котел для работы на газовом топливе

Формула изобретения

1. Котел для работы на газовом топливе, состоящий из вспомогательной секции, включающей сжигающее устройство и секции каталитического сжигания топлива, которая состоит из системы подачи топлива, катализатора и теплообменника, отличающийся тем, что вспомогательная секция снабжена смесителем воздуха и дымовых газов и теплообменником, при этом сжигающее устройство, смеситель и теплообменник установлены последовательно по ходу дымовых газов.

2. Котел по п.1, отличающийся тем, что секция каталитического сжигания топлива содержит гранулированный катализатор или несколько видов катализатора нанесенного или смешанного типа.

3. Котел для работы на газовом топливе, состоящий из вспомогательной секции, включающей сжигающее устройство и как минимум две секции каталитического сжигания топлива, каждая из которых содержит систему подачи топлива, катализатор и теплообменник, отличающийся тем, что вспомогательная секция снабжена смесителем воздуха и дымовых газов и теплообменником, при этом сжигающее устройство, смеситель и теплообменник установлены последовательно по ходу дымовых газов, причем каждая секция каталитического сжигания топлива после первой снабжена пусковым подогревателем.

4. Котел по п.3, отличающийся тем, что пусковой подогреватель выполнен в виде обогреваемого изнутри трубчатого элемента, помещенного в слой катализатора глубокого окисления или в виде обогреваемого изнутри трубчатого элемента с нанесенным на его наружную поверхность катализатора глубокого окисления.

5. Котел по п. 3, отличающийся тем, что каждая секция каталитического сжигания топлива содержит гранулированный катализатор или несколько видов катализатора нанесенного или смешанного типа.

6. Котел для работы на газовом топливе, состоящий из вспомогательной секции, включающей сжигающее устройство и секцию каталитического сжигания топлива, которая состоит из системы подачи топлива, катализатора и теплообменника, отличающийся тем, что вспомогательная секция снабжена смесителем воздуха и дымовых газов и теплообменником, причем сжигающее устройство, теплообменник и смеситель установлены последовательно по ходу дымовых газов.

7. Котел по п.6, отличающийся тем, что секция каталитического сжигания топлива содержит гранулированный катализатор или несколько видов катализатора нанесенного или смешанного типа.

8. Котел для работы на газовом топливе, состоящий из вспомогательной секции, включающей сжигающее устройство и как минимум две секции каталитического сжигания топлива, каждая из которых содержит систему подачи топлива, катализатор и теплообменник, отличающийся тем, что вспомогательная секция снабжена смесителем воздуха и дымовых газов и теплообменником, при этом сжигающее устройство, теплообменник и смеситель установлены последовательно по ходу дымовых газов, причем каждая секция каталитического сжигания топлива после первой снабжена пусковым подогревателем.

9. Котел по п.8, отличающийся тем, что пусковой подогреватель выполнен в виде обогреваемого изнутри трубчатого элемента, помещенного в слой катализатора глубокого окисления или в виде обогреваемого изнутри трубчатого элемента с нанесенным на его наружную поверхность катализатора глубокого окисления.

10. Котел по п.8, отличающийся тем, что каждая секция каталитического сжигания топлива содержит гранулированный катализатор или несколько видов катализатора нанесенного или смешанного типа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для создания малых водогрейных и паровых котлов для бытовых и производственных нужд.

Известно, что наиболее распространенным способом сжигания газового топлива в котлах, является гомогенный процесс окисления углеводородов кислородом воздуха. Однако наряду с конструкционной простотой гомогенные процессы сжигания топлива в котлах имеют ряд существенных недостатков, которые приводят к: большим размерам топки; необходимости подавать избыток воздуха; высоким температурам в топке, сложности конструкции теплообменной аппаратуры; возможности недожога топлива и образования оксидов азота.

Эти недостатки отсутствуют у каталитических реакторов. Так, при использовании катализатора, химическая реакция может протекать в сравнительно небольшом реакторе без избытка окислителя, кроме того, отсутствует проблема сжигания топливных смесей с концентрациями выше и ниже пределов взрываемости. Причем процесс каталитического сжигания топлива можно проводить при более низких температурах, что позволит снизить концентрацию оксидов азота в дымовых газах. Однако основными ограничениями использования катализаторов в котлах являются температурные интервалы их работы: нижний - температура зажигания катализатора и верхний - температура его деструктурирования, которые зависят от типа катализатора. Тем не менее существуют конструкции котлов с одним слоем катализатора, например "Бойлер каталитического сжигания смеси углеводородного топлива с воздухом для нагревания воды домашнего использования и катализатор для сжигания смеси углеводородного топлива с воздухом в бойлере" (пат. РФ N 1802863, МПК F 24 H 1/00, бюл. N 10, 1993). Бойлер содержит емкость для катализатора горения, который основывается на металлах платиновой группы, средства для передачи тепла между газообразными продуктами сгорания и водой, которая должна быть нагрета, систему управления сжигания метана и систему удаления топочного газа.

Несмотря на простоту конструкции бойлера, основным его недостатком является однослойная конструкция катализатора, при которой рост температуры внутри слоя при каталитическом сжигании топлива должен ограничиваться путем поддержания малоэффективного технологического режима, что не позволит достигнуть высоких технико-экономических показателей его работы.

Однако существуют технические решения по котлам с каталитическим сжиганием топлива, в основу конструкции которых заложены известные принципы проведения экзотермических реакций в каталитических реакторах, заключающиеся в использовании нескольких слоев катализатора с промежуточным охлаждением (Общая химическая технология: Учеб. для техн. вузов /А.М.Кутепов, Т.И.Бондарева, М.Г.Беренгартен. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Высшая школа, 1990. - 520 с. ). Если реакция необратимая, то увеличение температуры на каждом слое ограничивается подачей точно заданного количества реагентов.

Наиболее близким к настоящему изобретению является техническое решение, представленное в патенте США N 4299192 от 10.11.81, МПК B 09 B 3/00, которое выбрано нами за прототип.

Котел-прототип включает вспомогательную горелку, устройство для обеспечения топливом указанной вспомогательной горелки и по крайней мере две секции, каждая из которых включает топливный инжектор, каталитическую камеру сгорания и теплообменник, каталитическая камера сгорания в обеих секциях содержит блочный носитель, поверхность которого покрыта покрытием, на которое нанесен катализатор сгорания.

Однако прототип, на наш взгляд, имеет недостатки, которые ограничивают улучшение его технико-экономических показателей:

- прототип имеет две и большее количество секций каталитического сжигания топлива, с увеличением количества которых конструкция и система управления котлом будут усложняться и удорожаться;

- последовательное расположение огневого подогревателя (вспомогательной горелки) и системы ввода топлива в поток дымовых газов перед катализатором потребует дальнейшего усложнения и увеличения конструкции для предотвращения возникновения условий, которые могут привести к взрыву во время эксплуатации котла;

- в прототипе используется только блочный катализатор с активным компонентом из числа металлов платиновой группы, который является более дорогим, чем другие типы катализаторов;

- в прототипе не предусмотрена возможность использования теплоты конденсации воды из дымовых газов.

Эти недостатки прототипа устраняются настоящими техническими решениями.

Целью изобретения является разработка конструкции котла с более высокими технико-экономическими показателями, т.е. с повышенной надежностью и улучшенными эксплуатационными характеристиками котла в целом.

Согласно первому варианту изобретения поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в формуле изобретения п. 1, общих с прототипом, таких как: котел для работы на газовом топливе состоящий из вспомогательной секции, включающей сжигающее устройство и секцию каталитического сжигания топлива, которая состоит из системы подачи топлива, катализатора и теплообменника, и отличительных, существенных признаков, таких как: вспомогательная секция снабжена смесителем воздуха и дымовых газов и теплообменником, при этом сжигающее устройство, смеситель и теплообменник установлены последовательно по ходу дымовых газов.

Обеспечение котла теплообменником и установка его последовательно за сжигающим устройством и смесителем позволяют снизить нагрузки на трубы теплообменника и тем самым увеличить срок его службы. Кроме того, это позволяет осуществлять независимую регулировку и поддержание температуры в зоне смесителя ниже температуры самовоспламенения смеси при различных нагрузках на сжигающее устройство, т.е. увеличивает надежность и гибкость управления котлом.

Согласно п. 2 формулы секция каталитического сжигания топлива содержит гранулированный катализатор или несколько видов катализатора нанесенного или смешанного типа (Алхазов Т.Г., Марголис Л.Я. Глубокое каталитическое окисление органических веществ. - М.: Химия, 1985, 192 с.). Это дает ощутимую экономию средств при эксплуатации котла, а также расширяет возможности его применения.

Согласно второму варианту изобретения поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в п. 3 формулы изобретения, общих с прототипом, таких как: котел для работы на газовом топливе, состоящий из вспомогательной секции, включающей сжигающее устройство и как минимум две секции каталитического сжигания топлива, каждая из которых содержит систему подачи топлива, катализатор и теплообменник, а также отличительных существенных признаков, таких как: вспомогательная секция снабжена смесителем воздуха и дымовых газов и теплообменником, при этом сжигающее устройство, смеситель и теплообменник установлены последовательно по ходу дымовых газов, причем каждая секция каталитического сжигания топлива после первой снабжена пусковым подогревателем.

Наличие и размещение теплообменника позволяет получить технический результат, аналогичный изобретению по первому варианту.

Обеспечение второй и последующих секций каталитического сжигания топлива пусковым подогревателем каталитического типа позволяет быстро и надежно вывести котел на режим, а также предотвратить охлаждение катализатора при переходных процессах ниже температуры его воспламенения. Это облегчает управление котлом в целом, повышает его надежность и ускоряет его запуск и выход на режим.

В п. 4 формулы отражена особенность конструктивного выполнения пускового подогревателя, а именно: пусковой подогреватель выполнен в виде обогреваемого изнутри трубчатого элемента, помещенного в слой катализатора глубокого окисления (Алхазов Т. Г. , Марголис Л.Я. Глубокое каталитическое окисление органических веществ. - М.: Химия, 1985, 192 с.), или в виде обогреваемого изнутри трубчатого элемента с нанесенным на его наружную поверхность катализатора глубокого окисления, согласно известной методике (пат. РФ N 2055638, заявка N 93053116/04, БИ N 7, 1996, МКИ B 01 J 23/34, "Способ приготовления оксидных катализаторов", Кетов А.А. и др.). Такая конструкция подогревателя обеспечивает наиболее надежный нагрев катализатора до температуры его зажигания и его эффективную работу в диапазоне температур 300-900^oC.

Согласно п. 5 формулы каждая секция каталитического сжигания топлива содержит гранулированный катализатор или несколько видов катализатора нанесенного или смешанного типа. Использование нескольких типов катализаторов обусловлено целями применения и экономической целесообразностью той или иной конструкции котла.

Согласно третьему варианту изобретения поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в п. 6 формулы изобретения, общих с прототипом, таких как: котел для работы на газовом топливе, состоящий из вспомогательной секции, включающей сжигающее устройство, и секций каталитического сжигания топлива, которые состоят из системы подачи топлива, катализатора и теплообменника, а также отличительных, существенных признаков, таких как: вспомогательная секция снабжена смесителем воздуха и дымовых газов и теплообменником, причем сжигающее устройство, теплообменник и смеситель установлены последовательно по ходу дымовых газов. Размещение теплообменника, как указано выше, позволяет подавать на него более горячие дымовые газы, что дает возможность получить теплоноситель более высоких параметров, т.е. как следствие улучшаются технико-экономические показатели котла в целом.

Обеспечение котла теплообменником и установка его непосредственно за сжигающим устройством позволит подогреть теплоноситель до более высоких параметров, т.е. улучшить технико-экономические показатели котла.

Согласно п. 7 формулы секция каталитического сжигания топлива содержит гранулированный катализатор или несколько видов катализатора нанесенного или смешанного типа. Использование нескольких типов катализаторов обусловлено целями применения и экономической целесообразностью той или иной конструкции котла.

Согласно четвертому варианту изобретения поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в п. 8 формулы изобретения, общих с прототипом, таких как: котел для работы на газовом топливе, состоящий из вспомогательной секции, включающей сжигающее устройство и как минимум две секции каталитического сжигания топлива, каждая из которых содержит систему подачи топлива, катализатор и теплообменник, а также отличительных, существенных признаков, таких как: вспомогательная секция снабжена смесителем воздуха и дымовых газов и теплообменником, при этом сжигающее устройство, теплообменник и смеситель установлены последовательно по ходу дымовых газов, причем каждая секция каталитического сжигания топлива после первой снабжена пусковым подогревателем.

Наличие и размещение теплообменника позволяет получить технический результат, аналогичный изобретению по третьему варианту. Снабжение второй и последующих секций каталитического сжигания топлива пусковым подогревателем каталитического типа позволяет быстро и надежно вывести котел на режим, а также предотвратить охлаждение катализатора при переходных процессах ниже температуры зажигания катализатора. Это облегчает управление котлом в целом.

В п. 9 формулы изобретения отражена особенность конструктивного выполнения пускового подогревателя, а именно пусковой подогреватель выполнен в виде обогреваемого изнутри трубчатого элемента, помещенного в слой катализатора глубокого окисления, или в виде обогреваемого изнутри трубчатого элемента с нанесенным на его наружную поверхность катализатором глубокого окисления. Такая конструкция подогревателя обеспечивает наиболее надежный нагрев катализатора до температуры зажигания и его эффективную работу в диапазоне температур 300-900^oC.

Согласно п. 10 формулы каждая секция каталитического сжигания топлива содержит гранулированный катализатор или несколько видов катализатора нанесенного или смешанного типа. Использование нескольких типов катализаторов обусловлено целями применения и экономической целесообразностью той или иной конструкции котла.

Объединение четырех технических решений в одну заявку связано с тем, что они решают одну и ту же задачу - повышение надежности и улучшение эксплуатационных характеристик котла в целом - одним и тем же путем - за счет конструктивных особенностей выполнения вспомогательной секции и секций каталитического сжигания топлива.

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами. На фиг. 1 представлена схема котла по 1 варианту; на фиг. 2 - схема котла по 2 варианту; на фиг. 3 - схема котла по 3 варианту; на фиг. 4 - схема котла по 4 варианту; на фиг. 5, 6 - представлена конструкция пускового подогревателя, трубчатые элементы которого помещены в слой катализатора; на фиг. 7, 8 - пусковой подогреватель, на трубчатые элементы которого нанесен катализатор.

На фиг. 1 представлена схема котла, имеющего вспомогательную секцию (I) и одну секцию каталитического сжигания топлива (II). В котел подают топливо 1 и поток воздуха 2. Вспомогательная секция состоит из сжигающего устройства огневого или каталитического типа 3. Между сжигающим устройством вспомогательной секции и секцией каталитического сжигания топлива установлен теплообменник 4. К вспомогательной секции относится делитель потока топлива 5 и воздуха 6, подаваемых на сжигание, и смеситель воздуха и дымовых газов 7. Делитель воздуха 6 необходим при использовании огневого сжигающего устройства 3, т.к. если доля потока топлива мала, то могут возникнуть концентрационные трудности его сжигания. Сжигающее устройство 3, смеситель 7 и теплообменник 4 установлены последовательно по ходу потока дымовых газов. Секция каталитического сжигания (II) состоит из смесителя топлива и дымовых газов 8, слоя катализатора 9 и теплообменника 10. С целью экономии можно использовать гранулированный катализатор или несколько типов катализатора 9, а не только блочный, как в прототипе. Также с целью экономии можно выбрать вариант с одной ступенью каталитического сжигания, а не с двумя или тремя. Поток дымовых газов из котла обозначен цифрой 11.

На фиг. 2 представлена схема котла, имеющего вспомогательную секцию (I) и две секции каталитического сжигания топлива (II и III). Схема вспомогательной (I) и первой секции каталитического сжигания топлива (II) аналогична описанной выше (как для фиг. 1). Схема второй секции каталитического сжигания топлива (III) состоит из смесителя топлива и дымовых газов 12, пускового подогревателя каталитического типа 13, слоя катализатора 14 и теплообменника 15. Пусковой подогреватель 13 позволяет быстро и надежно вывести котел на режим, а также предотвратить охлаждение катализатора 14 при переходных процессах ниже температуры его воспламенения. Если схема котла имеет три секции каталитического сжигания топлива, то схема последующей, третьей, секции каталитического сжигания аналогична схеме секции (III).

Схемы пускового подогревателя, которые могут быть использованы в конструкции котла, представлены на фиг. 5, 6, 7, 8. На фиг. 5 и 7 изображены схемы пускового подогревателя с трубчатыми элементами 16, обогреваемыми изнутри потоком горячих дымовых газов 17. Трубчатые элементы пускового подогревателя, изображенного на фиг. 6, 8 обогреваются электронагревательным элементом 18. Трубчатые элементы пускового подогревателя, представленного на фиг. 5, 6, помещены в слой катализатора глубокого окисления 9, который работает при температуре 300-900^oC. Трубчатые элементы пускового подогревателя, представленного на фиг. 7, 8, покрыты веществом 9, которое работает как катализатор глубокого окисления в диапазоне температур 300-900^oC.

На фиг. 3 представлена схема котла, имеющего вспомогательную секцию (I) и одну секцию каталитического сжигания топлива (II). Вспомогательная секция (1) отличается от секции (I) на фиг. 1 тем, что содержит теплообменник 4, непосредственно следующий за сжигающим устройством 3. Такое расположение теплообменника особенно важно в тех случаях, когда необходимо подогреть теплоноситель до более высоких параметров. Схема секции каталитического сжигания аналогична схеме секции (II) на фиг. 1, 2.

На фиг. 4 представлена схема котла, имеющего вспомогательную секцию (I) и две секции каталитического сжигания топлива (II и III). Вспомогательная секция отличается от секции (I) на фиг. 2 тем, что содержит теплообменник 4, непосредственно следующий за сжигающим устройством 3. Схема первой секции каталитического сжигания аналогична схеме секции (II) на фиг. 1, 2, 3. Схема второй секции каталитического сжигания топлива аналогична схеме секции (III) на фиг. 2. Если схема котла имеет три секции каталитического сжигания топлива, то схема последующей, третьей, секции аналогична схеме секции (III).

Теплообменники 4, 10, 15 на фиг. 1, 2, 3, 4 выполнены, например, в виде труб, по которым проходит теплоноситель (Теплотехника. Учеб. для вузов /А.П. Баскаков, Б. В.Барг, О.К.Витт и др. под ред. А.П.Баскакова - 11 изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1991, 224).

В качестве сжигающего устройства огневого или каталитического типа 3, фиг. 1, 2, 3, 4, может использоваться горелка стандартного типа или устройство, аналогичное пусковому подогревателю 13, представленному на фиг. 5, 6, 7, 8. В зависимости от параметров сжигающего устройства 3, типа катализатора 9, 14 и конструкции котла подача воздуха 2 на горение может осуществляться как за счет естественной тяги, так и за счет дымососа и/или вентилятора.

Котел работает следующим образом.

Принцип действия схем котлов, представленных на фиг. 1, 2, 3, 4, заключается в том, что часть поданного в систему газа 1 и воздуха 2 сгорает на сжигающем устройстве 3, смешивается с оставшейся частью воздуха в смесителе 7 и охлаждается на теплообменнике 4. Далее, охлажденные дымовые газы поступают на смешение с топливом в смеситель первой секции каталитического сжигания 8, образовавшаяся смесь сжигается на катализаторе 9, а дымовые газы охлаждаются на теплообменнике 10. Если котел имеет две или более каталитических секций сжигания топлива, то после теплообменника 10 дымовые газы поступают на смешение с топливом в смеситель 12 второй секции каталитического сжигания (III) (см. фиг. 2 и 4), а если одну ступень, то поток 11 выходит из котла (см. фиг. 1 и 3).

Если котел имеет две каталитические секции сжигания топлива (фиг. 2, 4), то после смесителя 12 образовавшаяся смесь сжигается на катализаторе 14, а дымовые газы охлаждаются на теплообменнике 15. При пуске котла, когда катализатор 14 еще имеет температуру ниже температуры зажигания катализатора, его можно предварительно подогреть до температуры зажигания с помощью пускового подогревателя 13, что позволит быстрее и более надежно произвести запуск котла. Для этого необходимо сначала разогреть до температуры зажигания (300-400^oC) небольшое количество катализатора 9 (фиг, 5, 6, 7, 8), находящегося в пусковом подогревателе. Разогрев можно осуществить либо подачей в трубки 16 (фиг. 5, 7) горячих дымовых газов от постороннего сжигающего устройства, либо разогреть трубки 16 (фиг. 6, 8) электронагревательным элементом 18. После нагрева катализатора до температуры зажигания он инициирует реакцию каталитического горения части топлива из потока топливовоздушной смеси 11 (фиг. 5, 6, 7, 8), в результате которой будут образовываться горячие дымовые газы, которые далее будут разогревать следующий по ходу газов слой катализатора 14 (фиг. 2, 4). Данный способ запуска котла позволит быстро, безопасно и надежно запустить котел, т.к. пусковые подогреватели позволяют эффективно, независимо и одновременно разогревать весь котел без использования источников открытого огня.

Если котел имеет три каталитические секции сжигания топлива, то после теплообменника 15 дымовые газы поступают на смешение с топливом в смеситель третьей секции каталитического сжигания, которая имеет конструкцию, аналогичную конструкции второй секции.

С целью увеличения КПД котла на теплообменнике последней, по ходу дымовых газов 11, теплообменной секции можно поддерживать условия, способствующие конденсации из дымовых газов паров воды.

Предлагаемая конструкция котла позволяет с большей эффективностью и более гибко эксплуатировать котел в широких интервалах изменения технологических параметров.