Способ подачи в каталитическую горелку природного газа и устройство для его осуществления

 

Использование: относится к способу подачи природного газа в каталитическую горелку при наличии в газе соединений серы в виде добавки и к устройству для осуществления этого способа. Сущность изобретения: с целью увеличения срока службы катализатора предварительно получают смесь природного газа с воздухом, количество которого достаточно для окисления серы добавок, затем эту смесь нагревают до температуры, обеспечивающей выделение свободной серы из добавок, предпочтительно до температуры не менее 530^oC. Далее эту смесь подают в каталитическую горелку. Устройство для осуществления способа включает главное сопло, связанное с источником газа под давлением, вспомогательное сопло, сообщенное с главным соплом и атмосферой, а также диффузор, подключенный на входе к соплам, а на выходе к отверстию питания горелки через теплообменник. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к способу подачи природного газа в каталитическую горелку при наличии в газе соединения серы в виде добавки и к устройству для осуществления этого способа.

Некоторые природные газы практически не имеют запаха, и правилами предусматривается введение в них добавки с целью придания им свойств, обеспечивающих обнаружение по запаху. Эти добавки обычно представляют собой соединения серы, такие как тетрагидротиофен (ТГТ). В обычных пламенных горелках теплота вызывает разложение соединения, и сера окисляется. В связи с тем, что температура горения намного ниже в каталитической горелке, чем в обычной горелке и находится в пределах от 350 до 700^oC, окисление серы может быть неполным в некоторых менее нагретых зонах катализатора, и в этом случае в этих зонах отмечают "отравление" катализатора серой, что делает катализатор неработоспособным. После этого отравленная зона расширяется и катализатор быстро выходит из строя. Именно такова причина, по которой каталитические горелки, действующие с линиями распределения природного газа, в который были добавлены пахучие соединения типа ТГТ, создают серьезные проблемы отравления серой.

В связи с этим существуют многочисленные случаи применения, в которых каталитическая горелка имеет преимущества по отношению к другим типам горения, учитывая то, что она не образует вредных газов, таких как CO и NO_x, что позволяет снизить загрязнение атмосферы, в связи с чем нагрев представляет собой важный фактор этого загрязнения. Отсутствие вредных газов в продуктах сгорания газа, полученных при каталитическом сжигании, позволяет использовать эти газы непосредственно для разогрева помещений. Совершенно очевидно, что эти преимущества направлены на защиту окружающей среды и приводят к значительной экономии энергии.

Ранее уже предлагалось (патент Японии А-61-295408) снизить вредное воздействие серы на металл-катализатор и увеличить срок службы катализатора сжигания с помощью первого катализатора, который содержит смесь катализатора окисления и катализатора обессеривания на носителе, образованном в виде пористой упаковки керамических волокон, и второго катализатора сгорания, который содержит только катализатор окисления. Это решение требует двух катализаторов, что значительно повышает стоимость агрегата.

Известен способ извлечения пахучего вещества, получаемого из соединения серы, содержащего катализатор обессеривания и катализатор реформинга (патент Японии А-60-54903).

Известен катализатор для удаления вредных веществ из выхлопных газов (патент Германии А-2720866). Последние предварительно нагревают ниже температуры горения барботированием в масляной ванне, над которой находится катализатор, связанный с тканью. Этот катализатор нагревает данную ткань излучением, в результате чего выхлопные газы еще нагреваются на 10 20^oC, проходя сквозь ткань, и оказываются с температурой горения, когда они попадают на катализатор. Благодаря этой мере удивительным образом удается избежать отравления катализатора содержащим соединением.

Отмечают, что эту проблему уже пробовали решить, но предложенные решения либо предполагают использование двух катализаторов, в очень значительной степени увеличивая цену агрегата, либо не пригодны для решения проблемы обессеривания горючего газа.

Наиболее близким по количеству сходных признаков и техническому существу из предшествующего уровня техники предложенному способу подачи в каталитическую горелку природного газа с ароматическими добавками является способ, включающий предварительное формирование смеси этого газа с воздухом и подачи указанной смеси в горелку [1] Наиболее близким по техническому существу и количеству сходных признаков из предшествующего уровня техники к предложенному устройству подачи в каталитическую горелку природного газа с ароматическими добавками является устройство, содержащее главное сопло, связанное с источником газа под давлением, вспомогательное сопло, сообщенное соответственно с главным соплом и атмосферой, а также диффузор, подключенный к упомянутым соплам, а на выходе - к отверстию питания горелки [2] Задачей настоящего изобретения является создание недорогих и достаточно эффективных способа и устройства, которые бы позволили решить проблему увеличения срока службы катализатора путем предотвращения его "отравления" при использовании в качестве ароматических добавок соединений серы.

Поставленная задача в части способа решается тем, что количество воздуха в смеси обеспечивают достаточным для окисления серы добавок, а саму смесь перед подачей в горелку нагревают до температуры, обеспечивающей выделение свободной серы из добавок и последующее ее окисление воздухом смеси.

Смесь может быть нагрета до температуры 530^oC в канале теплообмена каталитическим материалом горелки.

Поставленная задача в части устройства решается тем, что оно дополнительно содержит теплообменник, через который диффузор подключен к отверстию питания горелки. Теплообменник при этом может быть выполнен в виде трубок, коаксиально расположенных одна в другой с образованием кольцевого канала, наружная из которых заглушена с торца, а внутренняя расположена соответствующим торцом на расстоянии от заглушенного торца наружной для обеспечения противоточного движения смеси.

Диффузор может быть выполнен в виде резко расширяющегося канала с профилем типа Борда-Карно, обеспечивающего стабильный поток, начиная от числа Рейнольдса порядка 2000.

Преимущества предложенного решения важны в той степени, в какой эффективность способа и устройства для его осуществления была доказана в результате долговременных испытаний, которые не позволили отметить никакого отравления катализаторов, используемых в горелках. Устройство, необходимое для осуществления этого способа, является простым и недорогим в изготовлении. Тот факт, что оно не содержит никакой подвижной детали, не требует ни обслуживания, ни регулировки, следовательно, не влечет за собой никаких особых эксплуатационных затрат. Использование очень небольших количеств воздуха, в той степени, в какой количество добавляемой серы в природный газ составляет порядка 10 15 частей на миллион, практически не изменяет характеристики горения. И наконец, в связи с очень малым расходом энергии, необходимой для нагрева смеси газа и воздуха, нагрев осуществляется самой горелкой. Действительно, эти меры показывают, что температура внутри каталитических материалов остается почти постоянной и превышает температуру термохимического разложения молекулы, содержащей серу, какова бы ни была температура на внешней поверхности каталитических материалов.

Тем не менее, из этого следует, что осуществление этого способа создает множество затруднений и что устройство для его осуществления далеко от того, чтобы быть очевидным в осуществлении. Практически требуется вводить минимально возможные количества воздуха с природным газом, плотность которого меньше плотности воздуха и давление подачи которого и, следовательно, скорость очень малы. Практически это давление в сетях распределения природного газа обычно составляет 2,3 кПа, в результате чего требуется вводить в работу форсунку и смешивать текучие среды природный газ и воздух при числах Рейнольдса, основанных на диаметре сопла, которые очень малы, менее 10000. Все это становится тем более сложным, что то же самое устройство должно иметь возможность работы без его модификации при расходах, меняющихся в соотношении от 1 до 3. Практически любое изменение проходных сечений потребовало бы систему регулирования, увеличило бы стоимость аппарата в недопустимой пропорции и снизило бы его надежность.

На фиг. 1 изображен схематичный вид в разрезе варианта предлагаемого устройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 2 схема коэффициента увеличения давления в месте резкого расширения форсунки в зависимости от числа Рейнольдса; на фиг. 3 схема давления в устройстве с фиг. 1; на фиг. 4 схема общей потери напора в системе электроклапана.

Устройство для осуществления способа, являющегося предметом настоящего изобретения, содержит источник газа под давлением G, расход которого контролируется в данном примере с помощью электроклапана EV, содержащего поршень P, сквозь который проходит канал C1 для прохождения газа. Так как данный электроклапан не является частью настоящего изобретения, он здесь не будет описан. Выход этого электроклапана сообщается с соплом BG, выход которого находится в конической части C, образующей с концом сопла BG кольцевое отверстие BA, которое, будучи сообщенным с атмосферой, служит в качестве вспомогательного сопла для впрыска воздуха в поток газа. За конической частью C следует цилиндрическая часть с сечением S₁, затем резкое расширение BC, называемое расширением Борда-Карно с сечением S₂, которое выходит в теплообменник EC, который находится в контакте с подложкой, пропитанной каталитическим материалом MC окисления горючего газа. Отношение между длиной этой части BC и диаметром сечения S₂ должно быть заключено между 8 и 12.

Способ, являющийся предметом настоящего изобретения, заключается во всасывании небольшого количества воздуха благодаря разрежению, создаваемому резким расширением BC, расположенным ниже по потоку от сопла. По той же самой причине, как это будет пояснено ниже, резкое расширение вызывает значительные завихрения в потоке даже при относительно малых скоростях течения, обеспечивая в результате однородную смесь между воздухом и горючим газом. После этого горючая смесь вводится в теплообменник, где она нагревается до минимальной температуры в 530^oC, при которой молекулы тетрагидротиофена (ТГТ) разлагаются и выделяют серу, которая окисляется при контакте с кислородом воздуха, присутствующим в смеси. В связи с этим, когда эта горючая смесь вводится в контакт с каталитической горелкой с новой подачей воздуха, предназначенного для окисления горючего вещества, сера оказывается в виде SO₂, который не отравляет катализатор.

Как было подчеркнуто ранее, осуществление этого способа ставит проблемы, разрешение которых довольно непросто. Плотность несущей текучей среды, меньшая плотности увлекаемой текучей среды, намного более высокая кинематическая вязкость газообразных текучих сред, чем кинематическая вязкость жидкостей, также как и малая скорость газа из-за низкого давления подачи природного газа, создают числа Рейнольдса, меньшие 10000, создают совершенно необычные рабочие условия.

Эти причины привели авторов данного изобретения к необходимости замены классического диффузора на форму конуса с резким расширением, называемым расширением Борда-Карно. Действительно, при рассматриваемых числах Рейнольдса диффузор в форме конуса не позволяет гарантировать стабильность потока, тем более, что расход и, следовательно, скорость и число Рейнольдса должны быть уменьшены до 30% от номинального расхода в зависимости от мощности, требуемой от горелки. Напротив, если резкое расширение имеет меньшую производительность, его работа лучше известна при низких числах Рейнольдса и, как показывает схема с фиг. 2, оно позволяет получить, начиная примерно от числа Рейнольдса в 3000 и при отношениях сечений S₁/S₂ резкого расширения от 0,5 до 0,6, максимальный коэффициент увеличения давления ΔP/q примерно 0,5, при этом q обозначает динамическое давление в шейке сопла, и оно может еще действовать при числе Рейнольдса 2000, зависящего от условий истечения в шейке сопла. Эти указания следуют из Справочника потерь напора IdeIcik (Eyrolles).

Этот диффузор выходит в теплообменник EC, который находится в контакте с подложкой, пропитанной каталитическим веществом. Здесь подложка представляет собой материал, образованный из огнеупорных волокон, пропитанных платиной. Теплообменник может быть образован простой трубкой с соответствующими длиной и сечением или двумя трубками, расположенными коаксиально одна внутри другой, обеспечивая таким образом истечение противотоком в кольцевом пространстве между трубками, а затем в центральной трубке. Сечение этой трубки должно быть выбрано таким, чтобы создать допустимую потерю напора с учетом давления подачи природного газа.

На схеме фиг. 3 схематически проиллюстрирована величина давлений в различных местах данного устройства по отношению к атмосферному давлению, которое соответствует оси значений x. P_о соответствует входному давлению электроклапана E.

D7P_EV представляет собой потерю напора через электроклапан. P_K соответствует давлению на входе форсунки, а P₁ давление в горловине форсунки, служащее также для всасывания атмосферного воздуха, P₂ давление на входе теплообменника, при этом его выход находится практически под атмосферным давлением.

Теперь мы дадим пример размерности устройства для обработки природного газа, подаваемого под давлением 2,3 кПа, с номинальным расходом в 0,50 м³/ч, предназначенным для запитывания нагревательного прибора с каталитической горелкой в 5 кВт. В этом примере канал C1, выполненный в поршне P электроклапана EV, имеет диаметр 3 мм, главное сопло BG имеет диаметр 1,5 мм, малый диаметр диффузора составляет 1,6 мм, а малый диаметр резкого расширения составляет 2,2 мм. Гидравлические диаметры противоточного обменника составляют примерно от 3 до 5 мм, а его длина составляет 34 см. Нижеприведенная таблица дает значения давлений P_om P₁ и P₂ при различных расходах газа Q.

Отмечают, что P₁ ниже атмосферного давления для всех рассматриваемых расходов как для расчетных величин, так и для замеренных. В связи с этим, необходимо отметить некоторую неточность, вызванную имеющейся в наличии измерительной аппаратурой, а также некоторыми колебаниями давления в сети подачи.

В связи с тем, что катализатор имеет температуру порядка 700^oC, температура газовой смеси на выходе из теплообменника EC была подсчитана так, чтобы она была порядка 550^oC. Были проведены опыты с использованием нагревательного аппарата с каталитической горелкой, запитываемой природным газом, содержащим порядка 15 частей на миллион ТГТ и обрабатываемым с помощью описанного устройства. Спустя 4500 ч работы, не было обнаружено никаких следов отравления катализатора. Напротив, как только впуск воздуха вспомогательного сопла BA закрывается, отмечают осуществление отравления катализатора серой. Однако сумели отметить, что это отравление исчезает, когда восстанавливается подача воздуха. Этот опыт показывает необходимую роль воздуха, так как простой предварительный нагрев топлива недостаточен.

Совершенно очевидно, что пропорция воздуха, всасываемого в случае с описанным устройством, намного является избыточной по отношению к стехиометрии воздух сера, учитывая количество присутствующего ТГТ. Этот факт не вызвал никакого замеряемого снижения производительности горелки, что подтверждает ценность этого решения.

Разумеется, можно приспособить описанное устройство для различных аппаратов каталитического сжигания различной мощности. Именно поэтому для нагревательного аппарата в 10 кВт, требующего номинального расхода порядка 1,0 м³/ч, также подаваемого при давлении 2,3 кПа, схема с логарифмической шкалой фиг. 4, относящейся к потерям напора в системе электроклапана, контролирующего расход на входе, позволяет выяснить, что для работы при тех же самых условиях диаметры электроклапана и теплообменника устройства подачи должны быть умножены по отношению к аппарату в 5 кВт на коэффициент примерно 15, что дает электроклапан с каналом C1 в 4,5 мм сквозь поршень P и теплообменник в 9 мм. Учитывая относительно значительный диаметр этого теплообменника, всегда есть возможность повысить его эффективность, приняв решение о протоке противотоком в двух коаксиальных трубках, как было упомянуто ранее.

В описанном здесь примере контроль подачи газа осуществляли с помощью электроклапана, выбранного для связи с цепью электронного регулирования. Однако совершенно очевидно, что любая другая соответствующая система регулирования может заменить описанный электроклапан, который, как уже было уточнено, не является частью данного изобретения.

Формула изобретения

1. Способ питания каталитической горелки природным газом с ароматическими добавками путем предварительного формирования смеси этого газа с воздухом и последующей подачи полученной смеси в горелку, отличающийся тем, что, с целью увеличения срока службы катализатора при использовании в качестве ароматических добавок соединений серы, количество воздуха в смеси обеспечивает достаточным для окисления серы ароматических добавок, а саму смесь перед подачей в горелку нагревают до температуры, обеспечивающей выделение свободной серы из добавок и последующее ее окисление воздухом смеси.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что смесь нагревают до температуры не менее 530^oС.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что смесь нагревают в канале теплообмена каталитическим материалом горелки.

4. Устройство подачи в каталитическую горелку природного газа, содержащее главное сопло, связанное с источником газа под давлением, вспомогательное сопло, сообщенное соответственно с главным соплом и атмосферой, а также диффузор, подключенный на входе к упомянутым соплам, а на выходе к отверстию питания горелки, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит теплообменник, через который диффузор подключен к отверстию питания горелки.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что теплообменник выполнен в виде коаксиально расположенных одна в другой с образованием кольцевого канала трубок большего и меньшего диаметра, первая из которых заглушена с одного из концов, а вторая расположена соответствующим торцом на расстоянии от заглушенного конца первой для обеспечения противоточного движения смеси в теплообменнике.

6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что диффузор выполнен в виде резко расширяющихся по ходу потока канала с профилем типа Борда-Карно, обеспечивающего стабильный поток, начиная от числа Рейнольдса порядка 2000.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4