СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ, ПОЛУЧАЕМЫХ ПРИ СЖИГАНИИ ЖИДКОГО, ГАЗООБРАЗНОГО ИЛИ ПЫЛЕВИДНОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА Российский патент 2002 года по МПК C01B31/20 

Изобретение относится к области сжигания топлива и может быть использовано для получения пара или горячей воды и углекислого газа.

Известен способ сжигания топлива (см. патент США 3466351, публикация 9.09.1969, т. 866, 2), например, во вращающихся цементных печах обжига. В процессе сжигания топлива газовая смесь непрерывно циркулирует в печи и к циркулирующей смеси непрерывно добавляют топливо и кислород для подвода тепловой энергии. При этом некоторое количество циркулирующей газовой смеси непрерывно выводится из печи. Удаляемое количество этой смеси может быть очищено от нежелательных загрязнений и может быть использовано в качестве побочного продукта.

Недостатком способа является наличие большого количества неконтролируемого воздуха, проникающего через неплотности в газовый тракт (например, через горячую головку печи в месте выгрузки клинкера), что существенно увеличивает загрязнение смеси дымовых газов трудно отделимым азотом.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ (принятый за прототип) сгорания топлива (патент 2028541 от 10.10.89. Изобретатель 4, 1995), в котором в качестве окислителя используют кислород, подаваемый в камеру сгорания. Как балласт используют воду, впрыскиваемую в камеру сгорания. В процессе горения образуется парогазовая смесь, используемая для получения пара или горячей воды в котле-утилизаторе. После отдачи тепла дымовых газов теплоносителю дымовые газы при температуре 150-250^oС охлаждают холодной водой. При этом находящиеся в дымовых газах водяные пары конденсируются и частью направляются в зону горения. После конденсации водяных паров в дымовых газах остается в основном только углекислый газ, получаемый при сгорании топлива. Углекислый газ используют как побочный продукт.

Недостатком способа является то, что при охлаждении дымовых газов и конденсации из них водяных паров теряется большое количество тепла, уносимого с охлаждающей водой.

Технической задачей изобретения является уменьшение потерь тепла при полном исключении выброса дымовых газов в атмосферу.

Задача решается тем, что в способе утилизации дымовых газов, получаемых при сжигании жидкого, газообразного или пылевидного углеводородного топлива, включающем нагрев теплоносителя дымовыми газами при замкнутом процессе циркуляции последних, сжигание топлива производят в окислительной среде, состоящей из кислорода и углекислого газа, взятых в заданном соотношении, при этом углекислый газ получают из дымовых газов путем их мокрой фильтрации и остаток получаемого после смешения с кислородом углекислого газа используют как побочный продукт.

Сущность изобретения состоит в том, что кислород и углекислый газ смешивают в установленном соотношении (от 1:3 до 1:6), получая окислительную смесь, в которой углекислый газ играет роль балластного газа, обеспечивая получение установленной (1000-1400)^oC температуры в зоне горения. Образующиеся при горении дымовые газы содержат только водяные пары и углекислый газ, получаемые при сгорании топлива с кислородом. Дымовые газы, отдавая тепло теплоносителю котла-утилизатора, охлаждаются до 150-250^oС. Поскольку доля водяных паров в дымовых газах не превышает 15%, то содержание тепла в дымовых газах при этой температуре много меньше, чем в прототипе, в котором содержание водяных паров в дымовых газах может доходить до 30-40%.

Охлажденную до указанной выше температуры газовую смесь подвергают мокрой фильтрации, в процессе которой водяные пары конденсируются, а в дымовых газах остается только углекислый газ с влажностью 100%. Часть углекислого газа направляют на смешение с кислородом для образования окислительной смеси, а остаток используют как побочный продукт в газообразном или твердом виде. Таким образом, в системе непрерывно циркулирует постоянное количество углекислого газа со стопроцентной влажностью, а та часть углекислого газа, которая образуется при сжигании топлива, используется как побочный продукт и выводится из процесса. Поскольку дымовые газы в зоне горения содержат только трехатомные газы, то лучистый обмен в зоне горения максимален при прочих равных условиях.

На чертеже приведена функциональная схема реализации способа в виде установки. Установка содержит котел-утилизатор 1, смеситель 2, кислородную установку 3, мокрый фильтр 4, трубопроводы подачи топлива 5, подачи окислителя 6, воздуха 7 и воды 8 в котел-утилизатор 1, трубопроводы отвода пара 9 и дымовых газов 10 из котла-утилизатора 1, трубопровод отвода 11 воды из фильтра 4, трубопровод 12 отвода углекислого газа и трубопровод подвода воды 13 в фильтр 4. Установка состоит из обычного выпускаемого промышленностью оборудования.

Трубопровод подачи топлива 5 через вход 14 соединен с котлом-утилизатором 1. Трубопровод 7 подачи воздуха соединен со входом 16 кислородной установки 3, выход 17 которой соединен со входом 18 смесителя 2. Выход 19 последнего через трубопровод 6 соединен со входом 15 котла-утилизатора 1. Трубопровод подачи воды 8 соединен со входом 20 котла-утилизатора 1, а выход 22 последнего соединен с трубопроводом 9 отвода пара. Выход 21 котла-утилизатора 1 через трубопровод 10 отвода дымовых газов соединен со входом 27 мокрого фильтра 4. Трубопровод 13 подвода воды соединен со входом 23 фильтра 4, а трубопровод 11 отвода воды через выход 24 соединен с фильтром 4. Выход 25 фильтра 4 соединен со входом 26 смесителя 2, а выход 25 фильтра 4 соединен с трубопроводом 12 отвода углекислого газа. Установка, реализующая способ, работает следующим образом. Топливо по трубопроводу 5 через вход 14 подают в зону горения котла-утилизатора 1. Воздух по трубопроводу 7 через вход 16 подают в установку 3 для получения кислорода. С выхода 17 кислородной установки 3 кислород подают на вход 18 смесителя 2. В смесителе 2 кислород и углекислый газ, подаваемый на вход 26 смесителя, смешивают в заданном соотношении. С выхода 19 смесителя полученную окислительную смесь через трубопровод 6 подают в зону горения котла-утилизатора 1 через вход 15. Через трубопровод 8 на вход 20 котла-утилизатора подают воду. В котле-утилизаторе 1 воду превращают в пар и с выхода 22 последний отводят по паропроводу 9. С выхода 21 котла-утилизатора дымовые газы, состоящие из водяных паров и углекислого газа, при температуре 150-250^oС подают на вход 27 фильтра 4. На вход 23 фильтра 4 через трубопровод 13 подают охлаждающую воду. Дымовые газы барботируют через воду фильтра 4. При этом водяные пары, содержащиеся в дымовых газах, конденсируются и через выход 24 по трубопроводу 11 отводятся из фильтра для охлаждения и повторного использования. После конденсации водяных паров в газообразной фазе остается только влажный углекислый газ. При сжигании пылевидного топлива в фильтре 4 отделяют от дымовых газов также и твердую фазу. С выхода 25 через вход 26 смесителя часть углекислого газа при температуре 60-80^oС отводятся в смеситель 2, в котором последний смешивают в заданном соотношении с кислородом. Остаток углекислого газа через трубопровод 12 отводят для последующей очистки и переработки в сжатый газ или сухой лед для использования как побочный продукт.

Пример использования.

Исходное топливо - мазут с теплотворной способностью 9500 Ккал/кг. При сжигании мазута в окислительной среде, содержащей 20% кислорода и 80% углекислого газа необходимо затратить кислорода:
Vк=0,0187•Cp+0,056•Нр, (1)
где: Ср = 84,8 и Нр = 12
Отсюда Vк равен 2,256 м³/кг.

Весовой расход кислорода равен:
Gк=Г1•Vк, (2)
где Г1 - удельный вес кислорода, равный 1,429 кг/м³
Gк=1,429•2,256=3,64 кг.

Объем водяных паров, образующихся при сжигании 1 кг мазута, равен 1,34 м³/кг. Весовой выход водяных паров при сжигании 1 кг мазута равен:
Gвп=Г2•1,34, (3)
где Г2 - удельный вес водяных паров, равный 0,805 кг/м³.

Gвп=1,34•0,805=1,08 кг/кг.

На получение Gвп водяных паров затрачено Gквп кислорода:
Gквп=Gвп•М1/М2, (4)
где M1 и М2 - молекулярные веса кислорода и водяных паров соответственно.

Gквп=1,08•16/18=0,96 кг/кг.

Количество кислорода Gкс, затраченного на сжигание углерода топлива, равно:
Gкс=Gк-Gквп, (5)
Gкс=3,64-0,96=2,68 кг/кг.

При этом получают углекислого газа:
Gco=Gкс•М3/М4, (6)
где М3 и М4 - молекулярные веса углекислого газа и кислорода соответственно.

Gco=2,68•46/32=3,88 кг/кг.

Прибыль, получаемая при сжигании 1 кг мазута, равна:
П=Цсо•Gсо-Цо•Gо, (7)
где Цсо и Цо - цены газообразных углекислого газа и кислорода в долларах США на 1 т мазута
П=40•3,88-40•3,64=9,6 Д США.

Способ относится к области сжигания углеводородного топлива для получения пара или горячей воды и может быть использован в производстве тепла или электроэнергии. Способ ведут путем сжигания топлива в окислительной среде, состоящей из кислорода и углекислого газа, взятых в заданном соотношении. При этом углекислый газ получают из дымовых газов путем их мокрой фильтрации. Остаток получаемого после смешения с кислородом углекислого газа используют в качестве побочного продукта. Способ способствует увеличению КПД процесса получения тепла или электроэнергии при полном исключении выброса дымовых газов в атмосферу. 1 ил.

Способ утилизации дымовых газов, получаемых при сжигании жидкого, газообразного или пылевидного углеводородного топлива, включающий нагрев теплоносителя дымовыми газами при замкнутом процессе циркуляции последних, отличающийся тем, что сжигание топлива производят в окислительной среде, состоящей из кислорода и углекислого газа, взятых в заданном соотношении, при этом углекислый газ получают из дымовых газов путем их мокрой фильтрации и остаток получаемого после смешения с кислородом углекислого газа используют в качестве побочного продукта.