КОМПЛЕКСНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДГОТОВКИ И СЖИГАНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА
COMPLEX DEVICE FOR PREPARATION AND COMBUSTION OF GASEOUS FUEL

Предлагаемое изобретение относится к энергетике и может быть использовано в теплогенерирующих установках, работающих на природном газе для уменьшения расхода топлива, а также загрязнения окружающей атмосферы диоксидом углерода и оксидами азота.
Известна турбулентная горелка топки глиноземной печи для сжигания газообразного топлива, обеспечивающая подачу в зону горения топлива воздуха и водяного пара, причем последний подают в корень факела [Патент РФ №2054600, F23C 11/00, 1996].
Недостатком известного устройства является увеличение тепловых потерь с уходящими дымовыми газами, вызванное повышением их влагосодержания, что снижает эффективность теплогенерирующей установки.
Более близким к предлагаемому изобретению является устройство для подготовки и сжигания газообразного топлива, содержащее два одинаковых конвертера, параллельно присоединенных к подводящим и отводящим коммуникациям, каждый из которых состоит из корпуса, внутри которого снизу вверх помещены: камера подготовки реакционной смеси (камера смешения), обечайка которой снабжена тангенциальными патрубками газообразного топлива и водяного пара, а верхний торец соединен с трубами, стенки которых выполнены из жаропрочного материала, в каждой из которых на входе закреплены лопатки завихрителя, образующие зону турбулизации, а остальная внутренняя поверхность, представляющая собой зону риформинга, покрыта слоем никелевого катализатора на керамической основе, верхний конец труб соединен с камерой усреднения, крышка которой снабжена патрубком выхода конвертированного газа, причем над камерой смешения помещена кольцевая камера сгорания, снабженная тангенциальной горелкой и сообщающаяся с конвективной шахтой, соединенной с кольцевым коллектором, снабженным патрубком дымовых газов, причем выходные торцы патрубков соединены с коллекторами конвертируемого природного газа, водяного пара, конвертированного газа и дымовых газов соответственно, горелки соединены с коллектором природного газа и коллектором воздуха, а коллекторы конвертированного газа соединены с горелками топки котла [Патент РФ № 2383819, F23C 99/00; F 23 C 13/00, 2010].
Основными недостатками известного устройства подготовки и сжигания газообразного топлива являются сложность и громоздкость его конструкции, в связи с чем узел подготовки вынесен за пределы топки, и обусловленный этим повышенный расход топлива, что снижает экономическую и экологическую эффективность теплогенерирующей установки.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение экономической и экологической эффективности комплексного устройства для подготовки и сжигания газообразного топлива за счет упрощения его конструкции и компоновки конвертера в составе горелки.
Технический результат достигается комплексным устройством для подготовки и сжигания газообразного топлива, включающем турбулентную горелку, помещенную в амбразуру топки, в которой коаксиально расположен конвертер, состоящий из цилиндрической капсулы, выполненной из жаропрочного металла, соединенной с наружного торца камеры смешения с газовым патрубком и присоединенным к нему коаксиально паровым патрубком, фронтальная часть капсулы помещена в зону факела, внутри капсулы коаксиально помещена труба, выполненная из жаропрочного металла, стенка тыльной части которой выполнена из сплошного металла, образуя зону конвертированного газа, с наружного торца заглушенную коническим днищем, соединенную с каналом первичного воздуха тангенциальными эллиптическими патрубками выпуска конвертированного газа, а стенка фронтальной части трубы выполнена перфорированной и покрытой с наружной и внутренней сторон слоем никелевого катализатора на керамической основе, образуя собой зону риформинга, причем тангенциальные эллиптические патрубки выпуска конвертированного газа проходят через кольцевую камеру нагрева парогазовой смеси, расположенную между внутренней поверхностью капсулы и наружной поверхностью зон конвертированного газа и риформинга трубы, на входе в которую расположены лопатки завихрителя.
Комплексное устройство для подготовки и сжигания газообразного топлива (КУПСГТ) изображено на фиг. 1-4 (на фиг. 1 - общий вид, на фиг. 2-3 - разрезы, на фиг. 4 - узел трубы).
КУПСГТ включает помещенную в амбразуру топки (камеры сгорания) турбулентную горелку 1 с кольцевыми каналами первичного и вторичного воздуха 2 и 3, в которой коаксиально расположен конвертер 4, состоящий из цилиндрической капсулы 5, выполненной из жаропрочного металла, соединенной с наружного торца камеры смешения 6 с газовым патрубком 7 и присоединенным к нему коаксиально паровым патрубком 8, фронтальная часть капсулы 5 помещена в зону факела, внутри капсулы 5 коаксиально помещена труба 9, выполненная из жаропрочного металла, стенка тыльной части которой выполнена из сплошного металла, образуя зону конвертированного газа 10, с наружного торца заглушенную коническим днищем 11, соединенную с каналом первичного воздуха 2 тангенциальными эллиптическими патрубками выпуска конвертированного газа 12, а стенка фронтальной части трубы 9 выполнена перфорированной и покрытой с наружной и внутренней сторон слоем никелевого катализатора на керамической основе 13, образуя собой зону риформинга 14, причем тангенциальные эллиптические патрубки выпуска конвертированного газа 12 проходят через кольцевую камеру нагрева парогазовой смеси 15, расположенную между внутренней поверхностью капсулы 5 и наружной поверхностью зон конвертированного газа 10 и риформинга 14 трубы 9, на входе в которую расположены лопатки завихрителя 16.
Предлагаемое КУПСГТ работает следующим образом. Поток природного газа подается на сжигание в горелку 1 топки (камеры сгорания) теплогенерирующей установки, через газовый патрубок 7, в котором смешивается с водяным паром, поступающим тангенциально из парового патрубка 8 в соотношении 1:1, откуда поступает в камеру смешения 6 капсулы 5 конвертера 4, где происходит окончательное образование парогазовой смеси. Из камеры смешения 6 парогазовая смесь поступает в кольцевую камеру нагрева парогазовой смеси 15, обходя тангенциальные эллиптические патрубки выпуска конвертированного газа 12, расположение и конструкция которых обеспечивает вращательное турбулентное движение этой смеси вокруг трубы 9 по всей ее длине. В кольцевой камере нагрева парогазовой смеси 15 по мере движения парогазовой смеси происходит ее нагрев до температуры (800-1100)°С за счет теплообмена через стенки капсулы 5 от факела, омывающего капсулу 5 в топке (камере сгорания), и начало процесса риформинга на поверхности катализатора 13. Далее, нагретая до температуры 1100°С парогазовая смесь проходит через завихритель 16 и поступает в зону риформинга 14 во внутрь трубы 9, где на никелевом катализаторе 13 происходит окончательная конверсия парогазовой смеси, а именно каталитическая реакция конверсии метана и воды (парового риформинга), которая увеличивает водородную часть топлива, с поглощением теплоты (кДж/моль) по уравнению [Д. Ю. Гамбург и др. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортировка и применение. Справ. изд. - М.: Химия, 1989, 4, с. 318]
<mrow><mi>С</mi><msub><mi>Н</mi><mn>4</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>Н</mi><mn>2</mn></msub><mi>О</mi><mo>→</mo><mi>С</mi><mi>О</mi><mo>+</mo><mn>3</mn><msub><mi>Н</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><mn>20,5</mn></mrow>
, (1)
где тепло реакции получают в результате сгорания газовоздушной смеси в топке (камере сгорания), которое передается от нагретой парогазовой смеси через перфорированные стенки трубки 9 и слой катализатора 13. Из зоны риформинга 14 трубы 9 конвертированный газ поступает в зону конвертированного газа 10, откуда через тангенциальные эллиптические патрубки 12 в кольцевой канал первичного воздуха 2, где осуществляется его смешение с первичным воздухом и подача смеси в зону горения. В топке полученная горючая смесь сгорает по реакциям с выделением теплоты (кДж/моль)
<mrow><mn>3</mn><msub><mi>Н</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mn>3</mn><mo>/</mo><mn>2</mn><msub><mi>О</mi><mn>2</mn></msub><mo>→</mo><mn>3</mn><msub><mi>Н</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi><mo>+</mo><mn>3</mn><mo>⋅</mo><mn>241,6</mn></mrow>
(2)
<mrow><mi>С</mi><mi>O</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn><msub><mi>О</mi><mn>2</mn></msub><mo>→</mo><mi>С</mi><msub><mi>О</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mn>285,6</mn></mrow>
. (3)
Из сравнения реакций (2), (3) и реакции горения метана
<mrow><mi>С</mi><msub><mi>Н</mi><mn>4</mn></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>О</mi><mn>2</mn></msub><mo>→</mo><mn>2</mn><mi>С</mi><msub><mi>О</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>Н</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi><mo>+</mo><mn>803,4</mn></mrow>
(4)
видно, что теплота сгорании конвертированного газа превышает теплоту сгорания метана, из которого, в основном, состоит природный газ, на 207,0 кДж/моль [Г. Н. Делягин и др. Теплогенерирующие установки. - М.: Стройиздат, 1986, c. 90].
Образующиеся в топке в процессе горения оксиды азота также взаимодействуют с водородом и оксидом углерода с образованием молекулярного азота по реакциям
<mrow><mn>2</mn><msub><mi>Н</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>N</mi><msub><mi>О</mi><mn>2</mn></msub><mo>→</mo><mn>2</mn><msub><mi>Н</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi><mo>+</mo><msub><mi>N</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
(5)
<mrow><mn>2</mn><mi>С</mi><mi>O</mi><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>N</mi><mi>О</mi><mo>→</mo><mn>2</mn><mi>С</mi><msub><mi>О</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>N</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
(6).
При падении активности катализатора 13 его регенерируют, для чего конвертер 4 отключают от пара и в него через камеру усреднения 6 в трубу 9 подают метан или водород, который после его использования через тангенциальные эллиптические патрубки 12 поступает в кольцевой канал первичного воздуха 2, где осуществляется его смешение с воздухом и подача смеси в зону горения.
Сравнение теплоты сгорания метана (реакция (4)) и суммы теплот сгорания компонентов конвертированного газа (реакции (2), (3)) с учетом расхода теплоты на подогрев парогазовой смеси до температуры (800-1100)°С и проведение реакции риформинга (1) показывает, что предлагаемое устройство обеспечивает увеличение теплоты сгорания продуктов конверсии 1 моля метана (водорода и оксида углерода) по сравнению с теплотой сгорания самого метана на (120-130) кДж/моль или на (15-16)%, что при равном расходе природного газа автоматически позволяет снизить выбросы диоксида углерода также на (15-16)%.
<mrow><mi>N</mi><msub><mi>O</mi><mi>x</mi></msub></mrow>
Образующиеся в топке в процессе горения оксиды азота в результате взаимодействия с водородом и оксидом углерода по реакциям (5) и (6) восстанавливаются до молекулярного азота, что позволяет также значительно снизить количество оксидов азота (
) в уходящих дымовых газах.
Кроме того, в результате упрощения конструкции путем компоновки конвертера 4 в самой горелке 1 (в предлагаемой конструкции нет специальной горелки для подогрева реакционной парогазовой смеси) и проведения процесса конверсии в самой топке (камере сгорания) КУПСГТ позволяет повысить надежность и снизить расход топлива на проведение этого процесса.
Таким образом, предлагаемое устройство для подготовки и сжигания газообразного топлива, в основу которого положен процесс каталитической конверсии углеводородов (парового риформинга), увеличивающий водородную часть топлива, в результате компоновки конвертера в составе горелки позволяет по сравнению с аналогом, наряду со снижением диоксида углерода и оксидов азота, одновременно повысить надежность и снизить расход топлива, что увеличивает его экономическую и экологическую эффективность.