КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ДОЖИГАТЕЛЬ

Настоящая полезная модель относится к устройствам очистки газовой среды от оксидов углерода, азота и сернистых соединений, входящих в состав среды топочных газов.
Известна горелка (RU 2084762, опубл. 20.07.1997), содержащая корпус с примыкающим к нему рефлектором инфракрасного излучения, инжектор в виде газового сопла, отражатель, керамическую излучающую насадку и сетку-экран.
Недостатком горелки является то, что она не обеспечивает необходимое снижение выбросов оксидов азота и углерода в атмосферу.
Известна промышленная горелка (патент US 5174744, опубл. 29.12.1992), которая содержит узел смешения топлива и окислителя, горелочную перфорированную плиту и сетчатый экран.
Недостатком горелки является то, что специальное покрытие сетчатого экрана керамической пеной обладает слабой механической прочностью, что снижает ее эксплуатационную надежность. Кроме того, существенно усложняется изготовление горелки.
Известна блочная инжекционная горелка среднего давления типа БИТ (В.М.Чепель, И.А.Шур. Сжигание газов в топках котлов и печей и обслуживание газового хозяйства предприятий. Л.: Недра, 1980, с. 308-311), включающая трубу-смеситель с выполненными в ней соплами и газовый коллектор.
Недостатком горелки является то, что она не обеспечивает необходимое снижение выбросов оксидов азота и углерода в атмосферу, оказывая тем самым вредное воздействие на окружающую среду.
При эксплуатации паровых и водогрейных котлоагрегатов, для поддержания требуемой концентрации уходящих топочных газов, а также для более глубокого процесса сжигания топлива в топочной части котла, требуется очистка топливной смеси на выходе с горелочных устройств от окисей углерода, азота и сернистых соединений.
Наиболее близким аналогом является патент RU 86282U, опубл. 27.08.2009, из которого известна конструкция горелочного устройства с нейтрализатором токсичных продуктов сгорания для котельных установок систем теплоснабжения.
3
2
Нейтрализатор токсичных продуктов сгорания, входящего в состав топочной камеры котлоагрегата, состоящего из вытяжной трубы и стальной сетки, поверхность которой подвергалась корпускулярному легированию ионами VSi и MOSi.
При данной установки нейтрализатора загрязнения продуктами недожога, оставшимися на его сетках, способствуют загрязнению сопла горелки, как следствие, уменьшению или закупориванию его проходного канала, что приводит к снижению эффективности работы котлоагрегата.
Ввиду того, что сетки нейтрализатора не отчищаются от продуктов недожога топлива, эффективность данного нейтрализатора с течением времени снижается, а также снижается пропускная способность данного нейтрализатора.
Также необходимо отметить относительно низкую эффективность данных сеток, из-за малой толщины, что может привести к быстрому прогоранию из-за высоких температур на сопле горелки.
Задачей полезной модели является устранение недостатков известных технических решений.
Технический результат заключается в обеспечении поддержания в паровых и водогрейных котлоагрегатов требуемой концентрации уходящих топочных газов, а также для более глубокого процесса сжигания топлива в топочной части котла, от окисей углерода, азота и сернистых соединений. Кроме того, за счет использования системы продувки каталитических решеток дожигателя достигается высокая эффективность доокисления продуктов недожога топлива, а также увеличивается срок службы эксплуатации данных решеток.
Указанный технический результат достигается за счет того, что заявлен каталитический дожигатель, включающий трубу-смеситель с выполненными в ней соплами и газовый коллектор, жестко закрепленный на корпусе трубы-смесителя нейтрализатор токсичных выбросов, выполненный в виде металлической решетки из жаропрочного металла, в поверхность которого внедрены ионы каталитического компонента методом ионной имплантации, отличающийся тем, что содержит вертикально ориентированный корпус с входным экраном для подачи топливно-воздушной смеси в дожигатель и выходным экраном для выхода топливно-воздушной смеси с уменьшенным количеством продуктов недожога топлива, включающих решетчатые устройства: каталитическую решетку в нижней части корпуса и расположенные над ней две каталитических решетки дожигателя, поверхность которых покрыта активным веществом (катализатором) методом ионной имплантации, при этом камеры образованы вертикально ориентированными направляющими, имеющими роликовые устройства для отклонения решеток относительно вертикальной оси для их продувки.
Предпочтительно каталитический дожигатель дополнительно содержит блок регулированной подачи воздуха, для продувки решеток дожигателя от продуктов недожога топливно-воздушной смеси, выполнен в виде напорного воздуховода, закреплённого по всей длине топочной камеры котлоагрегата подвесами.
Предпочтительно каталитический дожигатель дополнительно содержит воздуховод, идущий с линии подачи воздуха на горелочное устройство через шибер продувки, а также через воздушные форсунки.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показана схема устройства каталитического дожигателя с продувочной системой (вид сбоку в разрезе).
На Фиг.2 показано сечение А-А из схемы Фиг.1 каталитического дожигателя с продувочной системой в пропорции масштаба 1:2.
На Фиг.3 показано сечение Б-Б из схемы Фиг.1 каталитического дожигателя с продувочной системой в пропорции масштаба 1:2.
На Фиг.4 показан график зависимости концентраций оксидов углерода от паропроизводительности котла.
На Фиг.5 показан график зависимости концентраций оксидов азота от паропроизводительности котла.
На Фиг.6 показан график зависимости эффективности катализатора от температуры зоны его реагирования.
На чертежах: 1 - корпус; 2 - входной экран; 3 - выходной экран; 4 - решетчатые устройства; 5 - горелочное устройство; 6 - тяговый механизм; 7 - подвес; 8 - шибер основного потока; 9 - вертикально ориентированные направляющие; 10 - роликовые устройства; 11 - напорный воздуховод; 12 - шибер продувки; 13 - воздушные форсунки; 14 - направляющие форсунки, 15 - шламоотводчик, 16 - воздушный фильтр, 17 - камеры.
Осуществление полезной модели
3
2
На решение задач и технических результатов настоящей полезной модели направлен такой же принцип нанесения ионами VSi и MOSi на поверхность каталитических решеток дожигателя. В преимущественном варианте в дожигателе каталитические решетки устанавливаются с большей площадью и толщиной, с разным межячеистым пространством и различным легированным слоем поверхности.
Заслонки рабочего сечения дожигателя при этом отсекаются шиберами, во избежание попадания продуктами недожога сопловой части горелочных устройств, а также оседании данными продуктами на внутренних частях топочной части котлоагрегата.
Благодаря настоящей полезной модели удалось получить каталитический дожигатель, который обеспечивает такой технический результат, как снижения продуктов недожога в топливной смеси на выходе с горелочного устройства котлоагрегата и снижению окислов углерода, азота и сернистых соединений по ПДК, в уходящих топочных газах. Это позволяет предотвратить образование наростами продуктов недожога внутри топочной части котлоагрегата и его тепловых труб. Загрязнения продуктами недожога, оставшимися на сетках каталитического дожигателя, удаляются с помощью продувочного механизма дожигателя.
Настоящая полезная модель раскрывает процесс дожигания топливной смеси, в состав которого входят оксиды углерода, азота и сернистых соединений, например, в природном газе, мазуте, угле.
Кроме того, благодаря настоящей полезной модели удалось достигнуть такого технического результата, как повышение эффективности сжигания топлива, что дает возможность снизить общее топливопотребление котельными установками, используемыми в теплоэнергетике, а также снизить токсичные выбросы в атмосферу.
Сущность полезной модели выражена следующим.
Каталитический дожигатель содержит вертикально ориентированный корпус 1 с входным экраном 2 для подачи топливно-воздушной смеси в дожигатель и выходным экраном 3 для выхода топливно-воздушной смеси с уменьшенным количеством продуктов недожога топлива (оксидов углерода, азота и сернистых соединений), включающих по крайней мере три решетчатых устройства 4: каталитическую решетку в нижней части корпуса и расположенные над ней две каталитических решетки дожигателя, поверхность которых покрыта активным веществом (катализатором) методом ионной имплантации.
Это обеспечивает не только полное сгорание топлива, но также позволяет резко снизить, в сравнении с газомазутным горелочным устройством 5 по прототипу, количество оксидов углерода, азота и серы в продуктах сгорания, снижая тем самым токсичные выбросы оксидов углерода и азота.
Дожигатель содержит камеры 17, образованные вертикально ориентированными направляющими 9, имеющими роликовые устройства 10 для отклонения решеток относительно вертикальной оси для их продувки.
Блок регулированной подачи воздуха, для продувки решеток дожигателя от продуктов недожога топливно-воздушной смеси, выполнен в виде напорного воздуховода 11, закреплённого по всей длине топочной камеры котлоагрегата подвесами 7. Воздуховод, идущий с линии подачи воздуха на горелочное устройство через шибер продувки 12, а также через воздушные форсунки 13, где увеличивается его нагнетания и через направляющие форсунки 14 осуществляется продувка каталитических решеток, с дальнейшим удалением крупнодисперсных осадков. Закрытие шиберов основного потока 8, осуществляется дистанционно с помощью тяговых механизмов 6 для предотвращения попадания продуктов недожога в сопло горелочного устройства, а также в топочную часть котлоагрегата. Дальнейшее движения продувочного воздуха, с продуктами недожога, осевшими на поверхности решетчатых устройств, направляются в шламоотводчик 15, а мелкодисперсная фракция, пройдя через воздушный фильтр 16, удаляется через воздушник.
Проанализировав графики на Фиг.4 и 5, можно судить о значительном сокращении концентрации выбросов оксидов углерода и азота при сохранившейся паропроизводительности котлоагрегата.
При наличии системы продувки каталитических решеток дожигателя, высокая эффективность доокисления продуктов недожога связана гетерогенным катализом. Современные теории гетерогенного катализа основаны на квантово-химических расчетах структуры и реакционной способности образующихся на поверхности комплексов, и экспериментальном исследовании кинетики элементарных стадий.
2
В гетерогенных реакциях взаимодействие веществ происходит на поверхности раздела фаз и, чем больше площадь этой поверхности, тем выше скорость реакции. Поэтому отличительным свойством многих гетерогенных катализаторов является большая площадь их поверхности, которая может достигать 500 м на 1 г катализатора.
Каталитическими свойствами обладают в той или иной степени практически все химические элементы и вещества - сами по себе или, чаще, в различных сочетаниях. Многие гетерогенные катализаторы содержат металлы. Металлы, относящиеся к VIII группе Периодической системы элементов, обладают каталической активностью сами по себе. Их каталитическая активность определяется электронной конфигурацией и симметрией d-орбиталей поверхностных атомов металла. Но большинство металлов проявляют каталитические свойства, находясь в составе соединений.
Механизм действия гетерогенного катализатора заключается в том, что на поверхности любого кристаллического вещества свойства атомов отличаются от свойств атомов, находящихся внутри кристаллической решетки в силу нескомпенсированности воздействий со стороны других атомов. Поэтому поверхностные атомы в твердых телах стремятся компенсировать свою насыщенность взаимодействием с молекулами газов (или жидкостей), окружающих кристалл. Молекулы газа (или жидкости) адсорбируются на поверхности кристалла, что приводит к перераспределению электронной плотности в молекулах реагента и ослаблению химической связи в них, вследствие чего такая молекула становится более способной вступать в реакции.
В гетерогенном катализе такие поверхностные химические соединения играют роль промежуточных активных форм (активных центров). Эти вещества не представляют собой отдельную объемную фазу, а образуются в результате хемосорбции молекул на поверхности катализатора.
То есть к основным факторам, которые могут приводить к ускорению реакции в результате образования комплекса реагента с катализатором, относят не только то, что катализатор может существенно повлиять на распределение электронной плоскости в молекуле реагента, сделав ее более благоприятной для протекания реакции, но также и то, что промежуточное взаимодействие может существенно понизить энергетический барьер реакции, устраняя запрет по орбитальной симметрии. Например, прямое взаимодействие молекул органических соединений с молекулярным водородом (гидрирование) запрещено по орбитальной симметрии. Однако водород может взаимодействовать с переходными металлами.  Образующийся гидрид без труда взаимодействует с органическими молекулами с освобождением металлического переходного металла.
Так, при нагревании алканов в присутствии катализаторов происходит их каталитическое дегидрирование за счет разрыва связей С-H и отщепления атомов водорода от соседних углеродных атомов. В результате отрыв одного или нескольких атомов водорода от молекулы алкана приводит к образованию углеводородных радикалов - алкилов:
<img file="00000001.jpg" he="7" wi="46" img-content="undefined" img-format="jpg" />
(2)
Образованный водород может восстанавливать оксиды углерода и азота на катализаторе по реакции:
<img file="00000002.jpg" he="5" wi="46" img-content="undefined" img-format="jpg" />
(3)
<img file="00000003.jpg" he="5" wi="45" img-content="undefined" img-format="jpg" />
(4)
Кислород, активированный поверхностью катализатора, вступает во взаимодействие с оксидами, т.е. на катализаторах происходит доокисление оксидов:
<img file="00000004.jpg" he="5" wi="33" img-content="undefined" img-format="jpg" />
(5)
<img file="00000005.jpg" he="5" wi="34" img-content="undefined" img-format="jpg" />
(6)
На сегодняшний день за рубежом и в странах СНГ нашли широкое применение катализаторы с содержанием благородных металлов, таких как платина и палладий. Однако широкое использование таких катализаторов в процессах нейтрализации токсичных газов сдерживается дефицитностью и высокой стоимостью благородных металлов, наносимых традиционными химическими способами, при которых на катализатор приходится до 40% общего веса катализатора.
Катализаторы из соединений неблагородных металлов по воздействию на углеводороды превышают по эффективности платину, в этих целях используется кобальт, молибден, хром, церий, вольфрам и др.
При этом снижение эффективности реакции дегидрирования подчиняется следующей последовательности:
где  - дисилицид молибдена, WC - карбид вольфрама,  - карбид молибдена,  - силицид ванадия, ZrC - карбид циркония,  - силицид молибдена,  - карбид титана,  - борид хрома.
Выбор нанесения на поверхности решетчатых устройств дисилицид молибдена, силицид ванадия обусловлен исходя из эффективности протекания реакции, а также из экономических соображений.
В процессе эксплуатации каталитических решеток продукты недожога (коаксиальные соединения), частично оседают на поверхности легированного слоя, снижая контактное пятно легированного вещества с оксидами, не вступившими в реакцию горения. С помощью системы продувки поток воздуха способствует удалению с поверхности решеток дожигателя продуктов недожога (Коаксиальные соединения), восстанавливая пятно контакта.
x
x
x
Использование в устройстве дожигателя, состоящего из каталитических решеток, являющихся нейтрализаторами токсичных выбросов, позволяет снизить количество оксидов азота NO, оксидов углерода СO и оксидов сернистых соединений SO в продуктах сгорания.
Воздействие каталитических решеток дожигателя, поверхность которых покрыта методом ионной имплантации, определяется реакцией дегидрирования углеводородов на них, которое заключается в отщеплении водорода от молекулы углеводорода, что ускоряет процесс сгорания и уменьшает концентрацию несгоревших углеводородов. Водород, образованный при этом в зонах, богатых топливом, восстанавливает оксиды углерода, азота и серы. Основные компоненты токсичных выбросов дымовых газов, входя в межрешетчатое пространство между каталитическими решетками дожигателя, восстанавливаются по реакции:
2
2
2
2CO + 2H  C+ 2HO
2
2
2
2NO + 2H  N+ 2HO
2
2
2
2SO + 2H  S + 2HO
и доокисляются кислородом, активированным поверхностью катализатора по уравнениям:
2
2
2CO + O  2CO
2
2
2NO + O   2NO
2
2
2SO + O 2SO
Таким образом, газомазутное горелочное устройство, снабженное каталитическим дожигателем, поверхность которых покрыта методом ионной имплантации, обеспечивает следующие преимущества в сравнении с газомазутным горелочным устройством по прототипу:
 более полное сгорание топлива;
  резкое снижение, количества оксидов углерода, азота и серы в продуктах сгорания;
 снижение токсичных выбросов в атмосферу;
 обеспечить топливной экономичности до 20%;
Применение ионной имплантации для обработки поверхности дожигателя значительно расширяет технико-экономические параметры изделий с каталитическим покрытием. К преимуществам данного метода по сравнению с традиционными способами нанесения покрытий (диффузией, сплавлением, легированием из расплава, легированием в процессе эпитаксии) относятся следующее:
- химические и физические свойства поверхности могут изменяться в широком диапазоне без связи с объемными свойствами образца, такими, как предел растворимости;
- отсутствуют поверхности раздела между внедренным слоем и материалом основы, которые часто являются причиной коррозии за счет контактной разности потенциалов или источником ухудшения механических свойств за счет недостаточных адгезионных свойств между слоями;
- расходуется очень малое количество легирующего материала, поэтому, при необходимости, можно использовать дорогие и редкие элементы без значительного повышения стоимости процесса (для катализаторов, наносимых корпускулярным легированием, на газомазутные горелки достаточно нанести 0,02% платины от веса внутреннего экрана горелки для получения эффективного дожигания топлива и доокисления вредных примесей);
- процесс технологичен, хорошо контролируется и воспроизводится.
Исследовалось влияние каталитической поверхности образцов на эффективность их работы в горелочных устройствах, для чего рассматривались два образца - катализатора, на один из которых наносилась платина методом ионной имплантации (см. Фиг.6 - график зависимости эффективности катализатора от температуры зоны его реагирования).
2
3
Из графика Фиг.6 видно, что добавка платины на носителе ШН-2 γ-AlO, ø3,5-6 мм позволяет повысить эффективность реакции окисления угарного газа до 40% при температурах выше 380°С [The application of catalytic coating sionimplantation method (статья). Кудашев А.С., Злобин В.Н., Сорокин А.М. Solid State Phenomena. 2020. Т. 299. С. 755-759. [Scopus]].
Также изучалось влияние каталитической поверхности образцов на эффективность сократившегося расхода топлива, за счет более глубокого процесса доокисления продуктов недожога, находящиеся в топливной смеси, для этого рассматривались два вида топлива - природный газ и топочный мазут (см. Фиг.7, 8).
Из графиков Фиг.7, 8 видно, что процентное соотношение количества сократившегося топлива, что эффективность сжигания топлива при установке разработанного каталитического дожигателя над газомазутной горелкой в энергетические котлоагрегаты при обеспечении условий надежности и безопасности сокращает расход топлива до 21%, при максимальной нагрузке котлоагрегата по топливу (газ, мазут).