КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ТЕПЛОГЕНЕРАТОР Российский патент 1999 года по МПК F23C11/02 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в системах теплоснабжения и при сжигании топлива для нагрева рабочих тел, где сжигание различных видов топлива происходит в псевдоожиженном слое.

Известно устройство, в котором сжигание топлива происходит в кипящем слое (авт. свид. СССР N 1323844 "Теплообменник").

Устройство содержит корпус с патрубками для подвода топлива, воздуха и воды и отвода горячей воды и продуктов сгорания топлива. Внутри корпуса расположена газораспределительная решетка, водосборники, инертная насадка (промежуточный твердый теплоноситель) и трубчатый теплообменник - змеевик, имеющий привод вращения. В качестве инертной насадки использован песок, доломит, шамотная крошка, что обусловливает проведение процесса сжигания топлива при высоких температурах, определяемых скоростями горения на поверхности частиц и твердого инертного материала, кроме того, высокий уровень температур необходимо строго поддерживать, т. к. при снижении температуры горение становится неустойчивым.

Наиболее близким к заявляемому устройству является каталитический генератор теплоты (прототип), описанный в сб. научных трудов "Технологические процессы на основе каталитических генераторов тепла" СО АН СССР, институт катализа, Новосибирск, 1985 г. , рис. 2, стр. 22. Ведякин П.И. и др. "Применение каталитических генераторов тепла для нагрева воды и адсорбционно контактной сушки материалов". Известный генератор тепла состоит из корпуса с патрубками подвода топлива, воздуха и воды и отвода горячей воды и дымовых газов, в нижней части корпуса на газораспределительной решетке размещен слой катализатора - промежуточного твердого теплоносителя, выше которого расположены последовательно по высоте корпуса неизотермическая насадка и экономайзер, на внешней поверхности корпуса имеется воздушная охлаждающая рубашка, кроме того, внутри корпуса в зоне сгорания топлива размещен нагреватель в виде 20 вертикальных трубок Фильда.

В данном теплогенераторе происходит беспламенное сжигание топлива на поверхности гранул катализатора, находящихся в псевдоожиженном состоянии.

Конструкция теплогенератора позволяет добиться экологически чистого сжигания топлива при работе в расчетном режиме, т. к. расход топлива, количество сжижающего воздуха, расход и температура нагреваемой воды жестко взаимосвязаны для данного процесса.

В реальных условиях расход воды может отличаться от расчетного, а температура воды изменяться в широких пределах. Регулирование теплопроизводительности генератора изменением расхода воды невозможно вследствие того, что в системах теплоснабжения, как правило, проводится качественное регулирование отпуска теплоты, при котором расход воды поддерживается постоянным. Кроме того, уменьшение расхода теплоносителя приводит к одновременному росту температуры нагреваемой воды, которая может превысить температуру кипения и температуру в зоне горения, что при достижении критического для катализатора значения 1000^oC вызовет его разрушение. При увеличении расхода воды происходит падение температуры в зоне горения до 700^oC и ниже, что сказывается на стабильности процесса горения и, как следствие, на полноте сгорания топлива.

Регулирование температуры изменением расхода воздуха недопустимо, т. к. нарушаются, во-первых, условия псевдоожижения, а во-вторых, стехиометрическое соотношение воздуха и топлива, что вызывает образование вредных выбросов.

Трубки Фильда, погруженные в кипящий слой и снимающие основную часть тепла, могут привести к снижению температуры в зоне горения и, как следствие, к увеличению выбросов CO и NO_x. Наличие воздушной охлаждающей рубашки не позволяет эффективно влиять на температурный режим сжигания топлива.

Задача, решаемая изобретением, состоит в разработке теплоэнергетического устройства, обеспечивающего эффективное использование тепла при сжигании топлива и экологическую чистоту отходящих газов.

Заявляемый каталитический теплогенератор обеспечивает стабилизацию температуры в зоне горения топлива.

Патентуемый каталитический теплогенератор состоит из вертикального корпуса с патрубками подачи воздуха и топлива в нижней части, между которыми внутри корпуса размещена газораспределительная решетка со слоем гранулированного катализатора окисления, в средней части генератора размещен теплообменник из U-образных трубок, под которыми расположена неизотермическая насадка, на внешней поверхности корпуса имеется охлаждающая рубашка, причем рубашка выполнена водяной и состоит из независимых секций, работающих параллельно и подключенных последовательно к теплообменнику.

Наличие водяной секционной рубашки позволяет регулировать температуру горения путем изменения количества теплоты, отводимой из зоны горения. Это достигается изменением поверхности теплообмена отключением секций водяной рубашки.

Регулирование температуры за счет отбора теплоты посекционно в водяной рубашке позволяет достигать стабилизации температурного процесса горения в псевдоожиженном слое (в интервале 700 + 800^oC), т. е. процесс сжигания топлива происходит при достаточно низких температурах, оптимальных для работы катализатора, и является весьма полным (исключает спекание катализатора и образование оксида углерода, оксидов азота и канцерогенных веществ).

На чертеже изображен каталитический теплогенератор в разрезе.

Теплогенератор состоит из вертикального корпуса 1, в котором размещены секции подвода воздуха, горения, теплосъема и осадительная камера. Секция подвода воздуха представляет собой приемную камеру 2 с патрубком подачи воздуха 3. Секция горения 4 отделена от секции подвода воздуха газораспределительной решеткой 5, имеющей щелевую конструкцию, и имеет патрубок для подачи топлива 6 и горелочное устройство 7.

Секция теплосъема состоит из теплообменника 8 и объемной неизотермической насадки 9, размещенной под теплообменником. Насадка 9 состоит из проволочных сеток с размером ячеек 6 - 10 мм. Диаметр проволоки 3 мм. В секции теплосъема расположены патрубки 10 и 11 для входа холодной и выхода подогретой воды. Осадительная камера 12 расположена в верхней части генератора и имеет патрубок 13 для выхода отработанных дымовых газов и патрубок 14 для засыпки катализатора, представляющего собой прочные сферические гранулы 15, выполняющие функции промежуточного теплоносителя.

На внешней поверхности корпуса расположена водяная рубашка, состоящая из секций 16, 17, 18, 19 с вентилями регулирования воды 20, 21, 22, 23, 24, 25.

Каталитический теплогенератор работает следующим образом. Воздух по патрубку 3 подается в секцию подвода воздуха 2, проходит через газораспределительную решетку 5 в секцию горения 4, куда по патрубку 6 подается топливо, которое разбрызгивается горелочным устройством 7.

Псевдоожиженный слой образуется взвешиванием гранул катализатора 15 восходящими потоками воздуха и продуктов сгорания. В нижней части псевдоожиженного слоя катализатора происходит интенсивное тепловыделение за счет сгорания топлива. Перенос тепла на высоте осуществляется в основном за счет теплопроизводительности кипящего слоя катализатора. Горячие дымовые газы и часть катализатора проходят через неизотермическую насадку 9, разделяющую рабочий объем на две зоны, определяемые условиями теплосъема: нижнюю 700 + 800^oC и верхнюю по ходу газа с температурой 300 + 350^oC. Далее дымовые газы через осадительную камеру 12 выходят по патрубку 13 из теплогенератора. Гранулы катализатора 15, унесенные потоком газа, возвращаются в рабочий объем. Отвод теплоты происходит через поверхность теплообменника 8, погруженного в псевдоожиженный слой. Вода в теплообменник поступает по патрубку 10 и по патрубку 11 с температурой 40 - 45^oC идет в верхнюю секцию 16 водяной рубашки, расположенную в зоне теплосъема, откуда параллельными потоками подается в секции 17, 18, 19, находящиеся ниже неизотермической насадки 9 в зоне горения 4. Вода к потребителю поступает с температурой 65 - 70^oC. Такой режим работы характерен для максимальной мощности генератора.

При уменьшении теплопотребления или понижении температуры воды на входе в теплогенератор будет снижаться и температура в зоне горения. При достижении температуры в зоне горения 700^oC нижняя секция 19 отключается вентилями 20 и 21. Это приведет к уменьшению поверхности нагрева и, соответственно, теплосъема из зоны горения, что будет приводить к стабилизации температуры горения. При дальнейшем ее падении последовательно отключаются секции 18 и 17 (вентилями 22 и 23, 24 и 25 соответственно), пока падение температуры не прекратится.

Известно, что в зависимости от температуры наружного воздуха температура горячей воды для потребителя в переходный период (+8^oC) составляет 40 - 50^oC, в отопительный период 60 - 70^oC, расчетная температура отопительного сезона 90 - 110^oC. При двухсекционной водяной рубашке ограничены пределы регулирования воды, что не позволяет достичь указанных режимов регулирования (особенно в переходный период). При 5- и выше секционной рубашке регулирование возможно, но практически не возникает необходимости в регулировании температуры воды в узких диапазонах, т.к. 40^oC являются минимальной температурой воды для потребителя (отопление и горячая вода), при более высокой температуре (> 110^oC) начинается перегрев воды и вскипание.

Конструкция каталитического генератора теплоты обеспечивает повышение коэффициента полезного использования потенциальной энергии жидкого и газообразного топлива за счет максимальной выработки теплоты, что позволяет исключить применение водонагревательных котлов малой производительности с низким КПД.

Заявляемый теплогенератор обеспечивает экологически чистое сжигание топлива (в пределах санитарных норм) за счет стабилизации температуры. Наличие секционной охлаждающей рубашки повышает КПД каталитического генератора теплоты с 0,65 до 0,9.

Водяная охлаждающая рубашка при сравнении с воздушной обеспечивает компактность установки, т. к. коэффициент теплоотдачи к воде выше, чем к воздуху, и вода к потребителю поступает, минуя промежуточные теплообменники.

Эксплуатационная проверка работы КГТ показала возможность его использования как в качестве стационарных, так и в качестве передвижных источников теплоты.

Возможность стабилизации температуры позволяет увеличить срок службы катализатора.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в системах теплоснабжения и при сжигании топлива для нагрева рабочих тел. Изобретение обеспечивает стабилизацию температуры в зоне горения. Теплогенератор состоит из корпуса 1, в котором размещены секции подвода воздуха, горения и теплосъема. Секция горения отделена от секции подвода воздуха газораспределительной решеткой 5 щелевой конструкции и имеет горелочное устройство 7. Секция теплосъема состоит из теплообменника 8 и объемной неизотермической насадки 9 под теплообменником 8. На внешней поверхности корпуса 1 расположена водяная рубашка, состоящая из параллельно работающих секций 16-19 последовательно подключенных к теплообменнику 8. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Каталитический теплогенератор, состоящий из вертикального корпуса с патрубками подачи воздуха и топлива в нижней части и отвода дымовых газов в верхней части, внутри корпуса между патрубками подачи воздуха и топлива размещена газораспределительная решетка, на которой находится слой гранулированного катализатора окисления, выше которой последовательно размещены неизотермическая насадка и теплообменник, причем корпус имеет внешнюю охлаждающую рубашку, отличающийся тем, что рубашка выполнена водяной и состоящей из параллельно работающих секций, последовательно подключенных к теплообменнику. 2. Теплогенератор по п.1, отличающийся тем, что водяная рубашка имеет три секции.