КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ТЕПЛОГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к теплоэнергетике и может быть использована в системах теплоснабжения и при сжигании топлива для нагрева рабочих тел, где сжигание различных топлив происходит в псевдоожиженном слое.
Известен каталитический генератор теплоты, описанный в сб. научных трудов «Технологические процессы на основе каталитических генераторов тепла» СО АН СССР, Институт катализа, Новосибирск, 1985 г., рис 2, стр.22, Ведякин П.И. и др. «Применение каталитических генераторов тепла для нагрева воды и адсорбционно-контактной сушки материалов». Известный генератор тепла состоит из корпуса с патрубками для подвода топлива, воздуха, холодной воды и отвода горячей воды и дымовых газов, а в нижней части корпуса на газораспределительной решетке размещен слой катализатора - промежуточного твердого теплоносителя, выше которого расположены последовательно по высоте корпуса неизотермическая насадка и экономайзер, на внешней поверхности корпуса имеется воздушная охлаждающая рубашка, кроме того, внутри корпуса в зоне сгорания топлива размещен нагреватель в виде 20 вертикальных трубок Фильда. В теплогенераторе происходит беспламенное сжигание топлива на поверхности гранул катализатора, находящихся в псевдоожиженном состоянии.
x
Конструкция теплогенератора не позволяет в широких пределах регулировать мощность теплогенератора из-за расположения теплообменника (трубок Фильда) в зоне сжигания топлив ниже неизотермической насадки. Трубки Фильда, погруженные в кипящий слой и снимающие основную часть тепла, могут привести к снижению температуры в зоне горения и, как следствие, к увеличению выбросов СО и NO. Затруднен пуск теплогенератора из-за охлаждения катализатора в зоне сжигания топлива. В теплогенераторе используется дефицитный и дорогостоящий гранулированный катализатор окисления.
Известен каталитический теплогенератор (РФ №2124674, F23C 11/02, 10.01.99), состоящий из вертикального корпуса с патрубками подачи воздуха и топлива в нижней части, между которыми внутри корпуса размещена газораспределительная решетка со слоем гранулированного катализатора окисления, в средней части генератора размещен теплообменник из U-образных трубок, под которыми распложена неизотермическая насадка, на внешней поверхности корпуса имеется охлаждающая рубашка, причем рубашка выполнена водяной и состоит из независимых секций, работающих параллельно и подключенных последовательно к теплообменнику.
Наличие водяной секционной рубашки на корпусе выше и ниже уровня неизотермической насадки позволяет регулировать количество теплоты, отводимой из зоны горения, за счет отключения или включения секций водяной рубашки.
Недостатками известного каталитического теплогенератора являются:
x
1). Наличие водяной рубашки на корпусе приводит к сильному охлаждению слоя катализатора в зоне горения топлива и, как следствие, увеличению выбросов СО и NO.
2). При отключении отдельной секции рубашки ее температура быстро достигает температуры слоя катализатора 700-800°С. При необходимости вновь повысить мощность теплогенератора, подача воды в эту секцию становится невозможной из-за испарения воды и повышения давления в секции вплоть до давлений вызывающих ее разрушение.
3). Наличие на корпусе водяной рубашки в зоне горения топлива затрудняет или делает невозможным пуск теплогенератора в работу, т.к. во время пуска слой катализатора в зоне горения необходимо нагреть до температуры каталитического зажигания топлива 200-400°С (температура зажигания зависит от активности катализатора). За счет рубашки будет происходить сильное охлаждение слоя катализатора.
4). В теплогенераторе используется дефицитный и дорогостоящий гранулированный катализатор окисления.
Наиболее близким к заявляемому устройству является каталитический теплогенератор (РФ №2232942, F23D 14/18, F23C 10/02, F23C 10/00, 15.05.2003), с регулированием тепловой мощности за счет изменения поверхности теплообмена, контактирующей с псевдоожиженным слоем катализатора, состоит из вертикального корпуса с патрубками подачи воздуха и топлива в нижней части, патрубками отвода дымовых газов и загрузки катализатора в верхней части, внутри корпуса между патрубками подачи воздуха и топлива размещена газораспределительная решетка, на которой расположен слой гранулированного катализатора окисления, выше решетки последовательно размещены неизотермическая насадка и теплообменник, на корпусе под неизотермической насадкой расположен патрубок для отгрузки катализатора и патрубок для догрузки катализатора, расположенный выше неизотермической насадки. На корпусе выше неизотермической насадки расположены два или более патрубка для отгрузки катализатора. Над газораспределительной решеткой перед неизотермической насадкой размещена объемная организующая насадка с живым сечением 50-90% с величиной отверстий 2-15 диаметров частиц катализатора и долей свободного объема в пакете насадок 85-95%, На выходе дымовых газов размещено устройство против уноса частиц катализатора. Для слива воды из теплообменника он содержит сифон. Контактирующие с псевдоожиженным слоем теплообменные поверхности расположены выше неизотермической насадки. Изменение и регулирование тепловой мощности теплогенератора проводится за счет изменения количества катализатора в теплогенераторе.
Недостатком известного каталитического теплогенератора является высокий расход дефицитного и дорогостоящего гранулированного катализатора окисления.
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, состоит в разработке каталитического теплогенератора, эффективно использующего тепло при сжигании топлива, обеспечивающего экологическую чистоту отходящих газов и исключающего расход гранулированного катализатора окисления.
Задача решается конструкцией каталитического теплогенератора, в котором сжигание топлив осуществляется в псевдоожиженном слое частиц инертного материала с температурой плавления выше температуры сжигания топлив, организованного малообъемной насадкой, содержащей катализатор окисления.
Каталитический теплогенератор с регулированием тепловой мощности за счет изменения поверхности теплообмена, контактирующей с псевдоожиженным слоем инертных частиц, состоит из вертикального корпуса с патрубками подачи воздуха и топлива в нижней части, патрубком отвода дымовых газов и загрузки инертного материала в верхней части, внутри корпуса между патрубками подачи воздуха и топлива размещена газораспределительная решетка, выше которой последовательно размещены неизотермическая насадка и теплообменники. Ниже неизотермической насадки расположена объемная организующая насадка, содержащая катализатор окисления. Организующая насадка с живым сечением 50-90% и долей свободного объема в пакете насадок 85-95% выполнена из проволочных решеток или колец Рашига или блоков или пластин и т.п. На газораспределительной решетке размещен слой частиц инертного материала с температурой плавления выше температуры окисления топлива. На корпусе под неизотермической насадкой расположен патрубок для отгрузки частиц инертного материала и патрубок для догрузки частиц инертного материала выше неизотермической насадки.
На корпусе выше неизотермической насадки могут быть расположены патрубки для отгрузки частиц инертного материала.
На выходе дымовых газов размещено устройством против уноса частиц инертного материала.
Регулирование тепловой мощности каталитического теплогенератора проводят за счет изменения количества инертного материала в теплогенераторе.
Сущность полезной модели иллюстрируется следующими примерами и Фиг.
Технический результат заключается в замене дорогостоящего гранулированного катализатора окисления топлив на частицы инертного материала в псевдоожиженном слое организованного неподвижной насадкой, содержащей катализатор, что позволяет исключить затраты на гранулированный катализатор окисления, при этом обеспечивается экологическая чистота отходящих газов.
Пример 1 (прототип).
Используют промышленный каталитический теплогенератор с регулированием тепловой мощности, схема которого изображена на Фиг.
Теплогенератор состоит из вертикального корпуса (1), в котором размещены секции подвода воздуха (24), горения (25), теплосъема (26) и сепарационная зона (27). Секция подвода воздуха (24) состоит из камеры с патрубком (6) для ввода воздуха и предназначена для равномерного распределения воздуха по сечению газораспределительной решетки (4).
Секция горения (25) отделена от секции подвода воздуха газораспределительной решеткой (4) и имеет патрубки для подачи газообразного (23) или жидкого (8) или твердого топлива (7), патрубок с вентилем или заслонкой для выгрузки катализатора (14). В секции горения над газораспределительной решеткой перед неизотермической насадкой (10) размещена объемная организующая насадка (9) из проволочных решеток, с живым сечением 70% с величиной отверстий 15 диаметров частиц катализатора и долей свободного объема в пакете решеток 85%.
Секция теплосъема (26) состоит из теплообменника (3) и объемной неизотермической насадки (10), размещенной под теплообменником над организующей насадкой. Насадка (10) изготовлена из проволочных решеток с живым сечением 60% с величиной отверстий 10 диаметров частиц катализатора и долей свободного объема в пакете решеток 80%. В секции теплосъема расположены патрубок входа холодной воды (11), патрубок для выхода нагретой воды (12), сифон (18) с вентилем для слива воды из теплообменника во время остановки теплогенератора при температурах наружного воздуха ниже 0°С. Установлены патрубки (15), (16), (17) с вентилями для выгрузки катализатора.
Сепарационная зона (27) расположена в верхней части теплогенератора и имеет патрубок (5) для выхода дымовых газов, патрубок с вентилем (13) для перегрузки катализатора, патрубок (2) для засыпки катализатора, предохранительную мембрану (21), устройство против уноса частиц катализатора (22).
x
x
3
3
В теплогенератор диаметром 440 мм с номинальной тепловой мощностью 230 кВт загружается 150 л алюмомеднохромового катализатора ИК-12-70 (хромит меди на оксиде алюминия) с диаметром гранул 2-3 мм. В реактор через патрубки 8 подается жидкое дизельное топливо. Температура в теплогенераторе поддерживается 700°С за счет изменения расхода топлива. Номинальная мощность теплогенератора 230 кВт. Уменьшение мощности теплогенератора производится отгрузкой катализатора через патрубки 15, 16, 17 или 14 и уменьшением расхода топлива. Возврат к номинальной мощности выполняется догрузкой катализатора из бункера 19 с помощью эжектора - 20 через патрубок 13 и увеличением расхода топлива. В процессе эксплуатации теплогенератора контролируется содержание СО и NO в дымовых газах и степень истирания катализатора по уменьшению мощности теплогенератора. Содержание СО в дымовых газах в течение 20 суток 10-30 мг/м. Количество NO 3-5 мг/м. За 20 суток мощность теплогенератора уменьшилась до 200 кВт. Для возврата мощности теплогенератора до номинальной 230 кВт потребовалась догрузка катализатора в количестве 12 л.
Пример 2 (прототип).
Аналогичен примеру 1. Организующая насадка выполнена в виде цилиндрических колосниковых поддонов диаметром 435 мм и высотой боковой стенки 30 мм из нержавеющей стали. Колосники изготовлены из прутков толщиной 3 мм и расстоянием между прутками 25-30 мм. Поддоны установлены под неизотермической насадкой. Расстояние между поддонами по высоте 40-60 мм. На поддоны в плотной упаковке установлены вертикально керамические кольца Рашига с внутренним диаметром 35 мм с толщиной стенки 3 мм и выстой 30 мм. Поддоны взвешивают до и после испытаний.
x
x
3
3
В теплогенератор загружается 150 л алюмомеднохромового катализатора ИК-12-70 (хромит меди на оксиде алюминия) с диаметром гранул 2-3 мм. В реактор через патрубок 8 подается жидкое дизельное топливо. Температура в теплогенераторе поддерживается 700°С за счет изменения расхода топлива. Номинальная мощность теплогенератора 230 кВт. Уменьшение мощности теплогенератора производится отгрузкой катализатора через патрубки (15), (16), (17) или (14) и уменьшением расхода топлива. Возврат к номинальной мощности выполняется догрузкой катализатора из бункера (19) через патрубок (13) и увеличением расхода топлива. В процессе эксплуатации теплогенератора контролируется содержание СО и NO в дымовых газах и степень истирания катализатора по уменьшению мощности теплогенератора. Содержание СО в дымовых газах в течение 20 суток 10-30 мг/м. Количество NO 3-8 мг/м. За 20 суток мощность теплогенератора уменьшилась до 200 кВт. Для возврата мощности теплогенератора до номинальной 230 кВт догружается катализатор в количестве 12 л. Вес поддонов с кольцами после 20 ч работы практически не изменился.
Пример 3 (предлагаемая полезная модель).
Аналогичен примерам 1 и 2. Организующая насадка выполнена в виде цилиндрических колосниковых поддонов диаметром 435 мм и высотой боковой стенки 30 мм из нержавеющей стали. Колосники изготовлены из прутков толщиной 3 мм и расстоянием между прутками 25-30 мм. Поддоны установлены под неизотермической насадкой. Расстояние между поддонами по высоте 40-60 мм. На поддоны в плотной упаковке установлены вертикально кольца Рашига из оксида алюминия с нанесенным на его поверхность хромитом меди. Внутренний диаметр колец 35 мм с толщиной стенки 3 мм и выстой 30 мм. Поддоны взвешивают до и после испытаний.
3
3
x
В теплогенератор загружается 150 л кварцевого песка с диаметром гранул 1,5-2 мм. В реактор через патрубок 8 подается жидкое дизельное топливо. Температура в теплогенераторе поддерживается 700°С за счет изменения расхода топлива. Номинальная мощность теплогенератора 230 кВт. Уменьшение мощности теплогенератора производится отгрузкой песка через патрубки (15), (16), (17) или (14) и уменьшением расхода топлива. Возврат к номинальной мощности выполняется догрузкой песка из бункера (19) через патрубок (13) и увеличением расхода топлива. Содержание СО в дымовых газах в течение 20 суток сохраняется в пределах 10-30 мг/м. Количество NO 3-5 мг/м. За 20 суток мощность теплогенератора уменьшилась до 190 кВт. Для возврата мощности теплогенератора до номинальной 230 кВт потребовалась догрузка песка в количестве 16 л. Вес поддонов с кольцами после испытаний в течение 20 суток практически не изменился.
Таким образом, замена в теплогенераторе псевдоожиженного слоя дисперсных частиц катализатора на псевдоожиженный слой дисперсных частиц инертного материала, организованного каталитически активной организующей насадкой, позволяет сохранить высокую эффективность сжигания топлив и обеспечивает экологически чистое сжигание топлив при изменении его мощности. Замена гранул катализатора на гранулы инертного материала позволят более чем в 100 раз уменьшить эксплуатационные затраты при сжигании топлив в теплогенераторе.