Устройство для каталитического беспламенного сжигания с чрезвычайно малым выбросом загрязняющих веществ и способ сжигания - RU2721077C2
Код документа: RU2721077C2
Чертежи
Описание
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству для сжигания топлива и способу сжигания и, в частности, к устройству для беспламенного сжигания топлива с чрезвычайно малым выбросом оксидов азота и способу сжигания.
Предпосылки создания изобретения
Загрязнение атмосферы стало одной из основных экологических проблем в Китае в последние годы. Основным источником атмосферных загрязнителей является сжигание различных видов ископаемого топлива. Природный газ образует значительно меньше загрязнителей, таких как пыль и диоксид серы, в процессе сжигания по сравнению с углем и нефтяным топливом и представляет собой более экологически чистое топливо. Однако выбросы моноксида углерода (СО), углеводородных соединений (НС) и оксидов азота (NOx) по-прежнему имеют такой же порядок величин. Если рассматривать в качестве примера Пекин, можно указать, что существующие газовые котлы снабжены традиционными двигателями сгорания. Согласно результатам выборочного обследования, проведенного соответствующими ведомствами, свыше 85% газовых котлов имеют значения выбросов NOx, превышающие 150 мг/м3. С учетом серьезности ситуации, связанной с предотвращением и контролем загрязнения атмосферы, законы и нормативные акты Китая по защите окружающей среды имеют все более высокие требования по нормам выбросов данных загрязнителей. Например, пекинские нормативы выбросов загрязнителей воздуха для котла (DB11/139-2015) были изданы в 2015 и требуют, чтобы до 1 апреля 2017 концентрация выбросов оксида азота из газовых котлов, устанавливаемых в Пекине, была уменьшена до значений менее 30 мг/м3 и до значений менее 80 мг/м3 для существующих газовых котлов. В настоящее время усовершенствованную технологию сжигания, как правило, выбирают для уменьшения выделения загрязнителей или устранения выделенных загрязнителей посредством технологии очистки остаточного газа. Содержание СО и НС может быть значительно уменьшено посредством сжигания обедненного топлива при увеличении отношения воздуха к топливу и может быть устранено посредством окисления при добавлении катализатора окисления в остаточный газ. Однако в настоящее время технология сжигания с низким выбросом NOx по-прежнему не может соответствовать требованиям законодательства и нормативов по выбросам. Требуется устанавливать устройство для денитрации методом избирательного каталитического восстановления посредством мочевины или аммиака, которое имеет высокую стоимость и низкую окупаемость. Большое число распределенных или имеющих малый размер устройств сжигания топлива по-прежнему требуют поиска новых прорывных решений в технологии сжигания.
Сжигание можно разделить на два типа в соответствии с наличием или отсутствием видимого пламени: пламенное сжигание и беспламенное сжигание. Пламенное сжигание представляет собой по существу реакцию окисления газа с участием свободного радикала. Данный способ сжигания, естественно, имеет следующие две проблемы: 1) при неполном сгорании образуются токсичные и вредные газы, такие как формальдегид и моноксид углерода (СО), и степень использования топлива является низкой, и 2) сжигание в условиях высокой температуры в обогащенной кислородом среде приводит к выделению большого количества термодинамических NOx. Технологии пламенного сжигания главным образом включают традиционную технологию диффузионного сжигания, технологию ступенчатого сжигания (также известную как технология сжигания в обогащенной кислородом среде с использованием плотных мембран), технологию с рециркуляцией дымовых газов, технологию сжигания предварительно подготовленной обедненной топливовоздушной смеси и т.д. При традиционном диффузионном сжигании создается легко обнаруживаемая поверхность с пламенем; температура слишком высокая; будет выделяться большое количество NOx; перепад температур большой; горение неравномерное, и образуется много продуктов неполного сгорания. Ступенчатое сжигание подразделяется на сжигание со ступенчатой подачей топлива и сжигание со ступенчатой подачей воздуха; образуются поверхности с обедненным пламенем и более низкими температурами; выделение NOx может быть уменьшено; перепад температур мал, и образуется меньше продуктов неполного сгорания. Рециркуляция дымовых газов предназначена для обеспечения возможности повторного ввода дымовых газов из внешнего или внутреннего газоходов в зону горения и использования дымовых газов для поглощения тепла и уменьшения концентрации кислорода для уменьшения скорости сжигания и температуры печи, посредством чего уменьшается выделение NOx, но избыточное количество дымовых газов увеличивает тепловые потери вследствие дымоудаления. Сжигание предварительно подготовленной обедненной топливовоздушной смеси представляет собой процесс полного смешивания большого количества воздуха и малого количества газа на молекулярном уровне перед воспламенением и осуществление сжигания в циклонной камере. Температура пламени сравнительно низкая, и выделяемое количество NOx мало. Благодаря достаточному количеству кислорода и равномерному смешиванию топлива и кислорода образуются малые количества дыма с большим содержанием углерода и СО, и имеются проблемы, связанные с тепловыми потерями при дымоудалении и чрезмерным энергопотреблением в вентиляторе. Беспламенное сжигание включает технологию каталитического сжигания и технологию сжигания с использованием высокотемпературного воздуха. Каталитическое сжигание относится к процессу сжигания с очисткой топлива с концентрацией, более низкой, чем концентрация при воспламенении топлива, в котором катализатор добавляют на входе камеры сгорания и молекулы топлива и молекулы окислителя вступают в реакцию на поверхности катализатора вместо сжигания газа с высокой концентрацией и отбора тепла. Сжигание с использованием высокотемпературного воздуха связано с тем, что посредством предварительно нагретого воздуха реагенты достигают температур, превышающих температуру самопроизвольного воспламенения, и реакция горения распространяется в широкой зоне без локальных высокотемпературных зон, так что выбросы NOx будут малыми.
В настоящее время каталитическая камера сгорания обычно имеет конструкцию с опускным/выходящим потоком. А именно, когда топливный газ и газ, поддерживающий горение, проходят через слой катализатора, они вступают в реакцию каталитического сжигания, и после их прохождения через слой катализатора они не возвращаются. Устройства для беспламенного сжигания, в которых используется технология сжигания с высокотемпературным воздухом, также имеют конструкцию с опускным/выходящим потоком. Высокотемпературный предварительно смешанный воздух самопроизвольно воспламеняется в широкой и полой камере сгорания, и газообразные продукты сгорания выпускаются в виде выходящего потока. Конструкция с опускным/выходящим потоком часто приводит к тому, что поперечная диффузия молекул газа будет ограничена степенью предварительного смешивания газа и скоростью потока газа. В продуктах сгорания по-прежнему имеются различные загрязнители с высокими концентрациями.
В современных устройствах для сжигания, имеющих разную мощность, обычно используется одна из данных технологий. Эффект уменьшения количества соединений азота ограничен и не может отвечать все более строгим нормативам и требованиям по защите окружающей среды, а также имеет место увеличение выбросов СО и снижение теплового кпд.
Сущность изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить устройство для каталитического беспламенного сжигания с чрезвычайно малым выбросом загрязняющих веществ и способ сжигания для обеспечения каталитического беспламенного сжигания различных газов или паров различных видов топлива при киловаттных и мегаваттных мощностях и высокой эффективности сжигания и с концентрацией загрязняющих веществ в выбросах, составляющей менее 1 части на миллион.
Для решения данной задачи в настоящем изобретении выбрано следующее техническое решение:
Устройство для каталитического беспламенного сжигания по настоящему изобретению содержит полый цилиндр с верхним открытым концом и нижним закрытым концом, при этом, по меньшей мере, один элемент для впуска газа, поддерживающего горение, и, по меньшей мере, один элемент для впуска топлива расположены на нижнем конце или донном конце цилиндра; устройство для предварительного смешивания газов расположено над элементом для впуска газа, поддерживающего горение, и элементом для впуска топлива в средней нижней части цилиндра; плита для сжигания расположена над устройством для предварительного смешивания газов, при этом между донным концом цилиндра и плитой для сжигания сохраняется зазор для образования камеры предварительного смешивания газов; устройство для предварительного смешивания газов расположено в камере предварительного смешивания газов; запальник расположен над плитой для сжигания; газовый дефлектор расположен на верхнем открытом конце цилиндра, при этом газовый дефлектор представляет собой полую цилиндрическую трубу с верхним и нижним открытыми концами, нижний открытый конец цилиндрической трубы имеет воздухонепроницаемое соединение с верхним открытым концом полого цилиндра; камера беспламенного сжигания расположена над газовым дефлектором, при этом камера беспламенного сжигания представляет собой полый контейнер с нижним открытым концом и верхним закрытым концом; верхний открытый конец газового дефлектора расположен напротив нижнего открытого конца камеры беспламенного сжигания, то есть верхний открытый конец газового дефлектора расположен под нижним открытым концом камеры беспламенного сжигания и в той же плоскости или проходит от нижнего открытого конца камеры беспламенного сжигания в камеру беспламенного сжигания, и средняя верхняя часть камеры беспламенного сжигания заполнена катализатором. Предусмотрено более одного устройства для предварительного смешивания газов с одной или более чем двумя формами, представляющими собой формы листа, стержня и пчелиных сот, и указанные устройства жестко присоединены к внутренней стенке камеры предварительного смешивания газов; зазоры сохраняются в устройствах или между устройствами, так что газ в камере предварительного смешивания может проходить из элемента для впуска газа, поддерживающего горение, и элемента для впуска топлива к плите для сжигания; причем устройство для предварительного смешивания газов может также изменять направления струй газа, поддерживающего горение, и топливного газа в части внутренней зоны для создания турбулентности для равномерного смешивания газов в камере предварительного смешивания. Плита для сжигания представляет собой плитообразный конструктивный элемент и выполнена с порами или сквозными отверстиями, которые позволяют предварительно смешанным газам проходить и проникать через верхнюю поверхность и нижнюю поверхность основной части плиты, при этом поры или сквозные отверстия имеют одну или более двух форм, представляющих собой формы круга, квадрата и прорези, сквозные отверстия имеют диаметр или ширину прорези, составляющий (-ую) 0,01-10 мм, и плита для сжигания имеет толщину, составляющую 0,1-1000 мм. Запальник может обеспечивать воспламенение предварительно смешанных газов, которые проходят через плиту для сжигания, и запальник может представлять собой иглу зажигания и/или электронагревательную проволоку. Устройство для предварительного смешивания газов и плита для сжигания жестко соединены с внутренней поверхностью стенки полого цилиндра; катализатор размещен в камере беспламенного сжигания и неподвижно опирается на кронштейн на внутренней стенке камеры беспламенного сжигания, при этом катализатор может частично или полностью заполнять камеру беспламенного сжигания и может контактировать надлежащим образом с газом, который полностью входит в камеру беспламенного сжигания через выходную часть газового дефлектора. Нижний открытый конец газового дефлектора соединен с верхним открытым концов камеры предварительного смешивания газов, площадь верхнего открытого конца газового дефлектора каквыходной части может быть больше, равна или меньше площади верхнего открытого конца камеры предварительного смешивания газов каквыходной части, выходная часть газового дефлектора имеет одну или более двух форм, представляющих собой формы круга и квадрата, выходная часть газового дефлектора может представлять собой одно или два или более сквозных отверстий, выходная часть газового дефлектора противоположна нижнему открытому концу камеры беспламенного сжигания как входной части, размер выходной части газового дефлектора меньше размера входной части камеры беспламенного сжигания, определяемого в любом направлении, выходная часть газового дефлектора и входная часть камеры беспламенного сжигания проецируются в любой плоскости вдоль направления воздушного потока, проекция выходной части газового дефлектора расположена в зоне проекции входной части камеры беспламенного сжигания, площадь поперечного сечения входной части камеры беспламенного сжигания (перпендикулярно к плоскости поперечного сечения направления воздушного потока входной части) превышает в 1,01-20 раз площадь поперечного сечения выходной части дефлектора 7 (перпендикулярно к площади поперечного сечения направления воздушного потока выходной части); выходная часть газового дефлектора может проходить во входную часть камеры беспламенного сжигания и также может находиться на одном уровне с входной частью или на расстоянии от входной части камеры беспламенного сжигания; сохраняющееся расстояние необходимо для гарантирования того, чтобы газ, выходящий из выходной части газового дефлектора, мог полностью войти во входную часть камеры беспламенного сжигания; сечение выходной части газового дефлектора может представлять собой или не представлять собой плоскость; камера беспламенного сжигания представляет собой корпус с полостью с одним открытым концом, корпус с полостью может представлять собой полую камеру, имеющую полусферическую форму и имеющую только один открытый конец, нижний открытый конец камеры беспламенного сжигания как входная часть может иметь одну или более двух форм, представляющих собой форму круга; входная часть камеры беспламенного сжигания может представлять собой одно или два или более сквозных отверстий; внутренний размер во входной части в любом направлении больше размера выходной части газового дефлектора в том же направлении, то есть проекция входной части камеры беспламенного сжигания вдоль направления воздушного потока может полностью охватывать проекцию выходной части газового дефлектора вдоль направления воздушного потока, и сечение входной части камеры беспламенного сжигания может представлять собой или не представлять собой плоскость. Устройство для каталитического беспламенного сжигания также содержит камеру улавливания газов, при этом камера улавливания газов представляет собой полый контейнер, который выполнен с выпускным элементом, и камера улавливания газов охватывает нижний открытый конец камеры беспламенного сжигания в виде полой удерживающей камеры. Устройство для каталитического беспламенного сжигания также содержит крепежный кронштейн, при этом крепежный кронштейн используется для фиксации камеры беспламенного сжигания в заданном положении рядом с выходной частью газового дефлектора, и крепежный кронштейн может быть жестко соединен с полым контейнером, в котором расположена/расположен камера улавливания газов или газовый дефлектор или камера предварительного смешивания газов, при этом нижний конец камеры улавливания газов выполнен с отверстием, и периферия отверстия имеет воздухонепроницаемое соединение с наружной поверхностью стенки полого контейнера, в котором расположен (-а) газовый дефлектор или камера предварительного смешивания газов. Камера беспламенного сжигания расположена в камере улавливания газов; между внутренней поверхностью стенки камеры улавливания газов и наружной поверхностью стенки камеры беспламенного сжигания сохраняется зазор; площадь поперечного сечения зазора более чем в 1 раз превышает площадь поперечного сечения выходной части газового дефлектора; остаточные газообразные продукты сгорания могут улавливаться и выпускаться наружу через выпускной элемент; выпускной элемент может быть установлен в любом месте камеры улавливания газов, или более двух выпускных элементов установлены в более чем двух местах камеры улавливания газов, и сумма площадей поперечных сечений выпускных элементов более чем в 1 раз превышает площадь поперечного сечения выходной части газового дефлектора (перпендикулярно к площади поперечного сечения направления воздушного потока выходной части). Теплопередающие устройства могут быть установлены в одном или более, чем в двух местах в камере беспламенного сжигания, на наружной поверхности стенки камеры беспламенного сжигания, в камере улавливания газов и на наружной поверхности стенки камеры улавливания газов, и теплопередающие устройства могут представлять собой одно или более двух из кожухотрубного теплообменника, теплообменника с оребренной поверхностью или теплообменника пластинчатого типа.
Способ сжигания по настоящему изобретению включает: контроль коэффициента избытка воздуха на уровне 1,01-2,5 после предварительного смешивания газа и газа, поддерживающего горение, введенных в камеру предварительного смешивания газов посредством элемента для впуска топлива и элемента для впуска газа, поддерживающего горение; регулирование линейной скорости предварительно смешанных газов, чтобы она находилась в диапазоне между линейной скоростью охлаждения и линейной скоростью срыва пламени, соответствующими линейной скорости охлаждения и линейной скорости срыва пламени используемого топлива, которые известны средним специалистам в данной области техники; нагрев камеры беспламенного сжигания и катализатора, заполняющего камеру беспламенного сжигания, до красного каления или температуры свыше 600°С после запуска запальника для воспламенения; последующее увеличение линейной скорости предварительно смешанных газов до значений, превышающих линейную скорость срыва пламени, для гашения пламени; продолжение выполнения беспламенного сжигания предварительно смешанных газов в камере беспламенного сжигания и на катализаторе, заполняющем камеру беспламенного сжигания, при этом воздушный поток достигает нижней части камеры сжигания и затем возвращается и отводит бóльшую часть тепла; улавливание высокотемпературного остаточного газа посредством камеры улавливания газов и выпуск высокотемпературного остаточного газа через выпускные элементы после теплопередачи посредством теплообменника, при этом продукты сгорания представляют собой диоксид углерода и/или водяной пар и при этом концентрация вредных веществ, таких как моноксид углерода (СО), углеводородные соединения (НС) и оксиды азота (NOx) в выбросе составляет менее 1 части на миллион. Газ, вводимый посредством элемента для впуска газа, поддерживающего горение, представляет собой воздух, кислород или кислородосодержащую смесь газов, отличную от воздуха, с содержанием кислорода, составляющим 1-99,9% об.; газ, вводимый посредством элемента (2) для впуска топлива, представляет собой одно или более двух из газообразного топлива, парообразующего жидкого топлива и вышеуказанных газообразного топлива и парообразующего жидкого топлива, образованных посредством разбавления одним или более, чем двумя из негорючих газов, таких как воздух и азот, до конечной концентрации 0,1-99,9% об. Газообразное топливо представляет собой одно или более двух из природного газа, каменноугольного газа и сжиженного углеводородного газа; парообразующее жидкое топливо представляет собой одно или более двух из бензина, дизельного топлива керосина, спирта и метанола; катализатор содержит пористый огнестойкий материал и активные компоненты на основе оксидов металлов; пористый огнестойкий материал может представлять собой один или более двух из керамических материалов, кварца, шпинели, карборунда и нержавеющей стали с формами волокон, гранул и сот, обеспечивающими вентилирование; активные компоненты на основе оксидов металлов могут представлять собой один или более двух из оксида алюминия, оксида церия, оксида магния, оксида лантана, оксида титана, оксида железа, оксида марганца, оксида кремния, оксида натрия, оксида меди, оксида никеля, оксида кобальта, оксида платины, оксида палладия, оксида рутения, оксида родия и оксида серебра, и активные компоненты на основе оксидов металлов могут иметь массовую долю, составляющую 0,1% - 85%.
Настоящее изобретение имеет следующие предпочтительные эффекты:
В настоящем изобретении описан способ запуска устройства для каталитического беспламенного сжигания с чрезвычайно малым выбросом загрязняющих веществ, включающий сначала сжигание и нагрев камеры беспламенного сжигания и катализатора, заполняющего ее, посредством пламени малой мощности и последующее увеличение скорости потока и переход к пламени большой мощности для осуществления каталитического беспламенного сжигания.
Устройство для каталитического беспламенного сжигания, раскрытое в настоящем изобретении, может быть использовано для процессов сжигания и отбора тепла из различных видов нетвердого топлива, таких как газообразное и парообразующее жидкое. В соответствии со способом сжигания каталитическое беспламенное сжигание может осуществляться при мощности на киловаттном уровне и мегаваттном уровне. Предпочтительные эффекты таковы: топливо полностью сгорает, эффективность сжигания высокая, и концентрация выбросов углеводородных соединений, моноксида углерода и оксидов азота в газообразных остаточных продуктах сгорания составляет менее 1 части на миллион. Устройство для каталитического беспламенного сжигания имеет такие характеристики, как высокий кпд, энергосбережение, обеспечение защиты окружающей среды, надежность/безопасность, простая конструкция, хорошая стабильность и т.д.
Описание чертежей
Фиг.1 представляет собой схематическое изображение устройства для каталитического беспламенного сжигания согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.
Ссылочные позиции:
элемент (1) для впуска газа, поддерживающего горение; элемент (2) для впуска топлива; устройство (3) для предварительного смешивания газов; камера (4) предварительного смешивания газов; плита (5) для сжигания; запальник (6); газовый дефлектор (7); камера (8) беспламенного сжигания; катализатор (9); крепежный кронштейн (10); камера (11) улавливания газов и выпускной элемент (12).
На фигуре стрелка с одной пунктирной линией показывает направление потока воздуха, стрелка с одной сплошной линией показывает направление потока газа, стрелка с двумя пунктирными линиями показывает направление потока предварительно смешанных газов, и стрелка с двумя сплошными линиями показывает направление потока остаточного/дымового газа.
Фиг.2 представляет собой схематическое изображение устройства для каталитического беспламенного сжигания с теплообменником согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.
Ссылочные позиции:
элемент (1) для впуска газа, поддерживающего горение; элемент (2) для впуска топлива; устройство (3) для предварительного смешивания газов; камера (4) предварительного смешивания газов; плита (5) для сжигания; запальник (6); газовый дефлектор (7); камера (8) беспламенного сжигания; катализатор (9); крепежный кронштейн (10); камера (11) улавливания газов; выпускной элемент (12); теплообменник (13) с оребренной поверхностью; элемент (14) для впуска теплопроводящей текучей среды и элемент (15) для выпуска теплопроводящей текучей среды.
На фигуре стрелка с одной пунктирной линией показывает направление потока воздуха, стрелка с одной сплошной линией показывает направление потока газа, стрелка с двумя пунктирными линиями показывает направление потока предварительно смешанных газов, и стрелка с двумя сплошными линиями показывает направление потока остаточного/дымового газа.
Подробное описание
Варианты осуществления настоящего изобретения будут подробно описаны ниже. Примеры вариантов осуществления показаны на чертежах. Варианты осуществления, описанные ниже при ссылке на чертежи, представляют собой иллюстративные варианты осуществления и используются для разъяснения настоящего изобретения, и не должны восприниматься как ограничение для настоящего изобретения.
Варианты осуществления устройства для каталитического беспламенного сжигания по настоящему изобретению конкретно описаны ниже в сочетании с фиг.1 и фиг.2.
Вариант 1 осуществления: Как показано на фиг.1, устройство для каталитического беспламенного сжигания содержит полый цилиндр с верхним открытым концом и нижним закрытым концом, при этом один элемент 1 для впуска газа, поддерживающего горение, и один элемент 2 для впуска топлива расположены на нижнем конце цилиндра; устройство 3 для предварительного смешивания газов расположено над элементом 1 для впуска газа, поддерживающего горение, и элементом 2 для впуска топлива в средней нижней части цилиндра; плита 5 для сжигания расположена над устройством 3 для предварительного смешивания газов, при этом между нижним концом цилиндра и плитой 5 для сжигания сохраняется зазор для образования камеры 4 предварительного смешивания газов; устройство 3 для предварительного смешивания газов расположено в камере 4 предварительного смешивания газов; запальник 6 расположен над плитой 5 для сжигания; газовый дефлектор 7 расположен на верхнем открытом конце цилиндра, при этом газовый дефлектор 7 представляет собой полую цилиндрическую трубу с верхним и нижним открытыми концами, нижний открытый конец цилиндрической трубы имеет воздухонепроницаемое соединение с верхним открытым концом полого цилиндра; камера 8 беспламенного сжигания расположена над газовым дефлектором 7, при этом камера 8 беспламенного сжигания представляет собой полый контейнер с нижним открытым концом и верхним закрытым концом; верхний открытый конец газового дефлектора 7 расположен напротив нижнего открытого конца камеры 8 беспламенного сжигания, при этом верхний открытый конец газового дефлектора 7 проходит от нижнего открытого конца камеры 8 беспламенного сжигания в камеру 8 беспламенного сжигания, и средняя верхняя часть камеры 8 беспламенного сжигания заполнена катализатором 9. Камера 8 беспламенного сжигания жестко соединена с полым контейнером, в котором расположена камера 11 улавливания газов, посредством крепежного кронштейна 10. Камера 11 улавливания газов представляет собой полый контейнер, который выполнен с выпускным элементом 12, и камера 11 улавливания газов охватывает нижний открытый конец камеры 8 беспламенного сжигания в виде полой удерживающей камеры.
При необходимости полый цилиндр имеет диаметр 100 мм. Воздух поступает в элемент 1 для впуска газа, поддерживающего горение. Природный газ поступает в элемент 2 для впуска топлива. Устройство 3 для предварительного смешивания газов представляет собой кордиеритовый керамический материал с 200 меш и толщиной 25,4 мм. Газ равномерно смешивается в камере 4 предварительного смешивания. Плита 5 для сжигания представляет собой кордиеритовый керамический материал с 400 меш. Плита для сжигания имеет толщину 25,4 мм. Запальник 6 может обеспечить воспламенение предварительно смешанных газов, которые проходят через плиту 5 для сжигания. Выходная часть газового дефлектора 7 является круглой и противоположна входной части камеры 8 беспламенного сжигания. Выходная часть газового дефлектора 7 имеет диаметр 60 мм. Площадь поперечного сечения входной части камеры 8 беспламенного сжигания в 1,8 раза превышает площадь поперечного сечения выходной части дефлектора 7. Выходная часть дефлектора 7 проходит во входную часть камеры 8 беспламенного сжигания на 10 мм. Сечение выходной части газового дефлектора 7 представляет собой плоскость. Камера 8 беспламенного сжигания представляет собой цилиндрическую камеру с открытым концом и имеет глубину 60 мм. Входная часть камеры 8 беспламенного сжигания является круглой и имеет диаметр 80 мм. Катализатор 9 размещен в камере 8 беспламенного сжигания и неподвижно опирается на кронштейн на внутренней стенке камеры 8 беспламенного сжигания. Катализатор заполняет 70% объема камеры беспламенного сжигания и может надлежащим образом контактировать с газом, который полностью входит в камеру 8 беспламенного сжигания через выходную часть газового дефлектора 7. Катализатор 9 содержит пористый керамический материал и активные компоненты на основе оксидов металлов с массовой долей 40%. Камера 8 беспламенного сжигания зафиксирована в заданном положении рядом с выходной частью дефлектора 7 посредством крепежного кронштейна 10 и может быть соединена с камерой 11 улавливания газов или дефлектором, или камерой предварительного смешивания. Камера 11 улавливания газов может обеспечить улавливание остаточных газообразных продуктов сгорания и выпуск остаточных газообразных продуктов сгорания через выпускной элемент 12. Выпускной элемент 12 может быть установлен на верхней части камеры 11 улавливания газов. Площадь поперечного сечения выпускного элемента в 2 раза превышает площадь поперечного сечения выходной части газового дефлектора 7.
Предпочтительно после ввода газа, поддерживающего горение, в элемент 1 для впуска газа, поддерживающего горение, газ, поддерживающий горение, смещается воздушным потоком топливного газа, который входит в элемент 2 для впуска топлива для усиления эффекта смешивания газа, поддерживающего горение, и воздушного потока топлива в камере 4 предварительного смешивания посредством устройства 3 для предварительного смешивания. Плита 5 для сжигания имеет отверстия для прохода воздуха с диаметром 1 мм. Запальник 6 представляет собой иглу зажигания. Дефлектор 7 проходит в камеру 8 беспламенного сжигания на 15 мм. Площадь зазора между дефлектором 7 и камерой 8 беспламенного сжигания в 2,2 раза превышает площадь поперечного сечения дефлектора 7. Площадь зазора между камерой улавливания газов и камерой 8 беспламенного сжигания в 2,5 раза превышает площадь поперечного сечения дефлектора 7.
Вариант 2 осуществления: Как показано на фиг.2, устройство для каталитического беспламенного сжигания с теплообменником содержит полый цилиндр с верхним открытым концом и нижним закрытым концом, при этом один элемент 1 для впуска газа, поддерживающего горение, и один элемент 2 для впуска топлива расположены на нижнем конце цилиндра; устройство 3 для предварительного смешивания газов расположено над элементом 1 для впуска газа, поддерживающего горение, и элементом 2 для впуска топлива в средней нижней части цилиндра; плита 5 для сжигания расположена над устройством 3 для предварительного смешивания газов, при этом между нижним концом цилиндра и плитой 5 для сжигания сохраняется зазор для образования камеры 4 предварительного смешивания газов; устройство 3 для предварительного смешивания газов расположено в камере 4 предварительного смешивания газов; запальник 6 расположен над плитой 5 для сжигания; газовый дефлектор 7 расположен на верхнем открытом конце цилиндра, при этом газовый дефлектор 7 представляет собой полую цилиндрическую трубу с верхним и нижним открытыми концами, нижний открытый конец цилиндрической трубы имеет воздухонепроницаемое соединение с верхним открытым концом полого цилиндра; камера 8 беспламенного сжигания расположена над газовым дефлектором 7, при этом камера 8 беспламенного сжигания представляет собой полый полусферический контейнер с нижним открытым концом и верхним закрытым концом; верхний открытый конец газового дефлектора 7 расположен напротив нижнего открытого конца камеры 8 беспламенного сжигания; верхний открытый конец газового дефлектора 7 проходит от нижнего открытого конца камеры 8 беспламенного сжигания в камеру 8 беспламенного сжигания, и средняя верхняя часть камеры 8 беспламенного сжигания заполнена катализатором 9. Камера 8 беспламенного сжигания жестко соединена с полым контейнером, в котором расположена камера 11 улавливания газов, посредством крепежного кронштейна 10. Камера 11 улавливания газов представляет собой полый контейнер, который выполнен с выпускным элементом 12, и камера 11 улавливания газов охватывает нижний открытый конец камеры 8 беспламенного сжигания в виде полой удерживающей камеры. Теплопередающие устройства с оребренной поверхностью установлены над камерой 8 беспламенного сжигания в камере 11 улавливания газов и на наружной поверхности стенки камеры 11 улавливания газов. Вода поступает в элемент 14 для впуска теплопроводящей текучей среды при использовании воды в качестве теплопроводящей текучей среды. Вода выходит из элемента 15 для выпуска теплопроводящей текучей среды после теплопередачи посредством теплообменника с оребренной поверхностью.
При необходимости полый цилиндр имеет диаметр 80 мм. Воздух поступает в элемент 1 для впуска газа, поддерживающего горение. Природный газ поступает в элемент 2 для впуска топлива. Устройство 3 для предварительного смешивания газов представляет собой кордиеритовый керамический материал с 200 меш и толщиной 12 мм. Газ равномерно смешивается в камере 4 предварительного смешивания. Плита 5 для сжигания представляет собой кордиеритовый керамический материал с 500 меш. Плита для сжигания имеет толщину 20 мм. Запальник 6 может обеспечить воспламенение предварительно смешанных газов, которые проходят через плиту 5 для сжигания. Выходная часть газового дефлектора 7 является круглой и противоположна входной части камеры 8 беспламенного сжигания. Выходная часть газового дефлектора 7 имеет диаметр 50 мм. Площадь поперечного сечения входной части камеры 8 беспламенного сжигания в 1,5 раза превышает площадь поперечного сечения выходной части дефлектора 7. Выходная часть дефлектора 7 проходит во входную часть камеры 8 беспламенного сжигания на 5 мм. Сечение выходной части газового дефлектора 7 представляет собой плоскость. Камера 8 беспламенного сжигания представляет собой полусферическую камеру с открытым концом и имеет глубину 40 мм. Входная часть камеры 8 беспламенного сжигания является круглой и имеет диаметр 70 мм. Катализатор 9 размещен в камере 8 беспламенного сжигания и неподвижно опирается на кронштейн на внутренней стенке камеры 8 беспламенного сжигания. Катализатор заполняет 60% объема камеры беспламенного сжигания и может надлежащим образом контактировать с газом, который полностью входит в камеру 8 беспламенного сжигания через выходную часть газового дефлектора 7. Катализатор 9 содержит пористый керамический материал и активные компоненты на основе оксидов металлов с массовой долей 30%. Камера 8 беспламенного сжигания зафиксирована в заданном положении рядом с выходной частью дефлектора 7 посредством крепежного кронштейна 10 и может быть соединена с камерой 11 улавливания газов или дефлектором, или камерой предварительного смешивания. Камера 11 улавливания газов может обеспечить улавливание остаточных газообразных продуктов сгорания, и остаточные газообразные продукты сгорания проходят через теплообменник 13 с оребренной поверхностью. После передачи тепла теплопроводящей текучей среде, которая поступает и выходит через элемент 14 для впуска и элемент 15 для выпуска теплопроводящей текучей среды, теплопроводящая текучая средавыпускается через выпускной элемент 12. Выпускной элемент 12 может быть установлен на верхней части камеры 11 улавливания газов. Площадь поперечного сечения выпускного элемента в 2 раза превышает площадь поперечного сечения выходной части газового дефлектора 7.
Вариант 3 осуществления: Многокиловаттное устройство для каталитического беспламенного сжигания природного газа с номинальной тепловой мощностью 20 кВт имеет конструкцию, показанную на фиг.2. Полый цилиндр имеет диаметр 70 мм. Элемент 1 для впуска газа, поддерживающего горение, представляет собой трубу из нержавеющей стали с внутренним диаметром 40 мм. Газ, поддерживающий горение, представляет собой воздух с регулируемым объемом, подаваемый посредством воздуходувки с бесступенчатым регулированием скорости. Элемент 2 для впуска газа представляет собой трубу из нержавеющей стали с внутренним диаметром 9 мм. Газ представляет собой природный газ (метан) с регулируемым потоком, при этом регулирование осуществляется посредством электромагнитного клапана. Устройство 3 для предварительного смешивания газов представляет собой кордиеритовый керамический материал с 200 меш и толщиной 12 мм. Газ равномерно смешивается в камере 4 предварительного смешивания. Плита 5 для сжигания представляет собой кордиеритовый керамический материал с 300 меш. Плита для сжигания имеет толщину 20 мм. Камера 4 предварительного смешивания представляет собой трубу из нержавеющей стали с внутренним диаметром 65 мм. Газовый дефлектор 7 представляет собой круглое кольцо, соединенное с внутренней стенкой камеры 4 предварительного смешивания, и имеет угол наклона вверх, составляющий 75 градусов, и диаметр выходной части, составляющий 50 мм. Выходная часть дефлектора 7 проходит во входную часть камеры 8 беспламенного сжигания на 5 мм. Сечение выходной части газового дефлектора 7 представляет собой плоскость. Камера 8 беспламенного сжигания представляет собой полусферическую камеру с открытым концом и имеет глубину 40 мм. Входная часть камеры 8 беспламенного сжигания является круглой и имеет диаметр 70 мм. Катализатор 9 размещен в камере 8 беспламенного сжигания и неподвижно опирается на кронштейн на внутренней стенке камеры 8 беспламенного сжигания. Катализатор заполняет 60% объема камеры беспламенного сжигания и может надлежащим образом контактировать с газом, который полностью входит в камеру 8 беспламенного сжигания через выходную часть газового дефлектора 7. Катализатор 9 содержит пористый керамический материал и активные компоненты на основе оксидов металлов с массовой долей 30%. Теплообменник 13 размещен в части, представляющей собой верхнюю половину камеры 11 улавливания газов. Теплопроводящая текучая среда представляет собой воду. Выпускной элемент представляет собой трубу из нержавеющей стали с внутренним диаметром 70 мм.
Выбран следующий способ работы: во время воспламенения скорость потока метана отрегулирована до 7 л/мин, и скорость потока воздуха отрегулирована до 80 л/мин, то есть коэффициент избытка воздуха составляет 1,20, линейная скорость составляет 0,5 м/с, и тепловая мощность составляет приблизительно 4,6 кВт. При данном сжигании с пламенем малой мощности значения выбросов СО, НС и NOx равны 0 (разрешающая способность датчика составляет 1 часть на миллион). После сжигания в течение 20 с камера сжигания и катализатор могут быть нагреты до красного каления. В этот момент коэффициент избытка воздуха сохраняют равным 1,20. Скорость потока метана увеличивают до 30 л/мин в течение 1 минуты. Скорость потока воздуха увеличивают до 345 л/мин, то есть линейная скорость составляет 2,0 м/с и тепловая мощность достигает 20 кВт. При увеличении и после увеличения потока значения выбросов СО, НС и NOx равны 0 (разрешающая способность датчика составляет 1 часть на миллион). После непрерывного сжигания в течение 3 часов значения выбросов СО, НС и NOx постоянно равны 0. Предпочтительные эффекты, обеспечиваемые многокиловаттным устройством для каталитического беспламенного сжигания природного газа с номинальной мощностью 20 кВт и вышеприведенным используемым способом, таковы: топливо полностью сгорает; эффективность теплопередачи составляет более 95%, и значения выбросов загрязняющих веществ СО, НС и NOx составляют 0 (менее 1 части на миллион).
Вариант 4 осуществления: Многокиловаттное устройство для каталитического беспламенного сжигания природного газа с номинальной тепловой мощностью 80 кВт имеет конструкцию, показанную на фиг.2. Полый цилиндр имеет диаметр 150 мм. Элемент 1 для впуска газа, поддерживающего горение, представляет собой трубу из нержавеющей стали с внутренним диаметром 100 мм. Газ, поддерживающий горение, представляет собой воздух с регулируемым объемом, подаваемый посредством воздуходувки с бесступенчатым регулированием скорости. Элемент 2 для впуска газа представляет собой трубу из нержавеющей стали с внутренним диаметром 30 мм. Газ представляет собой природный газ (метан) с регулируемым потоком, при этом регулирование осуществляется посредством электромагнитного клапана. Устройство 3 для предварительного смешивания газов представляет собой кордиеритовый керамический материал с 200 меш и толщиной 25,4 мм. Газ равномерно смешивается в камере 4 предварительного смешивания. Плита 5 для сжигания представляет собой кордиеритовый керамический материал с 300 меш. Плита для сжигания имеет толщину 40 мм. Камера 4 предварительного смешивания представляет собой трубу из нержавеющей стали с внутренним диаметром 150 мм. Газовый дефлектор 7 представляет собой круглое кольцо, соединенное с внутренней стенкой камеры 4 предварительного смешивания, и имеет угол наклона вверх, составляющий 75 градусов, и диаметр выходной части, составляющий 100 мм. Выходная часть дефлектора 7 проходит во входную часть камеры 8 беспламенного сжигания на 20 мм. Сечение выходной части газового дефлектора 7 представляет собой плоскость. Камера 8 беспламенного сжигания представляет собой полусферическую камеру с открытым концом и имеет глубину 60 мм. Входная часть камеры 8 беспламенного сжигания является круглой и имеет диаметр 160 мм. Катализатор 9 размещен в камере 8 беспламенного сжигания и неподвижно опирается на кронштейн на внутренней стенке камеры 8 беспламенного сжигания. Катализатор заполняет 70% объема камеры беспламенного сжигания и может надлежащим образом контактировать с газом, который полностью входит в камеру 8 беспламенного сжигания через выходную часть газового дефлектора 7. Катализатор 9 содержит пористый керамический материал и активные компоненты на основе оксидов металлов с массовой долей 50%. Теплообменник 13 размещен в части, представляющей собой верхнюю половину камеры 11 улавливания газов. Теплопроводящая текучая среда представляет собой воду. Выпускной элемент представляет собой трубу из нержавеющей стали с внутренним диаметром 120 мм.
Выбран следующий способ работы: во время воспламенения скорость потока метана отрегулирована до 14 л/мин, и скорость потока воздуха отрегулирована до 160 л/мин, то есть коэффициент избытка воздуха составляет 1,20, линейная скорость составляет 0,35 м/с, и тепловая мощность составляет приблизительно 9,3 кВт. При данном сжигании с пламенем малой мощности значения выбросов СО, НС и NOx равны 0 (разрешающая способность датчика составляет 1 часть на миллион). После сжигания в течение 15 с камера сжигания и катализатор могут быть нагреты до красного каления. В этот момент коэффициент избытка воздуха сохраняют равным 1,20. Скорость потока метана увеличивают до 120 л/мин в течение 1 минуты. Скорость потока воздуха увеличивают до 1380 л/мин, то есть линейная скорость составляет 3,2 м/с и тепловая мощность достигает 80 кВт. При увеличении и после увеличения потока значения выбросов СО, НС и NOx равны 0 (разрешающая способность датчика составляет 1 часть на миллион). После непрерывного сжигания в течение 2 часов значения выбросов СО, НС и NOx постоянно равны 0. Предпочтительные эффекты, обеспечиваемые многокиловаттным устройством для каталитического беспламенного сжигания природного газа с номинальной мощностью 80 кВт и вышеприведенным используемым способом, таковы: топливо полностью сгорает; эффективность теплопередачи составляет более 95%, и значения выбросов загрязняющих веществ СО, НС и NOx составляют 0 (менее 1 части на миллион).
Вариант 5 осуществления: Мегаваттное устройство для каталитического беспламенного сжигания природного газа с номинальной тепловой мощностью 1,2 МВт образовано посредством соединения 15 групп устройств для каталитического беспламенного сжигания по варианту 4 осуществления, каждое из которых имеет мощность 80 кВт.
Вариант 6 осуществления: Мегаваттное устройство для каталитического беспламенного сжигания природного газа с номинальной тепловой мощностью 2,1 МВт имеет конструкцию, показанную на фиг.2. Полый цилиндр имеет диаметр 400 мм. Элемент 1 для впуска газа, поддерживающего горение, представляет собой трубу из нержавеющей стали с внутренним диаметром 200 мм. Газ, поддерживающий горение, представляет собой воздух с регулируемым объемом, подаваемый посредством воздуходувки с бесступенчатым регулированием скорости. Элемент 2 для впуска газа представляет собой трубу из нержавеющей стали с внутренним диаметром 60 мм. Газ представляет собой природный газ (метан) с регулируемым потоком, при этом регулирование осуществляется посредством электромагнитного клапана. Устройство 3 для предварительного смешивания газов представляет собой кордиеритовый керамический материал с 200 меш и толщиной 50 мм. Газ равномерно смешивается в камере 4 предварительного смешивания. Плита 5 для сжигания представляет собой кордиеритовый керамический материал с 400 меш. Плита для сжигания имеет толщину 60 мм. Камера 4 предварительного смешивания представляет собой трубу из нержавеющей стали с внутренним диаметром 400 мм. Газовый дефлектор 7 представляет собой круглое кольцо, соединенное с внутренней стенкой камеры 4 предварительного смешивания, и имеет угол наклона вверх, составляющий 75 градусов, и диаметр выходной части, составляющий 350 мм. Выходная часть дефлектора 7 проходит во входную часть камеры 8 беспламенного сжигания на 100 мм. Сечение выходной части газового дефлектора 7 представляет собой плоскость. Камера 8 беспламенного сжигания представляет собой полусферическую камеру с открытым концом и имеет глубину 360 мм. Входная часть камеры 8 беспламенного сжигания является круглой и имеет диаметр 550 мм. Катализатор 9 размещен в камере 8 беспламенного сжигания и неподвижно опирается на кронштейн на внутренней стенке камеры 8 беспламенного сжигания. Катализатор заполняет 60% объема камеры беспламенного сжигания и может надлежащим образом контактировать с газом, который полностью входит в камеру 8 беспламенного сжигания через выходную часть газового дефлектора 7. Катализатор 9 содержит пористый керамический материал и активные компоненты на основе оксидов металлов с массовой долей 50%. Теплообменник 13 размещен в части, представляющей собой верхнюю половину камеры 11 улавливания газов. Теплопроводящая текучая среда представляет собой воду. Выпускной элемент представляет собой трубу из нержавеющей стали с внутренним диаметром 240 мм. Следует понимать, что в описании настоящего изобретения такие термины, как «длина», «ширина», «толщина», «верхний», «нижний», «верх», «низ», «внутренний», «наружный», «направление потока» и т.д., указывают на направление или взаимное расположение, показанные на основе чертежей, и предназначены только для облегчения описания настоящего изобретения и упрощения описания, а не для того, чтобы указать или подразумевать то, что показанное устройство или показанный элемент должно/должен иметь определенное направление или конструкцию и функционировать в конкретном направлении, и поэтому их не следует интерпретировать как ограничение для настоящего изобретения.
Несмотря на то, что разъясняющие варианты осуществления настоящего изобретения были подробно раскрыты со ссылкой на приложенные чертежи, следует понимать, что настоящее изобретение не ограниченно точно такими же вариантами осуществления. Настоящее изобретение может быть изменено и модифицировано специалистами в данной области техники без отхода от объема настоящего изобретения, определяемого объемом заявки на патент и ее эквивалентом.
Реферат
Изобретение относится к области энергетики. Устройство для каталитического беспламенного сжигания с чрезвычайно малым выбросом загрязняющих веществ содержит полый цилиндр с верхним открытым концом и нижним закрытым концом, при этом, по меньшей мере, один элемент (1) для впуска газа, поддерживающего горение, и, по меньшей мере, один элемент (2) для впуска топлива расположены на нижнем конце или донном конце цилиндра, устройство (3) для предварительного смешивания газов расположено над элементом (1) для впуска газа, поддерживающего горение, и элементом (2) для впуска топлива в средней нижней части цилиндра, плита (5) для сжигания расположена над устройством (3) для предварительного смешивания газов, между донным концом цилиндра и плитой (5) для сжигания сохраняется зазор для образования камеры (4) предварительного смешивания газов, устройство (3) для предварительного смешивания газов расположено в камере (4) предварительного смешивания газов, запальник (6) расположен над плитой (5) для сжигания, газовый дефлектор (7) расположен на верхнем открытом конце цилиндра, при этом газовый дефлектор (7) представляет собой полую цилиндрическую трубу с верхним и нижним открытыми концами, нижний открытый конец цилиндрической трубы имеет воздухонепроницаемое соединение с верхним открытым концом полого цилиндра, камера (8) беспламенного сжигания расположена над газовым дефлектором (7), при этом камера (8) беспламенного сжигания представляет собой полый контейнер с нижним открытым концом и верхним закрытым концом, верхний открытый конец газового дефлектора (7) расположен напротив нижнего открытого конца камеры (8) беспламенного сжигания, то есть верхний открытый конец газового дефлектора (7) расположен под нижним открытым концом камеры (8) беспламенного сжигания и в той же плоскости или проходит от нижнего открытого конца камеры (8) беспламенного сжигания в камеру (8) беспламенного сжигания, и средняя верхняя часть камеры (8) беспламенного сжигания заполнена катализатором (9). Изобретение позволяет снизить концентрацию загрязняющих веществ в выбросах. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.
