СПОСОБ КАТАЛИТИЧЕСКОГО СЖИГАНИЯ ГАЗООБРАЗНЫХ ТОПЛИВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF CATALYTIC BURNING GASEOUS FUELS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

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.
3
В качестве газообразного топлива используют пропан-бутан. Расход топлива составляет 1.2 кг/час, расход воздуха - около 150 м/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.