СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ИЗ СРЕДЫ, СОДЕРЖАЩЕЙ ГОРЮЧИЕ ВЕЩЕСТВА, ДАЖЕ ПРИ НИЗКОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ Российский патент 2002 года по МПК F23G7/06 

Изобретение вообще относится к способу и устройству для использования энергии из среды, содержащей горючие вещества даже при низких концентрациях и, в частности, к использованию энергии в связи с очисткой среды путем сжигания горючих веществ.

Известна технология очистки отработанных газов, образующихся, например, при производстве красящих и печатающих работ и содержащих горючие вещества, такие как растворители, путем нагревания газов до температуры горения горючих веществ. Однако это является дорогим процессом из-за необходимости нагревания всего потока отработанной среды. Благодаря "теплообменнику сжигания", один пример воплощения которого описан, например, в связи с технологией поглощения в патенте Швеции 8903556-2, можно снизить затраты, связанные с нагреванием отработанных газов. В упомянутом патенте теплообменник сжигания определяется как устройство, содержащее накапливающий тепло слой, который может быть нагрет до температуры самопроизвольного воспламенения горючих веществ и в котором слой горючих веществ путем реверсирования направления потока вносит вклад в поддержание температуры самопроизвольного воспламенения внутри слоя. Устройство такого типа описано также, например, в патенте США N 4741690. Когда в среде имеются определенные количества горючих веществ, нагревание среды внутри теплообменника сжигания может иметь место за счет энергии, выделяющейся от самопроизвольного воспламенения веществ внутри слоя. Таким образом, дополнительное нагревание становится необходимым только для нагревания слоя до температуры самопроизвольного воспламенения при запуске установки или когда количество горючих веществ является очень малым и недостаточным для независимого поддержания температуры самопроизвольного воспламенения внутри слоя.

Однако благодаря высокой эффективности теплообменника сжигания сравнительно редким является случай, когда количество горючих веществ в среде является недостаточным, как в последнем вышеупомянутом случае. Таким образом, количество горючих веществ обычно превышает количество, требуемое для поддержания температуры самопроизвольного воспламенения внутри слоя. Это приводит к увеличению тепла в слое, что, в свою очередь, приводит к повышенным требованиям для охлаждения слоя для предотвращения его разрушения и окружающей области. Кроме того, тот факт, что тепловая энергия, выделяющаяся в процессе сжигания, не используется, является проблемой как таковой, учитывая высокую стоимость энергии и окружающую среду.

Поэтому задачей изобретения является разработка способа и устройства, позволяющих использовать излишек тепловой энергии, выделяющейся в процессе сжигания в регенеративной камере сгорания, то есть устройстве сжигания с реверсированием направления потока, в котором сжигание имеет место в нагретой зоне, которое предпочтительно является теплообменником сжигания.

Другой задачей предлагаемых способа и устройства является обеспечение не только использования энергии, но вместе с этим управление температурой в регенеративной камере сгорания.

Следующей задачей предлагаемых способа и устройства является устранение ядовитых или угрожающих климату или зловонных веществ путем их сжигания.

Еще одной задачей изобретения является использование из регенеративной камеры сгорания тепловой энергии такого качества, что она может быть использована прежде всего для отдачи тепла высокой температуры, например, в производстве электричества.

Поставленные задачи решаются тем, что в способе регенерации энергии из среды, содержащей горючие материалы даже при низких концентрациях, основанном на сжигании горючих материалов, включающем пропускание потока среды, содержащей горючие материалы, через регенеративную камеру сгорания и ее отбор после сжигания через присоединенную к камере сгорания выходную трубу, при этом сжигание осуществляют в нагретой зоне регенеративной камеры сгорания при достижении температуры горения, при которой практически вся химическая энергия горючих материалов преобразуется в тепловую энергию, согласно изобретению, дополнительно производят регулируемый отбор части потока нагретой среды после сжигания непосредственно из зоны горения регенеративной камеры для использования нагретой среды в необходимых целях, в том числе для преобразования тепловой энергии среды в иной вид энергии. В качестве среды может быть использован газ, а отведенную среду целесообразно использовать в паровом котле, за которым следует турбина и генератор, для производства электрической энергии.

Способ согласно изобретению может применяться для шахтных операций, где средой является шахтный газ, или в установке с автоклавом, где средой является варочный газ, или в производственной установке, где средой является отработанный газ.

Поставленные задачи решаются также и тем, что устройство для осуществления способа регенерации энергии из среды, содержащей горючие материалы, включающее регенеративную камеру сгорания, в зоне горения которой расположено нагревательное устройство для самопроизвольного воспламенения горючих материалов в зоне горения, при этом регенеративная камера сгорания подсоединена к входной трубе для подвода среды и выходной трубе для отвода из нее выходящей нагретой среды, очищенной от горючих материалов, согласно изобретению, имеет расположенное в зоне горения регенеративной камеры отводное средство, с помощью которого производят отбор части потока нагретой среды после сжигания, для использования ее в необходимых целях, в том числе для преобразования тепловой энергии среды в иной вид энергии, причем отводное средство содержит, по меньшей мере, одну перфорированную трубу, которая подсоединена к установке, производящей энергию.

Устройство согласно изобретению может применяться для шахтных операций, где средой является шахтный газ, или в установке с автоклавом, где средой является варочный газ, или в производственной установке, где средой является отработанный газ.

Один пример воплощения изобретения будет описан более детально ниже по прилагаемым чертежам, на которых:
фиг. 1 схематично изображает вид сверху предлагаемого устройства для очистки отработанного или выходящего воздуха из угольной шахты;
фиг. 2 изображает схематичный вид сбоку предлагаемого теплообменника сжигания.

Устройство, показанное на фиг. 1, используется для очистки среды, в данном случае отработанного или выходящего воздуха из угольной шахты. Отработанный воздух такого типа обычно содержит горючие вещества и помимо прочего горючий газ метан. Отработанный воздух отводится из шахтного ствола 1 через вентилятор 2 и клапан 3 к выводной трубе 4 или через вентилятор 5 к выводной трубе 6, когда не используется предлагаемое устройство, в общем обозначенное позицией 7.

Согласно показанному примеру воплощения, предлагаемое устройство 7 содержит четыре теплообменника сжигания, которые в общем обозначены позициями 8, 8^I, 8^II, 8^III, 8^IV, но оно, конечно, могло бы включать большее или меньшее количество теплообменников сжигания в зависимости от области использования. Через обрабатывающий вентилятор, который является общим для всех теплообменников сжигания, и клапан 10, один для каждого теплообменника сжигания, каждый теплообменник сжигания 8 подсоединен к множеству входных труб 11 и множеству выходных труб 12. В показанном примере воплощения изобретения имеется девять входных труб и девять выходных труб, но их количество может меняться. Каждая входная труба 11 и каждая выходная труба 12 оборудована демпфирующим устройством, вообще обозначенным позициями 13 и 14 соответственно. Посредством клапана 15, одного для каждого теплообменника сжигания 8, выходные трубы 12 сообщаются с выводной трубой 6. Единственный вентилятор 9 также может быть заменен, например, четырьмя вентиляторами, по одному для каждого теплообменника сжигания.

На фиг. 2 показано схематичное поперечное сечение теплообменника сжигания 8. Демпфирующие устройства 13 и 14 снабжены шиберами 18 и 19 соответственно, которые являются подвижными в вертикальном направлении между двумя уплотняющими положениями, в которых каждый шибер плотно прижимается к своим каналам 16 и 17 соответственно. Два шибера 18 и 19 никогда не герметизируют тот же самый канал и в положении, проиллюстрированном непрерывными линиями, шибер 18 герметически заделывает вход 20 в канал 17, в то время как шибер 19 герметически заделывает выход 21 из канала 16. Следовательно, среда, содержащая горючие вещества, переносится через входную трубу 11 через вход 22 канала 16 в слой 23 теплообменника сжигания, в котором вещества сжигаются известным самим по себе способом, после чего поток продолжает выходить через канал 17 и через его выход 24 к выходной трубе 12. Этот поток иллюстрируется схематично непрерывными стрелками 25 на фиг. 2. Известным самим по себе способом направление потока через слой 23 теплообменника сжигания должно изменяться время от времени на обратное для предотвращения того, чтобы тепловой фронт слоя 23 двигался слишком близко к одному из каналов 16, 17. При таком изменении направления на обратное шиберы 18 и 19 перемещаются в положение, показанное на фиг. 2 прерывистыми линиями, и поток, связанный с этими положениями шибера, схематично показан посредством стрелок с пунктирными линиями 26.

Очевидно клапаны 10, 15 могут использоваться для остановки потока к и от теплообменника сжигания, например, в процессе обслуживания, для ремонтных работ и тому подобному. Далее понятно, что клапан 3 мог бы быть клапаном, который в зависимости от потока через вентилятор 9 открывает или закрывает поток к выводной трубе 4 для гарантирования того, что ствол 1 всегда вентилируется независимо от потока через устройство 7.

В центральной области слоя 23, известной как зона горения, имеется нагревающее устройство 27, которое могло бы быть электронагревателем, с помощью которого слой мог бы нагреваться до температуры самопроизвольного воспламенения горючих веществ, например, когда должен быть запущен в работу теплообменник сжигания.

В области зоны горения имеется также дренажное или отводное средство 28, которое используется для отвода частичного потока нагреваемой среды после сжигания. В этом воплощении изобретения отводное средство 28 представляет собой перфорированную трубу, проходящую вдоль слоя 23 зоны горения, но могло бы также быть конфигурировано другим образом, например, как средство, устанавливаемое для всасывания среды непосредственно через стенку 29 слоя 23. В иллюстрируемом примере воплощения изобретения отводное средство 28, в свою очередь, подсоединено к паровому котлу 30, схематично изображенному на фиг. 1. Среда, отведенная отводным средством 28, переносится через паровой котел 30 к выводной трубе 6 через вентилятор 31, который компенсирует падение давления внутри котла.

Так как температура самопроизвольного воспламенения в теплообменнике сжигания составляет приблизительно 1000^oC в соответствии с описанным примером воплощения, согласно которому горючее вещество предпочтительно состоит из газа метана, выделяющегося из угольной шахты, среда, отводимая непосредственно из зоны горения, может эффективно использоваться в паровом котле 30 для генерирования электроэнергии путем использования паровой турбины и генератора. Эта электроэнергия могла бы использоваться в соответствии с вышеописанным воплощением, например, для приведения в действие одного или нескольких вентиляторов 2, 5, 9 и 31. Так как при разработке месторождений полезных ископаемых абсолютно необходимо, чтобы всегда осуществлялось вентилирование штреков для предотвращения опасности взрыва, существенным является то, чтобы, по меньшей мере, один из вентиляторов 2, 5 постоянно функционировал, то есть также и в случае выхода из строя электрической сети. В противном случае шахта должна быть эвакуирована, что является затруднительной, потребляющей значительное количество времени и дорогой операцией. Благодаря изобретению такие вентиляторы могут приводиться в действие экономным образом без того, чтобы шахта полагалась на подачу электроэнергии от внешней распределительной сети. Кроме того, излишек электроэнергии, генерируемый паровым котлом, турбиной и генератором, мог бы продаваться. Таким образом предлагаемые устройство и способ делают экономически выгодным и технически возможным защиту окружающей среды посредством сжигания внутри слоя 23 и в то же самое время производство электроэнергии.

В угольных шахтах концентрация газа метана в обработанном воздухе обычно составляет максимум 20% низкого предела взрыва LEL (Low Explosion Limit). Оказалось возможным конструировать теплообменник сжигания таким образом, что позволяет достигать термический к.п.д. 98%. Это означает, что теплообменник сжигания является самодостаточным в отношении поддержания температуры самопроизвольного воспламенения внутри зоны горения, когда концентрация газа метана в среде превышает 0,1/2% LEL/.

Таким образом, применение изобретения дает возможность использовать электроэнергию также из среды, имеющей низкую концентрацию горючих веществ, что до сих пор практически не было возможным. Кроме того, количество среды, отводимой отводным средством 28, могло бы использоваться для управления температурой внутри слоя 23 для того, чтобы избежать того, чтобы зона горения становилась слишком широкой и, например, входила в контакт с окружающим слой корпусом, что само по себе могло бы привести к опасности пережогов и также ненужным потерям энергии. С помощью предлагаемого устройства также легко управлять отводимой энергией путем изменения отводимого потока для компенсации любых изменений в количествах горючего вещества в среде, проходящей через слой 23. Процесс сжигания также является очень чистым, так как в процессе горения в пламени не производится немедленная и/или термическая NO_x.

Понятно, что вполне возможно несколько модифицировать описанный пример воплощения. Например, могло бы быть изменено количество теплообменников сжигания 8, а также количество отводных средств 28 в каждом слое 23. Очевидно демпфирующие устройства 13, 14 могли бы иметь другую конфигурацию деталей по сравнению с показанными деталями, пока они вызывают изменение направления потока внутри слоя 23. Кроме того, каналы 16, 17 могли бы иметь другую форму и могли бы, например, состоять из перфорированных труб, расположенных внутри слоя 23, при этом зона сгорания устанавливалась между ними, например, как описано в патенте Швеции 9103534-3. Также понятно, что вместо теплообменника сжигания могла бы использоваться любая регенеративная камера сгорания.

Конечно, нагревающая среда могла бы также использоваться для получения других, чем электроэнергия, видов энергии, и в этом случае отводное средство 28 могло бы подсоединяться к другим типам производящих энергию установок, чем паровой котел 30. Например, нагретая среда могла бы использоваться для нагревания другой среды, такой как вода, в этом случае тепловая энергия во второй среде являлась бы энергией вместо используемой, например, в районной отопительной системе. Кроме того, тепловая энергия нагретой среды могла бы в этом случае использоваться посредством отводной системы в виде, по меньшей мере, одной трубы, которая позволяла бы соответствующий поток второй среды и которая располагалась бы внутри зоны горения регенеративной камеры сгорания, предпочтительно слоя /23/ теплообменника сжигания.

Предлагаемое устройство и способ не ограничиваются также использованием в работах по добыче полезных ископаемых, но могут также использоваться, например, в вентиляционных установках в производстве красок, в печатающих работах, процессах покрытия и ламинирования, производстве химических веществ и фармацевтических продуктов, животноводческих установках, варочных установках, в отложениях отходов и в производстве пластмасс и шин, другими словами, в связи с такими установками и технологическими процессами, в которых некоторый тип углеводородных соединений, таких как растворители, стирол, дымы от пластмасс, испарения от топливных баков, испарения от рыбообрабатывающих производств, копоть от дизельного двигателя или природного газа или горючие неорганические вещества, то есть окись углерода, например, от производства стали в электрической печи или водород, например, от химических производств присутствуют в среде, которая должна переноситься через регенеративную камеру сгорания, которая предпочтительно является теплообменником сжигания. Все виды горючих веществ, то есть также зловонные или ядовитые эманации от различных процессов или от дегазификаций или газовых утечек могут эффективно устраняться из среды при одновременном генерировании энергии. Также легко понять, что изобретение не обязательно должно использоваться в комбинации с выводными трубами 4, 6, вентиляторами 2, 5 или клапаном 3, как показано на фиг. 1, но что вместо этого оно могло бы быть использовано в любой установке, в которой среда удовлетворяет вышеупомянутым требованиям.

Все такие изменения и модификации, которые заключают в себе основную идею изобретения, однако, могли бы рассматриваться как не выходящие за пределы объема защиты, отраженной в прилагаемой формуле изобретения.

Изобретение относится к способу и устройству для использования энергии из среды, содержащей горючие вещества, и, в частности, к использованию энергии, выделяющейся при очистке среды путем сжигания горючих веществ. Способ регенерации энергии среды, содержащей горючие материалы, основанный на сжигании горючих материалов, включает пропускание потока среды через регенеративную камеру сгорания и ее отбор после сжигания через присоединенную к камере сгорания выходную трубу, при этом дополнительно производят регулируемый отбор части потока нагретой среды после сжигания непосредственно из зоны горения регенеративной камеры для использования нагретой среды в необходимых целях. Предложено устройство для осуществления данного способа. Технический результат: обеспечение использования излишка тепловой энергии, выделяющейся при сжигании в камере, а также регулирование температурного режима процесса сжигания горючих веществ очищаемого газа в камере сгорания. 2 с. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ регенерации энергии из среды, содержащей горючие материалы даже при низких концентрациях, основанный на сжигании горючих материалов, включающий пропускание потока среды, содержащей горючие материалы, через регенеративную камеру сгорания и ее отбор, после сжигания, через присоединенную к камере сгорания выходную трубу, при этом сжигание осуществляют в нагретой зоне регенеративной камеры сгорания при достижении температуры горения, при которой практически вся химическая энергия горючих материалов преобразуется в тепловую энергию, отличающийся тем, что дополнительно производят регулируемый отбор части потока нагретой среды после сжигания непосредственно из зоны горения регенеративной камеры для использования нагретой среды в необходимых целях, в том числе для преобразования тепловой энергии среды в иной вид энергии. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве среды используют газ. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что отведенную среду используют в паровом котле, за которым следует турбина и генератор, для производства электрической энергии. 4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что он применяется для шахтных операций, где средой является шахтный газ. 5. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что он применяется в установке с автоклавом, где средой является варочный газ. 6. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что он применяется в производственной установке, где средой является отработанный газ. 7. Устройство для осуществления способа регенерации энергии из среды, содержащей горючие материалы, включающее регенеративную камеру сгорания, в зоне горения которой расположено нагревательное устройство для самопроизвольного воспламенения горючих материалов в зоне горения, при этом регенеративная камера сгорания подсоединена к входной трубе для подвода среды и выходной трубе для отвода из нее выходящей нагретой среды, очищенной от горючих материалов, отличающееся тем, что оно имеет расположенное в зоне горения регенеративной камеры отводное средство, с помощью которого производят отбор части потока нагретой среды после сжигания, для использования ее в необходимых целях, в том числе для преобразования тепловой энергии среды в иной вид энергии. 8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что отводное средство содержит, по меньшей мере, одну перфорированную трубу, которая подсоединена к установке, производящей энергию. 9. Устройство по п. 7 или 8, отличающееся тем, что оно применяется для шахтных операций, где средой является шахтный газ. 10. Устройство по п. 7 или 8, отличающееся тем, что оно применяется в установке с автоклавом, где средой является варочный газ. 11. Устройство по п. 7 или 8, отличающееся тем, что оно применяется в производственной установке, где средой является отработанный газ.