УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСПЛАМЕННОГО ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ИЗ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВ
DEVICE FOR FLAMELESS OBTAINING OF THERMAL ENERGY FROM HYDROCARBON FUELS

Изобретение относится к области генераторов тепловой энергии использующих углеводородные топлива для получения тепловой энергии при беспламенном превращении углеводородов в двух окись углерода и воду.
Беспламенное каталитическое сжигание углеводородов является перспективным методом повышения эффективности сжигания данного вида топлива. В процессе горения, реакции окисления топлива протекают на поверхности катализатора, обеспечивая полную конверсию топлива и эффективный теплосъем. При этом происходит снижение вредных выбросов, в том числе, оксидов азота.
Для решения подобных задач существуют различные способы и устройства, которые находят широкое применение в повседневной жизни, в частности, при нагреве теплоносителей вода - воздух в рамках отопительных систем, в случаях нагрева сотовых корпусов в системах отработанных газов автомобилей, оснащенных каталитическими активными покрытиями для превращения вредных отработанных веществ в безвредные реагенты и т.п.
Известные каталитические генераторы тепла, отличаются между собой по мощности, функциональному назначению и ряду др. параметров. Во всех известных каталитических генераторах тепла предусматривается система предварительного сжигания топлив в горелочных устройствах, кроме того они могут быть использованы не только в системах теплоснабжения, но и при сжигании топлива для нагрева рабочих тел, а также для уничтожения, путем каталитического сжигания, опасных органических отходов.
Известно устройство последовательного постадийного каталитического сжигания топлива, в котором обедненная смесь топлива и воздуха предварительно нагревается горячим газом, поступающим от горелки.
Нагретая смесь затем катализируется в каталитическом реакторе и далее сжигается для получения горячего газа, нагретого до температуры, превышающей температуру зажигания топлива. Вторая и третья порции обедненной топливовоздушной смеси последовательно вводится в горячий газ, при этом, их температура превышает температуру зажигания, что способствует гомогенному сжиганию этих порций смеси. Такое гомогенное сжигание усиливается благодаря присутствию радикалов углеводородов, создаваемых в процессе катализа первой порции смеси. Далее каталитический реактор действует таким образом, чтобы обеспечить стабильность сжигания обедненной смеси второй и третьей порций (Method and apparatus for sequentially staged combustion using a catalyst. Пат. США №5623819,1997 г.).
Данное техническое решение предназначено для сжигания топлива в мощных промышленных стационарных котельных установках, газовых турбинах и т.д. В таких установках используются, как правило, мощные воздушные компрессоры с мощным электрическим приводом и большим расходом электроэнергии. Кроме того, такие установки рассчитаны на работу только на газообразном топливе. Устройства для осуществления данного способа чрезвычайно сложны по конструкции, дороги в изготовлении, обслуживании, ремонте, и поэтому не могут быть использованы в средствах малой энергетики.
Известен каталитический способ сжигания топлива для получения тепла (З.Р. Исмагилов, М.А. Керженцев «Катализаторы и процессы каталитического горения» Хим. пром., 1996, 3, с. 197, а также «Смесительный каталитический воздухонагреватель ВГСК», рассмотренный в статье Исмагилова З.Р. и Керженцева М.А. «Экологически чистое сжигание топлив и каталитическая очистка дымовых газов ТЭС от оксидов азота: состояние и перспективы»).
Наиболее близким к изобретению из предшествующего уровня техники является описанный в патенте RU 2380612 («Каталитический теплогенератор», авторы: Кузьмина Р.И., Попов П.Н.) способ получения тепла при беспламенном сжигании топлива и устройство для его осуществления включающие соответственно по способу пропускание газового потока, по меньшей мере, через одно нагреваемое устройство и, по крайне мере, один катализатор подачи топлива в этот поток в количестве исключающем самовоспламенение полученной смеси, пополнение содержания кислорода в указанном потоке, организацию петлевой зоны рециркуляции каталитически активным элементом и подачу в эту зону части газового потока с пропуском его через последний для обеспечения беспламенного сжигания, а по устройству газопровод, подключенный с одного и другого конца к подводу и отводу газового потока и соединенный с образованием кругового контура циркуляции, по крайней мере, одной петлевой зоной циркуляции, снабженной механизмом подачи топлива, причем в указанном круговом контуре установлены нагреватель и каталитический активный элемент, а также средство для поддержания циркуляции в этом контуре.
Всем предложениям на уровне техники по беспламенному сжиганию топлива в каталитически активном элементе присущ существенный недостаток: обычно при достижении каталитически активного элемента газовый поток обладает сравнительно низкой температурой, по существу равной температуре окружающей среды устройства, из которого она отбирается. Следовательно, существенная часть тепла сгорания, созданного в каталитически активном элементе, используется на то, чтобы подогревать холодный газовый поток до достаточно высокой температуры прежде, чем вообще может начаться реакция горения. Это значит, что реакция в каталитически активном элементе нестабильна, поскольку расход воздуха газового потока превосходит определенный порог. В частности, возникает опасность, что катализатор в своей области, т.е. в области, которая контактирует с газовым потоком охлаждается настолько, что каталитическая реакция прекращается. Следовательно, может возникать определенная мертвая зона, на которую распространяется весь каталитически активный элемент, так что реакция полностью прекратится.
Подводя итоги, можно сказать, что известные до настоящего времени методы беспламенного сжигания топлива в газовом потоке пригодны лишь в сокращенном, в частности, сильно ограниченном сверху диапазоне мощностей для получения тепла.
В соответствии с этим, в основу изобретения положена задача снижения стартовой температуры катализатора для получения тепла посредством беспламенного сжигания топлива в газовом потоке, что приводит к стабильности реакции сгорания топлива и соответственно имеет достаточно большой для практического применения диапазон регулирования тепловой мощности.
Задача, решаемая настоящим изобретением состоит в том, что предлагаемый каталитический тепло генератор эффективно выделяет тепло за счет беспламенной экзотермической реакции конверсии углеводородного топлива (газообразного, жидкого) в виде паровоздушной смеси в углекислый газ и воду на катализаторе содержащим активатор, при этом, начало реакции конверсии углеводородов начинается при низкой температуре за счет инициирующего компонента нанесенного на поверхность катализатора.
Технический результат заключается в возможности осуществления холодного запуска (беспламенного) каталитического тепло генератора, обеспечении возможности непрерывного режима его работы, а также глубины процесса окисления топлива и соответственно экономичного расходовании топлива, повышенного КПД и защите атмосферы от токсичных продуктов его горения.
Кроме того, за чет использованного принципа беспламенной конверсии углеводородных топлив обеспечивается высокая пожаробезопасность.
Согласно изобретению можно устанавливать рабочие условия способа без учета передачи тепла каталитически активному элементу. Массовый расход газового потока, находящегося при температуре окружающей среды и обтекающего каталитически активный элемент, должны оставаться ниже критической температуры, которая определяется по величине теплопередачи каталитически активного элемента. При этом возможен режим, при котором отношение топливо-кислород в газовом потоке не зависит от переданной тепловой мощности и удерживается на постоянном уровне, а тепловая мощность регулируется только массовым расходом газового потока.
Температура газового потока, поступающего на каталитически активный элемент благодаря возврату газового потока, остается на достаточно высоком уровне. Вследствии этого реакция конверсии проходит совершенно стабильно.
Целесообразная модификация предлагаемого способа отличается тем, что подавляющая часть газового потока (примерно от 70 до 90%) вводится в циркуляционную схему. Таким образом, создается, по существу, циркуляция газового потока.
Предлагаемое устройство (Фиг. 1) работает следующим образом.
Углеводородное топливо из емкости 1 через задвижки 9, 10 подается насосом 3 в устройство насыщения 7 по уровню до первой пористой перегородки, уровень углеводородного топлива в устройстве насыщения поддерживается в автоматическом режиме.
Воздух из окружающей среды подается компрессором 2 в устройство насыщения 7 через задвижки 11, 12 и 13, где насыщается парами углеводородов и направляется в трубчатый реактор 8 через задвижку 14. Реактор (Фиг. 2 и Фиг. 3) состоит из трубного пучка заполненного катализатором с плавающей головкой, помещенной в обечайке. Реактор 8 снабжен входными и выходными патрубками входа топливной смеси, выхода отработанных газов, входом, выходом теплоносителя из межтрубного пространства и узлом ввода активатора на катализатор через задвижку 15 в трубное пространство.
Трубное пространство реактора 8 заполнено активной формой катализатора конверсии углеводородов, а в межтрубном пространстве реактора 8 циркулирует теплоноситель посредством циркуляционного насоса 4 снабженного задвижкой 20 для передачи тепла потребителям.
Выходящие из реактора 8 отработанная газо-воздушная смесь после охлаждения в теплообменнике 5 частично сбрасывается в атмосферу через задвижку 16, а основная часть газо-воздушной смеси выходящей из реактора 8 циркулирует в системе с помощью газового циркулятора 6 - устройство насыщения 7 - реактор 8 через задвижку 17 и 18. Подпитка свежим воздухом для создания оптимальной горючей смеси устройства производят компрессором 2.
Для запуска устройства беспламенного получения тепла используется пусковой электрический подогреватель в устройстве насыщения 7 для увеличения парциального давления углеводородов в воздушной смеси, подаваемой на реактор конверсии 8.
В случае рабочего режима работы устройства подогрев 7 осуществляется за счет циркуляции теплоносителя в рубашке устройства насыщения 7, через задвижки 21 и 23 задвижка 22 служит для байпасирования теплоносителя в рубашке устройства 7.
Регулировка выделения энергии, т.е. количества получаемого тепла в реакторе 8 и в циркулирующем теплоносители осуществляется путем изменения парциального давления насыщенных паров углеводородов в воздухе с помощью изменения температуры устройства насыщения 7.
Остановка устройства осуществляется за счет прекращения подачи воздуха с парами углеводородов в реактор 8 и непосредственным направлением потока чистого воздуха в реактор 8 через задвижки 11, 12, и 19 при этом задвижки 13 и 14 закрыты.
3
Пример 1. Запуск устройства осуществляют в проточном режиме без циркуляции паровоздушной смеси, в установку подают 2,7 нм/ч воздуха и пропускают через устройство насыщения, предварительно нагретое до 70°С электронагревателем углеводородного топлива (дизельная фракция) выходящие пары направлялись в реактор 8, где тепло окислительной реакции на поверхности катализатора передается теплоносителю, а выходящие газы из реактора 8 также отдают тепло теплоносителю в теплообменнике 5 выходящий из теплообменника газ сбрасывается в окружающею среду, а образующийся конденсат из теплообменника 5 сбрасывается через задвижку 24 параметры режима работы устройства и выделяемая мощность им приведена в таблице 1.
3
3
Пример 2. Выход устройства на номинальный режим с циркуляцией осуществляют в проточном паро-воздушной смеси, в установку подают 0,55 нм/ч свежего воздуха и смешивают с газом выходящим из теплообменника 5 и подают со скоростью 4,7 нм/ч на устройство насыщения температура которого стабилизируется в диапазоне 60÷70°С при отключенном электронагревателе углеводородного топлива (дизельная фракция) выходящие пары направлялись в реактор 8 где отдавали тепло теплоносителю и далее также теплоносителю в теплообменнике 5, выходящий из теплообменника газ частично сбрасывается в окружающею среду параметры режима работы устройства и выделяемая мощность им приведена в таблице 1.
3
3
Пример 3. Выход устройства на максимальный режим с циркуляцией осуществляют в проточном паро-воздушной смеси, в установку подают 1,67 нм/ч свежего воздуха и смешивают с газом выходящим из теплообменника 5 и подают со скоростью 7,2 нм/ч на устройство насыщения температура которого стабилизируется в диапазоне 70°С при отключенном электронагревателе углеводородного топлива (дизельная фракция) выходящие пары направлялись в реактор 8 где отдавали тепло теплоносителю и далее также теплоносителю в теплообменнике 5, выходящий из теплообменника газ частично сбрасывается в окружающею среду параметры режима работы устройства и выделяемая мощность им приведена в таблице 1.
3
3
Пример 4. Выход устройства на минимальный режим с циркуляцией осуществляют в проточном паро-воздушной смеси, в установку подают 0,45 нм/ч свежего воздуха и смешивают с газом выходящим из теплообменника Т-1 и подают со скоростью 4,5 нм/ч на устройство насыщения температура которого стабилизируется в диапазоне 70°С при отключенном электронагревателе углеводородного топлива (дизельная фракция) выходящие пары направлялись в реактор 8 где отдавали тепло теплоносителю и далее также теплоносителю в теплообменнике 5, выходящий из теплообменника газ частично сбрасывается в окружающею среду параметры режима работы устройства и выделяемая мощность им приведена в таблице 1.