состоит из двух концентрических труб. Катализатор нанесен на внешнюю поверхность внутренней трубы, на которой происходит реакция гетерогенного окисления метана, а в межтрубном пространстве - реакция гомогенного окисления. Внешняя труба устройства выполнена из керамики. Отвод тепла осуществляется из зоны реакции через керамическую трубу к воде, циркулирующей вдоль ее внешней поверхности. На этой ступени осуществляется примерно 60-80% превращения метана. Вторая ступень состоит из блочного катализатора, на котором происходит полное окисление оставшегося метана. Недостатками данной конструкции по соображениям авторов [A. Schuler, K. Ledjeff-Hey. Catalytic combustion-basics and technological aspects. In: Proceedings of the First European Conference on Small Burner Technology and Heating Equipment. Zurich, September 25-26, 1996, v. 1, p. 127-132] являются:
- значительные градиенты температуры по длине трубки на первой ступени;
- низкая энергонапряженность устройства, связанная со снижением температуры по длине устройства и переходом реакции окисления в кинетическую область уже при температуре 600oC.A known variant of the device with a two-stage catalytic oxidation of methane [A. Schuler, K.Ledjeff-Hey. Catalytic combustion-basics and technological aspects. In: Proceedings of the First European Conference on Small Burner Technology and Heating Equipment. Zurich, September 25-26, 1996, v. 1, p. 127-132]. In this device, the first stage consists of two concentric pipes. The catalyst is deposited on the outer surface of the inner tube, on which the reaction of heterogeneous oxidation of methane occurs, and in the annulus - the reaction of homogeneous oxidation. The external pipe of the device is made of ceramic. Heat is removed from the reaction zone through a ceramic pipe to water circulating along its outer surface. At this stage, approximately 60-80% of methane conversion is carried out. The second stage consists of a block catalyst, on which complete oxidation of the remaining methane takes place. The disadvantages of this design for reasons of the authors [A. Schuler, K. Ledjeff-Hey. Catalytic combustion-basics and technological aspects. In: Proceedings of the First European Conference on Small Burner Technology and Heating Equipment. Zurich, September 25-26, 1996, v. 1, p. 127-132] are:
- significant temperature gradients along the length of the tube in the first stage;
- low energy intensity of the device associated with a decrease in temperature along the length of the device and the transition of the oxidation reaction to the kinetic region even at a temperature of 600 o C.
Известна конструкция каталитического нагревательного элемента [Патент РФ N 2062402, 6 F 23 D 14/18, БИ N 17, 1996], в которой для окисления углеводородных газов с целью получения тепла используют каталитический нагревательный элемент трубчатого типа. Нагревательный элемент состоит из перфорированной металлической трубки, заглушенной с одной стороны. Для обеспечения равномерного распределения газа и равномерного тепловыделения по длине трубки на ее внешней поверхности расположен слой порометалла, спеченного со стенкой, и параллельно оси намотано несколько слоев проницаемых армированных плоских и гофрированных лент с нанесенным гетерогенным катализатором. A known design of a catalytic heating element [RF Patent N 2062402, 6 F 23 D 14/18, BI N 17, 1996], in which a tubular type catalytic heating element is used to oxidize hydrocarbon gases to produce heat. The heating element consists of a perforated metal tube plugged on one side. To ensure uniform gas distribution and uniform heat dissipation along the length of the tube, a layer of porometal sintered with the wall is located on its outer surface, and several layers of permeable reinforced flat and corrugated tapes with a heterogeneous catalyst are wound parallel to the axis.
Ленты расположены таким образом, что их нечетные ряды гофрированы, а четные состоят из плоских не гофрированных лент, но витки последующего ряда перекрывают ряды предыдущего. Ленты образуют каталитически активные каналы, на стенках которых происходит окисление газовоздушной смеси с образованием углекислого газа и воды, которые через каналы между лентами удаляются в окружающую среду. Передача тепла от поверхности нагревателя в объем осуществляется посредством конвекции и инфракрасного излучения. Катализаторами сжигания топлива являются армированный пористый материал, содержащий в качестве активных компонентов Co3O4, CuO, Cr2O3, Fe2O3, Al2O3, металлы VIII группы, закрепленные на металлических носителях на основе Ti и сплавов Ti с Al, Ni с Al, Ni с Cr, Ti с Si и т.д.The ribbons are arranged in such a way that their odd rows are corrugated, and the even ones consist of flat not corrugated ribbons, but the turns of the next row overlap the rows of the previous one. The tapes form catalytically active channels, on the walls of which the oxidation of the gas-air mixture occurs with the formation of carbon dioxide and water, which are removed through the channels between the tapes into the environment. Heat is transferred from the surface of the heater to the volume by convection and infrared radiation. The catalysts for burning fuel are reinforced porous material containing, as active components, Co 3 O 4 , CuO, Cr 2 O 3 , Fe 2 O 3 , Al 2 O 3 , Group VIII metals fixed on metal carriers based on Ti and Ti alloys with Al, Ni with Al, Ni with Cr, Ti with Si, etc.
Основным недостатком данного изобретения является ограниченная мощность нагревательного элемента, не превышающая 3-5 кВт, и возможность значительного разогрева внутренней поверхности каталитического слоя из-за отсутствия теплосъема внутри нагревателя. The main disadvantage of this invention is the limited power of the heating element, not exceeding 3-5 kW, and the possibility of significant heating of the inner surface of the catalytic layer due to the lack of heat removal inside the heater.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является конструкция каталитического нагревательного устройства, приведенного в [П.Брокерхофф, Б. Эмонгс. Каталитическая двухкомпонентная горелка. - Второй Европейский конгресс по экономике и менеджменту в области промышленной энергетики, Есторил, Португалия, 5-9 апреля 1994 г, 7 с.]. Основной частью данного устройства является каталитическая горелка. Она представляет собой цилиндрическую пористую структуру 300 мм длиной, изготовленную из волокнистого материала на основе смеси оксидов (носитель). Внешний и внутренний диаметры соответственно равны 100 мм и 40 мм. Принцип работы устройства следующий. Компоненты газового топлива (метан + водород) подаются в коллектор и смешиваются затем с воздухом в смесителе. Образовавшаяся смесь движется сквозь волокнистый носитель в радиальном направлении от входного отверстия. На внешней поверхности носителя установлена сетка из нержавеющей стали, покрытая платиной. Количество платины на одну ячейку сетки составляет 1,0, 0.5 и 0.25 г. Катализатор служит для поджигания газовоздушной смеси и осуществления гетерогенного окисления и поддержания гомогенной реакции окисления. Значительная часть производимого тепла передается путем радиации на теплообменник, расположенный вокруг волокнистого носителя. Часть остающегося тепла поглощается из отходящего газа рекуперативным теплообменником, расположенным на выходе из устройства. Мощность данного устройства находится на уровне 10 кВт. Оно работает на смесях, состоящих из природного газа, водорода и воздуха, температура поверхности волокнистого каталитического носителя составляет 560-800oC, содержание CO в выбрасываемых газах находится в интервале 6 мг/(кВт•ч), что соответствует ≈15 ppm, содержание NOx = 6 мг/(кВт•ч) или 4 ppm.Closest to the proposed invention is the design of the catalytic heating device described in [P. Brockerhoff, B. Emongs. Catalytic two-component burner. - The Second European Congress on Economics and Management in the Field of Industrial Energy, Estoril, Portugal, April 5–9, 1994, 7 pp.]. The main part of this device is a catalytic burner. It is a 300 mm long cylindrical porous structure made of a fibrous material based on a mixture of oxides (carrier). The outer and inner diameters are respectively 100 mm and 40 mm. The principle of operation of the device is as follows. The components of the gas fuel (methane + hydrogen) are fed into the manifold and then mixed with air in the mixer. The resulting mixture moves through the fibrous carrier in a radial direction from the inlet. A stainless steel mesh coated with platinum is installed on the outer surface of the media. The amount of platinum per grid cell is 1.0, 0.5, and 0.25 g. The catalyst serves to ignite a gas-air mixture and carry out heterogeneous oxidation and maintain a homogeneous oxidation reaction. A significant part of the heat produced is transmitted by radiation to a heat exchanger located around the fibrous carrier. Part of the remaining heat is absorbed from the exhaust gas by a regenerative heat exchanger located at the outlet of the device. The power of this device is at the level of 10 kW. It works on mixtures of natural gas, hydrogen and air, the surface temperature of the fibrous catalyst carrier is 560-800 o C, the CO content in the exhaust gases is in the range of 6 mg / (kWh), which corresponds to ≈15 ppm, the content NO x = 6 mg / (kWh) or 4 ppm.
1. Экспериментальные данные тех же авторов [B.Emonts, P.Brockerhoff. Lowemission natural gas combustion in a catalytic heaters. In: Proceedings of the First European Conference on Small Burner Technology and Heating Equipment. Zurich, September 25-26, 1996, v. 1, p. 119-126], полученные на подобном устройстве, как и в [П.Брокерхофф, Б.Эмонтс. Каталитическая двухкомпонентная горелка. - Второй Европейский конгресс по экономике и менеджменту в области промышленной энергетики, Есторил, Португалия, 5-9 апреля 1994 г, 7 с.], но при окислении метановоздушной смеси указывают, что экологически безопасный диапазон регулирования мощности не превышает интервала 8-10 кВт. Так, снижение мощности устройства уже до 6 кВт приводит к увеличению концентрации CO в отходящих газах до 120 ppm. Основными недостатками рассмотренной конструкции, взятой в дальнейшем в качестве прототипа, являются:
- ограниченная мощность нагревателя;
- необходимость добавок водорода в метано-воздушную смесь;
- наличие гомогенно-гетерогенной реакции окисления;
- ограниченный диапазон регулирования мощности устройства.1. Experimental data of the same authors [B.Emonts, P. Brockerhoff. Lowemission natural gas combustion in a catalytic heaters. In: Proceedings of the First European Conference on Small Burner Technology and Heating Equipment. Zurich, September 25-26, 1996, v. 1, p. 119-126], obtained on a similar device, as in [P. Brockerhoff, B. Emonts. Catalytic two-component burner. - The Second European Congress on Economics and Management in the Field of Industrial Energy, Estoril, Portugal, April 5–9, 1994, 7 pp.], But when oxidizing a methane – air mixture, they indicate that the environmentally friendly power control range does not exceed the interval of 8–10 kW. Thus, a decrease in the device power already to 6 kW leads to an increase in the concentration of CO in the exhaust gases to 120 ppm. The main disadvantages of the considered design, taken later as a prototype, are:
- limited heater power;
- the need for hydrogen additives in the methane-air mixture;
- the presence of a homogeneous heterogeneous oxidation reaction;
- limited range of device power control.
Изобретение решает задачу создания нагревательного элемента мощностью 10-100 кВт, использующего для получения тепла принцип каталитического окисления природного газа, а также других углеводородных газов. Каталитический нагревательный элемент обеспечивает экологически чистое окисление углеводородных газов, так что содержание CO в отходящих газах соответствует концентрации не более 10 ppm, отсутствие оксидов азота, содержание метана не более 30 ppm. The invention solves the problem of creating a heating element with a capacity of 10-100 kW, using the principle of catalytic oxidation of natural gas, as well as other hydrocarbon gases, to produce heat. The catalytic heating element provides environmentally friendly oxidation of hydrocarbon gases, so that the CO content in the exhaust gases corresponds to a concentration of not more than 10 ppm, the absence of nitrogen oxides, the methane content of not more than 30 ppm.
Поставленная задача решается путем создания следующей конструкции каталитического нагревательного элемента. The problem is solved by creating the following design of a catalytic heating element.
Каталитический нагревательный элемент содержит трубчатую конструкцию цилиндрической или овальной формы и два стакана, служащих продолжением трубчатой конструкции, со слоем катализатора на их поверхности, газораспределительного устройства с узлом подачи газовоздушной смеси, мест ввода и вывода охлаждающей воды;
катализатор выполнен в виде газопроницаемых плоских и гофрированных армированных лент, навитых и спеченных с трубчатой конструкцией и стаканами, с зазорами между витками с образованием газовоздушных каналов между лентами;
внешний слой катализатора имеет размер гофр больше критического размера каналов для проникновения пламени внутрь слоя катализатора;
ширина слоя катализатора превосходит ширину трубчатой конструкции на ширину стаканов, развязанных по тепловому контакту со слоем катализатора;
газораспределительное устройство содержит одну или несколько перфорированных газораспределительных трубок с диаметром отверстий перфорации, меньших критического диаметра для проникновения пламени внутрь газораспределительной трубки и рассекателя струй, вытекающих из отверстий перфорации;
трубчатая конструкция выполнена в виде водоохлаждаемого трубчатого теплообменника;
в качестве катализатора используют армированный пористый материал, содержащий в качестве активных компонентов Cо3O4, CuO, Cr2O3, Fe2O3, Al2O3, металлы VIII группы, закрепленные на металлических носителях с помощью сплавов Ti - Al, Ni - Al, Ni - Cr, Ti - Si.The catalytic heating element comprises a tubular structure of a cylindrical or oval shape and two glasses serving as a continuation of the tubular structure, with a layer of catalyst on their surface, a gas distribution device with a gas-air mixture supply unit, places of input and output of cooling water;
the catalyst is made in the form of gas-permeable flat and corrugated reinforced tapes, wound and sintered with a tubular structure and glasses, with gaps between the turns with the formation of gas channels between the tapes;
the outer catalyst layer has a corrugation size larger than the critical size of the channels for the penetration of the flame into the catalyst layer;
the width of the catalyst layer exceeds the width of the tubular structure by the width of the glasses, decoupled by thermal contact with the catalyst layer;
the gas distribution device comprises one or more perforated gas distribution pipes with a diameter of the perforation holes smaller than the critical diameter for penetration of the flame into the gas distribution tube and the jet divider flowing from the perforation holes;
the tubular structure is made in the form of a water-cooled tubular heat exchanger;
as a catalyst, a reinforced porous material is used that contains Co 3 O 4 , CuO, Cr 2 O 3 , Fe 2 O 3 , Al 2 O 3 as the active components, Group VIII metals fixed to metal supports using Ti - Al alloys, Ni - Al, Ni - Cr, Ti - Si.
Каталитический нагревательный элемент (фиг. 1) представляет собой трубчатую цилиндрическую или овальную конструкцию, состоящую из трубчатого теплообменника кольцевого типа - 1, внутри которого расположено газораспределительное устройство, представляющее собой одну или несколько перфорированных труб - 2, внутрь которых подается газовоздушная смесь. Вокруг газораспределительной трубы для лучшего распределения газа и подавления скорости истекающих из отверстия струй расположен рассекатель - 3. Катализатор - 4 в виде плоских - 5 и гофрированных - 6 лент навит на трубки теплообменника - 1 и спечен с ними. Слой катализатора превосходит по ширине трубчатый теплообменник на величину стаканов - 7, развязанных по теплу с коллекторами - 8 теплообменника. Для подачи холодной воды и отвода нагретой устройство оборудовано штуцерами - 9 и 10 соответственно. Для улучшения динамических характеристик нагревательного элемента внешний слой катализатора - 11 имеет размер гофр больше критического размера каналов для проникновения пламени внутрь пористой структуры. The catalytic heating element (Fig. 1) is a tubular cylindrical or oval design, consisting of a tubular ring-type heat exchanger - 1, inside which a gas distribution device is located, which consists of one or more perforated pipes - 2, into which a gas-air mixture is supplied. Around the gas distribution pipe for better gas distribution and suppressing the speed of the jets flowing out of the hole, there is a divider - 3. The catalyst - 4 in the form of flat - 5 and corrugated - 6 tapes is wound onto the tubes of the heat exchanger - 1 and sintered with them. The catalyst layer exceeds the width of the tubular heat exchanger by the size of the glasses - 7, decoupled by heat from the collectors - 8 heat exchangers. To supply cold water and drain the heated device is equipped with fittings - 9 and 10, respectively. To improve the dynamic characteristics of the heating element, the outer catalyst layer - 11 has a corrugation size larger than the critical size of the channels for flame penetration into the porous structure.
Предварительно подготовленную газовоздушную смесь с избытком воздуха 15-20% относительно стехиометрического подают внутрь газораспределительной трубки - 2, заглушенной с противоположной стороны. За счет подбора количества отверстий перфорации и их диаметра газовоздушная смесь распределяется равномерно по длине трубы, вытекая через отверстие в межтрубное пространство. Из соображений безопасности эксплуатации диаметр отверстий выбирается меньшим критического для проникновения возможного пламени внутрь газораспределительной трубки. Для подавления скорости струй, вытекающих через отверстия перфорации, вокруг газораспределительной трубки расположен рассекатель струи. В простейшем случае рассекателем может быть металлическая сетка либо перфорированная обечайка. После рассекателя газовоздушная смесь, обтекая трубки газообменника - 1, поступает в слой катализатора. Трубки теплообменника объединены коллекторами - 8 в кольцевую конструкцию, в которую по штуцеру - 9 подается холодная вода, выходящая из следующего коллектора после нагрева по штуцеру - 10. Количество трубок теплообменника и их диаметр выбираются таким образом, чтобы создать опорную конструкцию для слоя катализатора и обеспечить минимальное гидравлическое сопротивление при прохождении через них воды. A pre-prepared gas-air mixture with an excess of air of 15-20% relative to the stoichiometric is fed into the gas distribution pipe - 2, which is plugged from the opposite side. By selecting the number of perforation holes and their diameter, the gas-air mixture is distributed evenly along the length of the pipe, flowing through the hole into the annulus. For reasons of operational safety, the diameter of the holes is chosen smaller than critical for the penetration of a possible flame inside the gas distribution pipe. To suppress the speed of the jets flowing through the perforation holes, a jet divider is located around the gas distribution pipe. In the simplest case, the divider can be a metal mesh or perforated shell. After the divider, the gas-air mixture flowing around the tubes of the gas exchanger - 1, enters the catalyst bed. The heat exchanger tubes are combined by collectors - 8 into an annular structure into which cold water is supplied through the nozzle - 9, leaving the next collector after heating through the nozzle - 10. The number of heat exchanger tubes and their diameter are selected so as to create a support structure for the catalyst layer and provide minimum hydraulic resistance when water passes through them.
Слой катализатора - 1 образуется из плоских - 5 и гофрированных - 6 армированных сеткой газопроницаемых лент, намотанных на трубки теплообменника и спеченных с ними. Ленты расположены таким образом, что их нечетные ряды гофрированы, а четные состоят из плоских негофрированных лент, но витки последующего перекрывают витки предыдущего. Ленты образуют каталитически активные каналы, на стенках которых происходит окисление газовоздушной смеси с образованием углекислого газа и воды, которые через каналы между лентами удаляются в окружающую среду. Передача тепла от поверхности нагревателя в объем осуществляется посредством конвекции и инфракрасного излучения. The catalyst layer - 1 is formed from flat - 5 and corrugated - 6 reinforced with a grid of gas-permeable tapes wound on the heat exchanger tubes and sintered with them. The ribbons are arranged in such a way that their odd rows are corrugated, and the even ones consist of flat non-corrugated ribbons, but the turns of the subsequent overlap the turns of the previous one. Tapes form catalytically active channels, on the walls of which oxidation of the gas-air mixture occurs with the formation of carbon dioxide and water, which are removed through the channels between the tapes into the environment. Heat is transferred from the surface of the heater to the volume by convection and infrared radiation.
Катализаторами сжигания топлива являются армированный пористый материал, содержащий в качестве активных компонентов Cо3O4, CuO, Cr2O3, Fe2O3, Al2O3, металлы VIII группы, закрепленные на металлических носителях на основе Ti и сплавов Ti с Al, Ni с Al, Ti с Si и т.д.The catalysts for burning fuel are reinforced porous material containing, as active components, Co 3 O 4 , CuO, Cr 2 O 3 , Fe 2 O 3 , Al 2 O 3 , Group VIII metals fixed on metal supports based on Ti and Ti alloys with Al, Ni with Al, Ti with Si, etc.
Тепло, образующееся в результате реакции окисления в слое катализатора, частично (≈60%) уносится в окружающую нагреватель среду продуктами реакции, частично (≈40%) за счет теплопроводности передается воде, циркулирующей в трубках теплообменника. Для герметизации торцевых уплотнений слой катализатора продлен относительно теплообменника на ширину стаканов - 7, развязанных по теплу с теплообменником - 1. Это достигается образованием зазора между коллекторами и стаканами, на которые нанесен катализатор. The heat generated as a result of the oxidation reaction in the catalyst bed is partially (≈60%) transferred to the medium surrounding the heater by reaction products, and partially (≈40%) is transferred to the water circulating in the heat exchanger tubes due to heat conduction. To seal the mechanical seals, the catalyst layer is extended relative to the heat exchanger by the width of the glasses - 7, decoupled by heat from the heat exchanger - 1. This is achieved by the formation of a gap between the collectors and glasses, on which the catalyst is applied.
Отличительными признаками технического решения по отношению к прототипу являются:
каталитический нагревательный элемент содержит трубчатую конструкцию цилиндрической или овальной формы и два стакана, служащих продолжением трубчатой конструкции, со слоем катализатора на их поверхности, газораспределительного устройства с узлом подачи газовоздушной смеси, мест ввода и вывода охлаждающей воды;
в каталитическом нагревательном элементе катализатор выполнен в виде газопроницаемых плоских и гофрированных армированных лент, навитых и спеченных с трубчатой конструкцией и стаканами, с зазорами между витками с образованием газовоздушных каналов между лентами;
каталитический нагревательный элемент имеет внешний слой катализатора с размером гофр больше критического размера каналов для проникновения пламени внутрь слоя катализатора;
каталитический нагревательный элемент, в котором ширина слоя катализатора превосходит ширину трубчатой конструкции на ширину стаканов, развязанных по тепловому контакту со слоем катализатора;
каталитический нагревательный элемент имеет газораспределительное устройство, содержащее одну или несколько перфорированных газораспределительных трубок с диаметром отверстий перфорации, меньших критического диаметра для проникновения пламени внутрь газораспределительной трубки и рассекателя струй, вытекающих из отверстий перфорации;
трубчатая конструкция каталитического нагревательном элементе выполнена и виде водоохлаждаемого трубчатого теплообменника;
в каталитическом нагревательном элементе в качестве катализатора используется армированный пористый материал, содержащий в качестве активных компонентов Cо3O4, CuO, Cr2O3, Fe2O3, Al2O3, металлы VIII группы, закрепленные на металлических носителях с помощью сплавов Ti - Al, Ni - Al, Ni - Cr, Ti - Si.Distinctive features of a technical solution in relation to the prototype are:
the catalytic heating element comprises a tubular structure of a cylindrical or oval shape and two glasses serving as a continuation of the tubular structure, with a layer of catalyst on their surface, a gas distribution device with a gas-air mixture supply unit, places of input and output of cooling water;
in the catalytic heating element, the catalyst is made in the form of gas-permeable flat and corrugated reinforced tapes, wound and sintered with a tubular structure and glasses, with gaps between the turns with the formation of gas channels between the tapes;
the catalytic heating element has an outer catalyst layer with a corrugation larger than the critical size of the channels for the flame to enter the catalyst layer;
a catalytic heating element, in which the width of the catalyst layer exceeds the width of the tubular structure by the width of the glasses, decoupled by thermal contact with the catalyst layer;
the catalytic heating element has a gas distribution device comprising one or more perforated gas distribution pipes with perforation holes smaller than the critical diameter for flame to enter the gas distribution pipe and the jets from the perforations;
the tubular design of the catalytic heating element is made in the form of a water-cooled tubular heat exchanger;
in the catalytic heating element, a reinforced porous material containing Co 3 O 4 , CuO, Cr 2 O 3 , Fe 2 O 3 , Al 2 O 3 , Group VIII metals fixed on metal supports using alloys is used as a catalyst Ti - Al, Ni - Al, Ni - Cr, Ti - Si.
Вариант технической реализации автономной водогрейной отопительной системы с применением каталитического нагревательного элемента дан на фиг. 2. Принципиальная схема автономной отопительной системы состоит из следующих узлов. Природный газ (или пропан-бутан) по трубе - 1 поступает в редуктор - 3, где редуцируется до необходимого давления, и затем подается в смесительное устройство - 5. Воздух из атмосферы по трубе - 1 вентилятором - 4 в необходимых количествах подается в смеситель - 5, где происходит образование метановоздушной смеси с коэффициентом избытка воздуха 1,05. Затем эта смесь подается в устройство поджига смеси-6, которое работает только на режимах запуска, в стационарном режиме оно отключено. Из устройства поджига смесь подается в трубчатый каталитический нагревательный элемент - 7. Принцип его действия был описан выше. Нагревательный элемент окружен теплообменной поверхностью - 8, куда подается вода из расширительного бака - 13. Нагрев жидкости происходит за счет радиационной и конвективной теплопередачи от нагревательного элемента, причем радиационная составляющая составляет ~40% от общего теплового потока. Нагреваемая вода после теплообменника-8 поступает в регенеративный теплообменник - 9, где происходит утилизация оставшейся части тепла в продуктах сгорания, последние через трубу - 10 удаляются в атмосферу. Нагретая вода циркуляционным насосом - 11 подается в отопительный прибор - 12, а из него - в расширительный бак - 13. Система оборудована устройством слива воды - 14. An embodiment of the technical implementation of an autonomous hot water heating system using a catalytic heating element is given in FIG. 2. The circuit diagram of an autonomous heating system consists of the following units. Natural gas (or propane-butane) through a pipe - 1 enters a pressure reducer - 3, where it is reduced to the required pressure, and then fed to a mixing device - 5. Air from the atmosphere through a pipe - 1 by a fan - 4 in the required quantities is supplied to a mixer - 5, where the formation of a methane-air mixture occurs with an excess air coefficient of 1.05. Then this mixture is fed into the mixture-6 ignition device, which only works in start-up modes, in stationary mode it is turned off. From the ignition device, the mixture is fed into the tubular catalytic heating element - 7. The principle of its operation has been described above. The heating element is surrounded by a heat exchange surface - 8, to which water is supplied from the expansion tank - 13. Heating of the liquid occurs due to radiation and convective heat transfer from the heating element, and the radiation component is ~ 40% of the total heat flux. The heated water after heat exchanger-8 enters the regenerative heat exchanger-9, where the remaining part of the heat in the combustion products is utilized, the latter through the pipe-10 is removed to the atmosphere. Heated water by the circulation pump - 11 is supplied to the heating device - 12, and from it to the expansion tank - 13. The system is equipped with a water drain - 14.
Пример 1. Каталитический нагревательный элемент имеет размеры:
диаметр - 210 мм
длина - 286 мм
толщина слоя катализатора - 20 мм
На нагревательный элемент подается 463 см3/с природного газа состава (в объемных %) CH4 = 0.828, C2 += 0.016, C3 + = 0.023, C4 + = 0.064, CO2 = 0.005,
N2 = 0.064 и 6800 см3/с воздуха. Во внутренний теплообменник подается вода расходом 40 г/с при температуре входа 15oC.Example 1. The catalytic heating element has the dimensions:
diameter - 210 mm
length - 286 mm
catalyst layer thickness - 20 mm
463 cm 3 / s of natural gas of the composition (in volume%) CH 4 = 0.828, C 2 + = 0.016, C 3 + = 0.023, C 4 + = 0.064, CO 2 = 0.005, is supplied to the heating element
N 2 = 0.064 and 6800 cm 3 / s of air. 40 g / s water is supplied to the internal heat exchanger at an inlet temperature of 15 o C.
В результате осуществления каталитической реакции окисления природного газа получено:
температура поверхности нагревателя - 832oC;
содержание CO в отходящих от поверхности газах - 6 ppm;
содержание NOx - 0;
содержание метана - 18 ppm;
общая мощность нагревателя - 20 кВт, из них 7.5 кВт используется на нагрев воды во внутреннем теплообменнике до температуры 60oC;
перепад давления при движении газовоздушной смеси - 21 мм H2O.As a result of the catalytic oxidation of natural gas, the following was obtained:
the surface temperature of the heater is 832 o C;
the CO content in the exhaust gases from the surface is 6 ppm;
the content of NO x is 0;
methane content - 18 ppm;
the total heater power is 20 kW, of which 7.5 kW is used to heat water in an internal heat exchanger to a temperature of 60 o C;
pressure drop when moving the air-gas mixture - 21 mm H 2 O.
Пример 2. Нагревательный элемент имеет те же размеры, что и в примере 1. Состав природного газа, подаваемого на нагреватель, совпадает с примером 1:
расход газа - 624 см3/с;
расход воздуха - 8330 см3/с;
расход воды - 63 г/с.Example 2. The heating element has the same dimensions as in example 1. The composition of the natural gas supplied to the heater coincides with example 1:
gas consumption - 624 cm 3 / s;
air consumption - 8330 cm 3 / s;
water consumption - 63 g / s.
Получено:
температура поверхности нагревательного элемента - 910oC;
содержание CO - 11 ppm;
содержание CH4 - 5 ppm;
содержание NOx - 0;
общая мощность - 25 кВт;
мощность на нагрев воды - 9.5 кВт;
температура воды на выходе - 50oC;
перепад давления - 34 мм H2O.Received:
the surface temperature of the heating element is 910 o C;
the content of CO is 11 ppm;
the content of CH 4 is 5 ppm;
the content of NO x is 0;
total power - 25 kW;
power for heating water - 9.5 kW;
outlet water temperature - 50 o C;
differential pressure - 34 mm H 2 O.
Пример 3. Нагревательный элемент имеет те же размеры, что и в примере 1. Состав природного газа, подаваемого на нагреватель, совпадает с примером 1:
расход газа - 365 см3/с;
расход воздуха - 5200 см3/с;
расход воды - 43 г/с.Example 3. The heating element has the same dimensions as in example 1. The composition of the natural gas supplied to the heater coincides with example 1:
gas consumption - 365 cm 3 / s;
air consumption - 5200 cm 3 / s;
water consumption - 43 g / s.
Получено:
температура поверхности нагревательного элемента - 770oC;
содержание CO - 5-9 ppm;
содержание CH4 - 115 ppm;
содержание NOx - нет;
общая мощность - 17 кВт;
мощность на нагрев воды - 7.2 кВт;
температура воды на выходе из нагревателя - 55oC;
перепад давления - 10 мм H2O.Received:
the surface temperature of the heating element is 770 o C;
the content of CO is 5-9 ppm;
the content of CH 4 is 115 ppm;
NO x content is not;
total power - 17 kW;
power for heating water - 7.2 kW;
the temperature of the water leaving the heater is 55 o C;
differential pressure - 10 mm H 2 O.
Предлагаемое изобретение позволяет создать нагревательный элемент мощностью 10-100 кВт, использующий для получения тепла принцип каталитического окисления природного газа, а также других углеводородных газов. Каталитический нагревательный элемент обеспечивает экологически чистое окисление углеводородных газов, так что содержание CO в отходящих газах соответствует концентрации не более 10 ppm, отсутствие оксидов азота, содержание метана не более 30 ppm. The present invention allows to create a heating element with a capacity of 10-100 kW, using the principle of catalytic oxidation of natural gas, as well as other hydrocarbon gases, to produce heat. The catalytic heating element provides environmentally friendly oxidation of hydrocarbon gases, so that the CO content in the exhaust gases corresponds to a concentration of not more than 10 ppm, the absence of nitrogen oxides, the methane content of not more than 30 ppm.
Изобретение может быть использовано в автономных отопительных водогрейных системах, служащих для обогрева бытовых и производственных помещений. The invention can be used in autonomous heating water heating systems used for heating domestic and industrial premises.
Claims (7)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000105317A RU2166696C1 (en) | 2000-03-03 | 2000-03-03 | Catalytic heating element |
| PCT/RU2001/000065 WO2001065177A1 (en) | 2000-03-03 | 2001-02-19 | Catalytic heating element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000105317A RU2166696C1 (en) | 2000-03-03 | 2000-03-03 | Catalytic heating element |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2166696C1 true RU2166696C1 (en) | 2001-05-10 |
Family
ID=20231393
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2000105317A RU2166696C1 (en) | 2000-03-03 | 2000-03-03 | Catalytic heating element |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2166696C1 (en) |
| WO (1) | WO2001065177A1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2451877C2 (en) * | 2007-02-26 | 2012-05-27 | Ифп | Porous hydrogen burner without premixing |
| RU2596900C1 (en) * | 2015-09-21 | 2016-09-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Уникат" | Catalytic heater with distributor of gas flow |
| RU2674231C1 (en) * | 2018-03-07 | 2018-12-05 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук (ИК СО РАН) | Method of catalytic burning gaseous fuels and device for its implementation |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU506727A1 (en) * | 1973-01-09 | 1976-03-15 | Саратовский филиал Специального конструкторского бюро Всесоюзного научно-производственного объединения "Союзгазавтоматика" | Catalytic burner |
| DE4204320C1 (en) * | 1992-02-13 | 1993-08-12 | Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung Ev, 8000 Muenchen, De | |
| DE4317554C2 (en) * | 1993-05-26 | 1997-03-06 | Fraunhofer Ges Forschung | Water heater |
| RU2062402C1 (en) * | 1994-02-24 | 1996-06-20 | Институт катализа им.Г.К.Борескова СО РАН | Catalytic heating member |
| CH690282A5 (en) * | 1994-07-25 | 2000-06-30 | Vaillant Gmbh | Heater with a catalytic burner. |
| RU2110015C1 (en) * | 1996-02-08 | 1998-04-27 | Институт катализа им.Г.К.Борескова СО РАН | Infra-red radiator, method of burning of hydrocarbon gaseous fuel and method of preparation of complex ceramics activated with catalyst |
-
2000
- 2000-03-03 RU RU2000105317A patent/RU2166696C1/en not_active IP Right Cessation
-
2001
- 2001-02-19 WO PCT/RU2001/000065 patent/WO2001065177A1/en active Application Filing
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2451877C2 (en) * | 2007-02-26 | 2012-05-27 | Ифп | Porous hydrogen burner without premixing |
| RU2596900C1 (en) * | 2015-09-21 | 2016-09-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Уникат" | Catalytic heater with distributor of gas flow |
| WO2017052398A1 (en) * | 2015-09-21 | 2017-03-30 | Общество с ограниченной ответственностью "Уникат" | Catalytic heating apparatus with a gas flow distributor |
| RU2674231C1 (en) * | 2018-03-07 | 2018-12-05 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук (ИК СО РАН) | Method of catalytic burning gaseous fuels and device for its implementation |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2001065177A8 (en) | 2001-11-22 |
| WO2001065177A1 (en) | 2001-09-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0913357B1 (en) | Reformer and method for operation thereof | |
| EP1394103B1 (en) | Cylindrical water vapor reforming unit | |
| CN101432065B (en) | Internal combustion exchanger reactor for endothermic reaction in fixed bed | |
| US4214867A (en) | Method and apparatus for catalytic heat exchange | |
| US5464006A (en) | Water heater | |
| RU2003116515A (en) | MULTIFUNCTIONAL ENERGY SYSTEM (OPTIONS) | |
| Kunte et al. | A spiral microreactor for improved stability and performance for catalytic combustion of propane | |
| EP2158962B1 (en) | Method for forming a fuel cell reformer | |
| US4288346A (en) | Catalyst for catalytic heat exchange | |
| US20040005268A1 (en) | Method and multi-stage shift reactor for reducing the carbon monoxide content in a hydrogen-containing gas stream, and reformer installation | |
| US8133445B2 (en) | Reaction chamber promoting heat exchange between the reagents and the gases that are produced | |
| JP2005306658A (en) | Hydrogen producing apparatus | |
| US6899861B2 (en) | Heat exchanger mechanization to transfer reformate energy to steam and air | |
| RU2166696C1 (en) | Catalytic heating element | |
| JPH0794322B2 (en) | Methanol reformer | |
| RU2062402C1 (en) | Catalytic heating member | |
| JP3432298B2 (en) | Fuel reformer | |
| RU2209378C2 (en) | Water heating boiler and its operation method | |
| RU2001126252A (en) | Hot water boiler and how it works | |
| RU2269725C1 (en) | Catalytic hot-water boiler | |
| JPH0335241B2 (en) | ||
| CN112696676A (en) | Flameless combustor or flameless combustor group with heat exchange system and application | |
| JP2002029705A (en) | Reforming device | |
| RU2674231C1 (en) | Method of catalytic burning gaseous fuels and device for its implementation | |
| RU2009712C1 (en) | Apparatus for catalytic conversion of hydrocarbons |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080304 |