КАТАЛИТИЧЕСКАЯ ТЕПЛОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ. КАТАЛИТИЧЕСКИЙ РЕАКТОР Российский патент 2004 года по МПК F01K25/00 

Изобретение относится к электростанциям для экологически чистой выработки электроэнергии и теплоснабжения потребителя, в особенности в качестве замещающих энергоустановок. Изобретение может быть также использовано как основа для автономных мобильных быстромонтируемых миниэлектростанций для промышленных и бытовых объектов, а также в качестве аварийных и пиковых электростанций в энергосистемах.

В качестве аналога предложения принимается известная солнечная комбинированная электростанция, включающая циркуляционные петли теплопередачи от модульного зеркального параболического концентратора солнечной энергии и от высокотемпературные фототермических и фотоэлектрических теплогенераторов, снабженная дублирующим источником тепла для выработки электроэнергии в паросиловом цикле в виде каталитического реактора с секционными теплообменниками с абсорбционными теплопроводами. Электростанция снабжена двигателем в виде объемной роторной паровой машины (турбоэкспандером), имеющей преимущества перед турбиной по надежности и металлоемкости (патент РФ №2111422, публ. 20.05.98 г.).

Недостатками аналога являются большая площадь приемников солнечной энергии, высокая стоимость оборудования, большая площадь застройки со снижением эффективности землепользования.

В качестве прототипа каталитической теплоэлектростанции с паросиловым циклом принимается электростанция с комбинированным паросиловым циклом, включающая паросиловой контур с парожидкостным рабочим телом, состоящим из каталитического реактора, турбоэкспандера с генератором электроэнергии, конденсатора с охлаждением, питательного насоса, регенеративного теплообменника (патент РФ №2122642, публ. 27.11.98). Известная электростанция исключает загрязнение атмосферы окислами азота, серы, бензпиреном и т.д., что повышает экологическую чистоту выработки электроэнергии. К недостаткам прототипа следует отнести высокую техническую сложность создания высокоэффективных панельных каталитических теплогенераторов. Необходимость частой регламентной замены панелей, пропитанных катализатором, усложняет эксплуатацию электростанции, повышает стоимость электроэнергии.

В качестве прототипа каталитического реактора - парогенератора принимается каталитический реактор, реализующий каталитический способ сжигания топлива, содержащий полый корпус, внутри которого в нижней части над газораспределительной решеткой расположен “псевдосжиженный кипящий слой” суспензии взвешенных в воздухе гранул носителей катализатора, центральную трубу для отвода газов (см. пример реализации способа, предложенный в описании к патенту РФ №826798, публ. 30.05.83 г.).

Недостатком известного каталитического реактора является неприспособленность для получения пара, тем более перегретого с параметрами, необходимыми для работы паровой машины.

Техническим результатом заявленного изобретения является создание полностью автономных каталитических ТЭЦ, решающих проблему децентрализации тепло- и электроснабжения населения и объектов промышленности, упрощение конструкции, эксплуатации, повышение КПД (по использованию тепловой энергии топлива), обеспечению экологической чистоты тепло- и электроснабжения.

Технический результат достигается тем, что известная тепловая электростанция с паросиловым циклом, включающая паросиловой контур с парожидкостным рабочим телом, состоящим из каталитического реактора, турбоэкспандера с генератором электроэнергии, конденсатора с охлаждением, конденсатного насоса, регенеративного теплообменника, снабжена дополнительным регенеративным теплообменником, установленным последовательно с первым, и теплофикационным теплообменником с системой байпасов с вентилями, установленным параллельно дополнительному регенеративному теплообменнику, вход дополнительного регенеративного теплообменника соединен с выходом турбоэкспандера, а выход через воздушный конденсатор и конденсатный насос - с холодной частью дополнительного регенеративного теплообменника, выход каталитического реактора соединен с входом первой расширительной ступени турбоэкспандера.

В известном каталитическом реакторе, состоящим из полого корпуса, внутри которого в нижней части над газораспределительной решеткой расположен “псевдосжиженный кипящий слой” взвешенных в воздухе гранул носителей катализатора, центральной трубы для отвода газов, введены парогенератор, пароперегреватель и регенератор отходящих газов, пароперегреватель выполнен трубчатым и размещен частично в верхней части “псевдосжиженного кипящего слоя”, частично над ним, парогенератор выполнен в виде змеевиков, расположенных концентрически вокруг центральной трубы в верхней части полого корпуса, регенератор отходящих газов соединен с центральной трубой, корпус реактора имеет экранно-вакуумную изоляцию.

Сущность предложенного изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображена общая схема каталитической теплоэлектростанции, на фиг.2 - схема конструкции каталитического реактора.

Каталитическая теплоэлектростанция включает каталитический реактор 1, турбоэкспандер 2, который может быть многоступенчатым с, например, первой расширительной ступенью 3 и последующей расширительной ступенью 4. На валу турбоэкспандера 2 расположен электрический генератор 5. Выход первой расширительной ступени 3 турбоэкспандера 2 соединен со входом первого регенеративного теплообменника 6, выход последующей расширительной ступени 4 соединен с дополнительным регенеративным теплообменником 7. Параллельно дополнительному регенеративному теплообменнику 7 через систему (байпасный переключатель) байпасов с вентилями подключен теплофикационный теплообменник 9, который служит для отбора тепловой энергии, то есть к нему подведены трубы теплоцентрали. Байпасный переключатель предназначен для регулирования отбора тепловой энергии потребителю. Выход дополнительного регенеративного теплообменника 7 через байпасный переключатель 8 соединен с воздушным или традиционным конденсатором 10 с системой охлаждения, выход которого, в свою очередь, через конденсатный насос 11, систему регенеративных теплообменников 6 и 7 связан с входом каталитического реактора. В теплофикационном теплообменнике 9 часть рабочего тела может переходить в жидкую фазу, поступающую также на вход конденсатного насоса 11.

Каталитический реактор 1 состоит из полого корпуса 12, внутри которого в нижней части с зазором относительно дна корпуса 12 установлена газораспределительная решетка 13. Над газораспределительной решеткой 13 размещен “псевдосжиженный кипящий слой” 14 суспензии взвешенных в воздухе гранул носителей катализатора. В верхней части полого корпуса 12 расположена центральная труба 15, предназначенная для отвода отходящих газов. Вокруг центральной трубы 15 расположен парогенератор 16, который выполнен в виде нескольких трубчатых змеевиков, размещенных концентрически вокруг центральной трубы 15. Парогенератор 16 с паросборником 17, который установлен в полости хода отходящих газов. Змеевики подключены к нижнему конденсатному коллектору 18. Внутри центральной трубы 15 частично погружен в “псевдосжиженный кипящий слой” трубчатый пароперегреватель 19, который выполнен в виде змеевика. Пароперегреватель 19 каталитического реактора 1 соединен посредством трубопровода со входом парового двигателя, например турбоэкспандера (в данном случае). Каталитический реактор снабжен регенератором 20 топочных (отходящих) газов. Корпус 12 содержит экранно-вакуумную изоляцию.

Работает каталитическая теплоэлектростанция и каталитический реактор следующим образом.

Работа каталитической теплоэлектростанции основана на использовании энергии термодинамического паросилового цикла с паровым двигателем преимущественно в виде турбоэкспандера 2 и каталитическим реактором 1. Насыщенный или перегретый пар с высоким давлением и температурой (двухфазное рабочее тело) по трубопроводам поступает на вход роторов первой расширительной ступени 3 многоступенчатого, в общем случае, турбоэкспандера 2, на валу которого расположен электрический генератор 5. С выхода первой ступени 3 турбоэкспандера 2 пар поступает в первый регенеративный теплообменник 6 подогрева конденсата, а затем пар идет на роторы последующей расширительной ступени 4 турбоэкспандера 2. После расширения в роторах I и II ступени и совершения механической работы пар поступает на второй регенеративный теплообменник 7, где он также отдает часть тепла конденсату. Параллельно с дополнительным теплообменником 7 через байпасный переключатель 8 подключен теплофикационный теплообменник 9, который служит для отбора тепловой энергии, т.е. к нему подведены трубы теплоцентрали. Байпасный переключатель 8 предназначен для регулирования отбора тепловой энергии к потребителю. С выхода байпасного переключателя 8 рабочее тело в фазе пара поступает в воздушный или традиционный конденсатор 10 с системой охлаждения 7, в котором осуществляется конденсация пара в жидкий конденсат, нагнетаемый конденсатным (питательным) насосом 11 через систему теплообменников 6 и 7 на вход каталитического реактора 1. Таким образом, потребителям с выхода электрогенератора 5 поступает электроэнергия, а с выхода теплофикационного теплообменника 9 потребителю поступает горячая вода для теплоснабжения. В качестве рабочего тела в каталитической теплоэлектростанции могут быть использованы водяной пар или органическое рабочее тело R216 и др. В зимнем, преимущественно теплофикационном, режиме работы каталитической теплоэлектростанции байпасный переключатель 8 включает в паросиловой цикл теплофикационный теплообменник 9 и отключает второй регенеративный теплообменник 7. В этом режиме работы тепловая мощность электростанции возрастает, а электрическая снижается, причем сброс тепловой энергии через систему охлаждения конденсатора 10 может быть сведен к нулю, а конденсация пара осуществляется в теплофикационном теплообменнике 9. В летнем режиме работы теплообменник 9 отключается, а теплообменник 7 включается. При этом электрическая мощность теплоэлектростанции максимальна, что требует летний режим работы электрических кондиционеров в зданиях. В весенний и осенний сезоны возможны промежуточные режимы работы электростанции за счет перераспределения потоков тепловой энергии между конденсатором 10 и теплообменником 9 с помощью байпасного переключателя 8 по заданной программе графика тепловой и электрической нагрузки потребителя.

Каталитический реактор 1 предназначен для выработки насыщенного или перегретого пара с параметрами, необходимыми для использования в паровых двигателях с электрогенератором при производстве электро- и теплоэнергии. Работа каталитического реактора 1 основана на низкотемпературном сжигании 650-800°С жидкого или газообразного топлива в присутствии катализатора, нанесенного на поверхность гранул из пористого материала размером до 4 мм. При низкотемпературном сжигании не возникает условий для образования вредных выбросов, главным образом Nox и бензпирена. В каталитическом реакторе 1 через газораспределительную решетку 13 подается воздух, поднимающий слой гранул с катализатором, при этом гранулы начинают хаотично перемещаться, образуя так называемый “псевдосжиженный кипящий слой” 5. Затем в этот слой с помощью форсунки подается топливо, которое после розжига начинает гореть на поверхности пор гранул. В верхней части реактора расположена центральная труба 15, по которой проходят отходящие газы. Отходящими газами вода или другое рабочее тело нагревается в змеевиках парогенератора 16, образующийся при этом пар собирается в паросборнике 17, расположенном в верхней части реактора 1. Из паросборника 17 пар под давлением поступает в пароперегреватель 19. При этом пар в пароперегревателе 19 идет в противоход отходящим газам. Пароперегреватель 19 нижней своей частью погружен в “псевдосжиженный кипящий слой” 14, что дает возможность использовать часть инфракрасного излучения, возникающего в результате каталитического окисления, тем самым повышается КПД реактора. Из пароперегревателя 19 пар по трубопроводу подается на вход парового двигателя, выполненного в виде турбины или предпочтительно (в данном случае) турбоэкспандера, или другому потребителю. Реактор конструктивно совмещен с регенератором отходящих газов 20 для подогрева топлива и воздуха. Корпус 12 реактора 1 содержит экранно-вакуумную изоляцию 21, позволяющую исключить излучательные теплопотери. Реактор 1 может работать на различных видах газообразного, жидкого и твердого топлива. Ими могут быть природный и сжиженный газ, жидкие и твердые углеводороды, в том числе керосин, соляровое масло, тяжелые парафины, мазут, сырая нефть, а также гранулированное твердое топливо - уголь, сланцы, торф, древесина. Еще одним экологическим преимуществом работы такого каталитического реактора является эффект “самоочистки” при сжигании мазута тяжелых парафинов и твердых теплив, содержащих серу, которая в процессе каталитического окисления и истирания гранул уходит в шлаки, осаждаемые в циклоне. Шлаки как ценное сырье могут быть использованы в строительной индустрии.

Изобретение относится к теплоэлектростанциям для экологически чистой выработки электроэнергии и теплоснабжения потребителей. Тепловая электростанция состоит из каталитического реактора на “псевдосжиженном кипящем слое”, турбоэкспандера с генератором электроэнергии, регенеративных теплообменников, установленных последовательно, традиционного или воздушного конденсатора с охлаждением. Параллельно дополнительному регенеративному теплообменнику через байпасный переключатель подключен теплофикационный теплообменник, к которому подведены трубы теплоцентрали. Байпасный переключатель предназначен для регулирования отбора тепловой энергии к потребителю. Каталитический реактор состоит из полого корпуса, в нижней части которого над газораспределительной решеткой размещен “псевдосжиженный кипящий слой”, парогенератора в виде змеевиков, пароперегревателя, частично погруженного в кипящий слой, регенератора отходящих газов. Корпус выполнен с экранно-вакуумной изоляцией. Изобретение позволяет осуществить создание полностью автономных экологически чистых каталитических ТЭЦ, решающих проблему децентрализации тепло- и энергоснабжения населения. 2 н. п. ф-лы, 2 ил.

1. Каталитическая теплоэлектростанция с паровым циклом, включающая паросиловой контур с парожидкостным рабочим телом, состоящая из каталитического реактора, соединенного с входом турбоэкспандера с генератором электроэнергии, регенеративного теплообменника, воздушного конденсатора с охлаждением, выход которого через конденсатный насос связан с входом каталитического реактора, и теплофикационного теплообменника, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным регенеративным теплообменником, установленным последовательно с первым, теплофикационный теплообменник снабжен системой байпасов с вентилями (байпасным переключателем), при этом вход дополнительного регенеративного теплообменника соединен с выходом турбоэкспадера, а выход - через байпасный переключатель с воздушным конденсатором, а теплофикационный теплообменник соединен с входом конденсатного насоса.2. Каталитический реактор, состоящий из полого корпуса, внутри которого в нижней части над газораспределительной решеткой расположен “псевдосжиженный кипящий слой” суспензии взвешенных в воздухе гранул носителей катализатора, центральной трубы для отвода отходящих газов, отличающийся тем, что он снабжен парогенератором, пароперегревателем и регенератором топочных газов, при этом парогенератор выполнен в виде змеевиков, расположенных концентрически вокруг центральной трубы в верхней части внутри полого корпуса, пароперегреватель выполнен в виде змеевика, частично погружен в “псевдосжиженный кипящий слой”, при этом регенератор топочных отходящих газов соединен с центральной трубой, а корпус имеет экранно-вакуумную изоляцию.