КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ТЕПЛОГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к теплоэнергетике и может быть использована в системах теплоснабжения и при сжигании топлива для нагрева рабочих тел, где сжигание различных топлив происходит в псевдоожиженном слое.
x
Известен каталитический генератор теплоты, описанный в сб. научных трудов «Технологические процессы на основе каталитических генераторов тепла» СО АН СССР, Институт катализа, Новосибирск, 1985 г., рис 2, стр. 22, Ведякин П.И. и др. «Применение каталитических генераторов тепла для нагрева воды и адсорбционно-контактной сушки материалов». Известный генератор тепла состоит из корпуса с патрубками для подвода топлива, воздуха, холодной воды и отвода горячей воды и дымовых газов, а в нижней части корпуса на газораспределительной решетке размещен слой катализатора - промежуточного твердого теплоносителя, выше которого расположены последовательно по высоте корпуса неизотермическая насадка и экономайзер, на внешней поверхности корпуса имеется воздушная охлаждающая рубашка, кроме того, внутри корпуса в зоне сгорания топлива размещен нагреватель в виде 20 вертикальных трубок Фильда. В теплогенераторе происходит беспламенное сжигание топлива на поверхности гранул катализатора, находящихся в псевдоожиженном состоянии. Конструкция теплогенератора не позволяет в широких пределах регулировать мощность теплогенератора из-за расположения теплообменника (трубок Фильда) в зоне сжигания топлив ниже неизотермической насадки. Трубки Фильда, погруженные в кипящий слой и снимающие основную часть тепла, могут привести к снижению температуры в зоне горения и, как следствие, к увеличению выбросов СО и NO. Затруднен пуск теплогенератора из-за охлаждения катализатора в зоне сжигания топлива. В теплогенераторе используется дефицитный и дорогостоящий гранулированный катализатор окисления.
Известен каталитический теплогенератор (Пат. РФ №2124674, F23C 11/02, 10.01.99), состоящий из вертикального корпуса с патрубками подачи воздуха и топлива в нижней части, между которыми внутри корпуса размещена газораспределительная решетка со слоем гранулированного катализатора окисления, в средней части генератора размещен теплообменник из U-образных трубок, под которыми распложена неизотермическая насадка, на внешней поверхности корпуса имеется охлаждающая рубашка, причем рубашка выполнена водяной и состоит из независимых секций, работающих параллельно и подключенных последовательно к теплообменнику. Наличие водяной секционной рубашки на корпусе выше и ниже уровня неизотермической насадки позволяет регулировать количество теплоты, отводимой из зоны горения, за счет отключения или включения секций водяной рубашки.
Недостатками известного каталитического теплогенератора являются:
x
1) Наличие водяной рубашки на корпусе приводит к сильному охлаждению слоя катализатора в зоне горения топлива и, как следствие, увеличению выбросов СО и NO.
2) При отключении отдельной секции рубашки ее температура быстро достигает температуры слоя катализатора 700-800°С. При необходимости вновь повысить мощность теплогенератора, подача воды в эту секцию становится невозможной из-за испарения воды и повышения давления в секции вплоть до давлений, вызывающих ее разрушение.
3) Наличие на корпусе водяной рубашки в зоне горения топлива затрудняет или делает невозможным пуск теплогенератора в работу, т.к. во время пуска слой катализатора в зоне горения необходимо нагреть до температуры каталитического зажигания топлива 200-400°С (температура зажигания зависит от активности катализатора). За счет рубашки будет происходить сильное охлаждение слоя катализатора.
4) В теплогенераторе используется дефицитный и дорогостоящий гранулированный катализатор окисления.
Известен каталитический теплогенератор (РФ №2232942, F23D 14/18, F23C 10/02, F23C 10/00, 15.05.2003), с регулированием тепловой мощности за счет изменения поверхности теплообмена, контактирующей с псевдоожиженным слоем катализатора, состоит из вертикального корпуса с патрубками подачи воздуха и топлива в нижней части, патрубками отвода дымовых газов и загрузки катализатора в верхней части, внутри корпуса между патрубками подачи воздуха и топлива размещена газораспределительная решетка, на которой расположен слой гранулированного катализатора окисления, выше решетки последовательно размещены неизотермическая насадка и теплообменник, на корпусе под неизотермической насадкой расположен патрубок для отгрузки катализатора и патрубок для догрузки катализатора, расположенный выше неизотермической насадки. На корпусе выше неизотермической насадки расположены два или более патрубка для отгрузки катализатора. Над газораспределительной решеткой перед неизотермической насадкой размещена объемная организующая насадка с живым сечением 50-90% с величиной отверстий 2-15 диаметров частиц катализатора и долей свободного объема в пакете насадок 85-95%. На выходе дымовых газов размещено устройство против уноса частиц катализатора. Для слива воды из теплообменника он содержит сифон. Контактирующие с псевдоожиженным слоем теплообменные поверхности расположены выше неизотермической насадки. Изменение и регулирование тепловой мощности теплогенератора проводится за счет изменения количества катализатора в теплогенераторе.
Недостатком известного каталитического теплогенератора является высокий расход дефицитного и дорогостоящего гранулированного катализатора окисления.
Наиболее близким к заявляемому устройству является каталитический теплогенератор (Пат. РФ 131850, F23C 13/00, F23C 10/02, 27.08.13), в котором сжигание топлив осуществляется в псевдоожиженном слое частиц инертного материала с температурой плавления выше температуры сжигания топлив, организованного малообъемной насадкой, содержащей катализатор окисления. Каталитический теплогенератор с регулированием тепловой мощности за счет изменения поверхности теплообмена, контактирующей с псевдоожиженным слоем инертных частиц, состоит из вертикального корпуса с патрубками подачи воздуха и топлива в нижней части, патрубком отвода дымовых газов и загрузки инертного материала в верхней части, внутри корпуса между патрубками подачи воздуха и топлива размещена газораспределительная решетка, выше которой последовательно размещены неизотермическая насадка и теплообменники. Ниже неизотермической насадки расположена объемная организующая насадка, содержащая катализатор окисления. Организующая насадка выполнена в виде цилиндрических колосниковых поддонов диаметром 435 мм и высотой боковой стенки 30 мм из нержавеющей стали. Колосники изготовлены из прутков толщиной 3 мм и расстоянием между прутками 25-30 мм. Поддоны установлены под неизотермической насадкой. Расстояние между поддонами по высоте 40-60 мм. На поддоны в плотной упаковке установлены вертикально кольца Рашига из оксида алюминия с нанесенным на его поверхность хромитом меди. Внутренний диаметр колец 35 мм с толщиной стенки 3 мм и высотой 30 мм. На газораспределительной решетке размещен слой частиц инертного материала с температурой плавления выше температуры окисления топлива. На корпусе под неизотермической насадкой расположен патрубок для отгрузки частиц инертного материала и патрубок для догрузки частиц инертного материала выше неизотермической насадки. На корпусе выше неизотермической насадки могут быть расположены патрубки для отгрузки частиц инертного материала. На выходе дымовых газов размещено устройством против уноса частиц инертного материала. Регулирование тепловой мощности каталитического теплогенератора проводят за счет изменения количества инертного материала в теплогенераторе.
Недостатками известного каталитического теплогенератора является сложность изготовления малообъемной организующей насадки, содержащей катализатор окисления, а также относительно малый срок службы насадки из-за высоких механических нагрузок в кипящем слое.
Полезная модель решает задачу разработки эффективной конструкции каталитического теплогенератора.
Задача решается конструкцией каталитического теплогенератора, в котором сжигание топлив осуществляется в псевдоожиженном слое частиц инертного материала с температурой плавления выше температуры сжигания топлив, а объемная организующая насадка выполнена из пакета вертикальных перфорированных труб, заполненных гранулами катализатора окисления с размером гранул, превышающим размер перфорационных отверстий.
Технический результат - упрощение технологии приготовления организующей насадки, содержащей катализатор окисления, при сохранении всех достоинств каталитического сжигания топлива в организованном псевдоожиженном слое инертного материала.
Технический результат достигается тем, что в каталитическом теплогенераторе, состоящем из вертикального корпуса с патрубками подачи воздуха и топлива в нижней части, внутри корпуса между патрубками подачи воздуха и топлива размещена газораспределительная решетка, внутри корпуса над патрубками подачи воздуха и топлива размещена объемная организующая насадка, содержащая катализатор окисления, на газораспределительной решетке размещены гранулы инертного материала с температурой плавления выше температуры окисления топлива,  при этом объемная организующая насадка выполнена из пакета вертикальных перфорированных труб, заполненных гранулами катализатора окисления с размером гранул, превышающим размер перфорационных отверстий.
Каталитический теплогенератор с регулированием тепловой мощности за счет изменения поверхности теплообмена, контактирующей с псевдоожиженным слоем инертных частиц, состоит из вертикального корпуса с патрубками подачи воздуха и топлива в нижней части, патрубка отвода дымовых газов и загрузки инертного материала в верхней части, внутри корпуса между патрубками подачи воздуха и топлива размещена газораспределительная решетка, выше которой последовательно размещены неизотермическая насадка и теплообменники. Ниже неизотермической насадки расположена объемная организующая насадка, содержащая катализатор окисления. Организующая насадка с живым сечением 50-90% и долей свободного объема в пакете насадок 85-95% из пакета вертикальных перфорированных труб заполненных гранулами катализатора окисления с размером гранул, превышающим размер перфорационных отверстий. На газораспределительной решетке размещен слой частиц инертного материала с температурой плавления выше температуры окисления топлива. На корпусе под неизотермической насадкой расположен патрубок для отгрузки частиц инертного материала и патрубок для догрузки частиц инертного материала выше неизотермической насадки. На корпусе выше неизотермической насадки могут быть расположены патрубки для отгрузки частиц инертного материала. Регулирование тепловой мощности каталитического теплогенератора проводят за счет изменения количества инертного материала в теплогенераторе. На выходе дымовых газов размещено устройство против уноса частиц инертного материала.
Сущность полезной модели иллюстрируется следующими примерами и фигурой чертежей.
Пример.
Теплогенератор состоит из вертикального корпуса (1), в котором размещены секции подвода воздуха (24), горения (25), теплосъема (26) и сепарационная зона (27). Секция подвода воздуха (24) состоит из камеры с патрубком (6) для ввода воздуха и предназначена для равномерного распределения воздуха по сечению газораспределительной решетки (4). Секция горения (25) отделена от секции подвода воздуха газораспределительной решеткой (4) и имеет патрубки для подачи газообразного или жидкого (8), (23) или твердого топлива (7), патрубок с вентилем или заслонкой для выгрузки инертного материала (14). В секции горения над газораспределительной решеткой перед неизотермической насадкой (10) размещена объемная организующая насадка (9). Организующая насадка выполнена из пакета вертикальных перфорированных труб диаметром 30 мм с размером перфорационных отверстий 1-1,5 мм. Трубы заполнены гранулами алюмомеднохромового катализатора ИК-12-70 (хромит меди на оксиде алюминия) с диаметром гранул 2-3 мм. Количество труб в пакете 26 шт Расстояние между трубами 60-90 мм. Высота труб 500 мм. %. Количество гранул катализатора в трубах 9,2 л.
Секция теплосъема (26) состоит из теплообменника (3) и объемной неизотермической насадки (10), размещенной под теплообменником над организующей насадкой. Насадка (10) изготовлена из проволочных решеток с живым сечением 60% с величиной отверстий 10 диаметров частиц инертного материала и долей свободного объема в пакете решеток 80%. В секции теплосъема расположены патрубок входа холодной воды (11), патрубок для выхода нагретой воды (12), сифон (18) с вентилем для слива воды из теплообменника во время остановки теплогенератора при температурах наружного воздуха ниже 0°С. Установлены патрубки (15), (16), (17) с вентилями для выгрузки катализатора.
Сепарационная зона (27) расположена в верхней части теплогенератора и имеет патрубок (5) для выхода дымовых газов, патрубок с вентилем (13) для перегрузки частиц песка, патрубок (2) для засыпки песка, предохранительную мембрану (21), устройство против уноса частиц песка (22).
x
На газораспределительной решетке размещен слой частиц песка (150 л) с температурой плавления выше температуры окисления топлива. В реактор через патрубки (8), (23) подается жидкое дизельное топливо в кипящий слой частиц песка. Температура в теплогенераторе поддерживается 700°С за счет изменения расхода топлива. Номинальная мощность теплогенератора 230 кВт. Уменьшение мощности теплогенератора производится отгрузкой песка через патрубки (15), (16), (17) или (14) и уменьшением расхода топлива. Возврат к номинальной мощности выполняется догрузкой песка из бункера (19) с помощью эжектора (20) через патрубок (13) и увеличением расхода топлива. Содержание СО в дымовых газах в течение 20 суток сохраняется в пределах 10-30 мг/м. Количество NO 3-5 мг/м. За 20 суток мощность теплогенератора уменьшилась до 190 кВт. Для возврата мощности теплогенератора до номинальной 230 кВт потребовалась догрузка песка в количестве 16 л. Вес перфорированных труб с катализатором после испытаний в течение 20 суток практически не изменился.
Таким образом, замена организующей насадки из колец Рашига из оксида алюминия с нанесенным катализатором полного окисления на вертикальные перфорированные трубы, заполненные гранулами катализатора полного окисления, позволяет значительно упростить технологию изготовления каталитически активной насадки.