RU2674231C1 - Способ каталитического сжигания газообразных топлив и устройство для его осуществления - Google Patents
Способ каталитического сжигания газообразных топлив и устройство для его осуществления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2674231C1 RU2674231C1 RU2018108504A RU2018108504A RU2674231C1 RU 2674231 C1 RU2674231 C1 RU 2674231C1 RU 2018108504 A RU2018108504 A RU 2018108504A RU 2018108504 A RU2018108504 A RU 2018108504A RU 2674231 C1 RU2674231 C1 RU 2674231C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- catalytic
- catalyst
- combustion
- air
- layers
- Prior art date
Links
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 title claims abstract description 44
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 34
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 33
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims abstract description 28
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims abstract description 21
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 21
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 claims abstract description 20
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 claims abstract description 20
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 16
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 13
- 238000007084 catalytic combustion reaction Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 12
- 229920001410 Microfiber Polymers 0.000 claims abstract description 9
- 239000003658 microfiber Substances 0.000 claims abstract description 9
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 6
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 claims description 11
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 claims description 7
- AMWRITDGCCNYAT-UHFFFAOYSA-L hydroxy(oxo)manganese;manganese Chemical compound [Mn].O[Mn]=O.O[Mn]=O AMWRITDGCCNYAT-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 6
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 claims description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 4
- 239000010948 rhodium Substances 0.000 claims description 4
- MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N rhodium atom Chemical compound [Rh] MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- QPLDLSVMHZLSFG-UHFFFAOYSA-N Copper oxide Chemical compound [Cu]=O QPLDLSVMHZLSFG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000005751 Copper oxide Substances 0.000 claims description 3
- JGDFBJMWFLXCLJ-UHFFFAOYSA-N copper chromite Chemical compound [Cu]=O.[Cu]=O.O=[Cr]O[Cr]=O JGDFBJMWFLXCLJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910000431 copper oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910000314 transition metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910003445 palladium oxide Inorganic materials 0.000 claims 2
- 229910003446 platinum oxide Inorganic materials 0.000 claims 2
- 229910003450 rhodium oxide Inorganic materials 0.000 claims 2
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N nitrogen oxide Inorganic materials O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 37
- 239000012535 impurity Substances 0.000 abstract description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 abstract description 3
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 12
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 9
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 9
- 239000000047 product Substances 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 4
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 3
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 3
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 3
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 239000008246 gaseous mixture Substances 0.000 description 2
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 2
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 description 2
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004071 soot Substances 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 102220579497 Macrophage scavenger receptor types I and II_F23C_mutation Human genes 0.000 description 1
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 102220488234 Uromodulin-like 1_F23D_mutation Human genes 0.000 description 1
- HOWJQLVNDUGZBI-UHFFFAOYSA-N butane;propane Chemical compound CCC.CCCC HOWJQLVNDUGZBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052878 cordierite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- JSKIRARMQDRGJZ-UHFFFAOYSA-N dimagnesium dioxido-bis[(1-oxido-3-oxo-2,4,6,8,9-pentaoxa-1,3-disila-5,7-dialuminabicyclo[3.3.1]nonan-7-yl)oxy]silane Chemical compound [Mg++].[Mg++].[O-][Si]([O-])(O[Al]1O[Al]2O[Si](=O)O[Si]([O-])(O1)O2)O[Al]1O[Al]2O[Si](=O)O[Si]([O-])(O1)O2 JSKIRARMQDRGJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000010892 electric spark Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 description 1
- 239000003779 heat-resistant material Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000013067 intermediate product Substances 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 238000010422 painting Methods 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 229910052702 rhenium Inorganic materials 0.000 description 1
- WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N rhenium atom Chemical compound [Re] WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 238000009941 weaving Methods 0.000 description 1
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
- F23C13/06—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material in which non-catalytic combustion takes place in addition to catalytic combustion, e.g. downstream of a catalytic element
-
- 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
- F23C13/08—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material characterised by the catalytic material
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Catalysts (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области химии, а именно к способу экологически чистого каталитического сжигания газообразных топлив в системах автономного отопления и в теплоэнергетике. Предложены способ и устройство для экологически чистого каталитического сжигания газообразных топлив, включающие гомогенное горение газообразного топлива в среде воздуха в условиях соотношения топливо/кислород, близкого к стехиометрическому, дальнейшее смешение полученных продуктов горения с дополнительным количеством воздуха и пропускание полученной газовой смеси через зону каталитического окисления, содержащую катализатор глубокого окисления углеводородов и органических соединений кислородом, при этом в зоне каталитического окисления используют каталитические блоки, состоящие из попеременно чередующихся слоев гибкого микроволокнистого катализатора в виде тканых, либо плетеных, либо прессованных плоских полотен и слоев структурообразующих элементов, проницаемых для реакционного потока, в том числе попеременно чередуемых основных объемных элементов и вспомогательных объемных структурообразующих элементов. Технический результат - минимальное содержание вредных примесей (углеводородов, CO, сажи и оксидов азота) и малые габариты и металлоемкость устройства. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 пр., 1 табл., 3 ил.
Description
Изобретение относится к области химии, а именно к способу экологически чистого каталитического сжигания газообразных топлив в системах автономного отопления и в теплоэнергетике.
Сжигание различных углеводородных и органических топлив, лежащее в основе современных технологий производства тепловой энергии, сопряжено с образованием вредных побочных продуктов горения, таких как, монооксид углерода (СО), непревращенных углеводородов, сажевых частиц, а также окисидов азота (NOx). Последние образуются за счет взаимодействия кислорода и азота при высокой температуре (более 1000°С) и высокой концентрации кислорода в зоне горения.
Повышение экологической эффективности сжигания газообразных углеводородных топлив является важной практической задачей. Перспективным направлением решения этой задачи является применение каталитических процессов. Катализаторы позволяют более эффективно дожигать исходные углеводороды и органические соединения, а также СО, кроме того, каталитическое окисление протекает при более низких температурах, что позволяет минимизировать образование оксидов азота.
Известен способ сжигания горючей смеси, в котором смесь горючее/кислородсодержащий газ сжигают последовательно, используя ряд определенных катализаторов и каталитических структур при избранной температуре, предпочтительно между 1050 и 1700°С (Пат. РФ №2161755, F23D 14/18, 10.01.2001). В зависимости от рабочего давления может быть две или три каталитических стадии, для каждой из которых катализатор подбирается в зависимости от рабочей температуры.
Выходящий газ имеет температуру, пригодную для его использования в газовой турбине, паровом котле и т.п., и при этом имеет низкое содержание оксидов азота. Недостатком такого способа является его многостадийность, возможность возникновения перегревов в слоях катализатора, а также сложность управления. Кроме того, высокие рабочие температуры могут приводить к образованию значительных количеств NOx.
Известен способ двухстадийного сжигания газообразного углеводородного топлива и устройство для его осуществления (Пат. РФ №2350839, F23C 13/06, 27.03.2009), характеризующийся тем, что на первой стадии осуществляют частичное каталитическое окисление углеводородного топлива на разогретом катализаторе с получением синтез-газа, содержащего водород и монооксид углерода, который на второй стадии смешивают с дополнительным количеством воздуха. На второй стадии в зоне горения осуществляют пламенное сжигание полученной смеси синтез-газа с воздухом, при этом обеспечивают общий коэффициент избытка воздуха по отношению к стехиометрическому в диапазоне, равном α=0.6÷3; На первой стадии все газообразное углеводородное топливо подают в канал частичного каталитического окисления. Смесь газообразного углеводородного топлива с воздухом, проходящую по каналу частичного каталитического окисления, задают из, соотношения топливо/воздух в диапазоне, равном 1:2.8÷1:3. Синтез-газ, выходящий из канала частичного каталитического окисления, и дополнительный воздух для получения гомогенной горючей смеси подают в зону горения соответственно в виде встречных кольцевых коаксиальных струй. Для осуществления процесса сгорания производят воспламенение смеси газообразного углеводородного топлива с воздухом, при этом отношение объема указанной смеси к стехиометрическому объему воздуха выбирают в диапазоне 1.05÷1.2. Воспламенение смеси газообразного углеводородного топлива с воздухом осуществляют электрической искровой или калильной свечой и контролируют с помощью датчика контроля пламени. В качестве катализатора используют пористый материал, содержащий в качестве активных компонентов родий, никель, платину, палладий, железо, кобальт, рений, рутений или их смеси.
Этот способ позволяет снизить выброс вредных веществ в атмосферный воздух, обеспечивая в отходящих газах практически полное отсутствие оксида углерода и оксидов азота. Недостатком этого способа является многостадийность, техническая сложность устройства для его осуществления, низкая объемная производительность, а также потенциальная неустойчивость в тепловых режимах работы, особенно при изменении расходов воздуха и топливного газа.
Наиболее близким является способ двухстадийного сжигания природного газа и устройство для его осуществления, описанные в работе «Катализаторы и процессы каталитического горения» (З.Р. Исмагилов, М.А. Керженцев, Химическая промышленность, №3 (197), с. 53-59). В этом способе на цервой стадии осуществляют факельное сжигание природного газа при подаче воздуха в объеме, близком к стехиометрическому. При этом за счет малого количества кислорода подавляется образование оксидов азота. Затем топочные газы, дополнительно разбавленные воздухом, подаются во вторую камеру, где расположена каталитическая кассета, содержащая каталитические блоки шестигранной структуры. В этой кассете происходит эффективное доокисление СО и углеводородов, при этом оксиды азота не образуются благодаря относительно низкой температуре осуществления процесса (700-1100 К).
Такой способ отличается простотой, высокой эффективностью сжигания топливного газа, низким содержанием вредных примесей в продуктах сгорания. К недостаткам такого способа относится высокая стоимость каталитических блоков, связанная с необходимостью использования блоков на основе дорогих носителей (циркониевая керамика, карбид кремния, кордиерит и пр.), устойчивых в условиях высоких температур и быстрых изменений температуры. Кроме того, каталитическое окисление на второй стадии может быть недостаточно эффективным из-за существенного внешнедиффузионного торможения каталитических реакций, типичного для монолитных сотовых каталитических блоков. Это может ухудшать экологическую эффективность способа.
Изобретение решает задачу разработки эффективного способа каталитического сжигания газообразных топлив и устройства для его осуществления, которые должны обладать высокой экологической эффективностью, высокой надежностью эксплуатации, низкой стоимостью и технологической простотой.
Задача решается тем, что в способе экологически чистого каталитического сжигания газообразных топлив, включающем гомогенное горение газообразного топлива в среде воздуха в условиях соотношения топливо/кислород, близкого к стехиометрическому, дальнейшее смешение полученных продуктов горения с дополнительным количеством воздуха и пропускание полученной газовой смеси через зону каталитического окисления, содержащую катализатор глубокого окисления углеводородов и органических соединений кислородом, в зоне каталитического окисления используют каталитические блоки, состоящие из попеременно чередующихся слоев гибкого микроволокнистого катализатора в виде тканых, либо плетеных, либо прессованных плоских полотен и слоев структурообразующих элементов, проницаемых для реакционного потока, в том числе попеременно чередуемых основных объемных элементов высотой 3-20 мм и вспомогательных объемных структурообразующих элементов высотой 1-3 мм.
Для осуществления этого способа используют устройство, включающее систему подачи топливного газа, систему подачи воздуха, а также корпус устройства, внутри которого располагается горелка для гомогенного горения газообразного топлива в среде воздуха в условиях соотношения топливо/кислород, близкого к стехиометрическому, зона смешения продуктов сгорания с воздухом, а также структурированные каталитические блоки, содержащие катализатор глубокого окисления углеводородов и органических соединений кислородом, в котором используют каталитические блоки, состоящие из попеременно чередующихся слоев гибкого микроволокнистого катализатора в виде тканых, либо плетеных, либо прессованных плоских полотен и слоев структурообразующих элементов, проницаемых для реакционного потока, в том числе попеременно чередуемых основных объемных элементов высотой 3-20 мм и вспомогательных объемных структурообразующих элементов высотой 1-3 мм.
При этом чередующиеся слои катализатора и структурирующих элементов могут образовывать в совокупности цилиндр или призму с основанием, перпендикулярным направлению расположения слоев. В качестве микроволокнистого катализатора может использоваться стекловолокнистый катализатор, выполненный из носителя на основе термостойких стекловолокон и каталитически активного компонента, находящегося на поверхности этих стекловолокон. Таким каталитически активным компонентом могут быть поверхностные частицы благородных металлов (платина, палладий, родий) или оксидов переходных металлов (оксид меди, оксид марганца, хромит меди и пр.).
Технический результат заявляемого изобретения заключается в том, что описанные блоки отличаются высокой термостойкостью и высокой устойчивостью к быстрым изменениям температуры, а также к механическим нагрузкам, что обеспечивает высокую эксплуатационную устойчивость процесса сжигания и высокую надежность устройства для его осуществления. Такие блоки просты в изготовлении и не требуют дорогостоящих специальных термостойких материалов, что обуславливает их невысокую стоимость. За счет эффективной турбулизации потока в основных каналах для прохода реакционного потока достигается высокая интенсивность внешнего массопереноса промежуточных продуктов из потока к поверхности катализатора, кроме того, использование вспомогательных структурирующих элементов обеспечивает высокую доступность не только внешней, но и внутренней стороны каталитического материала.
Изобретение поясняется чертежом Фиг. 1, на котором изображена схема процесса сжигания газообразных топлив. Исходный топливный газ 1 и воздух 2 подаются в секцию 3, где они смешиваются и где происходит горение топливного газа. Расход воздуха подбирается таким образом, чтобы горение протекало в условиях соотношения топливо/кислород, близкого к стехиометрическому, что обеспечивает минимальное образование оксидов азота. При этом, однако, в продуктах горения наблюдаются повышенные концентрации непревращенных исходных углеводородных и органических компонентов топливного газа и СО. Полученные продукты горения с температурой 700-1000°С далее смешивают с дополнительным потоком воздуха, за счет чего обеспечивается избыток кислорода для последующего окисления, а также происходит снижение температуры потока до температуры протекания каталитических реакций (400-650°С). Полученную газообразную смесь далее пропускают через систему из одного или нескольких каталитических блоков 4, где происходит каталитическое окисление непревращенных компонентов топливного газа и СО. Полученный газовый поток 5 не содержит или содержит минимальное количество вредных примесей.
Для реализации способа используют каталитические блоки цилиндрической или призматической формы (Фиг. 2), состоящие из попеременно чередующихся слоев гибкого микроволокнистого катализатора 6 в виде тканых, либо плетеных, либо прессованных плоских полотен и слоев, проницаемых для реакционного потока, структурообразующих элементов, а именно, попеременно чередуемых основных объемных элементов 7 высотой 3-20 мм и вспомогательных объемных структурообразующих элементов 8 высотой 1-3 мм.
Конструкция и принцип действия устройства для экологически чистого каталитического сжигания газообразных топлив поясняются чертежом Фиг. 3. Исходный поток воздуха 9 направляется напорным вентилятором 10 внутрь корпуса устройства 11. Часть этого воздуха в горелке 12 смешивается с потоком топливного газа, подаваемого по линии 13, при этом расход воздуха в зоне горения 14 близок к стехиометрическому, что минимизирует образование оксидов азота. Продукты сгорания, содержащие СО и остатки непревращенных компонентов топливного газа, смешиваются с остальным потоком воздуха, после чего полученная газообразная смесь 15 поступает в каталитический блок 16? где происходит каталитическое окисление непревращенных компонентов топливного газа и СО. Полученный газовый поток 17 не содержит или содержит минимальное количество вредных примесей.
Оптимальная высота основного структурообразующего элемента 7 в описанных каталитических блоках лежит в диапазоне 3-20 мм. При высоте менее 3 мм может существенно возрастать гидравлическое сопротивление каталитического блока, при увеличении высоты свыше 20 мм может ухудшаться массоперенос реагентов к поверхности катализатора, что негативно скажется на эффективности осуществления реакции. В качестве основного структурообразующего элемента возможно использование гибкой гофрированной ленты. Более предпочтительно использование проницаемой гофрированной ленты (сетки), которая обеспечит возможность перераспределения реакционного потока между каналами гофра и тем самым повысит эффективность массообмена я улучшит равномерность распределения реакционного потока по сечению каталитического блока. Также возможно использование сеток объемного плетения, которые способны обеспечивать необходимые расстояния между слоями каталитического полотна в условиях внешних механических нагрузок на каталитический блок.
Оптимальная высота вспомогательных объемных структурообразующих элементов 8 составляет 1-3 мм. При высоте менее 1 мм улучшение доступности внутренней поверхности каталитического материала может оказаться недостаточной, при высоте более 3 мм эти элементы будут занимать слишком большую часть объема блока, тем самым снижая его эффективность. Для изготовления вспомогательных объемных структурообразующих элементов могут использоваться плоские металлические ленты и сетки.
В качестве катализаторов 6 в таких блоках могут использоваться известные стекловолокнистые каталитические материалы, в частности, описанные в патентах РФ №№2069584, 2607950, 2549906, 2633369.
Описанные блоки просты в изготовлении, отличаются высокой механической стабильностью и устойчивостью к механическим и температурным шокам. В таких слоях, за счет повышенной доступности -обеих сторон каталитического материала для реакционного потока, будет стабильно обеспечиваться высокая эффективность протекания каталитических реакций. При этом будет сохраняться низкое гидравлическое сопротивление потоку реакционной смеси при обеспечении равномерного распределения потока реакционной смеси но сечению слоев и предотвращении диффузионных проскоков реагентов. Применение описанных блоков позволяет проводить сжигание газообразных топлив в компактных и недорогих устройствах с весьма малыми габаритами и металлоемкостью, а также с минимальным содержанием вредных примесей (углеводородов, СО, сажи и оксидов азота).
Сущность изобретения иллюстрируется следующим примером и Фиг.
Пример
Каталитическое сжигание газообразного топлива проводят в устройстве, схема которого приведена на чертеже Фиг. З. Каталитический блок 8 состоит из попеременно чередующихся слоев гибкого стеклотканного платинового катализатора ИК-12-С111, и структурирующих элементов, образуя при этом в совокупности цилиндр диаметром 160 мм и высотой 160 мм, основание которого перпендикулярно направлению расположения слоев (сечение блока показано на Фиг. 2 слева). При этом используются два попеременно чередующихся типа структурирующих элементов: слои гофрированной металлической сетки с высотой гофра 5 мм и гофрированной металлической сетки с высотой гофра 1.5 мм.
Слои гофрированных сеток высотой 5 мм образуют регулярно расположенные основные каналы для прохода реакционного потока вдоль поверхности каталитических полотен. При этом такие каналы имеют одинаковую высоту (~5 мм), что обуславливает геометрическую однородность блока, высокую эффективлость массопереноса реагентов из потока к поверхности катализаторов и низкое гидравлическое сопротивление. Гофрированные металлические сетки высотой гофра 1.5 мм образуют дополнительные каналы для обеспечения доступности внутренней поверхности каталитического материала, при этом они также обеспечивают механическую стабильность и прочность блока, его долговременную устойчивость при механических и термических нагрузках.
В качестве газообразного топлива используют пропан-бутан. Расход топлива составляет 1.2 кг/час, расход воздуха - около 150 м3/час, расчетная тепловая мощность устройства составляет 15 кВт. Замеренная средняя температура горячего воздуха на выходе устройства составляет 250-300°С, температура потока на расстоянии 3 м от устройства находится на уровне 80°С, что позволяет использовать поток для безопасного отопления помещений.
Данные по составу газового потока приведены в Таблице. Для сравнения приведены данные, полученные на этом же устройстве без использования каталитического блока, а также результаты испытаний устройства, описанного в работе «Катализаторы и процессы каталитического горения» (З.Р. Исмагилов, М.А. Керженцев, Химическая промышленность, №3(197), с. 53-59), в котором используются традиционные сотовые блоки (сведения по концентрациям примесей для этого устройства взяты на основе данных рекламного буклета, ссылка http://www.catalysis.ru/block/index.php?ID=3&SECTION_ID=1480, копия прилагается).
Видно, что применение описанного устройства позволяет при равной тепловой мощности обеспечить существенно меньшее содержание токсичных примесей (СО, оксиды азота, углеводороды) в продуктах сгорания, как по сравнению с процессом некаталитического сжигания, так и с процессом на основе традиционного сотового катализатора. При этом содержание всех примесей не превышает соответствующих порогов предельно допустимых концентраций.
Claims (7)
1. Способ каталитического сжигания газообразных топлив, включающий гомогенное горение газообразного топлива в среде воздуха в условиях соотношения топливо/кислород, близкого к стехиометрическому, дальнейшее смешение полученных продуктов горения с дополнительным количеством воздуха и пропускание полученной газовой смеси через зону каталитического окисления, содержащую катализатор глубокого окисления углеводородов и органических соединений кислородом, отличающийся тем, что в зоне каталитического окисления используют каталитические блоки, состоящие из попеременно чередующихся слоев гибкого микроволокнистого катализатора в виде тканых, либо плетеных, либо прессованных плоских полотен и слоев, проницаемых для реакционного потока структурообразующих элементов, в том числе попеременно чередуемых основных объемных элементов высотой 3-20 мм и вспомогательных объемных структурообразующих элементов высотой 1-3 мм.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве микроволокнистого катализатора используют стекловолокнистый катализатор, выполненный из носителя на основе термостойких стекловолокон и каталитически активного компонента, находящегося на поверхности этих стекловолокон.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве каталитически активного компонента используют поверхностные частицы благородных металлов, таких как платина, палладий, родий, или оксидов переходных металлов, например оксид меди, оксид марганца, хромит меди и пр.
4. Устройство для каталитического сжигания газообразных топлив, включающее систему подачи топливного газа, систему подачи воздуха, а также корпус устройства, внутри которого располагается горелка для гомогенного горения газообразного топлива в среде воздуха в условиях соотношения топливо/кислород, близкого к стехиометрическому, зона смешения продуктов сгорания с воздухом, а также структурированные каталитические блоки, содержащие катализатор глубокого окисления углеводородов и органических соединений кислородом, отличающееся тем, что используют каталитические блоки, состоящие из попеременно чередующихся слоев гибкого микроволокнистого катализатора в виде тканых, либо плетеных, либо прессованных плоских полотен и слоев структурообразующих элементов, проницаемых для реакционного потока, в том числе попеременно чередуемых основных объемных элементов высотой 3-20 мм и вспомогательных объемных структурообразующих элементов высотой 1-3 мм.
5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что чередующиеся слои катализатора и структурирующих элементов образуют в совокупности цилиндр или призму с основанием, перпендикулярным направлению расположения слоев.
6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что в качестве микроволокнистого катализатора используют стекловолокнистый катализатор, выполненный из носителя на основе термостойких стекловолокон и каталитически активного компонента, находящегося на поверхности этих стекловолокон.
7. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что в качестве каталитически активного компонента используют поверхностные частицы благородных металлов, таких как, платина, палладий, родий, или оксидов переходных металлов, например оксид меди, оксид марганца, хромит меди и пр.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018108504A RU2674231C1 (ru) | 2018-03-07 | 2018-03-07 | Способ каталитического сжигания газообразных топлив и устройство для его осуществления |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018108504A RU2674231C1 (ru) | 2018-03-07 | 2018-03-07 | Способ каталитического сжигания газообразных топлив и устройство для его осуществления |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2674231C1 true RU2674231C1 (ru) | 2018-12-05 |
Family
ID=64603714
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018108504A RU2674231C1 (ru) | 2018-03-07 | 2018-03-07 | Способ каталитического сжигания газообразных топлив и устройство для его осуществления |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2674231C1 (ru) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1506221A1 (ru) * | 1988-01-12 | 1989-09-07 | Киевский Технологический Институт Пищевой Промышленности | Способ получени сушильного агента и устройство дл его осуществлени |
| RU2062402C1 (ru) * | 1994-02-24 | 1996-06-20 | Институт катализа им.Г.К.Борескова СО РАН | Каталитический нагревательный элемент |
| WO1998001702A1 (en) * | 1996-07-08 | 1998-01-15 | Ab Volvo | Catalytic combustion chamber and method for igniting and controlling the catalytic combustion chamber |
| RU2151307C1 (ru) * | 1994-03-02 | 2000-06-20 | Каталитика Инк. | Каталитическая структура (варианты) и способ сжигания горючей смеси (варианты) |
| RU2166696C1 (ru) * | 2000-03-03 | 2001-05-10 | Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН | Каталитический нагревательный элемент |
| RU2306483C1 (ru) * | 2006-05-06 | 2007-09-20 | Открытое акционерное общество "Сибирский Агропромышленный Дом" (ОАО "САД") | Способ сжигания жидкого или газообразного топлива для получения тепла и воздухонагреватель для его осуществления |
-
2018
- 2018-03-07 RU RU2018108504A patent/RU2674231C1/ru active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1506221A1 (ru) * | 1988-01-12 | 1989-09-07 | Киевский Технологический Институт Пищевой Промышленности | Способ получени сушильного агента и устройство дл его осуществлени |
| RU2062402C1 (ru) * | 1994-02-24 | 1996-06-20 | Институт катализа им.Г.К.Борескова СО РАН | Каталитический нагревательный элемент |
| RU2151307C1 (ru) * | 1994-03-02 | 2000-06-20 | Каталитика Инк. | Каталитическая структура (варианты) и способ сжигания горючей смеси (варианты) |
| WO1998001702A1 (en) * | 1996-07-08 | 1998-01-15 | Ab Volvo | Catalytic combustion chamber and method for igniting and controlling the catalytic combustion chamber |
| RU2166696C1 (ru) * | 2000-03-03 | 2001-05-10 | Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН | Каталитический нагревательный элемент |
| RU2306483C1 (ru) * | 2006-05-06 | 2007-09-20 | Открытое акционерное общество "Сибирский Агропромышленный Дом" (ОАО "САД") | Способ сжигания жидкого или газообразного топлива для получения тепла и воздухонагреватель для его осуществления |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Pfefferle et al. | Catalytically stabilized combustion | |
| Pfefferle et al. | Catalysis in combustion | |
| US3928961A (en) | Catalytically-supported thermal combustion | |
| JP5097160B2 (ja) | 燃料改質装置 | |
| KR101040885B1 (ko) | 촉매 연소기 및 이를 구비한 연료 개질기 | |
| Porsin et al. | Catalytic reactor with metal gauze catalysts for combustion of liquid fuel | |
| Sadamori | Application concepts and evaluation of small-scale catalytic combustors for natural gas | |
| JP2019511696A (ja) | 汚染物質の排出が極めて低い触媒式無炎燃焼装置及び燃焼方法 | |
| JP2019511696A5 (ru) | ||
| JP2019501357A (ja) | 燃料の着火特性を調整するための、特に燃焼装置からの有害物質放出を低下するための方法および装置 | |
| US5851498A (en) | Boiler heated by catalytic combustion | |
| US10401023B2 (en) | Perovskite catalysts enhanced combustion on porous media | |
| JPH09196307A (ja) | 多段燃料噴射による接触式燃焼システム | |
| RU2674231C1 (ru) | Способ каталитического сжигания газообразных топлив и устройство для его осуществления | |
| JP2014190692A (ja) | 炭化水素並びに他の液体及びガスを燃焼させるための方法及び装置 | |
| Dupont et al. | Combustion of methane in catalytic honeycomb monolith burners | |
| CN201666574U (zh) | 一种无点火装置的逆流换热催化燃烧器 | |
| RU2062402C1 (ru) | Каталитический нагревательный элемент | |
| RU2499959C1 (ru) | Способ нагрева воздуха, устройство для его осуществления и способ регулирования нагрева воздуха | |
| RU2350839C1 (ru) | Способ двухстадийного сжигания газообразного углеводородного топлива и устройство для его осуществления | |
| Ahn | Catalytic combustion of gas turbines: process modelling and kinetic study of iso-octane oxidation | |
| JP2501666B2 (ja) | 燃料電池アノ―ド排ガスの燃焼装置 | |
| RU2792608C1 (ru) | Устройство для нейтрализации токсичных компонентов дымовых газов без введения внешнего реагента | |
| RU2796831C1 (ru) | Способ нейтрализации токсичных компонентов дымовых газов без введения внешнего реагента | |
| KR20180113272A (ko) | 연료전지용 개질기 |