ГАЗОВАЯ БЕСПЛАМЕННАЯ ГОРЕЛКА РАДИАЛЬНО-СПИРАЛЬНОГО ТИПА

Полезная модель относится к технике сжигания газообразных топлив, а также испаряемых жидких топлив в беспламенных нагревательных элементах для получения газообразного высокотемпературного теплоносителя и может быть использована в энергетике, химической, нефтеперерабатывающей и газоперерабатывающей промышленности, а также в других отраслях в составе различных технологических установок.
В настоящее время все более широкое распространение получают каталитические нагревательные элементы, в частности, беспламенные горелки радиально-спирального типа.
Известен каталитический нагревательный элемент по патенту РФ №2062402, F23D 14/18 с пр. от 24.02.94 для сжигания углеводородных газов, содержащий газораспределительную перфорированную металлическую трубку, заглушенную с одной стороны, с размещенными на ее внешней поверхности распределителем и слоем катализатора, причем катализатор выполнен в виде навитых на трубу армированных лент, имеющих поочередно плоскую и гофрированную формы и образующие проницаемые для газа каналы.
К основным недостаткам этого устройства относятся его ограниченная мощность и возможность значительного разогрева внутренней поверхности каталитического слоя из-за отсутствия теплосъема внутри нагревателя. Кроме того, выполнение слоя катализатора в виде навивки армированных плоских и гофрированных лент трудоемко в изготовлении, трудно поддается механизации из-за большого объема ручных работ, не позволяет обеспечить равномерное распределение сжигаемого газа или газовоздушной смеси по длине и периметру элемента, что, в свою очередь, приводит к снижению мощности, неполному окислению топлива и образованию токсичных веществ.
2
3
В газовых беспламенных нагревательных элементах (горелках, камерах сгорания), в том числе горелках радиально-спирального типа, могут применяться никельсодержащие катализаторы на основе глинозема α-AlO, позволяющие поддерживать адиабатическую температуру горения до 1500 К, что дает существенный экономический эффект по сравнению с использованием дорогостоящих катализаторов с активными компонентами на основе платиноидов - платины, палладия (Catalysis Today. 477, 1999, pp.369-375), а также катализаторов, применение которых ограничивается предельно допустимой адиабатической температурой горения 1200-1250 К (Газотурбинные технологии. 2010, №8, с.2-6).
2
3
Известен способ работы газовой беспламенной горелки радиально-спирального типа с раздельным подводом топлива и окислителя на каталитическую насадку горелки, в которой в качестве материала каталитической насадки используют гранулы кольцеобразной, сферической, цилиндрической или сложной геометрической формы с характерными размерами 1-8 мм, которые изготавливают из глинозема α-AlOпрокалкой до температуры 1700-1900 К и последующей пропиткой оксидом никеля NiO (Заявка RU №2011137499/20 (055898) с приор. от 13.09.2011).
Недостатком данного способа является то, что он предусматривает специальное изготовление катализатора с использованием никеля.
Задачей настоящего предложения является создание газовой беспламенной горелки радиально-спирального типа с дешевым никельсодержащим катализатором.
Предлагаемое решение поставленной задачи основано на следующем.
2
3
Известно, что для паровой, пароуглекислотной и паровоздушной конверсии газообразных углеводородов, в т.ч. природного газа, в трубчатых печах и шахтных конверторах при производстве аммиака и метанола, а также в других технологических процессах нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности используют никельсодержащие катализаторы, представляющие собой гранулы размером 12-20 мм, которые изготавливают из глинозема α-AlO, прокаленного до температуры 1700-1900 К, в качестве носителя с последующей пропиткой его оксидом никеля NiO. Массовая доля NiO в этих катализаторах составляет 7-30% (см., например, Катализаторы азотной промышленности. Каталог. ГИАП НИИ-ТЭХИМ, 1989).
Ресурс до замены или регенерации катализаторов - 3-5 лет.
В течение указанного срока гранулы катализатора растрескиваются, в результате чего рекомендуемые способы регенерации не могут обеспечить восстановление исходных характеристик. Поэтому, как правило, после выработки указанного выше ресурса, производят замену катализатора, а партию катализатора, отработавшего ресурс, складируют в отвалах без дальнейшего использования.
2
3
Суммарная загрузка катализатором только агрегатов российских аммиачных производств составляет более 1800 т, и при среднем сроке службы катализатора 4 года ежегодно только в этой отрасли выбрасываются более 450 т ценного продукта, а с учетом других производств, использующих никельсодержащие катализаторы на носителе из глинозема α-АlO, количество этого продукта, накапливаемого в отвалах после выработки ресурса и не находящего в дальнейшем полезного применения, значительно больше.
Поставленная задача решается следующим путем.
2
3
Газовая беспламенная горелка, содержит вертикальный цилиндрический корпус с патрубками подвода газообразного топлива и воздуха (окислителя) и патрубка отвода продуктов сгорания, размещенные внутри корпуса газораспределительное устройство, состоящее из коллектора, подсоединенного к патрубку подвода газообразного топлива, и присоединенных к нему, равномерно размещенных по периметру устройства нескольких газораздающих трубок, вертикальные участки которых имеют одностороннюю перфорацию, ориентированную отверстиями в сторону вертикальной оси горелки, а также контейнер, состоящий из двух укрепленных на донышке концентрично расположенных перфорированных цилиндров, снабженный установленными между ними направляющими перегородками и заполненный каталитической насадкой из зернистого материала (огнеупора). Каталитическая насадка выполнена из никелевого катализатора на основе глинозема α-AlO, выработавшего ресурс в трубчатых печах и шахтных конверторах.
При необходимости загрузки горелки мелкозернистыми гранулами, гранулы катализатора, ранее выработавшего ресурс в трубчатых печах и шахтных реакторах, перед загрузкой в контейнер газовой беспламенной горелки могут быть раздроблены до размера 1-10 мм.
Пример выполнения предлагаемой горелки описан ниже и поясняется чертежами, на которых:
Фиг.1 изображает общий вид горелки, продольный разрез;
фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.
Газовая беспламенная горелка содержит вертикальный цилиндрический корпус 1 с патрубком 2 на днище для подвода воздуха (окислителя). Внутри корпуса 1, вдоль его вертикальной оси, с кольцевым зазором, образующим воздушный распределительный канал 3, установлен контейнер 4, состоящий из двух укрепленных на днище 5 концентрично расположенных внутреннего перфорированного цилиндра 6 и наружного перфорированного цилиндра 7 и заполненный каталитической насадкой 8 из зернистого материала (огнеупора), сверху воздушный распределительный канал 3 закрыт заглушкой 9. Внутренний перфорированный цилиндр 6 образует центральный цилиндрический канал 10, являющийся сборником продуктов сгорания, причем в верхней части внутренний цилиндр 6 подсоединен к укрепленному на верхней крышке 11 корпуса 1 патрубку отвода продуктов сгорания 12.
2
3
В корпусе также размещено газораспределительное устройство, включающее коллектор 13, соединенный с патрубком 14 подвода газа, и присоединенные к коллектору 13, равномерно размещенные по периметру устройства нескольких заглушенных сверху газораздающих трубок 15, вертикальные участки которых имеют одностороннюю перфорацию, ориентированную отверстиями в сторону оси горелки, и размещены вблизи наружного перфорированного цилиндра 7 в объем насадки 8, заполняющей контейнер 4. Каталитическая насадка 8 представляет собой никелевый катализатор на основе глинозема α-AlO, ранее выработавший ресурс в трубчатых печах и шахтных реакторах, при необходимости предварительно раздробленный до размера гранул 1-10 мм.
Для повышения эффективности работы горелки и равномерного распределения топлива и окислителя в зернистом слое, а также обеспечения необходимой полноты сгорания путем увеличения пути компонентов газовоздушной смеси в объеме насадки 8, между внутренним 6 и наружным 7 перфорированными цилиндрами установлены спиралеобразные направляющие перегородки 16, причем количество перегородок равно количеству газораздающих трубок 15 газораспределительного устройства.
Предлагаемая горелка работает следующим образом.
Первоначальный запуск горелки, до вывода ее на рабочий режим, проводится прогревом ее за счет прокачки через нее горячего газообразного теплоносителя (воздуха или дымовых газов), поступающего от внешнего источника, или с помощью вспомогательной пусковой горелки.
После завершения прогрева через патрубок 2 подают на горелку окислитель (воздух), а через патрубок 14 - газ. Воздух попадает в коллектор 3, откуда через перфорацию в наружном цилиндре 7 поступает во внутреннюю полость контейнера 4, заполненную насадкой 8. Одновременно через перфорацию в газораздающих трубках 15 во внутреннюю полость контейнера 4 поступает газ. По мере движения газа и воздуха к оси горелки происходит смесеобразование и беспламенное сгорание газа. Установленные в контейнере 4 перегородки 16 направляют поток газовоздушной смеси от периферии к центру по спирали, благодаря чему увеличивается длина пути смеси в контакте с материалом насадки и более полное сжигание газа. Пройдя насадку, продукты сгорания через перфорацию во внутреннем цилиндре 6 попадают в центральный канал 10, откуда через патрубок 12 выводятся из горелки и направляются качестве высокотемпературного теплоносителя в теплоприемник.
Предлагаемая газовая беспламенная горелка радиально-спирального типа имеет следующие преимущества:
- в горелке используется дешевый высокоэффективный никелевый катализатор;
- достигается значительная экономия никеля;
- утилизируется ценный никельсодержащий продукт;
- разгружаются площади, занимаемые под складирование отработавшего катализатора;
- используется каталитический материал с размерами гранул, оптимальными для газовой беспламенной горелки конкретного размера и исполнения, благодаря чему существенно повышается эффективность процесса беспламенного сжигания газообразного топлива, улучшаются массогабаритные характеристики горелочного устройства и снижается расход каталитического материала.
Предлагаемое техническое решение может использоваться не только в горелках радиально-спирального типа, но также и в других беспламенных нагревательных элементах, предназначенных для получения газообразного высокотемпературного теплоносителя.