УСТРОЙСТВО ОХЛАЖДЕНИЯ И УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА ОТХОДЯЩИХ ИЗ ПЕЧИ ГАЗОВ Российский патент 1997 года по МПК F27D17/00 

Изобретение относится к металлургии, химической промышленности, тепло- и электроэнергетике и может быть использовано для утилизации тепла химических процессов, ведущихся с отводом горячих газов из реактора.

Известно устройство ( Роменец В.А. Усачев А.Б. Сниткин А.М. СидоровА.Н.) Энергометаллургический комплекс на базе технологии переработки железных руд процессом жидкофазного восстановления с использованием энергетических углей. Повышение эффективности использования топлива в народном хозяйстве. т.2, с. 278-292, Рига, 1990 ), содержащее печь процесса жидкофазного восстановления ПЖВ, (включающую жидкую ванну, зону дожигания над ней, фурмы подачи кислородсодержащих газовых смесей соответственно в жидкую ванну и зону дожигания, систему подачи в печь железосодержащего сырья, твердого углеродсодержащего топлива и флюса, систему выпуска из печи расплавленного шлака и расплавленного чугуна), систему охлаждения стенок печи, тракт печных газов, систему охлаждения тракта печных газов (котел-утилизатор) водой под давлением, турбоустановку с конденсатором, системой регенеративного подогрева питательной воды и генератором, питательный насос, трубопроводы (соединяющие последовательно систему охлаждения тракта печных газов, турбоустановку, конденсатор, систему регенеративного подогрева и питательный насос в замкнутый пароводяной контур) и позволяющее попутно с окислительно-восстановительными металлургическими процессами (идущими в расплаве жидкой ванны, барботируемом кислородсодержащей смесью газов) получать в печи избыточное тепло (за счет горения в зоне дожигания генераторных газов, выходящих из жидкой ванны), отводимое как через стеки печи, так и с отходящими печными газами, охлаждать печные газы, а отобранное тепло преобразовывать в электроэнергию.

Недостатком известного устройства является невозможность использования для выработки электроэнергии той части избыточного тепла (выделяющегося в печи), которая отводится через стенки печи и воспринимается теплоносителем системы охлаждения стенок печи, что ведет к значительным тепловым сбросам в окружающую среду (тепловое загрязнение).

Указанный недостаток обусловлен использованием в контуре стенок печи (зона дожигания и жидкая ванна) воды низких параметров давление не более 3 ат, температура не выше 80^oC, что не позволяет получать в нем пар энергетических параметров.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому устройству является "Опытно-промышленная установка (ОПУ) мощностью 200 МВТ(т) для сжигания твердого топлива в шлаковом расплаве в качестве прототипа полномасштабной промышленной энергетической установки на Несветай ГРЭС" (Государственная научно-техническая программа "Экологически чистая энергетика", Министерство науки, высшей школы и технической политики РФ, Москва, 1993 (по состоянию на 1 января 1993 ), проект 2.6, с 73-75).

Известная установка содержит камеру-газификатор (жидкая ванна) для газификации твердого углеродсодержащего сырья (рядовой уголь) в аэрошлаковом расплаве, барботируемом кислородсодержащей смесью газов (подаваемой через специальные фурмы), котел-утилизатор (зона дожигания и тракт печных газов с системой охлаждения) для дожигания генераторного газа (образующегося в камере-газификаторе) и охлаждения отходящих (печных) газов, систему, охлаждения стенок камеры-газификатора, турбоустановку с конденсатором, системой регенеративного подогрева питательной воды и генератором, питательный насос, трубопроводы, соединяющие последовательно систему охлаждения камеры-газификатора, котел-утилизатор, турбоустановку, конденсатор, систему регенеративного подогрева питательной воды и питательный насос в замкнутый пароводяной контур, необходимый для преобразования выделяющейся в камере-газификаторе и котле-утилизаторе тепловой энергии в электрическую.

Недостатком прототипа является использование в системах охлаждения камеры-газификатора (жидкая ванна) и котла-утилизатора (зона дожигания и тракт печных газов) воды-пара высокого давления, что приводит к снижению безопасности эксплуатации и надежности работы перечисленных узлов и, соответственно, к увеличению теплового загрязнения окружающей среды и снижению эффективности мер, направленных на ее охрану.

Это обусловлено тем, что для выработки электроэнергии и, следовательно, уменьшения тепловых сбросов в окружающую среду в системах охлаждения камеры-газификатора (жидкая ванна) и котла-утилизатора (зона дожигания и тракт печных газов) требуется пар энергетических параметров (давление, температура), определяемых типом используемой турбоустановки.

Задача изобретения повышение надежности работы и безопасности эксплуатации камеры-газификатора (жидкая ванна) и котла-утилизатора (зона дожигания и тракт печных газов), уменьшение теплового загрязнения окружающей среды.

Для этого предлагается устройство, содержащее печь со стальным корпусом и расположенными вдоль его стенок для их охлаждения теплообменными поверхностями в зоне жидкой ванны и в зоне дожигания, подключенные к контуру циркуляции теплоносителя, сообщенного с пароводяным контуром, включающим соединенные посредством пароводяных трубопроводов парогенератор, паротурбинную установку с конденсатором, электрогенератором и системой регенеративного подогрева питательной воды, питательный насос, средства охлаждения газоотводящего тракта, снабдить дополнительным контуром циркуляции теплоносителя, при этом оба контура заполнить жидкометаллическим теплоносителем, например натрием, при этом вход в теплообменные поверхности корпуса печи соединить трубопроводами жидкометаллического теплоносителя через насос принудительной циркуляции теплоносителя с парогенератором, а средства охлаждения газоотводящего тракта выполнить в виде последовательно расположенных за печью и связанных газоходами высокотемпературного и низкотемпературного теплообменников, соединенных посредством трубопроводов с контуром циркуляции жидкометаллического теплоносителя, и аппарата воздушного охлаждения отходящих газов ниже "точки росы", при этом вход высокотемпературного теплообменника соединить трубопроводами жидкометаллического теплоносителя с выходом теплообменных поверхностей корпуса печи, а его выход подключить к парогенератору с образованием основного контура циркуляции теплоносителя, кроме того, вход низкотемпературного теплообменника подсоединить к основному контуру циркуляции параллельно входу в теплообменные поверхности корпуса печи посредством трубопроводов жидкометаллического теплоносителя, подключенных после насоса его принудительной циркуляции, а выход низкотемпературного теплообменника подключить к входу высокотемпературного теплообменника с образованием дополнительного контура циркуляции жидкометаллического теплоносителя. В качестве печи может быть использована печь процесса жидкофазного восстановления железа.

В парогенераторе тепло, полученное жидкометаллическим теплоносителем при охлаждении стенок корпуса печи и тракта печных газов, используется для выработки водяного пара необходимых энергетических параметров. Использование жидкометаллического теплоносителя позволяет снизить давление в теплообменных поверхностях охлаждения стенок корпуса печи и тракта печных газов до уровня атмосферного плюс перепад давления на прокачку теплоносителя по контуру циркуляции и, таким образом, повысить безопасность эксплуатации и надежность работы перечисленных узлов, снизить тепловое загрязнение окружающей среды, получив одновременно в парогенераторе перегретый пар необходимых энергетических параметров для выработки электроэнергии на стандартной (серийной) турбоустановке.

С целью создания устойчивый естественной циркуляции жидкометаллического теплоносителя (и тем самым повышения безопасности эксплуатации печи) пи аварийном отключении электропитания насоса принудительной циркуляции жидкометаллического теплоносителя парогенератор располагается в контуре циркуляции выше корпуса печи, высокотемпературного и низкотемпературного теплообменников.

Для надежного расхолаживания контура циркуляции жидкометаллического теплоносителя в режиме отключения турбины пароводяного контура (режим "стоп-вода") парогенератор дополнительно снабжен расположенными в его корпусе теплообменными поверхностями, соединенными трубопроводами с одной стороны с нагнетателем воздуха, а с другой с вытяжной трубой.

С целью охраны окружающей среды (в том числе, за счет уменьшения площади земель, отчуждаемых под промстроительство) конденсация отработавшего пара турбины и охлаждение ниже "точки росы" отходящих печных газов осуществляются за счет воздушного охлаждения. При этом конденсатор паротурбинной установки и аппарат воздушного охлаждения газов ниже "точки росы" последовательно соединены трубопроводами подачи воздуха.

Сущность изобретения поясняется принципиальной тепловой схемой устройства, представленной на чертеже.

Устройство охлаждения и утилизации тепла отходящих из печи газов содержит печь 1 со стальным корпусом и расположенными вдоль его стенок для их охлаждения теплообменными поверхностями 2 в зоне жидкой ванны 3 и в зоне дожигания 4, подключенные к контуру циркуляции теплоносителя, сообщенного с пароводяным контуром, включающим соединенные посредством пароводяных трубопроводов 5 парогенератор 6, паротурбинную установку 7 с конденсатором 8, электрогенератором 9 и системой регенеративного подогрева питательной воды 10, питательный насос 11, средства охлаждения газоотводящего тракта, и снабжено дополнительным контуром циркуляции теплоносителя, при этом оба контура заполнены жидкометаллическим теплоносителем, причем вход в теплообменные поверхности 2 корпуса печи 1 соединен трубопроводом жидкометаллического теплоносителя 12 через насос принудительной циркуляции теплоносителя 13 с парогенератором 6, а средства охлаждения газоотводящего тракта выполнены в виде последовательно расположенных за печью 1 и связанных газоходами 14 высокотемпературного теплообменника 15 низкотемпературного теплообменника 16, соединенных посредством трубопроводов 12 с контуром циркуляции жидкометаллического теплоносителя, и аппарата воздушного охлаждения отходящих газов ниже "точки росы" 17, при этом вход высокотемпературного теплообменника 15 соединен трубопроводами жидкометаллического теплоносителя 12 с выходом теплообменных поверхностей 2 корпуса печи 1, а его выход подключен к парогенератору 6 с образованием основного контура циркуляции теплоносителя, кроме того, вход низкотемпературного теплообменника 16 подсоединен к основному контуру циркуляции параллельно входу в теплообменные поверхности 2 корпуса печи 1 посредством трубопроводов жидкометаллического теплоносителя 12, подключенных после насоса 13 его принудительной циркуляции, а выход низкотемпературного теплообменника 16 к входу высокотемпературного теплообменника 15 с образованием дополнительного контура циркуляции жидкометаллического теплоносителя.

Парогенератор 6 дополнительно снабжен расположенными в его контуре теплообменными поверхностями 18, соединенными трубопроводами 19 с одной стороны с нагревателем воздуха 20, а с другой с вытяжной трубой 21. Парогенератор 6 расположен выше корпуса печи 1, высокотемпературного теплообменника 15 и низкотемпературного теплообменника 16. Конденсатор паротурбинной установки 8 и аппарат воздушного охлаждения газов ниже "точки росы" 17 последовательно соединены трубопроводами подачи воздуха 22.

В качестве печи 1 может быть использована печь процесса жидкофазного восстановления железа, в качестве жидкометаллического теплоносителя натрий.

Устройство работает следующим образом. В нижней части печи 1 разводится жидкая ванна 3, представляющая собой расплав углеродсодержащего твердого топлива (уголь), шлака и железосодержащего сырья. Через расплав барботируется кислородсодержащая смесь газов, в результате чего в жидкой ванне 3 осуществляются окислительно-восстановительные металлургические процессы с образованием чугуна, шлака и генераторных газов. Генераторные газы поступают из жидкой ванны 3 в зону дожигания 4, где сгорают с выделением тепловой энергии. Часть тепла идет на поддержание окислительно-восстановительных реакций в жидкой ванне 3, идущих с поглощением тепла. Оставшаяся часть отводится как с отходящими печными газами, так и через теплообменные поверхности 2 корпуса печи 1. Печные газы поступают по газоходам 14 последовательно в высокотемпературный теплообменник 16 и аппарат воздушного охлаждения отходящих газов ниже "точки росы" 17, где охлаждаются до необходимых температур. Тепло, отводимое через теплообменные поверхности 2 корпуса печи 1, и тепло, отводимое от отходящих газов в высокотемпературном теплообменнике 15 и низкотемпературном теплообменнике 16, передается жидкометаллическому теплоносителю. После насоса принудительной циркуляции теплоносителя 13 часть потока жидкометаллического теплоносителя, находящегося при атмосферном давлении плюс перепад давления на прокачку жидкометаллического теплоносителя по контуру, поступает по трубопроводам жидкометаллического теплоносителя 12 на вход теплообменных поверхностей 2 корпуса печи 1, где нагревается до необходимой температуры, и далее поступает ан вход высокотемпературного теплообменника 15. Другая часть потока теплоносителя подается по трубопроводам 12 на вход низкотемпературного теплообменника 16, где нагревается, и далее поступает на вход высокотемпературного теплообменника 15, где оба потока теплоносителя объединяются в один. В высокотемпературном теплообменнике 15 жидкометаллический теплоноситель нагревается до необходимой температуры и далее по трубопроводам жидкометаллического теплоносителя 12 поступает в парогенератор 6. В парогенераторе 6 жидкометаллический теплоноситель охлаждается, нагревая рабочее тело паротурбинного цикла до необходимых параметров. После парогенератора 6 теплоноситель поступает на вход насоса принудительной циркуляции жидкометаллического теплоносителя 13. Из парогенератора 6 пар энергетических параметров по трубопроводам 5 подается на турбоустановку 7 с электрогенератором 9, конденсатором 8 и системой регенеративного подогрева питательной воды 10, где, запасенное паром тепло преобразуется в механическую, а затем в электрическую энергию. После системы регенеративного подогрева питательной воды 10 питательная вода подается питательным насосом 11 на вход парогенератора 6. Для охлаждения конденсатора 8 используется атмосферный воздух, который нагревается и поступает по трубопроводам 22 на вход аппарата воздушного охлаждения отходящих газов ниже "точки росы" 17. После аппарата воздушного охлаждения отходящих газов ниже "точки россы" 17 воздух поступает либо в атмосферу, либо используется в каком-либо производстве.

В аварийном режиме отключения турбоустановки 7 (режим "стоп-вода") отвод тепла от контура циркуляции жидкометаллического теплоносителя осуществляется атмосферным воздухом через дополнительные теплообменные поверхности 18, встроенные в корпус парогенератора 6. Для этого нагнетателем 20 воздух подается по трубопроводам 19 на вход дополнительных теплопередающих поверхностей 18 парогенератора 6 и далее по трубопроводам 19 поступает в вытяжную трубу 21.

В режиме аварийного отключения электропитания насоса принудительной циркуляции теплоносителя 13 в контуре циркуляции жидкометаллического теплоносителя устанавливается устойчивая естественная циркуляция за счет размещения корпуса парогенератора 6 выше корпуса печи 1, высокотемпературного теплообменника 15 и низкотемпературного теплообменника 16. Направление движения теплоносителя в режиме естественной циркуляции совпадает с направлением движения теплоносителя при работающем насосе принудительной циркуляции 13.

Использование жидкометаллического теплоносителя позволяет снизить давление теплоносителя в средствах охлаждения газоотводящего тракта и теплообменных поверхностях корпуса печи до уровня атмосферного плюс перепад давления на прокачку жидкометаллического теплоносителя по контуру и использовать при этом все тепло, воспринятое данными системами, для выработки пара энергетических параметров.

Таким образом предлагаемое техническое решение позволяет
повысить безопасность эксплуатации и надежность работы средств охлаждения газоотводящего тракта и теплообменных поверхностей корпуса печи; способствует охране окружающей среды и уменьшению ее теплового загрязнения;
повысить КПД паротурбинного цикла (и тем самым уменьшить тепловые сбросы в окружающую среду и увеличить выработку электроэнергии) путем повышения давления в пароводяном контуре без снижения безопасности эксплуатации и ухудшения надежности работы средств охлаждения газоотводящего тракта и теплообменных поверхностей корпуса печи.

Использование: изобретение относится к металлургии, химической промышленности, тепло- и электрознергетике и может быть использовано для утилизации тепла химических процессов, ведущихся с отводом горячих газов из реактора. Сущность изобретения: устройство содержит печь со стальным охлаждаемым корпусом и котлом-утилизатором, соединенную с пароводяным контуром, оснащенным парогенератором, паротурбинной установкой, питательным насосом и системой пароводяных трубопроводов. Печь связана с пароводяным контуром посредством контура циркуляции жидкометаллического теплоносителя (ЖМТ). Вход в теплообменные поверхности корпуса печи соединен трубопроводами (ЖМТ) через насос принудительной циркуляции теплоносителя с парогенератором. Средства охлаждения газоотводящего тракта выполнены в виде последовательно расположенных за печью и связанных газоходами высокотемпературного и низкотемпературного теплообменников, соединенных посредством трубопроводов с контуром циркуляции (ЖМТ). 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство охлаждения и утилизации тепла отходящих из печи газов, содержащее печь со стальным корпусом и расположенными вдоль его стенок для их охлаждения теплообменными поверхностями в зоне жидкой ванны и в зоне дожигания, подключенные к контуру циркуляции теплоносителя, сообщенного с пароводяным контуром, включающим соединенные посредством пароводяных трубопроводов парогенераторов, паротурбинную установку с конденсатором, электрогенератором и системой регенеративного подогрева питательной воды, питательный насос, средства охлаждения газоотводящего тракта, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным контуром циркуляции теплоносителя, при этом оба контура заполнены жидкометаллическим теплоносителем, причем вход в теплообменные поверхности корпуса печи соединен трубопроводами жидкометаллического теплоносителя через насос принудительной циркуляцией теплоносителя с парогенератором, а средства охлаждения газоотводящего тракта выполнены в виде последовательно расположенных за печью и связанных газоходами высокотемпературного и низкотемпературного теплообменников, соединенных посредством трубопроводов с контуром циркуляции жидкометаллического теплоносителя, и аппарата воздушного охлаждения отходящих газов ниже "точки росы", при этом вход высокотемпературного теплообменника соединен трубопроводами жидкометаллического теплоносителя с выходом теплообменных поверхностей корпуса печи, а его выход подключен к парогенератору с образованием основного контура циркуляции теплоносителя, кроме того вход низкотемпературного теплообменника подсоединен к основному контуру циркуляции параллельно входу в теплообменные поверхности корпуса печи посредством трубопроводов жидкометаллического теплоносителя, подключенных после насоса его принудительной циркуляции, а выход низкотемпературного теплообменника к входу высокотемпературного теплообменника с образованием дополнительного контура циркуляции жидкометаллического теплоносителя. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве печи оно содержит печь процесса жидкофазного восстановления железа. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что парогенератор расположен выше корпуса печи, высокотемпературного и низкотемпературного теплообменников. 4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что парогенератор дополнительно снабжен расположенными в его корпусе теплообменными поверхностями, соединенными трубопроводами с одной стороны с нагнетателем воздуха, а с другой с вытяжной трубой. 5. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что конденсатор паротурбинной установки и аппарат воздушного охлаждения газов ниже температуры точки росы последовательно соединены трубопроводами подачи воздуха. 6. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что контур циркуляции жидкометаллического теплоносителя заполнен натрием.