КАТАЛИТИЧЕСКАЯ ТЕПЛОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ, КАТАЛИТИЧЕСКИЙ РЕАКТОР Российский патент 2010 года по МПК F01K25/00 

Изобретение относится к электростанциям для экологически чистой выработки электроэнергии и теплоснабжения потребителя, в особенности в качестве замещающих установок. Изобретение может быть также использовано как основа для автономных мобильных быстромонтируемых мини-электростанций для промышленных и бытовых объектов, а также в качестве аварийных и пиковых электростанций в энергосистемах. Изобретение может быть использовано в качестве комплектного утилизирующего энергоблока, последовательно включенного на выхлопе газовой турбины, в составе перспективной парогазовой установки (ПГУ) в целях значительного снижения расхода топлива.

В качестве аналога принимается известная каталитическая теплоэлектростанция с комбинированным паросиловым циклом, включающая парожидкостный контур с парожидкостным рабочим телом, состоящая из каталитического реактора, турбоэкспандера с генератором электроэнергии, конденсатора с охлаждением, питательного насоса, регенеративного теплообменника (патент РФ №2122642, публ. 20.05.1998).

К недостаткам аналога следует отнести продольно-осевую кинематическую несбалансированность однопоточной схемы двухступенчатого турбоэкспандера, требующей частой регламентной замены быстроизнашивающихся главных роликоподшипников роторов.

В качестве аналога каталитического реактора-парогенератора принимается каталитический реактор с псевдоожиженным "кипящим слоем" гранул катализатора, взвешенных в воздухе (патент РФ №826798, публ. 30.05.1983 г.), к недостаткам которого следует отнести истирание гранул и унос катализатора в окружающую атмосферу, загрязняющую природу пылевидными токсическими соединениями тяжелых металлов: хрома, меди и др.

В качестве прототипа принимается известная каталитическая теплоэлектростанция с паросиловым циклом, включающая каталитический реактор на псевдоожиженном "кипящем слое", турбоэкспандер с генератором электроэнергии, регенеративные теплообменники, установленные последовательно, традиционный или воздушный конденсатор с охлаждением. Параллельно дополнительному регенеративному теплообменнику через байпасный переключатель подключен теплофикационный теплообменник, к которому подведены трубы теплоцентрали. Байпасный переключатель предназначен для регулирования отбора тепла потребителю. Каталитический реактор состоит из полого корпуса, в нижней части которого, над газораспределительной решеткой размещен "псевдоожиженный кипящий слой" парогенератора в виде змеевиков, пароперегревателя, частично погруженного в кипящий слой, регенератора отходящих газов (патент РФ №2232903, публ. 20.07.2004 г.).

К недостаткам прототипа следует отнести вышеуказанную в аналоге по патенту РФ №2122642 осевую несбалансированность однопоточной кинематической схемы двухступенчатого турбоэкспандера, а также истирание гранул катализатора и загрязнение окружающей среды пылевидными токсическими соединениями тяжелых металлов: хрома, меди и других вышеуказанных в аналоге по патенту РФ №826798.

Кроме того, для прототипа характерна повышенная эмиссия оксидов азота NO_x до 20 мг/м³ в дымовых газах.

Технический результат достигается тем, что в каталитической электростанции с паровым циклом, включающей паросиловой контур с парожидкостным рабочим телом и состоящей из каталитического реактора, соединенного со входом двухроторного двухступенчатого турбоэкспандера и входом первой ступени высокого давления, выход которой соединен с регенеративным теплообменником, подключенным одним из своих выходов ко входу второй ступени низкого давления турбоэкспандера, регенеративного теплообменника, байпасного переключателя, воздушного конденсатора и генератора, вторая ступень низкого давления турбоэкспандера выполнена с дополнительной двухроторной конструкцией, размещенной перед ступенью высокого давления симметрично роторам ступени низкого давления, размещенным за ступенью высокого давления на одном валу турбоэкспандера, при этом выход ступени высокого давления подключен к теплообменнику и через байпасный переключатель соединен со входом регенеративного теплообменника, а байпасный переключатель подключен трубопроводом к линии подачи пара из регенеративного теплообменника одновременно на симметричные входы в ступень низкого давления, причем роторы ступени высокого давления и роторы двух конструкций ступени низкого давления выполнены шестеренными с зубчатыми венцами, при этом роторы ступеней высокого и низкого давления выполнены с одинаковыми диаметрами, а ширина зубчатых венцов роторов ступени высокого давления равна 1/4-1/3 суммарной ширины двух зубчатых венцов роторов ступени низкого давления, ширина которых равна между собой. Роторы двух конструкций ступени низкого давления размещены симметрично центральной продольной оси высокого давления.

В каталитическом реакторе, состоящем из корпуса, парогенератора из трубчатых змеевиков, тепловыделяющего каталитического элемента, трубы для отвода отходящих газов, системы подачи топливовоздушной смеси, каталитический элемент выполнен из радиационно конвективных инфракрасных тепловыделяющих элементов, установленных в корпусе в виде параллельных секций, боковые поверхности которых выполнены в виде пластин из магнитного высокопроницаемого ячеистого материала, объединенных попарно с образованием прямоугольной замкнутой с одной стороны полости, при этом полости каждой из секций подключены к трубопроводу подачи топливовоздушной смеси, а змеевики парогенератора выполнены прямоточными и размещены между секциями с внешней стороны каждой из пластин, причем часть прямоточного змеевика размещена в экономайзерной части парогенератора.

Пластины из высокопроницаемого ячеистого материала, размещенные в реакторе, выполнены с микрослоем 60-90 мкм катализатора.

Прямоточные тепловоспринимающие змеевики выполнены оребренными с селективным поглощающим покрытием толщиной 60-85 мкм с коэффициентом поглощения А_ики=0,97 инфракрасного каталитического излучения (ИКИ), сопровождающего беспламенное каталитическое горение (окисление топлива).

Техническим результатом заявленного предложения является повышение эффективности работы теплоэлектростанции за счет создания полностью экологически чистой автономной каталитической тепловой электростанции (ТЭЦ), решающей проблему децентрализации тепло- и электроснабжения населения и промышленности, решается проблема повышения теплового коэффициента полезного действия (КПД) каталитического реактора парогенератора с соответствующим снижением расхода топлива на выработку товарной тепловой и электрической энергии. Повышается экологическая чистота работы со снижением практически до 0 выбросов оксидов азота NO_x, CO, бензопирена, соединений тяжелых металлов: хрома, меди и др. Повышается надежность и ресурс работы турбоэкспандера с соответствующим снижением сроков окупаемости капиталовложений в строительство каталитической теплоэлектростанции.

Сущность предложенного изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображена общая схема каталитической теплоэлектростанции, на фиг.2 - схема конструкции турбоэкспандера с двухпоточной второй ступенью в продольном разрезе по валам, на фиг.3 - схема конструкции каталитического реактора в поперечном разрезе.

Каталитическая теплоэлектростанция содержит каталитический реактор 1, паровым выходом подключенный через отсечной 2 и парорегулирующий 3 клапаны к турбоэкспандеру 4, выполненному двухроторным многоступенчатым, а именно ко входу 5 первой ступени высокого давления 6, выполненной однопоточной, и аналогично устроенную вторую ступень низкого давления 7, 8, выполненную двухпоточной с роторами и дополнительными роторами соответственно. Выход 9 первой расширительной ступени высокого давления 6 турбоэкспандера 4 подключен ко входу в теплообменник подогрева конденсата 10 и регенеративного теплообменника 11, а через байпасный переключатель 12 соединен с трубопроводом подачи пара из регенеративного теплообменника 11, одновременно на входы 13, 14 двух двухроторных конструкций второй ступени низкого давления 7, 8, выходы 15, 16, каждый из которых соединен с теплофикационным теплообменником 17, соединенным с воздушной секцией конденсатора 18 с вентилятором 19, а выходной конденсатный трубопровод соединен с вакуумдеаратором гидронасосом лопастного типа 20, подключенным к конденсатной емкости 21, снабженной бустерным насосом низкого давления 22, напорный трубопровод которого подключен через теплообменник 10 подогрева конденсата к питательному насосу высокого давления 23, напорный трубопровод которого подключен к гидравлическому входу регенеративного теплообменника 11, регулирующий вентиль 24 в сети теплоснабжения и вал 25 турбоэкспандера 4, подключенный к генератору 26.

Роторы первой ступени (фиг.2) 6 и двух конструкций ступени низкого давления 7, 8 выполнены шестеренными с зубчатыми венцами 27, размещенными внутри корпуса 28 турбоэкспандера 4, с внутренними шлицевыми соединениями 29, допускающими продольное смещение (самоустановку) относительно валов 25, 30 в неподвижных роликоподшипниках 31.

Каталитический реактор 1 (фиг.3) включает параллельные секции 32 радиационно конвективных инфракрасных тепловыделяющих элементов (КТЭМ), выполненных например, в виде пластин 33 из магнитного высокопроницаемого ячеистого материала (ВПЯМ), предпочтительно ВПЯМ "хромаль", на которые нанесен микрослой толщиной 60÷90 мкм катализатора, причем пластины КТЭМ 33 объединены попарно, образуя прямоугольные замкнутые полости 34 ("карманы"), в которые подается топливовоздушная смесь, трубчатый прямоточный тепловоспринимающий змеевик 35 парогенератора, выполненные из оребренных труб 36 с селективным покрытием толщиной 60-85 мкм при коэффициенте поглощения ИКИ А_ики=0,97, расположенных в активной зоне реактора 37 между секциями 32 с внешней стороны каждой из пластин КТЭМ 33, а 1/3 часть прямоточного змеевика 35 размещена в экономайзерной части 38. Реактор содержит рекуперативный теплообменник 39, смесительное устройство 40, электроискровой запальник 41, экранно-вакуумную изоляцию 42 корпуса реактора 1.

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 4 и каталитическим реактором 1. Насыщенный или перегретый пар с высоким давлением Р₀, например 60 кг/см², и температурой, например 500°С (двухфазное рабочее тело), по трубопроводам поступает на вход 5 роторов первой расширительной ступени 6 высокого давления многоступенчатого двухроторного турбоэкспандера 4, имеющего первую ступень высокого давления 60 кг/см² 6, образованной шестеренными венцами, расположенными попарно в зацеплениях в расширительных полукольцевых камерах (гитарах) и аналогично устроенную вторую ступень низкого давления 7, 8, например 9,5 кг/см², выполненную двухпоточной, парные зубчатые венцы в расширительной камере первой ступени 6 расположены в центре продольной оси шестеренных блоков, а венцы половин второй ступени 7, 8, выполненной в виде двух конструкций, расположены симметрично продольной оси шестеренных блоков первой ступени высокого давления 6.

Подаваемый пар создает оппозитный вращательный момент на зубчатые венцы 27, выполняющие функции прямоугольных поршней в расширительных полукольцевых парных камерах первой ступени высокого давления 6, а также в расширительных полукольцевых камерах второй ступени (двухпоточной) низкого давления 7 и 8. Они конструктивно жестко объединены в трехрядный шестеренный блок (фиг.2), который при работе продольно может несколько смещаться (самоустанавливаться) на 2-х рядах шлицевых соединений 29 на валах 25, 30 в роликоподшипниках 31, запрессованных в корпусе 28 с самоцентровкой блоков роторов с венцами первой ступени 6 и второй ступени 7, 8 в корпусе 28. Технологически оптимальное выполнение роторов турбоэкспандера 4 с равными диаметрами и ширины венцов роторов первой ступени высокого давления, равной 1/4-1/3 суммарной ширины двух зубчатых венцов роторов низкого давления, которые размещены симметрично центральной оси ступени высокого давления, позволяет равномерно распределить давление и поток пара, что повышает механический и термодинамический КПД станций и устойчивость работы турбоэкспандера.

Вал 25 ведущего ротора соединен с генератором 26, а вал сателлитного ротора (ведомого) 30 передает оппозитный вращательный момент на зубья венцов роторов половин второй ступени 7, 8.

С выхода 9 первой ступени 6 турбоэкспандера 4 пар после расширения, например с давления Р₀ 60 кг/см² до Р₂ 9,5 кг/см², поступает в регенеративный теплообменник 11, а затем пар низкого давления, например 9,5 кг/см², идет на входы в роторы двухпоточной 13, 14 расширительной ступени турбоэкспандера 4. После расширения, например, с 9,5 кг/см² до, например, 0,1 кг/см² в камерах 6 и 8, 7 ступени и совершения механической работы вращения роторов, преобразуемой генератором 26 в товарную электроэнергию, пар поступает на теплообменник 10, где он также отдает часть тепла конденсату.

Регулирующий вентиль 24 предназначен для регулирования отбора тепловой энергии к потребителю. С парового выхода теплофикационного теплообменника 17 рабочее тело в фазе пара при давлении, например, 0,1 кг/см² поступает в воздушный или традиционный конденсатор 18 с вентилятором 19, в котором осуществляется конденсация пара в жидкий конденсат, нагнетаемый бустерным насосом 22 через систему теплообменников 10 и 11 на вход каталитического реактора 1. Таким образом, потребителям с выхода генератора 26 поступает электроэнергия, а с выхода теплофикационного теплообменника 17 потребителю поступает горячая вода для теплоснабжения. В качестве рабочего тела в каталитической теплоэлектростанции могут быть использованы водяной пар или органическое рабочее тело, например фреон R216 и др. В зимнем, преимущественно теплофикационном, режиме работы каталитической теплоэлектростанции байпасный переключатель 12 отключает в паросиловом цикле регенеративный теплообменник 11 при включенном сетевом теплообменнике 17. В этом режиме работы тепловая мощность электростанции возрастает, а электрическая снижается, причем сброс тепловой энергии через систему охлаждения конденсатора 18 может быть сведен к нулю, а конденсация пара осуществляется в теплофикационном теплообменнике 17. В летнем режиме работы теплофикационный теплообменник 17 отключается. 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 18 и теплообменником 17 с помощью вентиля 24 по заданной программе графика тепловой и электрической нагрузки потребителя.

Каталитический реактор 1, состоящий из параллельных секций 32 радиационно конвективных инфракрасных тепловыделяющих элементов (КТЭМ), выполненных в виде пластин 33, предназначен для выработки перегретого пара с давлением, например, 60 кг/см² с параметрами, необходимыми для использования в паровых двигателях с электрогенератором при производстве электро- и теплоэнергии. Работа каталитического реактора 1 основана на низкотемпературном сжигании 650-830°С жидкого или газообразного топлива в присутствии катализатора, нанесенного на поверхность пластин 33 из пористого материала размером например 250×250 мм. После подогрева воздуха в рекуперативном теплообменнике 39 сбросным теплом выхлопных газов топливовоздушную смесь подают в полости 34 (карманы) при коэффициенте избытка воздуха α=1,05÷1,2 с температурой 80÷120°С, с обеспечением беспламенного каталитического горения на наружной поверхности пластин 33. При низкотемпературном сжигании не возникает условий для образования вредных выбросов, главным образом NO_x и бензопирена. В каталитическом реакторе 1 через смесительное устройство 40 подается воздух, подается топливо, которое после розжига с помощью нескольких электроискровых запальников 41 начинает гореть на поверхности пор пластин 33. В верхней части реактора расположена активная зона реактора (АЗР) 37, через которую проходят отходящие газы. Отходящими газами вода или другое рабочее тело нагревается, например до 500°С, в змеевике 35 парогенератора, выполненного из оребренных, прямоточных труб 36 с селективным покрытием, образующийся при этом перегретый пар высокого давления собирается в паросборнике, расположенном в верхней части реактора 1. Пар под давлением поступает в пароперегреватель верхней части АЗР 37. При этом пар в пароперегревателе идет в противоход отходящим газам, причем змеевик 35 нижней своей частью погружен в экономайзерную часть 38, что дает возможность использовать часть множества квантов hv инфракрасного излучения Е_ики на перегрев пара в верхней части АЗР 37, возникающего в результате каталитического окисления, тем самым повышается КПД реактора. Из пароперегревателя пар по трубопроводу подается на вход высокого давления парового двигателя, выполненного в виде предпочтительно (в данном случае) турбоэкспандера 4, или турбины. Реактор конструктивно совмещен с рекуперативным теплообменником 39 отходящих газов для подогрева воздуха. Корпус реактора 1 содержит экранно-вакуумную изоляцию 42, позволяющую исключить излучательные теплопотери. Реактор 1 может работать на различных видах газообразного и жидкого топлива. Ими могут быть природный и сжиженный газ, жидкие углеводороды, в том числе керосин, соляровое масло, тяжелые парафины, мазут, сырая нефть с известным оборудованием, обеспечивающим перевод их в парообразное или газообразное состояние.

Изобретение относится к области энергетики. Каталитическая теплоэлектростанция с паровым циклом содержит контур с парожидкостным рабочим телом, состоящий из каталитического реактора, соединенного со входом турбоэкспандера и входом первой ступени высокого давления, теплообменника, байпасного переключателя, воздушного конденсатора, генератора. Каталитический реактор состоит из корпуса, парогенератора из трубчатых змеевиков, тепловыделяющего каталитического элемента, трубы для отвода отходящих газов, системы подачи топливовоздушной смеси, при этом каталитический элемент выполнен из радиационно-конвективных инфракрасных тепловыделяющих элементов, установленных в корпусе в виде параллельных секций, боковые поверхности которых выполнены в виде пластин из магнитного высокопроницаемого ячеистого материала, при этом змеевики парогенератора выполнены прямоточными и размещены между секциями с внешней стороны каждой из пластин, причем часть прямоточного змеевика размещена в экономайзерной части парогенератора. Изобретение позволяет повысить эффективность и экологическую чистоту работы установки, каталитический реактор может работать на различных видах газообразного и жидкого топлива. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Каталитическая теплоэлектростанция с паровым циклом, включающая паросиловой контур с парожидкостным рабочим телом, состоящая из каталитического реактора, соединенного со входом двухроторного двухступенчатого турбоэкспандера и входом первой ступени высокого давления, выход которой соединен с регенеративным теплообменником, подключенным одним из своих выходов ко входу второй ступени низкого давления турбоэкспандера, теплообменника, байпасного переключателя, воздушного конденсатора и генератора, отличающаяся тем, что вторая ступень низкого давления турбоэкспандера выполнена двухпоточной с дополнительной двухроторной конструкцией, размещенной симметрично другой конструкции ступени низкого давления, относительно центральной продольной оси ступени высокого давления на одном валу турбоэкспандера, при этом выход ступени высокого давления подключен к теплообменнику и через байпасный переключатель соединен со входом регенеративного теплообменника, а байпасный переключатель подключен трубопроводом к линии подачи пара из регенеративного теплообменника одновременно на симметричные входы в ступень низкого давления, причем роторы ступени высокого давления и роторы двух конструкций ступени низкого давления выполнены шестеренными зубчатыми венцами, при этом роторы ступеней высокого и низкого давления выполнены с одинаковыми диаметрами, а ширина зубчатых венцов роторов ступени высокого давления равна 1/4-1/3 суммарной ширины двух зубчатых венцов роторов ступени низкого давления, ширина которых равна между собой.

2. Каталитический реактор, состоящий из корпуса, парогенератора из трубчатых змеевиков, тепловыделяющего каталитического элемента, трубы для отвода отходящих газов и системы подачи топливовоздушной смеси, отличающийся тем, что каталитический элемент выполнен из радиационно конвективных инфракрасных тепловыделяющих элементов, установленных в корпусе в виде параллельных секций, боковые поверхности которых выполнены в виде пластин из магнитного высокопроницаемого ячеистого материала, объединенных попарно с образованием прямоугольной замкнутой, с одной стороны полости, при этом полости каждой из секций подключены к трубопроводу подачи топливовоздушной смеси, а змеевики парогенератора выполнены прямоточными и размещены между секциями с внешней стороны каждой из пластин, причем часть прямоточного змеевика размещена в экономайзерной части парогенератора.

3. Каталитический реактор по п.2, отличающийся тем, что пластины высокопроницаемого ячеистого материала выполнены с микрослоем катализатора 60-90 мкм.

4. Каталитический реактор по п.2, отличающийся тем, что прямоточные тепловоспринимающие змеевики выполнены оребренными с селективным покрытием толщиной 60-85 мкм с коэффициентом поглощения А_ики=0,97 инфракрасного каталитического излучения.