ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2007 года по МПК F23C1/00 F23K1/02 

Заявленное изобретение относится к устройствам для получения энергии посредством сжигания топлива, может быть использовано в отраслях промышленности, где требуются такие устройства, например, для получения электроэнергии. Наиболее эффективно данная установка может быть использована для получения энергии посредством сжигания водоугольного топлива.

Известна установка для сжигания топлива, содержащая распределительное устройство, камеру сгорания и теплообменник, узлы для подачи топлива и воздуха (Патент России N 2112906, 1998).

Эта установка предпочтительно применяется для сжигания отходов (мусора). Оно содержит емкость для сжигания мусора с узлом подачи воздуха и узел для удаления продуктов сгорания. Узел подачи воздуха содержит по крайней мере два отверстия. Одно из этих отверстий расположено в первом торце емкости. Второе отверстие расположено во втором, противоположном, торце емкости. Устройство содержит узел для эжекции газа из емкости, выход которого расположен у отверстия второго торца. При этом в качестве узла для эжекции газа емкость может содержать по крайней мере один парогенератор, включающий блок подогрева воды, размещенный в емкости для сжигания мусора у второго ее торца. Данное устройство решает многие проблемы высокоэффективного сжигания мусора, тем не менее его сложно использовать при решении некоторых задач, например, высокоэффективного непрерывного сжигания мусора или иного топлива.

Была поставлена задача создания такой установки для сжигания топлива, которая позволила бы обеспечить высокоэффективное неперывное сжигание топлива предпочтительно с получением сравнительно низкопотенциального тепла (с температурой отходящих газов до 900°С). Последнее связано с тем, что высокотемпературные теплообменники весьма дороги и имеют ограниченный ресурс.

Данная задача была решена настоящим изобретением.

В энергетической установке, содержащей распределительное устройство, камеру сгорания и теплообменник, узлы для подачи топлива и воздуха, устройство для подачи воздуха, камера сгорания и теплообменник установлены на одной оси, при этом распределительное устройство расположено в центральной части установки с возможностью вращения его вокруг данной оси, при этом распределительное устройство выполнено в виде цилиндра и содержит горизонтально расположенную перегородку, а также содержит окна, выполненные по разные стороны от перегородки и открытые в противоположных друг другу направлениях, теплообменник выполнен в виде проницаемых для газов внутреннего и внешнего кольцевых цилиндров, расположенных с внешней стороны цилиндра распределительного устройства на расстоянии от него и между этими цилиндрами, коаксиально с цилиндром распределительного устройства, внешний кольцевой цилиндр выполнен состоящим из теплообменных труб, узел для подачи топлива расположен с торца установки между внутренним и внешним кольцевыми цилиндрами теплообменника, а узел для подачи воздуха расположен с того же торца установки в торцевой части распределительного устройства, при этом установка содержит газотурбинный блок, содержащий воздушный компрессор, топливный компрессор, камеру сгорания и газовую турбину, причем вход воздушного компрессора связан с атмосферой, а выход с теплообменными трубами внешнего кольцевого цилиндра теплообменника, вход топливного компрессора расположен со второго торца распределительной установки, противоположного упомянутому, а выходы топливного компрессора и теплообменных труб связаны с камерой сгорания, выход которой связан с рабочей турбиной.

Каналы для выхода золы предпочтительно выполнены у другого, расположенного противоположно упомянутому, торца установки.

Теплообменник предпочтительно содержит выполненные в виде проницаемых для газов расположенные между внутренним и внешним кольцевыми цилиндрами теплообменника радиальные перегородки.

Радиальные перегородки теплообменника предпочтительно выполнены состоящими из теплообменных труб, а внутренний ее цилиндр из пористого огнеупорного материала.

Между цилиндром распределительного устройства и внутренним кольцевым цилиндром теплообменника расположены предпочтительно радиальные перегородки.

Данное изобретение поясняется нижеприведенными чертежами.

На Фиг.1 показана общая схема установки для сжигания топлива.

На Фиг.2 показаны подробно сечения А-А и Б-Б, обозначенные на Фиг.1

Установка для сжигания топлива содержит распределительное устройство, включающее выполненный в виде цилиндра распределительный барабан 1 с выполненными в нем окнами 2. Позицией 3 обозначено межреберное пространство, ограниченное распределительным барабаном 1, внутренним кольцевым цилиндром теплообменника 4 и расположенными между ними радиальными перегордками 5. Камера сгорания 6 расположена между внутренним кольцевым цилиндром теплообменника 4, выполненного из пористого огнеупорного материала (теплообменник-регенератор), и внешним кольцевым цилиндром 7. Для подачи топлива предназначены форсунки 8. Мотор-редуктор 9 предназначен для вращения распределительного барабана 1. Позициями 10, 11 и 12 обозначены соответственно окна для удаления золы, боковые стенки и верхняя крышка установки, а позицией 13 - теплообменные трубы внешнего кольцевого цилиндра 14 теплообменника и его радиальных перегородок 15. Позицией 16 обозначена горизонтально расположенная перегородка распределительного устройства, 17 и 18 - сектора пористого материала.

Газотурбинный блок 19 содержит воздухозаборник 20, воздушный компрессор 21, топливный компрессор 22, камеру сгорания 23 и рабочую турбину 24, причем вход воздушного компрессора 21 связан с атмосферой, а выход с теплообменными трубами 13 внешнего кольцевого цилиндра 14 теплообменника, вход топливного компрессора 22 расположен со второго торца распределительной установки, противоположного упомянутому, а выходы топливного компрессора 22 и теплообменных труб 13 связаны с камерой сгорания 23, выход которой связан с газовой турбиной 24.

Установка работает следующим образом.

Под действием разрежения, создаваемого компрессором установки (на чертеже не показан), атмосферный воздух поступает в распределительный барабан 1 и через окно 2 поступает в межреберное пространство 3, по которому он распределяется по всей высоте устройства. Далее воздух проходит через сектор 17 пористого материала по направлению от центра. При этом воздух нагревается за счет ранее запасенного материалом теплообменника-регенератора тепла и поступает в камеру сгорания 6 при температуре, превышающей температуру воспламенения водоугольной смеси, подаваемой форсунками 8. Водоугольная смесь подается при дефиците кислорода. В результате в зоне подачи воздуха будет происходить неполное сгорание топлива с выработкой тепла для потребителя и генерацией горючего газа, проходящей при взаимодействии углекислоты и воды с выработкой угарного газа и водорода. Необходимая для реакции вода входит в состав топлива. При дальнейшем движении газов по кольцу в горизонтальной плоскости указанная реакция будет проходить при недостатке кислорода.

Газообразная смесь продуктов сгорания с генераторным газом будет проходить через сектор 18 (расположенный диаметрально противоположно сектору 17) пористого материала по направлению к центру, передавая выработанное тепло. На внешней стенке внутреннего цилиндра теплообменника-регенератора при фильтрации оседает зола и непрогоревшие за один цикл частицы угля. Непрерывное вращение распределительного барабана 1, осуществляемое мотор-редуктором 9, создает вращение всей зоны горения и изменение направления газовых потоков в радиальном направлении, что и обеспечивает регенерацию тепла. В результате вращения через некоторое время направление газового потока в секторе 15 сменится на противоположное, осевшие частицы оторвутся потоком нагретого воздуха. Непрогоревшие частицы угля прогорят, зола не изменит свое состояние. В процессе работы зола и частицы угля перемещаются по снижающимся спиралям, периодически оседая на внешней стенке внутреннего цилиндра теплообенника-регенератора. В результате этого процесса зола оседает на дно котла и удаляется по известным технологиям через окна 10.

Разрежение в объеме устройства позволяет существенно снизить потери тепла с удаляемой золой, а также через боковые стенки 11 и верхнюю крышку 12. Атмосферный воздух, фильтруясь через пористый материал (золу, огнеупорный кирпич), отводит тепло и возвращает его в объем печи.

Тепло отводится от котла через теплообменные трубы 13 внешнего кольцевого цилиндра теплообменника и его радиальных перегородок.

В данной энергетической установке используется тепло при сравнительно низком температурном потенциале по двум причинам: зола при температуре свыше 900°С плавится и налипает на регенератор, кроме того, высокотемпературные теплообменники весьма дороги и имеют ограниченный ресурс.

Газотурбинный блок установки работает следующим образом. Атмосферный воздух из воздухозаборника 20 поступает в воздушный компрессор 21, сжатый воздух проходит пучок теплообменных труб 13, дополнительно нагревается и поступает в камеру сгорания 23. В камеру сгорания 23 топливным компрессором 22 также подается топливо - генераторный газ, вырабатываемый при неполном сгорании топлива. При сжигании сравнительно низкокалорийного газа в предварительно нагретом воздухе удается получить высокую температуру газа, необходимую для эффективной работы рабочей турбины 24.

КПД котла, используемого в составе энергетической установки, близок к 100%, так как отсутствуют потери тепла с выхлопными газами, полностью используемыми в камере сгорания газотурбинного блока, и снижены потери тепла с золой, а также потери через поверхность котла (аналог эффузионного охлаждения лопаток газовых турбин). Недостатком является увеличение затрат работы на сжатие генераторного газа топливным компрессором 22.

Температуру газа на входе в компрессор 22 нежелательно снижать ниже 100°С во избежание конденсации непрореагирующей воды в объеме теплообменника. Технически возможно снимать тепло и передавать его потребителю, установив дополнительный теплообменник на входе в компрессор 22.

Изобретение относится к устройствам для получения энергии посредством сжигания топлива, может быть использовано в отраслях промышленности, где требуются такие устройства, например, для получения электроэнергии. Энергетическая установка содержит распределительное устройство, камеру сгорания и теплообменник, узлы для подачи топлива и воздуха. Согласно изобретению устройство для подачи воздуха, камера сгорания и теплообменник установлены на одной оси. Распределительное устройство расположено в центральной части установки с возможностью вращения его вокруг данной оси. Распределительное устройство выполнено в виде цилиндра и содержит горизонтально расположенную перегородку, а также содержит окна, выполненные по разные стороны от перегородки и открытые в противоположных друг другу направлениях. Теплообменник выполнен в виде проницаемых для газов внутреннего и внешнего кольцевых цилиндров, расположенных с внешней стороны цилиндра распределительного устройства на расстоянии от него и между этими цилиндрами, коаксиально с цилиндром распределительного устройства. Внешний кольцевой цилиндр выполнен состоящим из теплообменных труб, узел для подачи топлива расположен с торца установки между внутренним и внешним кольцевыми цилиндрами теплообменника. Узел для подачи воздуха расположен с того же торца установки в торцевой части распределительного устройства, Установка содержит газотурбинный блок, содержащий воздушный компрессор, топливный компрессор, камеру сгорания и рабочую турбину. Вход воздушного компрессора связан с атмосферой, а выход с теплообменными трубами внешнего кольцевого цилиндра теплообменника. Вход топливного компрессора расположен со второго торца распределительной установки, противоположного упомянутому. Выходы топливного компрессора и теплообменных труб связаны с камерой сгорания, выход которой связан с рабочей турбиной. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Энергетическая установка, содержащая распределительное устройство, камеру сгорания и теплообменник, узлы для подачи топлива и воздуха, отличающаяся тем, что устройство для подачи воздуха, камера сгорания и теплообменник установлены на одной оси, при этом распределительное устройство расположено в центральной части установки с возможностью вращения его вокруг данной оси, при этом распределительное устройство выполнено в виде цилиндра и содержит горизонтально расположенную перегородку, а также содержит окна, выполненные по разные стороны от перегородки и открытые в противоположных друг другу направлениях, теплообменник выполнен в виде проницаемых для газов внутреннего и внешнего кольцевых цилиндров, расположенных с внешней стороны цилиндра распределительного устройства на расстоянии от него и между этими цилиндрами коаксиально с цилиндром распределительного устройства, внешний кольцевой цилиндр выполнен состоящим из теплообменных труб, узел для подачи топлива расположен с торца установки между внутренним и внешним кольцевыми цилиндрами теплообменника, а узел для подачи воздуха расположен с того же торца установки в торцевой части распределительного устройства, при этом установка содержит газотурбинный блок, содержащий воздушный компрессор, топливный компрессор, камеру сгорания и рабочую турбину, причем вход воздушного компрессора связан с атмосферой, а выход с теплообменными трубами внешнего кольцевого цилиндра теплообменника, вход топливного компрессора расположен со второго торца распределительной установки, противоположного упомянутому, а выходы топливного компрессора и теплообменных труб связаны с камерой сгорания, выход которой связан с газовой турбиной.2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что каналы для выхода золы выполнены у другого, расположенного противоположно упомянутому торца установки.3. Установка по п,1, отличающаяся тем, что теплообменник содержит выполненные в виде проницаемых для газов, расположенные между внутренним и внешним кольцевыми цилиндрами теплообменника радиальные перегородки.4. Установка по п.4, отличающаяся тем, что радиальные перегородки теплообменника выполнены состоящими из теплообменных труб, а внутренний ее цилиндр из пористого огнеупорного материала.5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что между цилиндром распределительного устройства и внутренним кольцевым цилиндром теплообменника расположены радиальные перегородки.