УСТРОЙСТВО ДЛЯ КАТАЛИТИЧЕСКОГО СЖИГАНИЯ ПРИРОДНЫХ И СЖИЖЕННЫХ ГАЗОВ
DEVICE FOR CATALYTIC COMBUSTION OF NATURAL AND LIQUEFIED GASES

Изобретение относится к энергетике, а именно к технике сжигания природных и сжиженных газов на каталитических нагревательных элементах, и может найти применение в производстве автономных и стационарных нагревателей для обогрева бытовых и производственных помещений, приготовления пищи и т.п.
Известно каталитическое устройство, содержащее газораспределительную трубку, размещенные на ее внешней поверхности распределитель газа и слой катализатора, выполненный в виде газопроницаемых армированных лент, навитых на газораспределительную трубку (RU 2062402, F23D 14/18, 20.06.96).
Недостатком известного устройства является большой объем ручной работы трудно поддающийся механизации, и, как следствие, невозможность достичь равномерного по поверхности элемента сжигания газа, что приводит к снижению удельной мощности.
Наиболее близким является каталитическое устройство для сжигания углеводородных смесей, которое содержит коаксиально расположенную относительно подводящей газораспределительной трубки металлопористую каталитически активную трубку, вставку-сердечник, заглушку-компенсатор, торцевые колпачки, жестко связанные с металлопористой каталитически активной трубкой, а подводящая трубка выполнена с односторонней перфорацией, ориентированной отверстиями навстречу конвективному потоку воздуха (RU 2172894, F23D 14/18, 27.08.2001).
Недостатком известного устройства является наличие дорогостоящего процесса спекания в вакуумной печи металлопористой каталитически активной трубки. Вследствие воздействия высокой температуры происходит быстрый износ матрицы для спекания. Для обеспечения достаточной прочности каталитически активной трубки требуется увеличение толщины ее стенок, что ведет к неоправданному увеличению расхода дорогостоящей каталитической смеси.
2
3
Изобретение решает задачу исключения дорогостоящего процесса спекания в вакуумной печи, замены металлопористого катализатора на промышленный гранулированный катализатор на носителе из AlO, повышения удельной мощности поверхности нагревательного элемента, снижения выбросов токсичных газов.
Поставленная задача решается тем, что устройство для каталитического сжигания природных и сжиженных газов содержит каталитически активную трубку, образованную засыпкой гранул катализатора в полость между внешней цилиндрической оболочкой из нержавеющей сетки и внутренней цилиндрической решеткой, имеющими собственную систему термокомпенсации. Система термокомпенсации внешней цилиндрической оболочки из нержавеющей сетки реализуется скольжением торцевых колпачков по газораспределительной трубке, а система термокомпенсации внутренней цилиндрической решетки реализуется скольжением цилиндрической решетки по опорам. Во внутренней полости каталитической трубки коаксиально установлена газораспределительная трубка, снабженная двухступенчатым газораспределителем с термокомпенсатором. Система термокомпенсации газораспределительной трубки и газораспределителя второй ступени реализуется скольжением последнего по дистанцирующим вставкам. Газораспределитель второй ступени представляет собой трубку с широкой щелью, обращенной против конвективного потока воздуха (вниз). Он установлен на газораспределительной трубке с помощью дистанцирующих вставок, причем жестко закреплен на двух центральных. Подводящая трубка имеет одностороннюю перфорацию, ориентированную отверстиями спутно конвективному потоку воздуха (вверх).
Применение двухступенчатого газораспределителя решает задачу равномерного распределения потока газа через каталитическую трубку по всей ее поверхности, что позволяет повысить удельную мощность поверхности нагревательного элемента при снижении вредных выбросов.
Технический результат предлагаемого решения заключается в исключении дорогостоящего процесса спекания в вакуумной печи, замене уникального металлопористого катализатора на промышленный гранулированный катализатор, повышении удельной мощности поверхности нагревательного элемента, снижении выбросов токсичных газов.
На чертеже представлено устройство для каталитического сжигания природных и сжиженных газов.
Устройство включает подводящую газораспределительную перфорированную трубку 1 с отверстиями 2, выполненными в одной плоскости и ориентированными (вверх) спутно конвективному потоку воздуха (стрелки внизу), газораспределитель второй ступени 3, дистанцирующие вставки 4, жестко закрепленные с газораспределительной трубкой и газораспределителем второй ступени, дистанцирующие вставки 5 (несвязанные), цилиндрическую решетку 6, скользящую по жестко связанным с газораспределительной трубкой опорам 9 и контактирующую с волокнистой, теплоизолирующей, термостойкой набивкой 10, зерна катализатора 7, внешнюю цилиндрическую оболочку из нержавеющей сетки 8, торцевые колпачки 11.
Газораспределитель второй ступени представляет собой трубку с широкой щелью, обращенной против конвективного потока воздуха, то есть вниз.
Система термокомпенсации внешней цилиндрической оболочки из нержавеющей сетки реализуется скольжением торцевых колпачков по газораспределительной трубке, а система термокомпенсации внутренней цилиндрической решетки реализуется скольжением цилиндрической решетки по опорам.
Система термокомпенсации газораспределительной трубки и газораспределителя второй ступени реализуется скольжением последнего по дистанцирующим вставкам.
Устройство работает следующим образом.
Газообразное топливо подают внутрь газораспределительной трубки, ориентированной отверстиями по направлению конвективного потока (вверх), топливо, равномерно распределясь по длине и внутреннему объему, организуемое распределителем второй ступени, проходит через засыпку катализатора. Каталитический элемент, предварительно нагретый пламенным горением (в момент пуска), омывается конвективным потоком воздуха. Кислород из воздуха, диффундируя в пространство между зернами катализатора, вступает в реакцию с топливом на поверхности катализатора. Происходит низкотемпературное (по сравнению с пламенным горением) каталитическое окисление.
2
Используемая газораспределительная трубка имеет общее сопротивление 9,4-10 Па, сопротивление на одном отверстии 6.6 Па. Гидравлическое сопротивление, создаваемое цилиндрической засыпкой катализатора, 1-3 Па. При работе каталитического устройства устанавливается стационарная температура поверхности катализатора 420-500°С. Запуск каталитического устройства выполняют путем пламенного нагрева трехкратным от номинального (рабочего) расходом газа. Длительность разогрева зависит от температуры окружающей среды. Для комнатной температуры 20°С время запуска составляет 1,5-2 мин. Характерным признаком нагрева до режима автокатализа является отрыв пламени от поверхности каталитического устройства. После этого необходимо установить номинальный расход газа. На стационарный режим каталитическое устройство выходит приблизительно через 15-20 мин, обеспечивая плотность теплового потока 25-30 кВт/м.
2
3
Применяемые для изготовления каталитического устройства гранулированные, нанесенные катализаторы на носителе из γ-AlO имеют активный компонент либо Pt, либо Pt+Pd 0,1-1 мас.% и выпускаются промышленностью.
По сравнению с работой в промышленных аппаратах данный тип катализаторов в предлагаемом каталитическом устройстве работает в «мягких» условиях. Проведенные ресурсные испытания показали наработку без видимого изменения активности катализатора в течение 7000 ч.
Основные преимущества предлагаемого технического решения:
1) исключен трудоемкий и энергоемкий процесс спекания в вакуумной печи;
2) использован промышленный гранулированный катализатор вместо уникального металлопористого катализатора;
3) повышена удельная мощность поверхности нагревательного элемента;
4) реализуется возможность механизации производства устройств;
5) реализуется возможность повышения потребительских качеств путем усовершенствования и доводки отдельных деталей устройства в процессе серийного производства.
Рассматриваемое изделие реализовано на ряде бытовых приборов:
обогревателей типа рефлектор, конвектор, шашлычница.
Кроме того, конструкция устройства позволяет использовать ее, группируя в секции с общим подводом газа и создавая, таким образом, устройства различной мощности.
Изобретение позволяет повысить удельную мощность поверхности нагревательного элемента, удешевить производство устройства путем исключения дорогостоящего процесса приготовления металлопористой каталитически активной трубки в вакуумной печи, повысить качество сгорания топлива практически с отсутствием вредных примесей в продуктах сгорания, снизить трудоемкость.