СПОСОБ НАГРЕВА ВОЗДУХА, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ И СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАГРЕВА ВОЗДУХА
METHOD OF AIR HEATING, DEVICE FOR ITS REALISATION AND METHOD TO CONTROL AIR HEATING

Группа изобретений относится к способам, устройствам для нагрева воздуха и способам регулирования прямого нагрева воздуха путем смешения с продуктами окисления (сгорания) углеводородного топлива и может найти применение в нефтегазовой, химической, металлургической и других отраслях промышленности, а также в коммунальном и сельском хозяйстве.
Круг потребителей нагретого воздуха крайне разнообразен. Наиболее распространенным способом получения нагретого воздуха является его нагрев за счет тепла пламенного сжигания различных видов углеводородного топлива с передачей тепла нагреваемому воздуху, либо через теплообменную поверхность, либо прямым смешением с продуктами сгорания. При этом нерешенной проблемой является минимизация выбросов окислов азота и окиси углерода, образующихся в факеле пламени при температурах выше 1000°C, а также высокая пожаровзрывоопасность процесса.
Известны и серийно выпускаются газовые каталитические обогреватели диффузионного типа "Термокат-1", "Термокат-2", "Термокат-3", работающие на предварительно смешанных газовоздушных смесях [З.Р. Исмагилов, М.А. Керженцев. «Катализаторы и процессы каталитического горения», Химическая промышленность, 1996, №3, с.197]. Аппараты "Термокат-1" и "Термокат-2" работают на сжиженном газе - пропанбутановой смеси, а аппарат "Термокат-3" - на природном газе. В указанных воздухонагревателях используются катализаторы полного окисления типа ИК-12-30.
Известен и также выпускается промышленностью воздухонагреватель газовый смесительный каталитический [З.Р. Исмагилов, М.А. Керженцев. «Экологически чистое сжигание топлив и каталитическая очистка дымовых газов ТЭС от оксидов азота: состояние и перспективы». Журнал Всесоюзного химического общества им. Д.И. Менделеева, 1991, т.35, вып.1, с.43-54]. Воздухонагреватель представляет собой установку двухстадийного сжигания природного газа. На первой стадии осуществляют факельное сжигание природного газа. Затем топочные газы, дополнительно разбавленные воздухом, подают во вторую камеру, где установлена каталитическая кассета, набранная из шестигранных блоков катализатора сотовой структуры. Температура топочных газов перед каталитической кассетой 427-827°C достаточна для частичного восстановления оксидов азота избытком оксида углерода, а также окисления продуктов неполного сгорания топлива и оксида углерода кислородом воздуха. Смесь продуктов окисления дополнительно разбавляют воздухом и используют для обогрева помещения.
В известном воздухонагревателе пламенное сжигание топлива на первой стадии в факельной горелке приводит к образованию оксидов азота, которые не удается полностью восстановить на второй каталитической стадии, а также частиц сажи. Кроме того, наличие в продуктах пламенного сгорания непрореагировавшего метана приводит к образованию "горячей точки" в лобовой части каталитической кассеты, что является причиной термического разрушения катализатора.
Известен также ряд конструкций воздухонагревателя [патент РФ №2145050, 2000, МПК F26B 23/02, F24H 3/00, патент РФ №2196942, 2003, МПК F24H 3/00], представляющий собой устройства двухстадийного сжигания газообразного топлива с пламенным сжиганием топлива на первой стадии и каталитическим или пламенным дожиганием (окислением) продуктов неполного сгорания с дополнительным количеством топлива на второй стадии с последующим смешением продуктов сгорания с необходимым количеством холодного воздуха.
x
Недостатком указанных решений является использование в качестве сжигающего устройства факельной горелки, имеющей выбросы CO в пределах 10-35 ppm, и NO в пределах 60-320 ppm. Каталитическое окисление в каталитических насадках, применяемых в известных воздухоподогревателях, не решает проблему высокого содержания окислов азота в газах сгорания.
В связи с этим актуальной является разработка способов и устройств нагрева воздуха без применения стадий пламенного сжигания топлива.
Наиболее близким к заявляемому устройству и способу нагрева воздуха является воздухонагреватель и способ его работы [Патент РФ №2206835, 2003, МПК F24H 3/00, F23D 14/18], заключающийся в двухстадийном каталитическом окислении природного газа кислородом воздуха и последующем смешении продуктов окисления с воздухом, в аппарате, в котором вместо пламенной горелки на первой стадии окисления (сжигания) топлива использован каталитический генератор, в котором происходит парциальное окисление углеводородов топлива с образованием окиси углерода, водорода и паров воды (синтез-газа), представляющий собой реактор радиального типа, содержащий газораспределительную трубку с каталитическим слоем, выполненным в виде газопроницаемых плоских и гофрированных армированных лент, навитых и спеченных с газораспределительной трубкой, с зазорами между витками с образованием газовоздушных каналов между лентами. Топливную смесь получают в смесителе воздуха и топлива. В качестве катализатора используют армированный пористый материал, содержащий активные компоненты: родий, никель, платину, палладий, железо, кобальт, рений, рутений или их смесь. На второй стадии использован также каталитический реактор окисления, в котором продукты неполного окисления (сгорания) топлива первой стадии окисляют (дожигают) до углекислого газа и паров воды дополнительным количеством воздуха. В другом смесителе продукты полного окисления топлива, практически не содержащие CO и окислов азота, смешивают с необходимым количеством воздуха, получая нагретый воздух требуемой температуры.
При этом регулирование температуры нагретого воздуха осуществляют согласованным изменением расхода газообразного топлива и расхода воздуха на смешение с продуктами окисления (сгорания) топлива.
Однако известный способ и устройство не позволяют использовать жидкое топливо, а проведение нагрева воздуха в две стадии усложняет процесс. Кроме того, пуск воздухонагревателя требует предварительного разогрева катализатора до температуры более 600°C, что требует повышенного расхода электроэнергии и приводит к большой инерционности запуска устройства.
Задача изобретения - расширение ассортимента используемых топлив, упрощение конструкции устройства, снижение инерционности запуска устройства в работу при сохранении полноты сгорания топлива и минимальности загрязнения нагреваемого воздуха CO и окислами азота.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении способа:
- расширение ассортимента используемых топлив за счет возможности использования в качестве топлива низкокалорийных газов, а также жидкого дистиллятного топлива (то есть топлива, не содержащего компонентов, не испаряющихся при температуре каталитического окисления) путем его испарения в избытке горячего воздуха с образованием газообразной топливной смеси;
- снижение инерционности запуска устройства нагрева воздуха за счет предварительного нагрева воздуха, подаваемого на смешение с топливом в 1-5-кратном избытке, при помощи пускового устройства до температуры, обеспечивающей температуру топливной смеси в интервале температуры каталитического окисления;
- упрощение технологии и конструкции устройства нагрева воздуха за счет нагрева воздуха каталитическим окислением топлива в одну стадию.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе нагрева воздуха, включающем смешение углерод- и/или водородсодержащего топлива с частью нагреваемого воздуха с получением газообразной топливной смеси, ее каталитическое окисление до диоксида углерода и воды, и смешении продуктов окисления с оставшейся частью нагреваемого воздуха, согласно изобретению топливную смесь получают путем смешения газообразного или жидкого дистиллятного топлива и части нагреваемого воздуха, взятого с коэффициентом избытка от 1 до 5 к стехиометрическому и предварительно нагретого до нижнего температурного предела работы катализатора окисления за счет теплообмена с по крайней мере частью продуктов окисления, при этом максимальную температуру продуктов окисления поддерживают на 10-50°C ниже температуры термостабильности катализатора, но не выше 900°C.
Способ осуществляют с использованием устройства для нагрева воздуха, включающего смеситель воздуха и топлива, пусковой подогреватель, каталитическую кассету и смеситель продуктов окисления с воздухом, в котором согласно изобретению, оно дополнительно содержит теплообменную секцию предварительного нагрева воздуха продуктами окисления, а также клапаны, установленные на линии подачи воздуха в смеситель продуктов окисления с воздухом, на линии подачи топлива в смеситель воздуха и топлива, а также на байпасной линии на выходе продуктов окисления из каталитической секции.
При этом в качестве каталитической кассеты (секции) используют реактор с радиальным вводом сырья, содержащий неподвижный слой гранулированного катализатора, или реактор с блочно-сотовым катализатором.
Нагрев воздуха осуществляют с применением способа регулирования, предусматривающего согласованное изменение расхода топлива и расхода воздуха на смешение с продуктами окисления (сгорания) топлива, в котором согласно изобретению, регулирование температуры нагрева воздуха осуществляют изменением расхода топлива клапаном, установленным на линии подачи топлива в смеситель воздуха и топлива, регулирование температуры предварительного нагрева части воздуха осуществляют изменением расхода части продуктов окисления, направляемой в теплообменную секцию, клапаном, установленным на байпасной линии на выходе продуктов окисления из каталитической секции, а регулирование максимальной температуры продуктов окисления осуществляют путем изменения коэффициента избытка воздуха топливной смеси с помощью клапана, установленного на линии подачи воздуха смеситель продуктов окисления с воздухом.
В заявляемом способе смешение топлива и части воздуха, предварительно нагретого до нижнего температурного предела работы катализатора окисления, за счет теплообмена по крайней мере с частью продуктов окисления обеспечивает возможность применения не только природного газа, но и низкокалорийных газовых смесей, содержащих повышенное количество негорючих газов (углекислого газа, азота, водяного пара и пр.), а также жидкого дистиллятного топлива, которое за счет испарения в избытке горячего воздуха образует газообразную топливную смесь. В числе используемых видов жидкого топлива и такие, как газовый конденсат, нестабильный бензин и прочие виды легкого углеводородного топлива, которые неприменимы при пламенном сжигании из-за высокой пожаровзрывоопасности.
Окисление топливной смеси, содержащей воздух с коэффициентом избытка от 1 до 5 к стехиометрическому, позволяет поддерживать максимальную температуру в слое катализатора в оптимальной области температур (450-900°C в зависимости от химического состава топлива), с одной стороны не превышая температуру термостабильности катализатора, а с другой - обеспечивая полноту окисления топлива до углекислого газа и воды без образования окислов азота и CO.
Поддержание максимальной температуры продуктов окисления на 10-50°C ниже температуры термостабильности катализатора, но не выше 950°C, обеспечивает длительный срок службы катализатора и гарантирует минимальное содержание окислов азота и CO в продуктах окисления и нагретом воздухе.
Теплообменная секция предварительного нагрева воздуха продуктами окисления обеспечивает нагревание воздуха до нижнего температурного предела работы катализатора окисления, что способствует эффективной работе всего объема катализатора и малоинерционный запуск устройства. В качестве теплообменной секции используют теплообменник с температурно-разгруженными теплообменными элементами (самокомпенсирующимися), например, витого типа или спирально-радиального типа.
Использование в качестве каталитической кассеты реактора с радиальным вводом сырья, содержащего неподвижный слой гранулированного катализатора, или реактора с блочно-сотовым катализатором обеспечивает минимальное гидравлическое сопротивление воздухонагревателя и минимальный расход электроэнергии на привод напорного вентилятора или дымососа.
Регулирование температуры нагрева воздуха путем изменения расхода топлива обеспечивает возможность задания температуры нагрева воздуха в интервале температур от +10 до +650°C к температуре окружающего воздуха.
Регулирование температуры предварительного нагрева части воздуха путем изменения расхода части продуктов окисления, направляемой в теплообменную секцию, обеспечивает возможность поддержания необходимой температуры топливной смеси и стабильной работы катализатора окисления при изменении тепловой производительности устройства.
Регулирование максимальной температуры продуктов окисления путем изменения коэффициента избытка воздуха топливной смеси предохраняет катализатор от возможного перегрева и дезактивации.
Предлагаемый способ нагрева воздуха осуществляют следующим образом.
Схема нагрева воздуха приведена на чертеже.
Воздух (I), поступающий в воздухонагреватель, разделяют на две части, одну из которых (II) подают в теплообменную секцию 1, где подогревают до нижнего температурного предела работы катализатора окисления (280-530°C в зависимости от химического состава топлива и вида катализатора). Другую часть воздуха (III) через клапан 2 подают на смешение с продуктами окисления (IV) в смеситель 3. Нагретый воздух в смесителе 4 смешивают с газообразным или жидким топливом (V), подаваемым через клапан 5. Газообразную топливную смесь (VI), полученную в результате испарения жидкого топлива и смешения его паров с воздухом (или смешения газообразного топлива с воздухом), направляют в каталитическую секцию 6, где происходит полное окисление топлива до углекислого газа и воды. Продукты окисления с температурой, не превышающей 900°C, разделяют на два части, одну из которых (VII) направляют на вход в теплообменную секцию 1 для подогрева воздуха, а другую (VIII) через клапан 7 подают на выход из теплообменной секции 1 в линию продуктов окисления, охлажденных воздухом. Полученную смесь продуктов окисления направляют в смеситель 3, где смешивают с потоком воздуха (III) с получением нагретого воздуха (IX).
При пуске устройства воздух перед смесителем 4 подогревают с помощью пускового подогревателя 9 до нижнего температурного предела работы катализатора окисления, например, с помощью электрического нагрева. Малая теплоемкость воздуха в сочетании с возможностью подачи при пуске относительно небольшого количества воздуха и топлива, а также необходимость нагрева только для температуры 280-530°C, обеспечивает низкий расход электроэнергии и малую инерционность устройства при пуске.
В качестве топлива используют углерод- и/или водородсодержащие топлива, в том числе углеводородные газы, низкокалорийные газовые смеси, содержащие повышенное количество негорючих газов (углекислого газа, азота, водяного пара и пр.), жидкое дистиллятное топливо, включая керосин, дизельное топливо, дистиллятное судовое топливо, различные виды легкого углеводородного топлива, такие как газовый конденсат, нестабильный бензин.
В качестве каталитической кассеты могут быть использованы реактор с радиальным вводом сырья, содержащий неподвижный слой гранулированного катализатора, или реактор с блочно-сотовым катализатором, обладающие малым гидравлическим сопротивлением и высокой удельной поверхностью катализатора.
В доступной научно-технической и патентной литературе не был обнаружен способ нагрева воздуха, включающий смешение газообразного или жидкого топлива с частью воздуха, взятого в 1-5-кратном избытке и предварительно нагретого до нижнего температурного предела работы катализатора окисления за счет теплообмена с продуктами окисления, каталитическое окисление полученной топливной смеси до диоксида углерода и воды, и смешение продуктов окисления с оставшейся частью воздуха.
Кроме того, в доступной научно-технической и патентной литературе не было обнаружено устройство для нагрева воздуха, включающее теплообменную секцию предварительного нагрева воздуха продуктами окисления и клапаны, установленные на линии подачи воздуха в смеситель продуктов окисления и воздуха, на линии подачи топлива в смеситель топлива и воздуха, а также на байпасной линии на выходе продуктов окисления из каталитической секции, а также способ регулирования процесса нагрева воздуха путем изменения подачи топлива, части воздуха на образование топливной смеси и части топлива в теплообменную секцию с помощью указанных клапанов. Таким образом, заявляемое изобретение соответствует критерию патентоспособности «новизна».
Исследованиями авторов было доказано, что каталитическое окисление при температуре на 10-50°C ниже температуры термостабильности катализатора, но не выше 950°C, газообразной топливной смеси, полученной смешением топлива с 1-5-кратным избытком воздуха, нагретого до нижнего температурного предела работы катализатора окисления, за счет теплообмена с продуктами окисления, и смешение продуктов окисления с дополнительным объемом воздуха, позволяет получать нагретый воздух в широком диапазоне температур, проводя при этом процесс в одну стадию, а также обеспечивает возможность сжигания различных видов газообразного или жидкого топлива и низкую инерционность устройства при пуске. Таким образом, заявляемое изобретение соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. Стабильный газовый конденсат смешивают с 5-кратным избытком воздуха, нагретого до 350°C, и направляют в каталитическую секцию с блочно-сотовым магний-хромовым катализатором, продукты окисления с температурой 680°C частично направляют в теплообменную секцию, изготовленную в виде теплообменника витыми трубными элементами, где охлаждают до 380°C, смешивают с дополнительным количеством окружающего воздуха и получают воздух с температурой 50°C, используемый для обогрева помещения. Содержание CO в нагретом воздухе менее 1 ppm, окислы азота - отсутствуют.
Пример 2. Попутный нефтяной газ смешивают с 4-кратным избытком воздуха, нагретого до 390°C, и направляют в каталитическую секцию с радиальным вводом с алюмомеднохромовым гранулированным катализатором, продукты окисления с температурой 790°C частично направляют в теплообменную секцию спирально-радиального типа, где охлаждают до 340°C, смешивают с дополнительным количеством окружающего воздуха и получают воздух с температурой 300°C, используемый для обогрева технологического оборудования. Содержание CO в нагретом воздухе около 1 ppm, окислы азота - отсутствуют.
2
2
Пример 3. Синтез-газ с содержанием CO 21% об., H 40% об., CO 1,5% об., азот - остальное, смешивают со стехиометрическим количеством воздуха, нагретого до 330°C, и направляют в каталитическую секцию с радиальным вводом с палладийсодержащим гранулированным катализатором, продукты окисления с температурой 550°C частично направляют в теплообменную секцию спирально-радиального типа, где охлаждают до 270°C, смешивают с дополнительным количеством окружающего воздуха и получают воздух с температурой 150°C, используемый для обогрева технологического оборудования. Содержание CO в нагретом воздухе 1,5 ppm, окислы азота - отсутствуют.
Из примеров 1-3 видно, что предлагаемый способ позволяет получать нагретый воздух в широком диапазоне температур при использовании различных видов топлива в минимальной степени загрязненного продуктами неполного сгорания топлива и окислами азота.
Предлагаемые способ и устройство могут быть использованы в нефтегазовой, химической, металлургической и других отраслях промышленности, а также в коммунальном и сельском хозяйстве. Изобретение воспроизводимо и при использовании реализуется его назначение. Таким образом, заявляемое изобретение соответствует критерию патентоспособности «промышленная применимость».